Hvordan radar kan bruges til køretøjsregistrering og kollisionsforebyggelse i udfordrende miljøer
Bidraget af DigiKeys nordamerikanske redaktører
2024-11-12
Bevægelsesovervågning og positionssensorer kan gøre det muligt at undgå kollisioner, garantere sikkerheden og øge produktiviteten inden for logistik, produktion, minedrift, transport, landbrug og andre industrier. Sensorerne kan monteres på køretøjer eller placeres på strategiske, faste steder.
De skal kunne konfigureres til at passe til specifikke applikationsbehov og have multifunktionelle sensorevner, herunder objektregistrering baseret på afstand, vinkelposition og hastighed. Evnen til at opdage flere mål på én gang er nødvendig i travle eller komplekse miljøer.
Anvendelser som læsseramper og hastighedskontrol af gaffeltrucks drager fordel af en teknologi, der ikke påvirkes af snavs, støv, vind, nedbør og andre miljøforhold. Tilpasning af parametre som detekteringsvinduets udformning og sætpunkterne for målene kan forbedre ydeevnen yderligere.
Denne artikel starter med en gennemgang af driftsfrekvensens betydning for flere vigtige radarspecifikationer og går derefter videre til en sammenligning af tilgængelige radarteknologier som frekvensmoduleret, kontinuerlig bølge (frequency modulated continuous wave/FMCW) og kohærentimpulsradar (pulsed coherent radar/PCR), detekteringsplaner, strålemønstre og sensorzoner. Dernæst præsenteres en softwarepakke, der kan fremskynde udviklingen af avancerede systemer, der bruger radarsensorer.
Den afsluttes med eksempler på, hvordan alle disse faktorer bruges i Banner Engineerings Q90R-serie af radarsensorer til at give multifunktionelle sensorevner til pålidelig registrering i krævende miljøer, herunder registrering af tilstedeværelsen af lastbiler ved en læsserampe og styring af gaffeltruckens hastighed for øget sikkerhed.
Radiodetektering og -bestemmelse (radio detection and ranging/radar) er en aktiv sensorteknologi, der udsender højfrekvent RF-energi. Energien reflekteres fra de objekter, den rammer på dens vej, og egenskaberne ved den reflekterede energi kan bruges til at registrere objekter, bestemme deres afstand og i nogle tilfælde måle den hastighed, hvormed de bevæger sig mod eller væk fra sensoren.
Driftsfrekvensen er en grundlæggende egenskab, der bestemmer en radarsensors ydeevne. Der findes industrielle radarsensorer, som arbejder på 24 GHz, 60 GHz og 122 GHz, dele af de industrielle, videnskabelige og medicinske (ISM) frekvensbånd, og som kan bruges uden en særlig licens.
En radarsensors driftsfrekvens har en betydelig indvirkning på flere specifikationer, herunder:
- Rækkevidde- lavfrekvente radarsensorer som 24 GHz har den længste rækkevidde.
- Nøjagtighed - højfrekvente radarsensorer som 122 GHz har større nøjagtighed og kan registrere mindre objekter.
- Dødzone - en radarsensors dødzone eller blokeringsafstand skyldes, at målet er for tæt på. Generelt har sensorer med højere frekvens, mindre døde zoner.
- Vejrbestandighed - Sensorfunktionerne er immune over for vind, tåge, damp og temperaturændringer. Radaren er generelt modstandsdygtig over for forstyrrelser fra regn eller sne. 24 GHz-radaren har den bedste evne til at ignorere interferens fra regn og sne.
- Målmaterialer - Selv om den er mest modstandsdygtig over for interferens fra vejret, er 24 GHz-radaren den mest begrænsede i sin evne til at registrere en lang række materialer. 60 GHz- eller 122 GHz-radarsensorer kan registrere høj- og lavdielektriske materialer (figur 1).
Figur 1: Radarsensorernes driftsfrekvens har stor indflydelse på evnen til at identificere en række målmaterialer baseret på deres dielektriske egenskaber. (Billedkilde: Banner Engineering)
Ud over frekvens
Frekvensen er en afgørende egenskab ved radarsensorer. Men andre vigtige specifikationer omfatter radarteknologi som FMCW kontra PCR, detekteringssystemer, herunder indstillelig felt kontra retroreflekterende sensorer, og synsfelt, vinduesform og sætpunkterne for målene.
FMCW udsender et kontinuerligt signal, der er moduleret og stiger eller falder i frekvens over en fast båndbredde. Ved at måle frekvensen af et reflekteret signal ved radaren, hvor lang tid det har taget for signalet at blive reflekteret af målet og vende tilbage. Denne information om flyvetid (time of flight/ToF) bestemmer målets rækkevidde.
Nogle af fordelene ved FMCW er samtidig måling af afstand og hastighed uden brug af separate antenner eller impulser, overlegen afstandsopløsning, evnen til at skelne mellem tætliggende mål og større nøjagtighed i udfordrende miljøer.
PCR-radaren sender en puls, slukker for senderen, venter på at modtage et ekko fra målet og tænder så for senderen igen for at sende en ny puls og fortsætte cyklussen. Ligesom FMCW bruges en form for ToF-analyse til at bestemme målets rækkevidde og hastighed. Brugen af impulser betyder, at PCR-radaren bruger mindre strøm end FMCW. PCR foretrækkes ofte i batteridrevne systemer og er velegnet til kortrækkende applikationer, der sender med lav effekt.
Indstillelig felt vs. retroreflekterende sensorer
Indstillelig feltradar registrerer objekter ved at opfange reflekterede RF-bølger. De er velegnede til at registrere objekter med et stort radartværsnit, som reflekterer en masse RF-energi. Objekter med store metalliske overflader, især overflader, der er vinkelrette på radarstrålen, har typisk store radartværsnit.
Radarsensorer med indstillelig felt kan have konfigurerbare sætpunktsafstander. Sensoren bruger ToF-beregninger til at bestemme målområdet og signalerer kun tilstedeværelsen af mål inden for sætpunktsafstanden.
En retroreflekterende radarsensor er afhængig af tilstedeværelsen af et reflekterende referencemål som f.eks. en væg. Den registrerer objekter ved at identificere forstyrrelser i retursignalet fra referencemålet. Disse radarsensorer kan optimeres til at opfange objekter, selv om de ikke har store radartværsnit.
60 GHz, FMCW-radarsensorer
Q90R-serien af FMCW-radarsensorer med indstillelig felt arbejder ved 60 GHz og giver en afbalanceret ydeevne med hensyn til nøjagtighed, rækkevidde og materialedetekteringsevner. Desuden er de IP69K-klassificerede og egnede til brug i krævende miljøer (figur 2). De fås med et synsfelt på 120° x 40° eller 40° x 40°. Parametre som rækkevidde og registrering af det nærmeste eller stærkeste objekt kan ændres til specifikke anvendelseskrav.
Figur 2: Q90R-serien af FMCW-radarsensorer med indstillelig felt arbejder ved 60 GHz og er i en robust IP69K-pakke. (Billedkilde: DigiKey)
Q90R2-12040-6KDQ har et meget konfigurerbart synsfelt på 120° x 40°, der kan opdeles i uafhængige detekteringszoner og muliggør præcis positionsregistrering (figur 3). Dens flerdimensionelle sensorevne kan understøtte mere intelligent objektregistrering baseret på afstand, radial position og hastighedstærskler. Ligesom andre modeller i Q90R-familien af radarsensorer har den en rækkevidde på 0,15 til 20 m. Den tilbyder også fleksible tilslutningsmuligheder, herunder IO-Link og Banners Pulse Pro-teknologi til pulsfrekvensmodulation (PFM).
Figur 3: Q90R2-radarsensorer har et konfigurerbart og bredt synsfelt på 120° x 40° (billedkilde: Banner Engineering).
Software låser op for ydeevnen
Q90R og Q90R2-radarsensorernes stærke funktioner kan frigøres ved hjælp af Banners Measurement Sensor Software, en grafisk brugergrænseflade (GUI), der gør det muligt for designere at konfigurere og visualisere data fra sensorerne.
Softwaren giver en grafik, der viser, hvad sensoren ser, hvilket er nyttigt for sensorer uden synlige stråler, som f.eks. radarsensorer. Brugerne kan ændre sensorparametre som f.eks. reaktionshastighed, udgangskonfigurationer og filtreringsmuligheder.
Q90R2's 120° x 40° synsfelt er meget konfigurerbart og muliggør præcis positionering og kontrol. Designere kan bruge Banners software til at tilpasse avancerede sensorparametre, som f.eks. hver applikations vinduesform og sætpunkterne for målene. (Figur 4).
Figur 4: Banners Measurement Sensor Software gør det muligt for designere at optimere synsfeltet (øverst) og vinduesformerne og målpunkterne (nederst). (Billedkilde: Banner Engineering)
Registrering af køretøjer ved læsseramper
Automatisk og præcis registrering af lastbiler ved læsseramper er vigtig for at understøtte produktivitet og sikkerhed og opfylde miljøstandarder. De traditionelle løsninger med dørklokker eller indikatorlamper er ofte ikke egnede. Læsseramper kan være støjende steder, hvor man ikke altid kan høre dørklokkerne. Desuden kan tilstedeværelsen af lofts- og maskinbelysning og blinkende lys på gaffeltrucks gøre det nemt at overse en indikatorlampe, selv en, der blinker.
En automatiseret sensorløsning er at foretrække. Men lastbiler findes i flere størrelser, er fremstillet af forskellige materialer og kan have en bred vifte af farver og overfladebehandlinger. Disse udfordringer plus tvetydighederne i de omgivende miljøforhold som støj, støv, regn eller sne gør det udfordrende at implementere en pålidelig løsning baseret på fotoelektriske eller ultrasoniske sensorer.
Radarsensorer som Q90R2 er ofte det foretrukne valg. De ignorerer de omgivende miljøforhold. De har et IP67/IP69K-klassificeret hus, der gør dem velegnede til regnvejr og andre udfordrende miljøforhold og et bredt driftstemperaturområde på -40 °C til +65 °C. De kan pålideligt registrere tilstedeværelsen af lastbiler, uanset materialet og dets farve, tekstur eller refleksionsevne.
De uafhængige og konfigurerbare sensorzoner og Q90R2's 120° x 40° strålemønster kan gøre det muligt for én sensor at gøre to sensorers arbejde og registrere tilstedeværelsen af lastbiler ved to tilstødende kajer (figur 5).
Figur 5: Q90R2-radarsensorens strålemønster på 120° x 40° betyder, at en enkelt sensor kan overvåge to læsseramper til lastbiler. (Billedkilde: Banner Engineering)
Kontrol af gaffeltruckens hastighed og sikkerhed
Ud over at registrere køretøjer kan radarsensorer monteres på et køretøj som en gaffeltruck for at registrere ændringer i omgivelserne og øge sikkerheden. For eksempel kan en Q90R2-radarsensor monteres bag på eller på siderne af en gaffeltruck og konfigureres med flere zoner på forskellige afstande.
Q90R2's brede strålemønster på 120° x 40° gør den særligt velegnet til overvågning af objekter i omgivelserne, som kan være i bevægelse. Derudover giver Q90R2-feedback på radial afstand, vinkelposition og målhastighed. Når farerne kommer tættere på, kan gaffeltruckføreren blive advaret, gaffeltruckens hastighed kan automatisk begrænses, eller gaffeltrucken kan stoppes.
I tilfælde, hvor en gaffeltruck bruges både indendørs og udendørs, kan en Q90R-radarsensor med et strålemønster på 40° x 40° monteres på taget for at registrere tilstedeværelsen eller fraværet af et loft. Når gaffeltrucken er udendørs, og der ikke registreres noget loft, kan maskinen bevæge sig med den maksimalt tilladte hastighed. Når gaffeltrucken kører indendørs, og der er et loft, kan den maksimale hastighed automatisk reduceres for at øge sikkerheden og forhindre skader (figur 6).
Figur 6: Radarsensorer kan bruges til at overvåge, om der er mennesker eller genstande omkring en gaffeltruck, og om der er et loft eller ej. (Billedkilde: Banner Engineering)
Afhængigt af systemets behov er der flere Q90R-modeller at vælge imellem med forskellige udgangskonfigurationer, bl.a.:
- Q90R-4040-6KDQ med dobbelt diskret NPN/PNP, PFM og en IO-Link-udgang
- Q90R-4040-6KIQ med en analog strøm (4 til 20 mA), 1 diskret NPN/PNP og en IO-Link-udgang
- Q90R-4040-6KUQ med en analog spænding (0 til 10 V eller 0,5 til 4,5 V), 1 diskret NPN/PNP og en IO-Link-udgang
Konklusion
Q90R-seriens radarsensorer er meget alsidige. Deres driftsfrekvens på 60 GHz gør dem i stand til at registrere forskellige materialer. Med en rækkevidde på op til 20 m og konfigurerbare strålemønstre kan disse FMCW-radarer understøtte en række forskellige anvendelser. De fås med flere udgangsmuligheder for at understøtte forskellige systembehov og kan monteres på køretøjer som gaffeltrucks eller placeres på strategiske faste steder som f.eks. ved siden af læsseramper. Endelig kan designere bruge Banners Measurement Sensor Software til at fremskynde systemdesign og implementering.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.