Wykorzystanie technologii radarowych do wykrywania pojazdów i zapobiegania kolizjom w trudnych warunkach

Czujniki monitorowania ruchu oraz czujniki pozycji pomagają zapobiegać kolizjom, zapewniają bezpieczeństwo i podnoszą wydajność w logistyce, produkcji, górnictwie, transporcie, rolnictwie oraz w innych gałęziach przemysłu. Czujniki można montować na pojazdach lub umieszczać w strategicznych nieruchomych lokalizacjach.

Muszą one dawać możliwości konfigurowania w celu dopasowania do specyficznych potrzeb zastosowania, a także umożliwiać wielofunkcyjne pomiary, na przykład wykrywanie obiektów na podstawie odległości, kąta i prędkości. Zdolność do wykrywania wielu celów jednocześnie jest potrzebna w zatłoczonych lub skomplikowanych środowiskach.

Zastosowania takie jak rampy załadunkowe i kontrola prędkości wózków widłowych korzystają z technologii, która nie jest podatna na brud, kurz, wiatr, opady i inne warunki środowiskowe. Dostosowanie parametrów, takich jak kształt okna wykrywania i wartości docelowe, może dodatkowo poprawić parametry działania.

Artykuł rozpoczyna się przeglądem znaczenia częstotliwości roboczej dla kilku kluczowych specyfikacji radarów, a następnie przechodzi do porównania dostępnych technologii radarowych takich jak radar z falą ciągłą o modulowanej częstotliwości (FMCW) i radar impulsowy koherentny (PCR), schematów detekcji, charakterystyk kierunkowości wiązki i stref detekcji. Następnie przedstawiono pakiet oprogramowania, który może przyspieszyć rozwój zaawansowanych systemów wykorzystujących czujniki radarowe.

Artykuł kończy się przykładowymi zastosowaniami pokazującymi wykorzystanie tych czynników w radarowych czujnikach firmy Banner Engineering z serii Q90R do zapewnienia wielofunkcyjnych możliwości pomiaru w celu niezawodnego wykrywania w trudnych warunkach, na przykład do wykrywania obecności ciężarówek na rampie załadunkowej oraz kontrolowania prędkości wózków widłowych dla zwiększenia bezpieczeństwa.

Radiowe wykrywanie i pomiar odległości (radarowy) to aktywna technologia pomiaru, która emituje energię o wysokiej częstotliwości radiowej (RF). Energia odbija się od obiektów, na które napotyka, a właściwości odbitej energii pozwalają na wykrywanie obiektów, określenie ich odległości, a także, w niektórych sytuacjach, pomiar prędkości, z jaką zbliżają się do czujnika lub oddalają od niego.

Częstotliwość robocza jest podstawową cechą, która określa parametry działania czujnika radarowego. Dostępne przemysłowe czujniki radarowe pracują na częstotliwościach 24GHz, 60GHz i 122GHz. Należą one do pasm częstotliwości przemysłowych, naukowych i medycznych (ISM) i mogą być używane bez konieczności posiadania specjalnej licencji.

Częstotliwość robocza czujnika radarowego ma znaczący wpływ na kilka specyfikacji, w tym:

• Zasięg - czujniki radarowe niskiej częstotliwości, na przykład 24GHz, mają największy zasięg.
• Dokładność - czujniki radarowe wysokiej częstotliwości, na przykład 122GHz, mają wyższą dokładność i mogą wykrywać mniejsze obiekty.
• Strefa martwa - inaczej odległość blokująca, jest spowodowana zbyt bliskim położeniem celu. Ogólnie rzecz biorąc, czujniki działające z wyższą częstotliwością mają mniejsze strefy martwe.
• Odporność na warunki pogodowe - funkcje detekcji są odporne na wiatr, mgłę, parę i zmiany temperatury. Radar jest zazwyczaj odporny na zakłócenia spowodowane deszczem lub śniegiem. Radar 24GHz ma najlepszą zdolność ignorowania zakłóceń powodowanych przez deszcz i śnieg.
• Materiały obiektów docelowych - mimo że radar 24GHz jest najbardziej odporny na warunki pogodowe, jego zdolność do wykrywania szerokiego zakresu materiałów jest najbardziej ograniczona. Czujniki radarowe pracujące na częstotliwościach 60GHz lub 122GHz mają zdolność wykrywania materiałów o wysokiej oraz niskiej stałej dielektrycznej (ilustracja 1).

Ilustracja 1: częstotliwość robocza czujników radarowych znacząco wpływa na zdolność do identyfikacji różnych materiałów obiektów docelowych na podstawie ich właściwości dielektrycznych. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Nie tylko kwestia częstotliwości

Częstotliwość jest charakterystyczną cechą czujników radarowych. Inne ważne specyfikacje dotyczące technologii radarowej obejmują wybór między radarem z falą ciągłą o modulowanej częstotliwości (FMCW) i radarem impulsowym koherentnym (PCR), schematy wykrywania z uwzględnieniem pola nastawnego albo czujników retrorefleksyjnych, a także pole widzenia, kształt okna i wartości zadane celu.

Technologia FMCW emituje sygnał ciągły, który jest modulowany i zwiększa lub zmniejsza częstotliwość w obrębie ustalonej szerokości pasma. Mierząc częstotliwość odbitego sygnału, radar oblicza ile czasu zajęło sygnałowi odbicie się od celu i powrót. Informacje o czasie przelotu (ToF) określają odległość celu.

Do zalet technologii FMCW zalicza się: jednoczesne mierzenie odległości i prędkości bez potrzeby używania oddzielnych anten lub impulsów, doskonała rozdzielczość pomiarowa, zdolność do rozróżniania blisko położonych obiektów oraz wyższa dokładność pomiaru w trudnych warunkach.

Radar PCR wysyła impuls, wyłącza nadajnik, oczekuje na odebranie echa od celu, a potem ponownie uruchamia nadajnik, aby wysłać nowy impuls i kontynuować cykl. Podobnie jak w technologii FMCW, metoda analizy czasu przelotu (ToF) jest stosowana do określania odległości i prędkości celu. Wykorzystanie impulsów oznacza, że radar PCR zużywa mniej energii niż FMCW. Technologia radaru impulsowego koherentnego (PCR) jest często preferowana w systemach z zasilaniem bateryjnym i doskonale sprawdza się w zastosowaniach bliskiego zasięgu i małej mocy.

Czujniki z nastawnym polem i czujniki retrorefleksyjne

Radary o nastawnym polu wykrywają obiekty poprzez wykrywanie odbitych fal radiowych (RF). Są one odpowiednie do wykrywania obiektów o dużym przekroju skutecznym celu radiolokacyjnego, które odbijają dużo energii fal radiowych (RF). Obiekty z dużymi metalicznymi powierzchniami, szczególnie te ustawione prostopadle do wiązki radarowej, na ogół mają duże przekroje skuteczne celu radiolokacyjnego.

W czujnikach radarowych o nastawnym polu można konfigurować wartości zadane odległości. Czujnik wykorzystuje obliczenia czasu przelotu (ToF) do określenia zasięgu celu i sygnalizuje tylko obecność celów w przedziale zadanej odległości.

Retrorefleksyjny czujnik radarowy opiera się na obecności odbijającego falę celu referencyjnego, takiego jak ściana. Wykrywa on obiekty poprzez identyfikację zaburzeń w sygnale powrotnym z celu referencyjnego. Omawiane czujniki radarowe można zoptymalizować do wykrywania obiektów, nawet jeśli nie mają one dużych przekrojów skutecznych.

Czujniki radarowe FMCW 60GHz

Czujniki radarowe FMCW o nastawnym polu z serii Q90R pracują na częstotliwości 60GHz i zapewniają zrównoważone parametry działania pod względem dokładności, zasięgu i możliwości wykrywania materiałów. Ponadto posiadają one stopień ochrony IP69K i można je stosować w wymagających środowiskach (ilustracja 2). Są one dostępne z polem widzenia 120° na 40° lub 40° na 40°. Parametry, takie jak zasięg i wykrywanie najbliższego lub dającego najsilniejszy sygnał obiektu, mogą być dostosowywane do szczególnych wymagań zastosowania.

Ilustracja 2: czujniki radarowe FMCW z nastawnym polem z serii Q90R pracują na częstotliwości 60GHz i mają wytrzymałą obudowę o stopniu ochrony IP69K. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Czujnik Q90R2-12040-6KDQ wyróżnia się dużymi możliwościami konfigurowania pola widzenia 120° na 40°. Użytkownik może podzielić to pole na niezależne strefy wykrywania, co pozwala na precyzyjne wykrywanie położenia (ilustracja 3). Jego zdolność wykrywania w wielu wymiarach pozwala lepiej wykrywać obiekty, uwzględniając odległość, pozycję radialną i wartości progowe prędkości. Podobnie jak inne modele czujników radarowych z grupy Q90R, ma on zasięg od 0,15 do 20m. Udostępnia on także elastyczne opcje łączności, takie jak technologia IO-Link oraz technologia modulacji częstotliwości impulsów (PFM) Pulse Pro firmy Banner Engineering.

Ilustracja 3: czujniki radarowe Q90R2 mają szerokie pole widzenia 120° na 40° z możliwością konfigurowania (źródło ilustracji: Banner Engineering)

Lepsze działanie dzięki oprogramowaniu

Projektanci mogą odblokować zaawansowane możliwości czujników radarowych Q90R i Q90R2, korzystając z oprogramowania Measurement Sensor Software firmy Banner Engineering. Ten graficzny interfejs użytkownika (GUI) pozwala na konfigurowanie i wizualizację danych pochodzących z czujników

Oprogramowanie wyświetla obraz, który ukazuje, co widzi czujnik. Jest to przydatne w przypadku czujników bez widocznych wiązek, takich jak czujniki radarowe. Użytkownicy mogą modyfikować parametry czujnika, takie jak szybkość reakcji, konfiguracje wyjścia i opcje filtrowania.

Pole widzenia czujnika Q90R2 o wymiarach 120° na 40° daje szerokie możliwości konfigurowania i pozwala na precyzyjne pozycjonowanie oraz sterowanie. Projektanci mogą używać oprogramowania firmy Banner Engineering, aby dostosować zaawansowane parametry pomiaru, takie jak kształt okna i docelowe wartości zadane dla każdego zastosowania. (Ilustracja 4).

Ilustracja 4: oprogramowanie Measurement Sensor Software firmy Banner Engineering umożliwia projektantom optymalizację pola widzenia (u góry) oraz kształtów okien i punktów docelowych (u dołu). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Wykrywanie pojazdów w dokach załadunkowych

Automatyczne i dokładne wykrywanie samochodów ciężarowych w dokach załadunkowych jest ważne dla zwiększenia produktywności i bezpieczeństwa oraz spełnienia norm środowiskowych. Tradycyjne rozwiązania, takie jak dzwonki do drzwi lub wskaźniki świetlne, często okazują się nieodpowiednie. W dokach załadunkowych panuje hałas, przez co dzwonki do drzwi nie zawsze można usłyszeć. Dodatkowo oświetlenie na suficie oraz na maszynach, a także migające światła na wózkach widłowych, mogą sprawić, że łatwo jest przeoczyć wskaźnik świetlny, nawet jeśli miga.

Pożądane jest wdrożenie rozwiązania czujnika automatycznego. Jednak ciężarówki występują w wielu rozmiarach, ich producenci używają różnych materiałów i szerokiej gamy kolorów oraz wykończeń powierzchni. Te wyzwania, a także niejednoznaczności związane z warunkami środowiskowymi, takimi jak hałas, kurz, deszcz czy śnieg, sprawiają, że trudno wdrożyć niezawodne rozwiązanie oparte na czujnikach fotoelektrycznych lub ultradźwiękowych.

Często preferowanym wyborem są czujniki radarowe, takie jak Q90R2. Są one niewrażliwe na warunki środowiskowe otoczenia. Mają obudowę o stopniu ochrony IP67/IP69K, co czyni je odpornymi na ulewne deszcze i inne trudne warunki środowiskowe, oraz szeroki zakres temperatur roboczych od -40°C do +65°C. Mogą one niezawodnie wykrywać obecność ciężarówek niezależnie od materiału i jego koloru, tekstury lub współczynnika odbicia.

Dzięki niezależnym strefom wykrywania z możliwością konfiguracji oraz charakterystyce kierunkowości wiązki 120° na 40°, czujnik Q90R2 może wykonywać pracę dwóch czujników i wykrywać obecność ciężarówek w dwóch sąsiednich dokach (ilustracja 5).

Ilustracja 5: charakterystyka kierunkowości wiązki 120° x 40° czujnika radarowego Q90R2 pozwala na monitorowanie dwóch doków dla ciężarówek z użyciem jednego czujnika. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kontrola prędkości i bezpieczeństwo wózków widłowych

Czujniki radarowe można montować na takich pojazdach jak wózki widłowe, aby wykrywać zmiany w ich otoczeniu i tym samym zwiększać bezpieczeństwo, a nie tylko wykrywać inne pojazdy. Na przykład czujnik radarowy Q90R2 można zamontować z tyłu lub po bokach wózka widłowego. Można go tak skonfigurować, by tworzył wiele stref w różnych odległościach.

Q90R2 szczególnie dobrze sprawdza się w monitorowaniu obiektów w ruchu dzięki szerokiej charakterystyce kierunkowości wiązki, wynoszącej 120° na 40°. Dodatkowo urządzenie Q90R2 dostarcza informacji zwrotnych na temat odległości radialnej, położenia kątowego i prędkości celu. Gdy zagrożenie się zbliża, system ostrzega operatora wózka widłowego, automatycznie zmniejsza prędkość pojazdu lub zatrzymuje go.

W sytuacjach, gdy wózki widłowe są użytkowane zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków, na ich dachu montuje się czujnik radarowy Q90R z charakterystyką kierunkowości wiązki 40° na 40°, aby wykrywać, czy powyżej znajduje się sufit, czy też nie. Kiedy wózek widłowy jest na zewnątrz i nie wykrywa sufitu, maszyna może poruszać się z maksymalną dozwoloną prędkością. Kiedy wózek widłowy porusza się wewnątrz pomieszczeń z sufitem, system automatycznie ogranicza jego maksymalną prędkość, aby zwiększyć bezpieczeństwo i zapobiec szkodom (ilustracja 6).

Ilustracja 6: czujniki radarowe pozwalają monitorować osoby i obiekty wokół wózka widłowego oraz sprawdzać obecność sufitu. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

W zależności od potrzeb systemu, do wyboru jest kilka modeli Q90R z różnymi konfiguracjami wyjść, w tym:

• Q90R-4040-6KDQ z podwójnym dyskretnym wyjściem NPN/PNP, modulacją częstotliwości impulsów (PFM) i technologią IO-Link
• Q90R-4040-6KIQ z analogowym wyjściem prądowym (4-20mA), 1 wyjściem dyskretnym NPN/PNP i technologią IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ z analogowym wyjściem napięciowym (0-10V lub 0,5-4,5V), 1 dyskretnym wyjściem NPN/PNP i technologią IO-Link

Podsumowanie

Seria czujników radarowych Q90R cechuje się dużą wszechstronnością. Częstotliwość robocza 60GHz pozwala im wykrywać różne materiały. Dzięki zasięgowi do 20m i charakterystykom kierunkowości wiązki z możliwością konfigurowania, radary FMCW mogą obsługiwać różne zastosowania. Dostępne są liczne opcje wyjść, aby sprostać różnorodnym potrzebom systemów. Mogą być montowane na pojazdach, takich jak wózki widłowe, lub umieszczane w strategicznych nieruchomych lokalizacjach, na przykład przy dokach załadunkowych. Projektanci mogą też skorzystać z oprogramowania Measurement Sensor Software firmy Banner Engineering, aby szybciej zaprojektować i wdrożyć system.