Hur radar kan användas för fordonsavkänning och undvikande av kollisioner i utmanande miljöer

Sensorer för rörelseövervakning och position kan göra det möjligt att undvika kollisioner, garantera säkerheten och öka produktiviteten inom logistik, tillverkning, gruvdrift, transport, jordbruk och andra branscher. Sensorerna kan monteras på fordon eller placeras på strategiskt valda fasta platser.

De måste vara konfigurerbara för att passa specifika tillämpningsbehov och ha avkänning med flera funktioner, inklusive avkänning av föremål baserat på avstånd, vinkel och hastighet. Förmågan att upptäcka flera föremål samtidigt krävs i hektiska eller komplexa miljöer.

Tillämpningar som lastkajer och hastighetskontroll för gaffeltruckar kan dra nytta av en teknik som inte påverkas av smuts, damm, vind, nederbörd eller andra miljöförhållanden. Genom att anpassa parametrar som avkänningsfönstrets form och målets börvärden kan prestandan förbättras ytterligare.

Artikeln inleds med en genomgång av driftfrekvensens betydelse för flera viktiga radarspecifikationer och går sedan vidare till en jämförelse av tillgängliga radartekniker som frekvensmodulerad kontinuerlig våg (FMCW) och pulserande koherent radar (PCR), avkänningssystem, strålningsmönster och avkänningszoner. Därefter presenteras en uppsättning program som kan skynda på utvecklingen av avancerade system som använder radarsensorer.

Den avslutas med tillämpningsexempel på hur alla dessa faktorer används i radarsensorserien Q90R från Banner Engineering för att tillhandahålla tillförlitlig avkänning med flera funktioner i krävande miljöer, inklusive avkänning av närvaro av truckar vid en lastkaj och styrning av gaffeltruckens hastighet för ökad säkerhet.

Radar (Radio Detection and Ranging) är en aktiv sensorteknik som skickar RF-energi med hög frekvens. Energin reflekteras av föremål i dess väg och egenskaperna hos den reflekterade energin kan användas för att upptäcka föremål, bestämma deras avstånd och i vissa fall mäta hastigheten med vilken de rör sig mot eller bort från sensorn.

Driftfrekvens är en grundläggande egenskap som avgör hur bra en radarsensor fungerar. Det finns industriella radarsensorer som arbetar på 24, 60 och 122 GHz, delar av de industriella, vetenskapliga och medicinska (ISM) frekvensbanden, och får användas utan särskild licens.

Driftfrekvensen för en radarsensor har en betydande inverkan på flera specifikationer, bland annat:

• Räckvidd - Lågfrekventa radarsensorer med 24 GHz har den längsta räckvidden.
• Noggrannhet - Högfrekventa radarsensorer med 122 GHz har högre noggrannhet och kan upptäcka mindre objekt.
• Dödzon - En radarsensors dödzon, eller blockeringsavstånd, orsakas av att målet är för nära. Högfrekventa sensorer har i allmänhet kortare dödzoner.
• Väderbeständighet - Avkänningsfunktionerna är immuna mot vind, dimma, ånga och temperaturförändringar. Radar är i allmänhet tåligt mot störningar från regn eller snö. Radar med 24 GHz har den bästa förmågan att avvisa störningar från regn och snö.
• Målets material - Även om radarn med 24 GHz är tåligast mot väderstörningar är den mest begränsad i sin förmåga att känna av en stor mängd material. Radarsensorer på 60 eller 122 GHz kan känna av hög- och lågdielektriska material (figur 1).

Figur 1: Radarsensorernas driftfrekvens har stor inverkan på förmågan att identifiera en rad olika föremåls material baserat på deras dielektriska egenskaper. (Bildkälla: Banner Engineering)

Bortom frekvensen

Frekvens är en viktig egenskap hos radarsensorer. Andra viktiga specifikationer är radarteknik som t.ex. FMCW kontra PCR, avkänningssystem som justerbart fält kontra retroreflekterande sensorer samt synfält, fönstrets form och börvärden för målet.

FMCW skickar ut en kontinuerlig signal som moduleras och ökar eller minskar i frekvens inom en fast bandbredd. Genom att mäta frekvensen på en reflekterad signal vet radarn hur lång tid det har tagit för signalen att reflekteras av målet och sedan återvända. Denna information om flygtid (ToF) avgör målets räckvidd.

Några av fördelarna med FMCW är samtidig mätning av avstånd och hastighet utan att separata antenner eller pulser behövs, överlägsen avståndsupplösning, möjlighet att skilja mellan mål som ligger nära varandra och högre noggrannhet i krävande miljöer.

PCR-radarn skickar en puls, stänger av sändaren, väntar på att få ett eko från målet och slår sedan på sändaren igen för att sända en ny puls och fortsätta cykeln. På samma sätt som FMCW används en form av analys av flygtiden för att bestämma målets avstånd och hastighet. Användningen av pulser innebär att PCR-radarn använder mindre ström än FMCW. PCR används ofta i batteridrivna system och lämpar sig väl för tillämpningar med korta avstånd och låg effekt.

Justerbart fält jämfört med retroreflekterande sensorer

Radar med justerbart fält känner av objekt genom att känna av de RF-vågor som reflekteras. De är mycket lämpliga för att känna av objekt med ett stort radartvärsnitt som reflekterar mycket RF-energi. Föremål med stora metalliska ytor, särskilt ytor som är vinkelräta mot radarstrålen, har typiskt stora radartvärsnitt.

Radarsensorer med justerbart fält kan ha konfigurerbara börvärdesavstånd. Sensorn använder beräkningar av flygtiden (ToF) för att konstatera målets avstånd och signalerar endast närvaron av mål inom det inställda börvärdesavståndet.

En retroreflekterande radarsensor är beroende av att det finns ett reflekterande referensmål, som t.ex. en vägg. Den känner av objekt genom att identifiera störningar i den returnerade signalen från referensobjektet. Dessa radarsensorer kan optimeras för att känna av objekt även om de inte har stora radartvärsnitt.

FMCW-radarsensorer, 60 GHz

Serien Q90R med FMCW-radarsensorer och justerbart fält arbetar med 60 GHz och har en balanserad prestanda när det gäller noggrannhet, räckvidd och funktioner för avkänning av material. De är dessutom IP69K-klassificerade och lämpliga för användning i krävande miljöer (figur 2). De finns med synfält på 120° x 40° eller 40° x 40°. Parametrar som räckvidd och avkänning av det närmaste eller starkaste objektet kan ändras för specifika tillämpningskrav.

Figur 2: FMCV-radarsensorer i serien Q90R med justerbart fält som arbetar på 60 GHz och har ett robust hölje som är klassificerat enligt IP69K. (Bildkälla: DigiKey)

Q90R2-12040-6KDQ har ett mycket konfigurerbart synfält på 120° x 40° som kan delas upp i oberoende avkänningszoner och möjliggör positionsavkänning med hög noggrannhet (figur 3). Dess avkänningsförmåga i flera dimensioner har stöd för mer intelligent avkänning av föremål baserat på gränsvärden för avstånd, radiell position och hastighet. På samma sätt som andra modeller i radarsensorfamiljen Q90R har den en räckvidd på 0,15 till 20 m. Den har även flexibla anslutningsmöjligheter, inklusive teknik för IO-Link och Pulse Pro-teknik från Banner för pulsfrekvensmodulering (PFM).

Figur 3: Radarsensorerna Q90R2 har ett konfigurerbart och brett synfält på 120° x 40° (Bildkälla: Banner Engineering)

Programvara låser upp prestandan

De kraftfulla funktionerna hos radarsensorerna Q90R och Q90R2 kan låsas upp med hjälp av programmet Measurement Sensorfrån Banner, ett grafiskt användargränssnitt (GUI) som gör det möjligt för konstruktörer att konfigurera och visualisera data från sensorerna

Programmet tillhandahåller en grafisk bild som visar vad sensorn ser, vilket är användbart för sensorer utan synliga strålar, som radarsensorer. Användaren kan ändra sensorns parametrar som t.ex. svarshastighet, utgångskonfigurationer och filtreringsalternativ.

Synfältet i Q90R2 på 120° x 40° är mycket konfigurerbart och möjliggör noggrann positionering och styrning. Konstruktörer kan använda Banners program för att anpassa avancerade avkänningsparametrar, som t.ex. respektive tillämpnings fönsterform och målets börvärden. (figur 4).

Figur 4: Med programmet Measurement Sensor från Banner kan konstruktörer optimera synfältet (överst), fönsterformerna och målpunkterna (nederst). (Bildkälla: Banner Engineering)

Avkänning av fordon vid lastkajer

Automatisk och korrekt avkänning av lastbilar vid lastkajer är viktigt för att stödja produktivitet och säkerhet samt uppfylla miljöstandarder. De traditionella lösningarna med dörrklockor eller indikeringslampor är ofta inte lämpliga. Lastkajer kan vara bullriga platser där dörrklockor inte alltid hörs. Dessutom kan tak- och maskinbelysning samt blinkande lampor på gaffeltruckar göra det lätt att förbise en indikeringslampa, även om det är en blinkande sådan.

En automatiserad sensorlösning är önskvärd. Lastbilar har dock olika storlekar, är tillverkade av olika material och kan ha ett brett utbud av färger och lackeringar. Dessa utmaningar, tillsammans med bekymmer med omgivande miljöförhållanden som t.ex. buller, damm, regn eller snö, gör det svårt att implementera en tillförlitlig lösning baserad på fotoelektriska sensorer eller ultraljudssensorer.

Radarsensorer som Q90R2 är ofta det bästa valet. De ignorerar de förhållandena i den omgivande miljön. De har ett hölje klassificerat enligt IP67/IP69K, vilket gör dem lämpliga för slagregn och andra utmanande miljöförhållanden, och ett stort drifttemperaturområde på -40 °C till +65 °C. De kan på ett tillförlitligt sätt upptäcka förekomsten av lastbilar oavsett material och deras färger, struktur eller reflektionsförmåga.

De oberoende och konfigurerbara avkänningszonerna och strålningsmönster på 120° x 40° i Q90R2 gör att en sensor kan utföra samma arbete som två och känna av närvaron av lastbilar vid två intilliggande kajer (figur 5).

Figur 5: Strålningsmönstret på 120° x 40° hos radarsensorn Q90R2, innebär att en enda sensor kan övervaka två lastbilsplatser. (Bildkälla: Banner Engineering)

Hastighetsstyrning och säkerhet för gaffeltruckar

Förutom att upptäcka fordon kan radarsensorer monteras på ett fordon, t.ex. en gaffeltruck, för att upptäcka förändringar i omgivningen och därmed öka säkerheten. En Q90R2-radarsensor kan t.ex. monteras på baksidan eller sidorna av en gaffeltruck och konfigureras med flera zoner på olika avstånd.

Det breda strålningsmönstret på 120° x 40° hos Q90R2 gör den särskilt lämplig för övervakning av omgivande föremål som kan vara i rörelse. Dessutom ger Q90R2 återkoppling om radiellt avstånd, vinkel och målets hastighet. När en fara närmar sig kan truckföraren varnas, och truckens hastighet kan begränsas eller stoppas automatiskt.

I de fall där en gaffeltruck används både inom- och utomhus kan en Q90R-radarsensor med ett strålningsmönster på 40° x 40° monteras på taket för att upptäcka om det finns ett tak eller inte. När gaffeltrucken befinner sig utomhus och inget tak upptäcks kan maskinen köra med högsta tillåtna hastighet. När trucken körs inomhus och det finns ett tak kan den högsta hastigheten sänkas automatiskt för att öka säkerheten och förhindra skador (figur 6).

Figur 6: Radarsensorer kan användas för att övervaka personer eller föremål runt en gaffeltruck och för att se om det finns ett tak eller inte. (Bildkälla: Banner Engineering)

Beroende på systemets behov finns det flera modeller av Q90R att välja mellan med olika utgångskonfigurationer, som t.ex:

• Q90R-4040-6KDQ med dubbla diskreta NPN/PNP, PFM och en IO-Link-utgång
• Q90R-4040-6KIQ med en analog strömutgång (4 till 20 mA), 1 diskret NPN/PNP- och en IO-Link-utgång
• Q90R-4040-6KUQ med en analog spänningsutgång (0 till 10 V eller 0,5 till 4,5 V), 1 diskret NPN/PNP- och en IO-Link-utgång

Sammanfattning

Radarsensorerna i Q90R-serien är mycket mångsidiga. Deras driftfrekvens på 60 GHz gör att de kan känna av olika material. Med en räckvidd på upp till 20 m och konfigurerbara strålningsmönster kan dessa FMCW-radar stödja en mängd olika tillämpningar. De finns med flera olika utgångsalternativ för olika systembehov och kan monteras på fordon som gaffeltruckar eller placeras på strategiskt valda fasta platser, t.ex. i anslutning till lastkajer. Slutligen kan konstruktörer använda sig av Banners program Measurement Sensor för att påskynda systemkonstruktion och driftsättning.