Cum poate fi utilizat radarul pentru detectarea vehiculelor și evitarea coliziunilor în medii dificile

Senzorii de monitorizare a mișcării și a poziției pot ajuta la evitarea coliziunilor, obținerea siguranței și creșterea productivității în logistică, producție, minerit, transport, agricultură și alte industrii. Senzorii pot fi montați pe vehicule sau plasați în locații fixe strategice.

Aceștia trebuie să fie configurabili pentru a răspunde nevoilor specifice ale aplicațiilor și să aibă capacități de detectare multifuncționale, inclusiv de detectare a obiectelor în funcție de distanță, poziția unghiulară și viteză. Capacitatea de a detecta mai multe ținte simultan este necesară în mediile aglomerate sau complexe.

Aplicațiile precum platformele de încărcare și controlul vitezei stivuitoarelor beneficiază de utilizarea unei tehnologii care nu este afectată de murdărie, praf, vânt, precipitații și alte condiții de mediu. Personalizarea parametrilor, cum ar fi forma ferestrei de detectare și valorile de referință țintă, poate îmbunătăți și mai mult performanța.

Articolul de față începe cu o trecere în revistă a importanței frecvenței de funcționare asupra mai multor specificații cheie ale radarului, apoi trece la o comparație a tehnologiilor radar disponibile, cum ar fi unda continuă modulată în frecvență (FMCW) și radarul coerent cu impulsuri (PCR), schemele de detectare, modelele fasciculelor și zonele de detectare. Apoi, prezintă o suită software care poate accelera dezvoltarea de sisteme avansate ce utilizează senzori radar.

Se încheie cu exemple de aplicații ale modului în care toți acești factori sunt utilizați în seria Q90R de senzori radar de la Banner Engineering pentru a oferi capacități de detectare multifuncționale pentru detectarea fiabilă în medii solicitante, inclusiv detectarea prezenței camioanelor la o platformă de încărcare și controlul vitezei stivuitoarelor pentru siguranță sporită.

Radiodetecția și telemetria (radar) reprezintă o tehnologie activă a senzorilor care emite energie RF de înaltă frecvență. Energia este reflectată de obiectele aflate pe traiectoria sa, iar caracteristicile energiei reflectate pot fi utilizate pentru a detecta obiectele, pentru a determina distanța față de acestea și, în unele cazuri, pentru a măsura viteza cu care se deplasează fie către senzor, fie de la acesta.

Frecvența de funcționare este o caracteristică fundamentală care determină performanța unui senzor radar. Sunt disponibili senzori radar industriali care funcționează la 24 GHz, 60 GHz și 122 GHz, care fac parte din benzile de frecvență industriale, științifice și medicale (ISM) și pot fi utilizați fără a necesita o licență specială.

Frecvența de funcționare a unui senzor radar are un impact semnificativ asupra mai multor specificații, inclusiv:

• Raza de acțiune - senzorii radar cu frecvențe joase, cum ar fi 24 GHz, au cea mai mare rază de acțiune.
• Precizia - senzorii radar cu frecvențe înalte, cum ar fi 122 GHz, au o precizie mai mare și pot detecta obiecte mai mici.
• Zona moartă - zona moartă a unui senzor radar, sau distanța de blocare, apare atunci când ținta este prea aproape de senzor. În general, senzorii cu frecvență mai înaltă au zone moarte mai mici.
• Rezistența la intemperii - funcțiile de detectare sunt imune la vânt, ceață, aburi și schimbări de temperatură. Radarul este, în general, rezistent la interferențele cauzate de ploaie sau zăpadă. Radarul de 24 GHz are cea mai bună capacitate de a ignora interferențele cauzate de ploaie și zăpadă.
• Materialele țintă - deși este cel mai rezistent la interferențele cauzate de intemperii, radarul de 24 GHz este cel mai limitat în ceea ce privește capacitatea sa de a detecta o gamă largă de materiale. Senzorii radar de 60 GHz sau 122 GHz pot detecta materiale cu valori dielectrice ridicate și scăzute (Figura 1).

Figura 1: Frecvența de funcționare a senzorilor radar are o influență puternică asupra capacității de a identifica o serie de materiale țintă pe baza caracteristicilor lor dielectrice. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Dincolo de frecvență

Frecvența este o caracteristică definitorie a senzorilor radar. Cu toate acestea, alte specificații importante includ tehnologia radar, cum ar fi FMCW versus PCR, schemele de detectare, inclusiv câmpul reglabil versus senzorii retro-reflectivi, precum și câmpul vizual, forma ferestrei de detectare și valorile de referință țintă.

FMCW emite un semnal continuu, care este modulat și crește sau scade în frecvență pe o lățime de bandă fixă. Prin măsurarea frecvenței unui semnal reflectat, radarul cunoaște timpul necesar pentru ca semnalul să se reflecte pe țintă și să se întoarcă. Aceste informații privind timpul de zbor (ToF) determină distanța până la țintă.

Printre avantajele FMCW se numără măsurarea simultană a distanței și vitezei fără a fi nevoie de antene sau impulsuri separate, o rezoluție superioară a distanței, capacitatea de a distinge între ținte foarte apropiate și o precizie mai mare în mediile dificile.

Radarul PCR transmite un impuls, oprește transmițătorul, așteaptă să primească un ecou de la țintă, apoi pornește din nou transmițătorul pentru a trimite un nou impuls și a continua ciclul. La fel ca FMCW, o formă de analiză ToF este utilizată pentru a determina distanța până la țintă și viteza țintei. Utilizarea impulsurilor înseamnă că radarul PCR utilizează mai puțină energie decât FMCW. PCR este, adesea, preferat în sistemele alimentate cu baterii și este adecvat pentru aplicațiile de mică putere cu rază scurtă de acțiune.

Câmp reglabil versus senzori retro-reflectivi

Radarele cu câmp reglabil detectează obiectele prin detectarea undelor RF reflectate. Acestea sunt potrivite pentru detectarea obiectelor cu o secțiune transversală radar mare, care reflectă o cantitate mare de energie RF. Obiectele cu suprafețe metalice mari, în special suprafețele care sunt perpendiculare pe fasciculul radar, au, de obicei, secțiuni transversale radar mari.

Senzorii radar cu câmp reglabil pot avea distanțe de referință configurabile. Senzorul utilizează calcule ToF pentru a determina distanța până la țintă și semnalează numai prezența țintelor aflate pe distanța de referință.

Un senzor radar retro-reflectiv se bazează pe prezența unei ținte reflective de referință, cum ar fi un perete. Detectează obiectele prin identificarea întreruperilor în semnalul de întoarcere de la ținta de referință. Acești senzori radar pot fi optimizați pentru a detecta obiecte chiar dacă acestea nu au secțiuni transversale radar mari.

Senzori radar FMCW, 60 GHz

Seria Q90R de senzori radar cu câmp reglabil FMCW funcționează la 60 GHz și oferă performanțe echilibrate în ceea ce privește precizia, raza de acțiune și capacitățile de detectare a materialelor. În plus, aceștia sunt clasificați IP69K și sunt adecvați pentru utilizare în mediile solicitante (Figura 2). Sunt disponibili cu câmpuri de vizualizare de 120° pe 40° sau 40° pe 40°. Parametrii, precum raza de acțiune și detectarea obiectului cel mai apropiat sau cu semnalul cel mai puternic, pot fi modificați în funcție de cerințele specifice ale aplicației.

Figura 2: Seria Q90R de senzori radar cu câmp reglabil FMCW funcționează la 60 GHz și se află într-o capsulă robustă IP69K. (Sursa imaginii: DigiKey)

Q90R2-12040-6KDQ are un câmp vizual extrem de configurabil de 120° pe 40° care poate fi împărțit în zone de detectare independente și permite detectarea precisă a poziției (Figura 3). Capacitatea sa de detectare multidimensională poate susține detectarea mai inteligentă a obiectelor în funcție de pragurile de distanță, poziția radială și viteză. Ca și alte modele din familia de senzori radar Q90R, acesta are o rază de acțiune de la 0,15 la 20 m. De asemenea, oferă opțiuni flexibile de conectivitate, inclusiv IO-Link și tehnologia Pulse Pro de modulație în frecvență a impulsurilor (PFM) de la Banner.

Figura 3: Senzorii radar Q90R2 au un câmp vizual configurabil și larg de 120° pe 40° (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Software-ul deblochează performanța

Caracteristicile puternice ale senzorilor radar Q90R și Q90R2 pot fi deblocate folosind software-ul Measurement Sensor Software de la Banner, o interfață grafică de utilizare (GUI) ce le permite proiectanților să configureze și să vizualizeze datele de la senzori

Software-ul oferă o reprezentare grafică care ilustrează ce detectează senzorul, fiind utilă pentru senzorii care nu au fascicule vizibile, cum sunt senzorii radar. Utilizatorii pot modifica parametrii senzorului, cum ar fi viteza de răspuns, configurațiile de ieșire și opțiunile de filtrare.

Câmpul vizual de 120° pe 40° al Q90R2 este extrem de configurabil și permite efectuarea cu precizie a poziționării și controlului. Proiectanții pot utiliza software-ul de la Banner pentru a personaliza parametrii de detectare avansați, cum ar fi forma ferestrei fiecărei aplicații și valorile de referință țintă. (Figura 4).

Figura 4: Software-ul Measurement Sensor Software de la Banner le permite proiectanților să optimizeze câmpul vizual (sus) și formele ferestrelor de detectare, precum și punctele țintă (jos). (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Detectarea vehiculelor la platformele de încărcare

Detectarea automată și precisă a camioanelor la platformele de încărcare este importantă pentru a susține productivitatea și siguranța și pentru a respecta standardele de mediu. Adesea, soluțiile tradiționale cu sonerii sau indicatoare luminoase nu sunt adecvate. Platformele de încărcare pot fi locuri zgomotoase, unde este posibil ca soneriile să nu fie întotdeauna auzite. În plus, prezența luminilor suspendate și a celor de pe utilaje, precum și a luminilor intermitente de pe stivuitoare poate face ca un indicator luminos să treacă neobservat, chiar și unul care se aprinde intermitent.

O soluție automatizată bazată pe senzori este de dorit. Cu toate acestea, camioanele au diferite dimensiuni, sunt fabricate din diverse materiale și pot avea o gamă largă de culori și finisaje ale suprafețelor. Aceste provocări, la care se adaugă ambiguitatea condițiilor de mediu, cum ar fi zgomotul, praful, ploaia sau zăpada, fac dificilă implementarea unei soluții fiabile bazate pe senzori fotoelectrici sau cu ultrasunete.

Adesea, senzorii radar precum Q90R2 sunt alegerea preferată. Aceștia ignoră condițiile mediului ambiant. Au o carcasă clasificată IP67/IP69K, ceea ce îi face potriviți pentru ploi torențiale și alte condiții de mediu dificile, având o gamă largă de temperaturi de funcționare, de la -40 °C la +65 °C. Pot detecta în mod sigur prezența camioanelor, indiferent de material și de culoarea, textura sau reflectivitatea acestuia.

Zonele de detectare independente și configurabile, precum și fasciculul de 120° pe 40° al Q90R2 pot permite unui senzor să facă munca a doi senzori și să detecteze prezența camioanelor la două docuri adiacente (Figura 5).

Figura 5: Modelul fasciculului de 120° x 40° al senzorului radar Q90R2 înseamnă că un singur senzor poate monitoriza două platforme de camioane. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Siguranța și controlul vitezei stivuitorului

În plus față de detectarea vehiculelor, senzorii radar pot fi montați pe un vehicul, cum ar fi un stivuitor, pentru a detecta schimbările din apropiere și pentru a spori siguranța. De exemplu, un senzor radar Q90R2 poate fi montat pe partea din spate sau pe părțile laterale ale unui stivuitor și configurat cu zone multiple la distanțe diferite.

Modelul larg al fasciculului de 120° pe 40° al Q90R2 îl face deosebit de potrivit pentru monitorizarea obiectelor din jur care pot fi în mișcare. În plus, Q90R2 oferă feedback privind distanța radială, poziția unghiulară și viteza țintei. Pe măsură ce pericolele se apropie, operatorul stivuitorului poate fi avertizat, viteza stivuitorului poate fi limitată automat sau stivuitorul poate fi oprit.

În cazurile în care un stivuitor este utilizat atât în interior, cât și în exterior, un senzor radar Q90R cu un model de fascicul de 40° pe 40° poate fi montat pe acoperiș pentru a detecta prezența sau absența unui plafon. Atunci când stivuitorul este în exterior și nu este detectat niciun plafon, utilajul se poate deplasa la viteza maximă admisă. Atunci când stivuitorul se deplasează în interior și este prezent un plafon, viteza maximă poate fi redusă automat pentru a spori siguranța și a preveni daunele (Figura 6).

Figura 6: Senzorii radar pot fi utilizați pentru a monitoriza persoanele sau obiectele din jurul unui stivuitor și pentru a detecta prezența sau absența unui plafon. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

În funcție de cerințele sistemului, există mai multe modele Q90R disponibile, cu diferite configurații de ieșire, printre care:

• Q90R-4040-6KDQ cu NPN/PNP dual discret, PFM și o ieșire IO-Link
• Q90R-4040-6KIQ cu un curent analogic (de la 4 la 20 mA), 1 NPN/PNP discret și o ieșire IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ cu o tensiune analogică (de la 0 la 10 V sau de la 0,5 la 4,5 V), 1 NPN/PNP discret și o ieșire IO-Link

Concluzie

Senzorii radar din seria Q90R sunt extrem de versatili. Frecvența lor de funcționare de 60 GHz le permite să detecteze diverse materiale. Cu o rază de acțiune de până la 20 m și modele configurabile ale fasciculelor, aceste radare FMCW pot susține o varietate de aplicații. Sunt disponibili cu mai multe opțiuni de ieșire pentru a susține diferite nevoi ale sistemului și pot fi montați pe vehicule precum stivuitoarele sau amplasați în locații fixe strategice, cum ar fi cele adiacente platformelor de încărcare. În cele din urmă, proiectanții pot utiliza software-ul Measurement Sensor Software de la Banner pentru a accelera proiectarea și implementarea sistemului.