Einsatz von Radar zur Fahrzeugerfassung und Kollisionsvermeidung in schwierigen Umgebungen

Bewegungs- und Positionssensoren ermöglichen die Vermeidung von Kollisionen, gewährleisten die Sicherheit und erhöhen die Produktivität in Logistik, Fertigung, Bergbau, Transport, Landwirtschaft und anderen Branchen. Die Sensoren können an Fahrzeugen oder an strategisch günstigen festen Standorten angebracht werden.

Sie müssen für spezifische Anwendungsanforderungen konfigurierbar sein und über multifunktionale Erfassungsfunktionen verfügen, einschließlich der Erkennung von Objekten auf der Grundlage von Abstand, Winkelposition und Geschwindigkeit. Die Fähigkeit, mehrere Ziele gleichzeitig zu erkennen, wird in stark frequentierten oder komplexen Umgebungen benötigt.

Anwendungen wie Laderampen und die Geschwindigkeitssteuerung von Gabelstaplern profitieren von einer Technologie, die unempfindlich gegenüber Schmutz, Staub, Wind, Niederschlag und anderen Umweltbedingungen ist. Die Anpassung von Parametern wie der Form des Erfassungsfensters und der Zielsollwerte kann die Leistung weiter verbessern.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über die Bedeutung der Betriebsfrequenz für mehrere wichtige Radarspezifikationen und geht dann zu einem Vergleich verfügbarer Radartechnologien wie frequenzmodulierte Dauerstrichradargeräte (FMCW) und gepulste kohärente Radargeräte (PCR), Detektionsverfahren, Strahlmuster und Erfassungsbereiche über. Anschließend wird ein Softwarepaket vorgestellt, das die Entwicklung fortschrittlicher Systeme mit Radarsensoren beschleunigen kann.

Abschließend wird anhand von Anwendungsbeispielen gezeigt, wie all diese Faktoren in den Radarsensoren der Serie Q90R von Banner Engineering genutzt werden, um multifunktionale Erfassungsmöglichkeiten für eine zuverlässige Erkennung in anspruchsvollen Umgebungen zu bieten, einschließlich der Erkennung der Anwesenheit von Lastwagen an einer Laderampe und der Steuerung der Geschwindigkeit von Gabelstaplern für mehr Sicherheit.

Radar (Radio Detection and Ranging) ist eine aktive Sensortechnologie, die Hochfrequenzenergie aussendet. Die Energie wird von Objekten auf ihrem Weg reflektiert, und die Eigenschaften der reflektierten Energie können dazu verwendet werden, Objekte zu erkennen, ihre Entfernung zu bestimmen und in einigen Fällen die Geschwindigkeit zu messen, mit der sie sich auf den Sensor zu oder von ihm weg bewegen.

Die Betriebsfrequenz ist ein grundlegendes Merkmal, das die Leistung eines Radarsensors bestimmt. Es gibt industrielle Radarsensoren, die in den ISM-Frequenzbändern (Industrie, Wissenschaft und Medizin) bei 24 GHz, 60 GHz und 122 GHz arbeiten und ohne spezielle Lizenz verwendet werden können.

Die Betriebsfrequenz eines Radarsensors hat einen erheblichen Einfluss auf mehrere Spezifikationen:

• Reichweite - Radarsensoren mit niedrigen Frequenzen wie 24 GHz haben die größte Reichweite.
• Genauigkeit - Hochfrequenz-Radarsensoren wie die für 122 GHz haben eine höhere Genauigkeit und können kleinere Objekte erkennen.
• Tote Zone - Die tote Zone oder Blockierdistanz eines Radarsensors wird dadurch verursacht, dass das Ziel zu nahe ist. Im Allgemeinen haben Sensoren mit höheren Frequenzen kleinere Totzonen.
• Witterungsbeständigkeit - Die Sensorfunktionen sind unempfindlich gegenüber Wind, Nebel, Dampf und Temperaturschwankungen. Radar ist im Allgemeinen resistent gegen Störungen durch Regen oder Schnee. Das 24-GHz-Radar hat die beste Fähigkeit, Störungen durch Regen und Schnee zu ignorieren.
• Zielmaterialien - Das 24-GHz-Radar ist zwar am unempfindlichsten gegen Witterungseinflüsse, kann aber eine Vielzahl von Materialien nur bedingt erfassen. 60-GHz- oder 122-GHz-Radarsensoren können hoch- und niedrigdielektrische Materialien erkennen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Betriebsfrequenz von Radarsensoren hat einen starken Einfluss auf die Fähigkeit, eine Reihe von Zielmaterialien auf der Grundlage ihrer dielektrischen Eigenschaften zu identifizieren. (Bildquelle: Banner Engineering)

Jenseits der Frequenz

Die Frequenz ist ein entscheidendes Merkmal von Radarsensoren. Es gibt jedoch noch weitere wichtige Spezifikationen, wie die Radartechnologie (FMCW oder PCR), Erkennungssysteme (z. B. einstellbares Feld oder Reflexionssensoren) sowie das Sichtfeld, die Fensterform und die Zielsollwerte.

FMCW sendet ein kontinuierliches Signal, das moduliert ist und dessen Frequenz über eine feste Bandbreite ansteigt oder abfällt. Durch die Messung der Frequenz eines reflektierten Signals weiß das Radar, wie lange es gedauert hat, bis das Signal vom Ziel reflektiert wurde und zurückkam. Diese Informationen aus der Laufzeitmessung (Time of Flight, ToF) bestimmt die Zielentfernung.

Zu den Vorteilen von FMCW gehören die gleichzeitige Messung von Entfernung und Geschwindigkeit, ohne dass separate Antennen oder Impulse erforderlich sind, eine bessere Entfernungsauflösung, die Fähigkeit, zwischen eng beieinander liegenden Zielen zu unterscheiden, und eine höhere Genauigkeit in schwierigen Umgebungen.

Das PCR-Radar sendet einen Impuls, schaltet den Sender aus, wartet auf ein Echo vom Ziel und schaltet dann den Sender wieder ein, um einen neuen Impuls zu senden und den Zyklus fortzusetzen. Wie bei FMCW wird eine Form der ToF-Analyse verwendet, um die Reichweite und Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen. Die Verwendung von Impulsen bedeutet, dass das PCR-Radar weniger Strom verbraucht als das FMCW-Radar. PCR wird häufig in batteriebetriebenen Systemen bevorzugt und eignet sich gut für stromsparende Anwendungen mit kurzer Reichweite.

Einstellbares Feld vs. Reflexionssensoren

Das Radar mit einstellbarem Feld erkennt Objekte, indem es die reflektierten HF-Wellen erfasst. Es eignet sich gut für die Erkennung von Objekten mit einem großen Radarquerschnitt, der viel HF-Energie reflektiert. Objekte mit großen metallischen Oberflächen, insbesondere Oberflächen, die senkrecht zum Radarstrahl stehen, haben typischerweise große Radarquerschnitte.

Radarsensoren mit einstellbarem Feld können konfigurierbare Sollwertabstände haben. Der Sensor verwendet ToF-Berechnungen, um den Zielbereich zu bestimmen, und meldet nur das Vorhandensein von Zielen innerhalb der eingestellten Entfernung.

Ein Reflexionsradarsensor ist auf das Vorhandensein eines reflektierenden Referenzziels wie einer Wand angewiesen. Es erkennt Objekte, indem es Störungen im reflektierten Signal des Referenzziels identifiziert. Diese Radarsensoren können so optimiert werden, dass sie auch Objekte erfassen können, die keinen großen Radarquerschnitt haben.

60 GHz, FMCW-Radarsensoren

Die einstellbaren FMCW-Feldradarsensoren der Serie Q90R arbeiten bei 60 GHz und bieten eine ausgewogene Performance in Bezug auf Genauigkeit, Reichweite und Materialerkennungsfähigkeit. Darüber hinaus sind sie nach IP69K zertifiziert und für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen geeignet (Abbildung 2). Sie sind mit Sichtfeldern von 120° mal 40° oder 40° mal 40° erhältlich. Parameter wie die Reichweite und die Erkennung des nächstgelegenen oder des stärksten Objekts können für spezifische Anwendungsanforderungen geändert werden.

Abbildung 2: Die FMCW-Radarsensoren der Serie Q90R mit einstellbarem Feld arbeiten bei 60 GHz und sind in einem robusten IP69K-Gehäuse untergebracht. (Bildquelle: DigiKey)

Der Q90R2-12040-6KDQ verfügt über ein hochgradig konfigurierbares Sichtfeld von 120° x 40°, das in unabhängige Erfassungsbereiche aufgeteilt werden kann und eine präzise Positionserfassung ermöglicht (Abbildung 3). Seine mehrdimensionale Erfassungsfähigkeit kann eine intelligentere Objekterkennung auf der Grundlage von Entfernungs-, Radialpositions- und Geschwindigkeitsschwellenwerten unterstützen. Wie andere Modelle der Q90R-Familie von Radarsensoren hat er eine Reichweite von 0,15 bis 20 m. Außerdem bietet er flexible Anschlussmöglichkeiten, einschließlich IO-Link und Banners Pulse-Pro-PFM-Technologie (PFM: Pulsfrequenzmodulation).

Abbildung 3: Die Q90R2-Radarsensoren haben ein konfigurierbares und breites Sichtfeld von 120° x 40° (Bildquelle: Banner Engineering)

Software für mehr Performance

Die leistungsstarken Funktionen der Radarsensoren Q90R und Q90R2 können mit der Measurement Sensor Software von Banner genutzt werden, einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI), mit der die Daten der Sensoren konfigurieren und visualisiert werden können

Die Software stellt eine Grafik zur Verfügung, die zeigt, was der Sensor sieht, was für Sensoren ohne sichtbare Strahlen, wie Radarsensoren, nützlich ist. Sensorparameter wie Reaktionsgeschwindigkeit, Ausgangskonfigurationen und Filteroptionen können geändert werden.

Das 120° x 40° große Sichtfeld des Q90R2 ist in hohem Maße konfigurierbar und ermöglicht eine präzise Positionierung und Steuerung. Die Software von Banner kann verwendet werden, um erweiterte Erfassungsparameter, wie die Fensterform und die Zielsollwerte für jede Anwendung, anzupassen. (Abbildung 4).

Abbildung 4: Mit der „Measurement Sensor Software“ von Banner können das Sichtfeld (oben) sowie die Fensterformen und Zielpunkte (unten) optimiert werden. (Bildquelle: Banner Engineering)

Fahrzeugerkennung an Laderampen

Die automatische und genaue Erkennung von Lastwagen an Laderampen ist wichtig, um die Produktivität und Sicherheit zu fördern und die Umweltstandards zu erfüllen. Herkömmliche Lösungen wie Klingeln oder Blinklichter sind oft nicht geeignet. Laderampen können laute Orte sein, an denen die Türklingeln nicht immer zu hören sind. Darüber hinaus kann es durch die Beleuchtung von Decken und Maschinen sowie durch Blinklichter an Gabelstaplern leicht passieren, dass ein Indikatorlicht, selbst ein blinkendes, übersehen wird.

Eine automatisierte Sensorlösung ist wünschenswert. Allerdings gibt es Lkw in verschiedenen Größen, aus unterschiedlichen Materialien und mit einer breiten Palette von Farben und Oberflächenausführungen. Diese Herausforderungen sowie die Mehrdeutigkeit der Umgebungsbedingungen wie Lärm, Staub, Regen oder Schnee machen es schwierig, eine zuverlässige Lösung auf der Grundlage von photoelektrischen oder Ultraschallsensoren zu implementieren.

Radarsensoren wie der Q90R2 sind oft die erste Wahl. Sie ignorieren die Umgebungsbedingungen. Diese Sensoren haben einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +65°C und eignen sich daher für den Einsatz in schwierigen Umgebungen wie feuchten und nebligen Gebieten. Sie können das Vorhandensein von Lastwagen zuverlässig erkennen, unabhängig von Material, Farbe, Textur oder Reflexionsvermögen.

Die unabhängigen und konfigurierbaren Erfassungszonen und das 120° x 40° große Strahlenmuster des Q90R2 ermöglichen es, dass ein Sensor die Arbeit von zwei Sensoren erledigt und die Anwesenheit von Lastwagen an zwei benachbarten Docks erkennt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das 120° x 40° Strahlenmuster des Q90R2 Radarsensors bedeutet, dass ein einziger Sensor zwei Lkw-Docks überwachen kann. (Bildquelle: Banner Engineering)

Geschwindigkeitskontrolle und Sicherheit von Gabelstaplern

Neben der Erkennung von Fahrzeugen können Radarsensoren auch an einem Fahrzeug wie einem Gabelstapler angebracht werden, um Veränderungen in der Umgebung zu erkennen und die Sicherheit zu erhöhen. Ein Q90R2-Radarsensor kann beispielsweise an der Rückseite oder an den Seiten eines Gabelstaplers montiert und mit mehreren Zonen in unterschiedlichen Abständen konfiguriert werden.

Das breite Strahlenmuster von 120° x 40° des Q90R2 eignet sich besonders für die Überwachung von Objekten in der Umgebung, die sich möglicherweise bewegen. Darüber hinaus bietet der Q90R2 eine Rückmeldung über radialen Abstand, Winkelposition und Zielgeschwindigkeit. Wenn sich die Gefahr nähert, kann der Gabelstaplerfahrer gewarnt werden, die Geschwindigkeit des Gabelstaplers kann automatisch gedrosselt werden, oder der Gabelstapler kann angehalten werden.

In Fällen, in denen ein Gabelstapler sowohl im Innen- als auch im Außenbereich eingesetzt wird, kann ein Q90R-Radarsensor mit einem Strahlenmuster von 40° mal 40° auf dem Dach montiert werden, um das Vorhandensein oder Fehlen einer Decke zu erkennen. Wenn sich der Gabelstapler im Freien befindet und keine Decke erkannt wird, kann die Maschine mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit fahren. Wenn sich der Gabelstapler in Innenräumen bewegt und eine Decke vorhanden ist, kann die maximale Geschwindigkeit automatisch reduziert werden, um die Sicherheit zu erhöhen und Schäden zu vermeiden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Radarsensoren können zur Überwachung von Personen oder Gegenständen in der Nähe eines Gabelstaplers sowie zur Überwachung des Vorhandenseins oder Fehlens einer Decke eingesetzt werden. (Bildquelle: Banner Engineering)

Je nach den Anforderungen des Systems stehen mehrere Q90R-Modelle mit unterschiedlichen Ausgangskonfigurationen zur Auswahl, darunter:

• Q90R-4040-6KDQ mit zwei diskreten NPN/PNP-, PFM- und einem IO-Link-Ausgang
• Q90R-4040-6KIQ mit einem analogen Stromausgang (4 bis 20 mA), einem diskreten NPN/PNP- und einem IO-Link-Ausgang
• Q90R-4040-6KUQ mit einem analogen Spannungsausgang (0 bis 10 V oder 0,5 bis 4,5 V), einem diskreten NPN/PNP- und einem IO-Link-Ausgang

Fazit:

Die Radarsensoren der Serie Q90R sind äußerst vielseitig. Dank ihrer Betriebsfrequenz von 60 GHz können sie verschiedene Materialien erkennen. Mit einer Reichweite von bis zu 20 m und konfigurierbaren Strahlenmustern können diese FMCW-Radare eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen. Sie sind mit verschiedenen Ausgangsoptionen erhältlich, um unterschiedliche Systemanforderungen zu erfüllen, und können auf Fahrzeugen wie Gabelstaplern montiert oder an strategischen, festen Standorten wie z. B. in der Nähe von Laderampen aufgestellt werden. Schließlich kann die „Measurement Sensor Software“ von Banner genutzt werden, um den Systementwurf und die Bereitstellung zu beschleunigen.