Utiliser le radar pour détecter les véhicules et éviter les collisions dans les environnements difficiles

Les capteurs de position et de surveillance des mouvements peuvent permettre d'éviter les collisions, de garantir la sécurité et d'améliorer la productivité dans les secteurs de la logistique, de la fabrication, de l'exploitation minière, des transports, de l'agriculture et autres. Les capteurs peuvent être montés sur des véhicules ou positionnés à des emplacements fixes stratégiques.

Ils doivent être configurables pour s'adapter aux besoins spécifiques des applications et disposer de capacités de détection multifonctionnelles, notamment la détection d'objets en fonction de la distance, de la position angulaire et de la vitesse. La capacité à détecter simultanément plusieurs cibles est nécessaire dans les environnements encombrés ou complexes.

Des applications telles que les quais de chargement et le contrôle de la vitesse des chariots élévateurs bénéficient de l'utilisation d'une technologie qui n'est pas affectée par la saleté, la poussière, le vent, les précipitations et d'autres conditions environnementales. La personnalisation de paramètres tels que la forme de la fenêtre de détection et les points de consigne cibles peut encore améliorer les performances.

Cet article commence par examiner l'importance de la fréquence de fonctionnement sur plusieurs spécifications radar clés, puis présente une comparaison des technologies radar disponibles, telles que les radars à ondes continues modulées en fréquence (FMCW) et les radars cohérents pulsés (PCR), les schémas de détection, les diagrammes de faisceaux et les zones de détection. Une suite logicielle permettant d'accélérer le développement de systèmes avancés utilisant des capteurs radar est ensuite présentée.

L'article se termine par des exemples d'application montrant comment tous ces facteurs sont utilisés dans les capteurs radar série Q90R de Banner Engineering pour fournir des capacités de détection multifonctionnelles pour une détection fiable dans les environnements exigeants, y compris la détection de la présence de camions sur un quai de chargement et le contrôle de la vitesse des chariots élévateurs pour une sécurité accrue.

Le radar est une technologie de détection active qui émet de l'énergie RF haute fréquence. L'énergie est réfléchie par les objets sur son trajet, et les caractéristiques de l'énergie réfléchie peuvent être utilisées pour détecter des objets, déterminer leur distance et, dans certains cas, mesurer la vitesse à laquelle ils se rapprochent ou s'éloignent du capteur.

La fréquence de fonctionnement est une caractéristique fondamentale qui détermine les performances d'un capteur radar. Il existe des capteurs radar industriels fonctionnant à 24 GHz, 60 GHz et 122 GHz, qui font partie des bandes de fréquences industrielle, scientifique et médicale (ISM), et qui peuvent être utilisés sans licence spéciale.

La fréquence de fonctionnement d'un capteur radar a un impact significatif sur plusieurs spécifications, notamment :

• Portée - Les capteurs radar basse fréquence, comme ceux qui fonctionnent à 24 GHz, ont la plus longue portée.
• Précision - Les capteurs radar haute fréquence, comme ceux qui fonctionnent à 122 GHz, ont une plus grande précision et peuvent détecter des objets plus petits.
• Zone morte - La zone morte (distance de blocage) d'un capteur radar est causée par une trop grande proximité de la cible. En général, les capteurs à plus haute fréquence ont des zones mortes plus petites.
• Résistance aux intempéries - Les fonctions de détection ne sont pas sensibles au vent, au brouillard, à la vapeur et aux variations de température. Les radars sont généralement résistants aux interférences causées par la pluie ou la neige. Les radars 24 GHz sont les plus aptes à ignorer les interférences dues à la pluie et à la neige.
• Matériaux cibles - Bien qu'il soit le plus résistant aux interférences météorologiques, le radar 24 GHz est le plus limité dans sa capacité à détecter une large gamme de matériaux. Les capteurs radar 60 GHz ou 122 GHz peuvent détecter des matériaux à diélectrique élevé ou faible (Figure 1).

Figure 1 : La fréquence de fonctionnement des capteurs radar a une forte influence sur la capacité à identifier une gamme de matériaux cibles en fonction de leurs caractéristiques diélectriques. (Source de l'image : Banner Engineering)

Au-delà de la fréquence

La fréquence est une caractéristique déterminante des capteurs radar. Cependant, d'autres spécifications sont importantes y compris la technologie radar (FMCW ou PCR), les schémas de détection (capteurs à champ réglable ou capteurs rétroréfléchissants), le champ de vision, la forme de la fenêtre et les points de consigne cibles.

Le radar FMCW émet un signal continu qui est modulé et dont la fréquence augmente ou diminue sur une bande passante fixe. En mesurant la fréquence d'un signal réfléchi, le radar connaît le temps qu'il a fallu au signal pour se réfléchir sur la cible et revenir. Ces informations de temps de vol (ToF) déterminent la distance par rapport à la cible.

Les avantages des radars FMCW incluent la mesure simultanée de la distance et de la vitesse sans avoir besoin d'impulsions ou d'antennes séparées, une résolution de distance supérieure, la capacité de distinguer des cibles très rapprochées et une plus grande précision dans les environnements difficiles.

Le radar PCR émet une impulsion, éteint l'émetteur, attend de recevoir un écho de la cible, puis rallume l'émetteur pour envoyer une nouvelle impulsion et poursuivre le cycle. Comme pour la technologie FMCW, une forme d'analyse ToF est utilisée pour déterminer la distance et la vitesse de la cible. L'utilisation d'impulsions implique que le radar PCR utilise moins d'énergie que le radar FMCW. Le radar PCR est souvent privilégié dans les systèmes alimentés par batterie et convient parfaitement aux applications basse consommation à courte portée.

Capteurs à champ réglable vs capteurs rétroréfléchissants

Les radars à champ réglable détectent les objets en détectant les ondes RF réfléchies. Ils conviennent à la détection d'objets ayant une grande section transversale radar qui réfléchit une quantité importante d'énergie RF. Les objets avec de grandes surfaces métalliques, en particulier les surfaces perpendiculaires au faisceau radar, présentent typiquement de grandes sections transversales radar.

Les capteurs radar à champ réglable peuvent avoir des distances de points de consigne configurables. Le capteur utilise des calculs ToF pour déterminer la distance de la cible et signale uniquement la présence de cibles dans la distance de point de consigne.

Un capteur radar rétroréfléchissant repose sur la présence d'une cible de référence réfléchissante comme un mur. Il détecte les objets en identifiant les perturbations dans le signal de retour depuis la cible de référence. Ces capteurs radar peuvent être optimisés pour détecter des objets même s'ils n'ont pas de grandes sections transversales radar.

Capteurs radar FMCW 60 GHz

La série Q90R de capteurs radar à champ réglable FMCW fonctionne à 60 GHz et offre des performances équilibrées en termes de précision, de portée et de capacités de détection de matériaux. Ces capteurs sont répertoriés IP69K et adaptés à une utilisation en environnements exigeants (Figure 2). Ils sont disponibles avec des champs de vision de 120° par 40° ou de 40° par 40°. Des paramètres tels que la distance et la détection de l'objet le plus proche ou le plus puissant peuvent être modifiés pour répondre aux exigences spécifiques de l'application.

Figure 2 : La série Q90R de capteurs radar à champ réglable FMCW fonctionne à 60 GHz et est fournie dans un boîtier IP69K robuste. (Source de l'image : DigiKey)

Le Q90R2-12040-6KDQ offre un champ de vision de 120° par 40° hautement configurable qui peut être divisé en zones de détection indépendantes et permet une détection de position précise (Figure 3). Sa capacité de détection multidimensionnelle peut prendre en charge une détection d'objets plus intelligente en fonction des seuils de vitesse, de distance et de position radiale. Comme les autres modèles de la famille de capteurs radar Q90R, il a une portée de 0,15 m à 20 m. Il offre également des options de connectivité flexibles, y compris IO-Link et la technologie de modulation d'impulsions en fréquence (PFM) Pulse Pro de Banner.

Figure 3 : Les capteurs radar Q90R2 ont un large champ de vision configurable de 120° par 40°. (Source de l'image : Banner Engineering)

Logiciel améliorant les performances

Les puissantes fonctionnalités des capteurs radar Q90R et Q90R2 peuvent être améliorées à l'aide du logiciel de capteur de mesure de Banner, une interface utilisateur graphique (GUI) qui permet aux concepteurs de configurer et de visualiser les données des capteurs.

Le logiciel fournit un graphique qui montre ce que voit le capteur, une fonction utile pour les capteurs sans faisceaux visibles, comme les capteurs radar. Les utilisateurs peuvent modifier les paramètres du capteur, tels que la vitesse de réponse, les configurations de sortie et les options de filtrage.

Le champ de vision de 120° par 40° du Q90R2 est hautement configurable et permet un positionnement et un contrôle de précision. Les concepteurs peuvent utiliser le logiciel de Banner pour personnaliser les paramètres de détection avancés, tels que la forme de la fenêtre de chaque application et les points de consigne cibles. (Figure 4).

Figure 4 : Le logiciel de capteur de mesure de Banner permet aux concepteurs d'optimiser le champ de vision (en haut) ainsi que la forme des fenêtres et les points de consigne cibles (en bas). (Source de l'image : Banner Engineering)

Détection de véhicules sur les quais de chargement

La détection automatique et précise des camions sur les quais de chargement est importante pour favoriser la productivité et la sécurité, et pour respecter les normes environnementales. Les solutions traditionnelles de sonneries ou d'indicateurs lumineux ne sont souvent pas adaptées. Les quais de chargement peuvent être des endroits bruyants où les sonneries ne sont pas toujours audibles. En outre, l'éclairage général, l'éclairage des machines ainsi que les feux clignotants des chariots élévateurs font qu'il est facile de ne pas remarquer un indicateur lumineux, même clignotant.

Une solution de détection automatisée est souhaitable. Cependant, les camions sont de diverses tailles, sont fabriqués avec des matériaux variés et peuvent présenter une large gamme de couleurs et de finitions de surface. Ces défis, auxquels s'ajoutent les incertitudes liées aux conditions environnementales ambiantes telles que le bruit, la poussière, la pluie ou la neige, rendent difficile la mise en œuvre d'une solution fiable basée sur des capteurs photoélectriques ou à ultrasons.

Les capteurs radar comme le Q90R2 sont souvent le choix privilégié. Ils ne sont pas sensibles aux conditions environnementales ambiantes. Ils sont dotés d'un boîtier répertorié IP67/IP69K, ce qui les rend adaptés aux pluies battantes et autres conditions environnementales difficiles, et ils présentent une large plage de températures de fonctionnement de -40°C à +65°C. Ils peuvent détecter de manière fiable la présence de camions, indépendamment du matériau et de sa couleur, de sa texture ou de sa réflectivité.

Les zones de détection indépendantes et configurables et le diagramme de faisceau de 120° par 40° du Q90R2 peuvent permettre à un seul capteur de faire le travail de deux dispositifs et de détecter la présence de camions sur deux quais adjacents (Figure 5).

Figure 5 : Le diagramme de faisceau de 120° x 40° du capteur radar Q90R2 signifie qu'un seul capteur peut surveiller la présence de camions sur deux quais. (Source de l'image : Banner Engineering)

Contrôle de la vitesse et sécurité des chariots élévateurs

En plus de détecter les véhicules, les capteurs radar peuvent être montés sur un véhicule comme un chariot élévateur pour détecter les changements dans l'environnement afin d'améliorer la sécurité. Par exemple, un capteur radar Q90R2 peut être monté à l'arrière ou sur les côtés d'un chariot élévateur et configuré avec plusieurs zones à différentes distances.

Grâce à son large diagramme de faisceau de 120° par 40°, le Q90R2 est particulièrement adapté à la surveillance d'objets environnants pouvant être en mouvement. De plus, le Q90R2 fournit des informations sur la distance radiale, la position angulaire et la vitesse de la cible. À mesure que les dangers se rapprochent, le conducteur du chariot élévateur peut être alerté, la vitesse du chariot élévateur peut être automatiquement limitée ou le chariot élévateur peut être arrêté.

Lorsqu'un chariot élévateur est utilisé à l'intérieur et à l'extérieur, un capteur radar Q90R avec un diagramme de faisceau de 40° par 40° peut être monté sur le toit pour détecter la présence ou l'absence d'un plafond. Lorsque le chariot élévateur est à l'extérieur et qu'aucun plafond n'est détecté, la machine peut se déplacer à sa vitesse maximale autorisée. Lorsque le chariot élévateur se déplace à l'intérieur et qu'un plafond est présent, la vitesse maximale peut être automatiquement réduite pour améliorer la sécurité et éviter les dommages (Figure 6).

Figure 6 : Les capteurs radar peuvent être utilisés pour surveiller les personnes ou les objets autour d'un chariot élévateur, et pour détecter la présence ou l'absence d'un plafond. (Source de l'image : Banner Engineering)

En fonction des besoins du système, il existe plusieurs modèles Q90R parmi lesquels choisir avec différentes configurations de sortie, notamment :

• Q90R-4040-6KDQ avec double sortie discrète NPN/PNP, PFM et IO-Link
• Q90R-4040-6KIQ avec sortie de courant analogique (4 à 20 mA), 1 NPN/PNP discrète et IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ avec sortie de tension analogique (0 à 10 V ou 0,5 à 4,5 V), 1 NPN/PNP discrète et IO-Link

Conclusion

Les capteurs radar série Q90R sont extrêmement polyvalents. Leur fréquence de fonctionnement de 60 GHz leur permet de détecter divers matériaux. Avec une portée atteignant 20 m et des diagrammes de faisceaux configurables, ces radars FMCW peuvent prendre en charge une variété d'applications. Ils sont disponibles avec plusieurs options de sortie pour répondre aux différentes exigences des systèmes, et ils peuvent être montés sur des véhicules tels que des chariots élévateurs ou positionnés à des points fixes stratégiques tels que des emplacements adjacents aux quais de chargement. Enfin, les concepteurs peuvent se tourner vers le logiciel de capteur de mesure de Banner pour accélérer la conception et le déploiement des systèmes.