Come il radar può essere utilizzato per il rilevamento dei veicoli e la prevenzione delle collisioni in ambienti difficili

Il monitoraggio del movimento e i sensori di posizione possono consentire di prevenire le collisioni, garantire la sicurezza e migliorare la produttività nei settori della logistica, della produzione, dell'industria mineraria, dei trasporti, dell'agricoltura e di altri settori. I sensori possono essere montati sui veicoli o posizionati in punti fissi strategici.

Devono essere configurabili per adattarsi alle esigenze di applicazioni specifiche e avere capacità di rilevamento multifunzionali, come il rilevamento di oggetti in base alla distanza, alla posizione angolare e alla velocità. La capacità di rilevare più bersagli contemporaneamente è necessaria in ambienti affollati o complessi.

Applicazioni come le banchine di carico e il controllo della velocità dei carrelli elevatori traggono vantaggio dall'utilizzo di una tecnologia non influenzata da sporcizia, polvere, vento, precipitazioni e altre condizioni ambientali. La personalizzazione di parametri quali la forma della finestra di rilevamento e i setpoint del bersaglio può migliorare ulteriormente le prestazioni.

Questo articolo inizia con una rassegna dell'importanza della frequenza operativa su diverse specifiche radar chiave, per poi passare a un confronto tra le tecnologie radar disponibili, come l'onda continua modulata in frequenza (FMCW) e il radar coerente pulsato (PCR), gli schemi di rilevamento, i modelli di fascio e le zone di rilevamento. Viene poi presentata una suite software che può accelerare lo sviluppo di sistemi avanzati che utilizzano sensori radar.

Il documento si conclude con esempi applicativi di come tutti questi fattori siano utilizzati nei sensori radar serie Q90R di Banner Engineering per fornire capacità di rilevamento multifunzionali per un rilevamento affidabile in ambienti difficili, compreso il rilevamento della presenza di camion presso una banchina di carico e il controllo della velocità dei carrelli elevatori per una maggiore sicurezza.

La tecnologia di rilevamento e localizzazione radio (RADAR) è una tecnologia di sensori attivi che emette energia RF ad alta frequenza. L'energia viene riflessa dagli oggetti che si trovano sul suo percorso e le caratteristiche dell'energia riflessa possono essere utilizzate per rilevare gli oggetti, determinarne la distanza e, in alcuni casi, misurare la velocità con cui si avvicinano o si allontanano dal sensore.

La frequenza operativa è una caratteristica fondamentale che determina le prestazioni di un sensore radar. Sono disponibili sensori radar industriali che operano a 24 GHz, 60 GHz e 122 GHz, parti delle bande di frequenza ISM (Industrial, Scientific, Medical), e possono essere utilizzati senza una licenza speciale.

La frequenza operativa di un sensore radar ha un impatto significativo su diverse specifiche, quali:

• Portata - I sensori radar a bassa frequenza, come quelli a 24 GHz, hanno la portata più lunga.
• Precisione - I sensori radar ad alta frequenza, come quelli a 122 GHz, hanno una maggiore precisione e possono rilevare oggetti più piccoli.
• Zona morta - La zona morta (o distanza di blocco) di un sensore radar è causata dall'eccessiva vicinanza del bersaglio. In generale, i sensori a frequenza più elevata presentano zone morte più piccole.
• Resistenza alle intemperie - Le funzioni di rilevamento sono immuni a vento, nebbia, vapore e variazioni di temperatura. Il radar è generalmente resistente alle interferenze di pioggia o neve. Il radar a 24 GHz ha la migliore capacità di ignorare le interferenze di pioggia e neve.
• Materiali del bersaglio - Sebbene sia il più resistente alle interferenze meteorologiche, il radar a 24 GHz è il più limitato nella sua capacità di rilevare un'ampia gamma di materiali. I sensori radar a 60 GHz o 122 GHz sono in grado di rilevare materiali ad alto e basso dielettrico (Figura 1).

Figura 1: La frequenza operativa dei sensori radar ha una forte influenza sulla capacità di identificare una serie di materiali del bersaglio in base alle loro caratteristiche dielettriche. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Oltre la frequenza

La frequenza è una caratteristica distintiva dei sensori radar. Altre specifiche importanti sono la tecnologia radar, come FMCW o PCR, gli schemi di rilevamento, come i sensori a campo regolabile o quelli a riflessione, il campo visivo, la forma della finestra e i setpoint del bersaglio.

Il radar FMCW emette un segnale continuo modulato che aumenta o diminuisce di frequenza su una larghezza di banda fissa. Misurando la frequenza del segnale riflesso, il radar conosce il tempo impiegato dal segnale per riflettersi sul bersaglio e tornare indietro. Le informazioni sul tempo di volo (ToF) determinano la distanza del bersaglio.

Alcuni vantaggi della tecnologia FMCW sono la misurazione simultanea di distanza e velocità senza bisogno di impulsi o antenne separate, la risoluzione superiore, la capacità di distinguere bersagli molto ravvicinati e una maggiore precisione in ambienti difficili.

Il radar PCR trasmette un impulso, spegne il trasmettitore, attende di ricevere un'eco dal bersaglio, quindi riaccende il trasmettitore per inviare un nuovo impulso e continuare il ciclo. Come per la tecnologia FMCW, viene utilizzata una forma di analisi ToF per determinare la distanza e la velocità del bersaglio. L'uso di impulsi fa sì che il radar PCR abbia un consumo inferiore rispetto al FMCW. La tecnologia PCR è spesso preferita nei sistemi alimentati a batteria ed è adatta alle applicazioni a bassa potenza e a corto raggio.

Sensori a campo regolabile e retroriflettenti a confronto

Il radar a campo variabile rileva gli oggetti rilevando le onde RF riflesse. Sono adatti a rilevare oggetti con un'ampia sezione radar che riflette molta energia RF. Gli oggetti con grandi superfici metalliche, in particolare quelle perpendicolari al fascio radar, hanno tipicamente grandi sezioni radar.

I sensori radar a campo regolabile possono avere distanze di setpoint configurabili. Il sensore utilizza i calcoli ToF per determinare la distanza del bersaglio e segnala solo la presenza di bersagli entro la distanza del setpoint.

Un sensore radar retroriflettente si basa sulla presenza di un bersaglio di riferimento riflettente, come una parete. Rileva gli oggetti identificando le interruzioni nel segnale di ritorno dal bersaglio di riferimento. Questi sensori radar possono essere ottimizzati per rilevare oggetti anche se non hanno grandi sezioni radar.

Sensori radar FMCW a 60 GHz

I sensori radar a campo regolabile FMCW serie Q90R operano a 60 GHz e forniscono prestazioni equilibrate in termini di precisione, portata e capacità di rilevamento dei materiali. Inoltre, sono classificati IP69K e adatti all'uso in ambienti difficili (Figura 2). Sono disponibili con campi visivi di 120° x 40° o 40° x 40°. Parametri quali la distanza e il rilevamento dell'oggetto più vicino o più forte possono essere modificati per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche.

Figura 2: I sensori radar a campo regolabile FMCW serie Q90R operano a 60 GHz e vengono forniti in un robusto contenitore IP69K. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il dispositivo Q90R2-12040-6KDQ è dotato di un campo visivo altamente configurabile di 120° x 40° che può essere suddiviso in zone di rilevamento indipendenti e consente il rilevamento di precisione della posizione (Figura 3). La sua capacità di rilevamento multidimensionale può supportare un rilevamento più intelligente degli oggetti in base alla distanza, alla posizione radiale e alle soglie di velocità. Come altri modelli della famiglia di sensori radar Q90R, ha una portata da 0,15 a 20 metri. Offre inoltre opzioni di connettività flessibili, come IO-Link e la tecnologia di modulazione di frequenza di impulso (PFM) Pulse Pro di Banner.

Figura 3: I sensori radar Q90R2 hanno un campo visivo configurabile e ampio di 120° x 40° (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering).

Il software aumenta le prestazioni

Le potenti funzioni dei sensori radar Q90R e Q90R2 possono essere sfruttate appieno utilizzando il software Measurement Sensor di Banner, un'interfaccia grafica utente (GUI) che consente ai progettisti di configurare e visualizzare i dati dei sensori.

Il software fornisce un grafico che mostra ciò che il sensore sta vedendo, caratteristica utile per i sensori senza fasci visibili, come i sensori radar. Gli utenti possono modificare i parametri del sensore, come la velocità di risposta, le configurazioni di uscita e le opzioni di filtraggio.

Il campo visivo di 120° x 40° del modello Q90R2 è altamente configurabile e consente il posizionamento e il controllo di precisione. I progettisti possono utilizzare il software di Banner per personalizzare i parametri di rilevamento avanzati, come la forma della finestra e i setpoint del bersaglio di ogni applicazione (Figura 4).

Figura 4: Il software Measurement Sensor di Banner consente ai progettisti di ottimizzare il campo visivo (in alto), nonché la forma della finestra e i setpoint del bersaglio (in basso). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Rilevamento dei veicoli sulle banchine di carico

Il rilevamento automatico e accurato dei camion sulle banchine di carico è importante per sostenere la produttività e la sicurezza e rispettare gli standard ambientali. Le soluzioni tradizionali, come campanelli o indicatori luminosi, spesso non sono adatte. Le banchine di carico possono essere luoghi rumorosi, dove i campanelli non sempre si sentono. Inoltre, la presenza dell'illuminazione generale e delle macchine nonché dei lampeggianti sui carrelli elevatori può far sì che un indicatore luminoso, anche se lampeggiante, possa essere facilmente ignorato.

È auspicabile una soluzione con sensori automatizzata. Tuttavia, i camion sono di varie dimensioni, sono realizzati in vari materiali e possono avere un'ampia gamma di colori e finiture superficiali. Queste sfide, sommate alle ambiguità delle condizioni ambientali, come rumore, polvere, pioggia o neve, rendono difficile implementare una soluzione affidabile basata su sensori fotoelettrici o a ultrasuoni.

I sensori radar come il modello Q90R2 sono spesso la scelta preferita. Questi dispositivi ignorano le condizioni ambientali. Sono dotati di un alloggiamento con grado di protezione IP67/IP69K, che li rende adatti alla pioggia battente e ad altre condizioni ambientali difficili, e presentano un ampio intervallo di temperature di funzionamento da -40 a +65 °C. Sono in grado di rilevare in modo affidabile la presenza di camion, indipendentemente dal materiale, dal colore, dalla finitura e dalla riflettività.

Grazie alle zone di rilevamento indipendenti e configurabili e allo schema del fascio di 120° x 40°, un solo sensore Q90R2 può fare il lavoro di due dispositivi, rilevando la presenza di mezzi pesanti su due banchine adiacenti (Figura 5).

Figura 5: Il fascio di 120° x 40° del sensore radar Q90R2 consente a un singolo sensore di monitorare la presenza di camion su due banchine. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Controllo della velocità e della sicurezza dei carrelli elevatori

Oltre a rilevare i veicoli, i sensori radar possono essere montati su un veicolo (es. un carrello elevatore) per rilevare i cambiamenti nell'ambiente circostante e migliorare la sicurezza. Ad esempio, è possibile montare un sensore radar Q90R2 sul retro o sui fianchi di un carrello elevatore e configurarlo con più zone a distanze diverse.

L'ampio fascio di 120° x 40° del dispositivo Q90R2 lo rende particolarmente adatto al monitoraggio di oggetti circostanti che possono essere in movimento. Inoltre, Q90R2 fornisce un feedback sulla distanza radiale, sulla posizione angolare e sulla velocità del bersaglio. Quando i pericoli si avvicinano, il conducente del carrello elevatore può essere avvisato, la velocità del mezzo può essere automaticamente limitata o il veicolo può essere arrestato.

Nel caso di un carrello elevatore utilizzato sia all'interno che all'esterno, ad esempio, è possibile montare un sensore radar Q90R con un fascio di 40° x 40° sul tettuccio per rilevare la presenza o l'assenza di un soffitto. Quando si trova all'aperto e non viene rilevato alcun soffitto, il mezzo può muoversi alla velocità massima consentita. Quando invece si muove al chiuso e non c'è un soffitto, la velocità massima può essere ridotta automaticamente per aumentare la sicurezza e prevenire i danni (Figura 6).

Figura 6: I sensori radar possono essere utilizzati per monitorare la presenza di persone o oggetti in prossimità di un carrello elevatore e la presenza o assenza di un soffitto. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

A seconda delle esigenze del sistema, è possibile scegliere tra diversi modelli Q90R con diverse configurazioni di uscita:

• Q90R-4040-6KDQ con due uscite NPN/PNP discrete, una PFM e una IO-Link
• Q90R-4040-6KIQ con un'uscita di corrente analogica (da 4 a 20 mA), una NPN/PNP discreta e una IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ con un'uscita di tensione analogica (da 0 a 10 V o da 0,5 a 4,5 V), una NPN/PNP discreta e una IO-Link

Conclusione

I sensori radar serie Q90R sono estremamente versatili. La loro frequenza operativa di 60 GHz consente di rilevare diversi materiali. Con una portata fino a 20 m e schemi di fascio configurabili, questi radar FMCW possono supportare una varietà di applicazioni. Sono disponibili con diverse opzioni di uscita per supportare esigenze di sistema differenti e possono essere montati su veicoli come i carrelli elevatori o posizionati in punti fissi strategici, come quelli adiacenti alle banchine di carico. Infine, i progettisti possono utilizzare il software Measurement Sensor di Banner per accelerare la progettazione e l'implementazione del sistema.