Jak lze využívat radar k detekci vozidel a předcházení kolizím v náročných prostředích

Senzory pro sledování pohybu a polohy umožňují předcházet kolizím, zajišťovat bezpečnost a zvýšit produktivitu v logistice, výrobě, těžbě, dopravě, zemědělství a v dalších průmyslových odvětvích. Senzory lze namontovat na vozidla nebo umístit na strategická pevná místa.

Senzory musejí být konfigurovatelné, aby vyhovovaly potřebám konkrétních aplikací, a mít multifunkční snímací schopnosti včetně detekce objektů na základě vzdálenosti, úhlové polohy a rychlosti. V rušných nebo složitých prostředích je zapotřebí schopnost detekovat více cílů najednou.

Aplikace, jako jsou nakládací rampy a řízení rychlosti vysokozdvižných vozíků, potřebují využívat technologii, která není ovlivněna nečistotami, prachem, větrem, srážkami a jinými podmínkami prostředí. Úpravou parametrů na míru, jako je tvar detekčního okna a požadované nastavené hodnoty, lze výkon dále zvýšit.

Tento článek začíná přehledem vlivu pracovní frekvence na několika klíčových specifikacích radaru, poté přejde ke srovnání dostupných radarových technologií, jako jsou frekvenčně modulované kontinuální vlny (FMCW) a pulzní koherentní radar (PCR), detekčních schémat, vyzařovacích diagramů a snímacích zón. Dále je zde představena softwarová sada, která může urychlit vývoj pokročilých systémů využívajících radarové senzory.

Článek uzavírá příkladem využití všech těchto faktorů v radarových senzorech řady Q90R od společnosti Banner Engineering, které poskytují multifunkční snímací funkce pro spolehlivou detekci v náročných prostředích, včetně snímání přítomnosti nákladních vozidel v nakládacích rampách a řízení rychlosti vysokozdvižných vozíků pro zvýšení bezpečnosti.

Rádiová detekce a (radarové) měření vzdálenosti je aktivní senzorová technologie vysílající vysokofrekvenční RF energii. Tato energie se ve své dráze odráží od objektů, přičemž charakteristiky odražené energie lze využívat k detekci objektů, určení jejich vzdálenosti a v některých případech i k měření rychlosti, kterou se pohybují směrem k senzoru nebo od něj.

Pracovní frekvence je základní charakteristikou určující výkonnost radarového senzoru. K dispozici jsou průmyslové radarové senzory pracující na frekvencích 24 GHz, 60 GHz a 122 GHz, což jsou součásti průmyslových, vědeckých a lékařských (ISM) frekvenčních pásem, a lze je používat bez zvláštní licence.

Pracovní frekvence radarového senzoru má významný dopad na několik specifikací, včetně následujících:

• Dosah - nízkofrekvenční radarové senzory, jako 24 GHz, mají nejdelší dosah.
• Přesnost - vysokofrekvenční radarové senzory, jako 122 GHz, mají vyšší přesnost a mohou detekovat menší objekty.
• Mrtvá zóna - mrtvá zóna nebo blokovací vzdálenost radarového senzoru je způsobena přílišnou blízkostí cíle. Obecně platí, že senzory s vyšší frekvencí mají menší mrtvé zóny.
• Odolnost vůči povětrnostním vlivům - funkce snímání jsou imunní vůči větru, mlze, páře a změnám teploty. Radar je obecně odolný proti rušení deštěm nebo sněhem. Nejlepší schopnost ignorovat rušení deštěm a sněhem má 24GHz radar.
• Cílové materiály - ačkoli je 24GHz radar nejodolnější vůči rušení povětrnostními vlivy, jeho schopnost snímat širokou škálu materiálů je nejvíce omezená. 60GHz nebo 122GHz radarové senzory jsou schopné detekovat materiály s vysokým i nízkým dielektrikem (obrázek 1).

Obrázek 1: pracovní frekvence radarových senzorů má silný vliv na jejich schopnost identifikovat řadu cílových materiálů na základě dielektrických charakteristik. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Za hranicí frekvence

Frekvence je určující charakteristikou radarových senzorů. Mezi další důležité parametry přesto patří radarová technologie, jako je FMCW versus PCR, detekční schémata včetně senzorů s nastavitelným polem versus retroreflexní senzory a zorné pole, tvar okna a požadované nastavitelné cílové hodnoty.

Radar FMCW vysílá nepřetržitý signál, který je modulován a zvyšuje nebo snižuje frekvenci v pevně stanovené šířce pásma. Měřením frekvence odraženého signálu radar zjistí dobu, za kterou se signál odrazil od cíle a vrátil. Tato informace o době letu (ToF) určuje vzdálenost cíle.

Mezi výhody technologie FMCW patří současné měření vzdálenosti a rychlosti bez nutnosti samostatných antén nebo impulzů, vynikající rozlišení vzdálenosti, schopnost rozlišovat cíle umístěné blízko sebe a vyšší přesnost v náročných prostředích.

Radar PCR odešle impulz, vypne vysílač, počká na příjem echa od cíle a poté znovu zapne vysílač, který odešle nový impulz a cyklus pokračuje. Podobně jako u technologie FMCW se k určení vzdálenosti a rychlosti cíle používá určitá forma analýzy doby letu (ToF). Použití impulzů znamená, že radar PCR využívá méně energie než technologie FMCW. Technologie PCR, která se často upřednostňuje v systémech napájených z baterií, je vhodná pro aplikace s nízkou spotřebou energie a s krátkým dosahem.

Senzory s nastavitelným polem vs. retroreflexní senzory

Radar s nastavitelným polem detekuje objekty snímáním odražených RF vln. Je vhodný k detekci objektů s velkým radarovým průřezem, který odrážejí velké množství rádiové energie. Objekty s velkými kovovými povrchy, zejména povrchy kolmými k radarovému paprsku, mají obvykle velké radarové průřezy.

Radarové senzory s nastavitelným polem mohou mít konfigurovatelné nastavené hodnoty vzdáleností. Senzor určuje vzdálenosti cíle pomocí výpočtů doby letu (ToF) a signalizuje přítomnost cílů pouze v mezích nastavené hodnoty vzdálenosti.

Retroreflexní radarový senzor spoléhá na přítomnost reflexního referenčního cíle, například stěny. Objekty detekuje pomocí identifikace narušení zpětného signálu z referenčního cíle. Tyto radarové senzory lze optimalizovat tak, aby snímaly i objekty, které nemají velký radarový průřez.

60GHz radarové senzory FMCW

Radarové senzory FMCW řady Q90R s nastavitelným polem pracují na frekvenci 60 GHz a poskytuje vyvážený výkon z hlediska přesnosti, dosahu a schopnosti detekce materiálu. Tyto senzory dále používají krytí IP69K a jsou vhodné pro použití v náročných prostředích (obrázek 2). Jsou k dispozici se zornými poli 120° x 40° nebo 40° x 40°. Parametry, například dosah a detekci nejbližšího nebo nejsilnějšího objektu, lze upravit podle specifických požadavků aplikace.

Obrázek 2: radarové senzory FMCW řady Q90R s nastavitelným polem pracují na frekvenci 60 GHz a jsou umístěny v odolném pouzdru IP69K. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Model Q90R2-12040-6KDQ používá vysoce konfigurovatelné zorné pole 120° x 40° s možností rozdělení na nezávislé detekční zóny, které umožňuje přesné snímání polohy (obrázek 3). Jeho schopnost vícerozměrného snímání může podporovat inteligentnější detekci objektů na základě vzdálenosti, radiální polohy a prahových hodnot rychlosti. Stejně jako ostatní modely radarových senzorů skupiny Q90R má i tento senzor dosah 0,15 až 20 m. Nabízí také flexibilní možnosti připojení, včetně rozhraní IO-Link a technologie pulzně-frekvenční modulace (PFM) Pulse Pro společnosti Banner.

Obrázek 3: radarové senzory Q90R2 mají konfigurovatelné a široké zorné pole 120° x 40° (zdroj obrázku: Banner Engineering)

Software odemyká výkon

Výkonné funkce radarových senzorů Q90R a Q90R2 lze odemknout pomocí softwaru Measurement Sensor Software od společnosti Banner, grafického uživatelského rozhraní (GUI), které konstruktérům umožňuje provádět konfiguraci a vizualizaci data ze senzorů.

Software poskytuje grafiku, která zobrazuje, co senzor vidí, což je praktické pro senzory bez viditelných paprsků, jako jsou radarové senzory. Uživatelé mohou upravovat parametry senzoru, jako je rychlost odezvy, konfigurace výstupu a možnosti filtrace.

Zorné pole 120° x 40° senzoru Q90R2 je vysoce konfigurovatelné a umožňuje přesné polohování a ovládání. Konstruktéři mohou pomocí softwaru od společnosti Banner upravit na míru pokročilé parametry snímání, například tvar okna nebo cílové nastavené hodnoty pro jednotlivé aplikace. (Obrázek 4).

Obrázek 4: software pro měřicí senzory od společnosti Banner Engineering umožňuje konstruktérům optimalizovat zorné pole (nahoře) nebo tvary oken a cílové body (dole). (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Detekce vozidel z nakládacích rampách

Automatická a přesná detekce nákladních vozidel v nakládacích rampách je důležitá z hlediska podpory produktivity a bezpečnosti a splnění ekologických norem. Tradiční řešení v podobě zvonků nebo indikátorů nejsou často vhodná. Nakládací rampy mohou být hlučné a zvonky nemusí být vždy slyšet. Kromě toho může přítomnost stropního a strojního osvětlení a blikajících světel vysokozdvižných vozíků snadno způsobit přehlédnutí kontrolky, a to i blikající.

Automatizované řešení senzorů je proto žádoucí. Nákladní automobily se však vyrábějí v několika velikostech, z různých materiálů a mohou používat širokou škálu barev a povrchových úprav. Díky těmto problémům a nejednoznačnosti podmínek okolního prostředí, například hluku, prachu, deště nebo sněhu, je implementace spolehlivého řešení založeného na fotoelektrických nebo ultrazvukových senzorech náročnější.

Často upřednostňovanou volbou jsou radarové senzory, například řady Q90R2. Tyto senzory totiž ignorují podmínky prostředí. Senzory používají kryt s ochranou IP67/IP69K, čímž jsou vhodné do silných dešťů a dalších náročných prostředí, a podporují široký rozsah provozních teplot −40 °C až +65 °C. Mohou spolehlivě detekovat přítomnost nákladních vozidel bez ohledu na materiál a jeho barvu, texturu nebo odrazivost.

Díky nezávislým a konfigurovatelným snímacích zónám a stopě svazku 120° x 40° senzoru Q90R2 je jeden senzor schopen plnit úlohu dvou a detekovat tak přítomnost nákladních vozidel ve dvou sousedních stáních (obrázek 5).

Obrázek 5: stopa svazku 120°× 40° radarového senzoru Q90R2 znamená, že jeden senzor je schopen monitorovat dvě stání pro nákladní vozidla. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Kontrola rychlosti a bezpečnosti vysokozdvižných vozíků

Kromě detekce vozidel lze radarové senzory namontovat na vozidlo, například na vysokozdvižný vozík, kde budou detekovat změny v jeho okolí a tím zvyšovat bezpečnost. Například radarový senzor Q90R2 lze namontovat na zadní část nebo boční strany vysokozdvižného vozíku a nakonfigurovat ve více zónách v různých vzdálenostech.

Díky široké stopě paprsku 120° × 40° je senzor Q90R2 vhodný zejména pro monitorování okolních objektů, které mohou být v pohybu. Model Q90R2 navíc poskytuje zpětnou vazbu o radiální vzdálenosti, úhlové poloze a rychlosti cíle. Řidič vysokozdvižného vozíku může být upozorněn na blížící se nebezpečí, rychlost vysokozdvižného vozíku lze automaticky omezit nebo vozík zastavit.

V případech, kdy se vysokozdvižný vozík používá uvnitř i venku, lze radarový senzor Q90R se stopou paprsku 40°x 40° namontovat na střechu, kde bude detekovat přítomnost či nepřítomnost stropu. Pokud se vysokozdvižný vozík nachází venku a není detekován žádný strop, může se stroj pohybovat maximální povolenou rychlostí. Pokud se vysokozdvižný vozík pohybuje uvnitř a je přítomen strop, maximální rychlost lze automaticky snížit tak, aby došlo ke zvýšení bezpečnosti a zamezení poškození (obrázek 6).

Obrázek 6: radarové senzory lze používat k monitorování osob nebo objektů v okolí vysokozdvižného vozíku a k přítomnosti či nepřítomnosti stropu. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

V závislosti na potřebách systému je k dispozici výběr z několik modelů senzorů Q90R s různými výstupními konfiguracemi včetně následujících:

• Q90R-4040-6KDQ s dvěma diskrétními výstupy NPN/PNP, PFM a výstupem IO-Link
• Q90R-4040-6KIQ s analogovým proudem (4 až 20 mA), 1 diskrétním výstupem NPN/PNP a výstupem IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ s analogovým napětím (0 až 10 V nebo 0,5 až 4,5 V), 1 diskrétním výstupem NPN/PNP a výstupem IO-Link

Závěr

Radarové senzory řady Q90R jsou velmi univerzální. Jejich pracovní frekvence 60 GHz jim umožňuje detekovat různé materiály. Díky dosahu až 20 m a konfigurovatelným stopám svazku mohou tyto radary FMCW podporovat různé aplikace. Jsou k dispozici s několika možnostmi výstupu na podporu různých systémových potřeb a lze je namontovat na vozidla, jako jsou vysokozdvižné vozíky, nebo umístit na strategická pevná místa, například do blízkosti nakládacích ramp. V neposlední řadě mohou konstruktéři využívat software pro měřicí senzory od společnosti Banner urychlení návrhu a nasazení systému.