Radarok használata járművek észlelésére és az ütközések elkerülésére kihívásokkal teli környezetben

A mozgásfigyelők és helyzetérzékelők lehetővé teszik az ütközések elkerülését, megteremtik a biztonságot és növelik a termelékenységet a logisztika, a gyártás, a bányászat, a szállítás, a mezőgazdaság és más iparágak területén. Az érzékelőket járművekre lehet szerelni, vagy stratégiai fontosságú helyeken lehet elhelyezni.

A készülékeknek az egyedi felhasználási igényeknek megfelelően beállíthatóaknak és többfunkciós érzékelési képességűeknek kell lenniük, beleértve a távolságon, szöghelyzeten és sebességen alapuló objektumészlelést. A zsúfolt és bonyolult környezetekben egyszerre több célpont észlelésének képességére van szükség.

Az olyan felhasználási területeken, mint a targoncák sebességszabályozása és a rakodódokkok, előnyös az olyan megoldások használata, amelyeket nem befolyásol a szennyeződés, a por, a szél, a csapadék és egyéb környezeti tényezők. Az olyan paraméterek testreszabása, mint az érzékelőablak alakja és a célértékek, tovább javíthatja a teljesítményt.

Ez a cikk a számos fontos radarjellemzőt érintő működési frekvencia jelentőségének áttekintésével kezdődik, majd áttér a rendelkezésre álló radartechnikák, például a frekvenciamodulált folyamatos hullámú (FMCW, frequency modulated continuous wave) és az impulzusüzemű koherens radar (PCR, pulsed coherent radar), valamint az észlelési sémák, az érzékelési karakterisztikák, a látómezők és az érzékelési zónák összehasonlítására. Ezután egy olyan szoftvercsomagot mutat be, amely felgyorsíthatja a radarérzékelőket használó korszerű rendszerek fejlesztését.

A cikket a gyakorlati felhasználást szemléltető példák zárják, amelyek azt mutatják be, hogy a Banner Engineering Q90R sorozatú radarérzékelői hogyan használják mindezeket a tényezőket arra, hogy többfunkciós érzékelési képességeket nyújtsanak a megbízható érzékeléshez magas követelményeket támasztó környezetben, beleértve a teherautók jelenlétének érzékelését a rakodódokkoknál és a targoncák sebességének szabályozását a nagyobb biztonság érdekében.

A radar egy aktív érzékelőtechnika, amely nagyfrekvenciás (rádiófrekvenciás) energiát bocsát ki. Az energia visszaverődik az útjába kerülő tárgyakról, és a visszavert energia jellemzői felhasználhatók a tárgyak észlelésére, azok távolságának meghatározására, és bizonyos esetekben az érzékelő felé haladásuk vagy az érzékelőtől való távolodásuk sebességének mérésére.

A működési frekvencia nagyon fontos jellemző, amely meghatározza a radarérzékelő teljesítményét. A kereskedelmi forgalomban kaphatók és külön engedély nélkül használhatók az ipari, tudományos és gyógyászati (ISM, Industrial, Scientific and Medical) célú frekvenciasávokban (24 GHz, 60 GHz és 122 GHz) működő ipari radarérzékelők.

A radarérzékelő működési frekvenciája jelentős hatással van számos jellemzőre, többek között a következőkre:

• Hatótávolság: A kis, például 24 GHz-es frekvenciájú radarérzékelőknek a legnagyobb a hatótávolságuk.
• Pontosság: A nagy, 122 GHz-es frekvenciájú radarérzékelőknek nagyobb a pontosságuk, és kisebb objektumokat is képesek érzékelni.
• Holtzóna:A radarérzékelők holtzónáját vagy blokkolási távolságát a túl közeli célpontok okozzák. Általában a nagyobb frekvenciájú érzékelőknek kisebb a holtzónájuk.
• Időjárás-állóság: Az érzékelőfunkciókat nem zavarják a szél, a köd, a pára és a hőmérséklet-változások. A radarokat általában nem zavarja az eső és a hó. A 24 GHz-es radarok képesek a leginkább figyelmen kívül hagyni az eső és a hó okozta zavarást.
• Célanyagok: Bár a 24 GHz-es radarokat zavarja a legkevésbé az időjárás, ezek a radarok képesek az anyagok legkorlátozottabb skálájának érzékelésére. A 60 GHz-es vagy 122 GHz-es radarérzékelők képesek a nagy és a kis dielektromos állandójú anyagok érzékelésére is (1. ábra).

1. ábra: A radarérzékelők működési frekvenciája nagyban befolyásolja, hogy milyen anyagú célokat képesek azonosítani azok dielektromos jellemzői alapján (ábra: Banner Engineering)

A frekvencián túllépve

A frekvencia a radarérzékelők egyik meghatározó jellemzője. A további fontos jellemzők közé tartozik még a radar üzemmódja, például ami lehet például frekvenciamodulált folyamatos hullámú (FMCW) vagy impulzusüzemű koherens radar (PCR), az érzékelési módszerek, beleértve az állítható hatótávolságú, illetve a visszatükrözés-érzékelő készülékeket, valamint a látómező mérete, az ablak alakja és a célértékek.

A frekvenciamodulált folyamatos hullámú radar folyamatos jelet bocsát ki, amely modulálva van, és a frekvenciája egy állandó sávszélességen belül nő vagy csökken. A visszavert jel frekvenciájának mérésével a radar tudja, hogy mennyi időbe telt, míg a jel visszaverődött a célpontról és visszaért. Ez a visszaverődési idő (ToF, time of flight) határozza meg a cél távolságát.

A frekvenciamodulált folyamatos hullámú radar néhány előnye közé tartozik a távolság és a sebesség egyidejű mérése külön antennák vagy impulzusok nélkül, a kiváló távolságfelbontás, a szorosan egymás közelében lévő célpontok megkülönböztetésének képessége és a nagyobb pontosság kihívást jelentő környezetben.

Az impulzusüzemű koherens radar kiküld egy impulzust, azután kikapcsolja az adót, megvárja, amíg a jel visszaverődik a célpontról, majd újra bekapcsolja az adót, és új impulzust küld ki, folytatva a ciklust. A frekvenciamodulált folyamatos hullámú radarhoz hasonlóan itt is a visszaverődési idő elemzésének egy formáját használják a cél távolságának és sebességének meghatározására. Az impulzusok használata azt jelenti, hogy az impulzusüzemű koherens radar kevesebb energiát használ, mint a frekvenciamodulált folyamatos hullámú radar. Az impulzusüzemű koherens radart gyakran előnyben részesítik az akkumulátorról működő rendszerekben, és jól használható kis teljesítményű, kis hatótávolságú készülékekben is.

Állítható hatótávolságú, illetve visszatükrözés-érzékelő radarok

Az állítható hatótávolságú radar a visszavert rádióhullámok érzékelésével észleli az objektumokat. Ezek a radarok kiválóan alkalmasak a nagy radarkeresztmetszetű, sok rádiófrekvenciás energiát visszaverő objektumok észlelésére. A nagy fémfelületű tárgyak, különösen a radarsugárra merőleges felületek jellemzően nagy radarkeresztmetszetűek.

Az állítható hatótávolságú radarérzékelők esetében általában beállíthatók az alaptávolságok. Az érzékelő visszaverődésiidő-számításokat használ a cél távolságának meghatározására, és csak a beállított hatótávolságon belüli célpontok jelenlétét jelzi.

A visszatükrözés-érzékelő radarérzékelőkhöz szükséges egy rádiójeleket visszatükröző (azaz a beesés irányával párhuzamosan visszaverő) referenciaobjektum, például egy fal. Ez az érzékelő az objektumokat a referenciaobjektum által visszatükrözött jelben lévő zavarok azonosításával érzékeli. Ezek a radarérzékelők optimalizálhatók úgy, hogy akkor is érzékeljék az objektumokat, ha azoknak nem nagy a radarkeresztmetszetük.

60 GHz-es frekvenciamodulált folyamatos hullámú radarérzékelők

A Q90R sorozatú frekvenciamodulált folyamatos hullámú, állítható hatótávolságú radarérzékelők 60 GHz-en működnek, és kiegyensúlyozott teljesítményt nyújtanak a pontosság, a hatótávolság és az anyagérzékelési képességek tekintetében. Ezenkívül IP69K védettségűek, és alkalmasak magas követelményeket támasztó környezetekben való használatra (2. ábra). 120° × 40° vagy 40° × 40° látómezővel kaphatóak. Az olyan paraméterek, mint a hatótávolság és a legközelebbi vagy legerősebb visszaverődést adó objektum észlelése a felhasználási mód egyedi követelményei szerint módosíthatóak.

2. ábra: A Q90R sorozatú, állítható hatótávolságú frekvenciamodulált folyamatos hullámú radarérzékelők 60 GHz-en működnek, és erős, IP69K védettségű tokozásban vannak (kép: DigiKey)

A Q90R2-12040-6KDQ érzékelőnek nagymértékű beállíthatóságot megengedő 120° × 40°-os látómezeje van, amely független érzékelési zónákra osztható, és lehetővé teszi a nagyon pontos helyzetérzékelést (3. ábra). Többdimenziós érzékelőképessége lehetővé teszi a távolság, a sugárirányú helyzet és a sebesség-küszöbértékek alapján történő intelligensebb objektumérzékelést. A Q90R radarérzékelő termékcsalád többi típusához hasonlóan 0,15–20 m hatótávolságú. Rugalmas csatlakozási lehetőségeket is kínál, beleértve az IO-Linket és a Banner cég Pulse Pro impulzusfrekvencia-modulációs (PFM) technikáját.

3. ábra: A Q90R2 radarérzékelők beállítható és nagy, 120° × 40°-os a látómezejük (ábra: Banner Engineering)

A szoftver felszabadítja a teljesítményt

A Q90R és Q90R2 radarérzékelők hatékony funkcióit a Banner Measurement Sensor Software programja segítségével lehet igazán kihasználni. Ez egy grafikus felhasználói felület (GUI), amely lehetővé teszi a tervezők számára az érzékelők adatainak beállítását és képi megjelenítését.

A szoftver grafikusan mutatja, hogy mit lát az érzékelő, ami a látható sugárral nem rendelkező érzékelők, például a radarérzékelők esetében igen hasznos. A felhasználók módosíthatják az érzékelő paramétereit, például a válaszadási sebességet, a kimeneti beállításokat és a szűrési lehetőségeket.

A Q90R2 120° × 40°-os látómezeje nagymértékben állítható, így nagyon pontos helyzetmeghatározást és vezérlést tesz lehetővé. A tervezők a Banner szoftverével testreszabhatják a fejlett érzékelési paramétereket, például az egyes készülékek ablakformáját és célértékeit (4. ábra).

4. ábra: A Banner cég Measurement Sensor Software programja lehetővé teszi a tervezők számára a látómező (fent), valamint az ablakformák és a céltávolságok (lent) optimalizálását (ábra: Banner Engineering)

Járművek érzékelése a rakodódokkoknál

A teherautók automatikus és pontos észlelése a rakodódokkoknál fontos a termelékenység és a biztonság támogatása, valamint a környezetvédelmi előírások betartása érdekében. A hagyományos megoldások, mint a csengő vagy a jelzőfények gyakran nem megfelelőek. A rakodódokkok zajos helyek lehetnek, ahol a csengők nem mindig hallhatóak. Ezen túlmenően a felső világítás és a targoncák saját világítása, valamint villogó fényei miatt könnyű átsiklani egy jelzőfényen, még ha az villog is.

Ilyen helyeken nagyon hasznos tud lenni egy automatizált érzékelős megoldás. A teherautók azonban többféle méretben és különböző anyagokból készülnek, és sokféle színűek és felületűek lehetnek. Ezek a kihívások, valamint az olyan környezeti tényezők, mint a zaj, a por, az eső vagy a hó, nem egyértelműek, ami megnehezíti a fotocellás vagy ultrahangos érzékelőkön alapuló megbízható megoldások megvalósítását.

Ilyen esetekben gyakran az olyan radarérzékelőket részesítik előnyben, mint a Q90R2. Ezeket az érzékelőket nem zavarják a környezeti tényezők. IP67/IP69K védettségű házban vannak, így alkalmasak a felhőszakadásban és más komoly kihívást jelentő környezeti viszonyok közötti működésre is, valamint széles, –40°C és +65°C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban használhatóak. Megbízhatóan érzékelik a teherautók jelenlétét, függetlenül azok anyagától, színétől, felületétől és fényvisszaverő képességétől.

A Q90R2 független és beállítható érzékelési zónái és 120° × 40°-os látómezeje lehetővé teszik, hogy egy érzékelő két érzékelő munkáját végezze el, és két szomszédos dokknál érzékelje a teherautók jelenlétét (5. ábra).

5. ábra: A Q90R2 radarérzékelő 120° x 40°-os látómezeje azt jelenti, hogy egy érzékelő két teherautódokkot is képes figyelni (ábra: Banner Engineering)

Targoncák sebességszabályozása és biztonsága

A járművek észlelése mellett a radarérzékelők felszerelhetők járművekre, például targoncákra is, hogy a biztonság növelése érdekében észleljék a környezet változásait. Például a Q90R2 radarérzékelőt fel lehet szerelni egy targonca hátuljára vagy oldalára, és több különböző távolságban lévő zónát lehet beállítani hozzá.

A Q90R2-t a nagy, 120° × 40°-os látómezeje különösen alkalmassá teszi a környező, mozgásban lévő tárgyak megfigyelésére. Ezenkívül a Q90R2 a radiális távolság, a szöghelyzet és a célsebesség visszajelzésére is alkalmas. A veszélyek közeledtével a targoncavezető figyelmeztetést kaphat, a targonca sebessége pedig automatikusan korlátozható, vagy akár meg is állítható a targonca.

Azokban az esetekben, amikor a targoncát épületen belül és kültéren is használják, egy 40° × 40°-os látómezejű Q90R radarérzékelőt lehet a tetejére szerelni, hogy érzékelje, van-e mennyezet a targonca fölött. Kültéren, amikor az érzékelő nem érzékel mennyezetet, a targonca a megengedett legnagyobb sebességgel mozoghat. Ha a targonca épületen belül mozog, és annak van mennyezete, a biztonság növelése és a károk megelőzése érdekében automatikusan csökkenthető a legnagyobb sebesség (6. ábra).

6. ábra: A radarérzékelők segítségével ellenőrizhetők a targonca körül lévő emberek és tárgyak, valamint a mennyezet megléte vagy hiánya (ábra: Banner Engineering)

A rendszer igényeitől függően több különböző kimeneti beállítású Q90R-altípus közül lehet választani, például:

• Q90R-4040-6KDQ két diszkrét npn/pnp, PFM és IO-Link kimenettel
• Q90R-4040-6KIQ analóg áramkimenettel (4–20 mA), 1 diszkrét npn/pnp és egy IO-Link kimenettel
• Q90R-4040-6KUQ analóg feszültségkimenettel (0–10 V vagy 0,5–4,5 V), 1 diszkrét npn/pnp és egy IO-Link kimenettel

Összegzés

A Q90R sorozatú radarérzékelők rendkívül sokoldalúak. 60 GHz-es működési frekvenciájuk lehetővé teszi, hogy különböző anyagokat érzékeljenek. Az akár 20 m-es hatótávolsággal és beállítható látómezőkkel ezek a frekvenciamodulált folyamatos hullámú radarok számos felhasználási területre alkalmasak. A különböző rendszerigényeket támogató többféle választható kimenőjellel kaphatóak, és felszerelhetők járművekre, például targoncákra, vagy elhelyezhetők stratégiai fontosságú állandó helyeken, például rakodódokkok mellett. Ráadásul a tervezők a rendszertervezés és a telepítés felgyorsításához használhatják a Banner cég Measurement Sensor Software programját.