Sensorik in der Industrie 4.0
Abstände messen mit Radarsensoren
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Das neue V-LD1-Modul von RFbeam
Der Schweizer Hersteller RFbeam hat das Digitalradar-Modul »V-Band-Radarmodul V-LD1« auf den Markt gebracht, das trotz seiner kompakten Bauweise von 12 mm x 16 mm eine hohe Performance in der Abstandsmessung erreicht. Objekte lassen sich je nach Modulationsbandbreite bis zu einer Distanz von 50 m bei einer Auflösung im Bereich von wenigen Zentimetern detektieren.
Bild 3 zeigt das Radarmodul V-LD1 mit dem integrierten Radar-Frontend und einem separaten Mikrocontroller für die Signalauswertung (FFT und digitale Schnittstellen).
Während bei den K-Band-Radarsensoren die Antennen eine Ausdehnung von mehreren Zentimetern haben und zudem kein Standard-Leiterplattenmaterial verwendet werden kann, sind die HF-Sende- und Empfangsantenne im 61-GHz-Radar-Frontend bereits im Chip integriert.
Bild 4 zeigt die Blockschaltung des V-LD1. Der PLL-Sägezahn-Generator moduliert das Sendesignal im Bereich zwischen 59 GHz und 63 GHz mit einer Modulationsbandbreite von maximal 4 GHz. Der Mischer bildet die Differenzfrequenz zwischen dem Rx- und Tx-Signal und leitet dieses über eine Verstärkerstufe an den DSP-Controller weiter. Der Controller berechnet die Distanz-FFT und sucht auf Basis einstellbarer Parameter und Filter ein Ziel. Dieses Ziel hat eine Auflösung im Zentimeterbereich. Der Sensor hat aber noch eine erweiterte Signalverarbeitung an Bord, welche die Auflösung für das Einzelziel im Millimeterbereich ermöglicht. Das Ergebnis der Distanzmessung steht Anwendern danach über eine digitale UART-Schnittstelle zur Verfügung.
Der natürliche Öffnungswinkel des Radarmoduls ist 170° x 60°. Durch den Einsatz spezieller, für den V-LD1 entwickelter Kunststofflinsen lässt sich der Öffnungswinkel auf bis zu 8° x 8° einschränken. Dies ist besonders für den Einsatz als Füllstandsmesser hilfreich. Linsen mit anderen Bündelungseigenschaften können kundenspezifisch entwickelt werden.
Der Sensor ist überaus energieeffi- zient und startet zuerst in einem Sleep-Modus, in dem nur etwa 350 µA erforderlich sind. Er erwacht nur, wenn über die UART-Schnittstelle eine Messung angefordert wird. Dies ermöglicht es, den Messtakt und somit auch den Stromverbrauch individuell anzupassen. Falls noch geringerer Stromverbrauch gewünscht wird, kann auch die gesamte Spannungsversorgung abgeschaltet werden. Mit einer Aufstartzeit von lediglich 15 ms ist der Sensor schnell verfügbar. Dies ist besonders interessant für Anwendungen, die mit Solarstrom oder einer Batterie betrieben werden.
Das Evaluation-Kit zum V-LD1
RFbeam bietet ein Evaluation-Board (Bild 5) mit übersichtlicher grafischer Benutzeroberfläche an, das Anwendern ermöglicht, schnell erste Messresultate zu erzielen. Durch die im Set enthaltene Linse lässt sich der Erfassungsbereich des Radarsensors auf 8° x 8° einschränken.
Die mitgelieferte GUI (Bild 6) bietet neben der Möglichkeit,
das Radarmodul zu konfigurieren und die Rohdaten der FFT direkt in Echtzeit zu beobachten, auch eine grafische Darstellung einer Abstandsmessung am Beispiel eines Füllstands in einem 20 m hohen Silo. Der höchste Peak in der FFT (in Bild 6 mit einem grünen Kreuz markiert) entspricht dem gemessenen Abstand (1.881 m), was einem Füllstand von 18,119 m entspricht.
Applikationen
Neben der erwähnten Füllstandsmessung bietet das Radarmodul viele weitere Einsatzmöglichkeiten.
In fahrerlosen Transportsystemen können Radarsensoren als Ergänzung zu Laserscannern oder anderen optischen Abtastverfahren zuverlässig den Fahrweg nach Hindernissen abtasten und rechtzeitig vor einer Kollision das Fahrzeug stoppen (Bild 7).
Der V-LD1 eignet sich auch als Radar-Reflexlichtschranke. Tangential am Sensor vorbeifahrende Fahrzeuge und Gegenstände können gezählt, vermessen und deren Geschwindigkeit ermittelt werden.
Auch in der Lagertechnik bieten sich Anwendungen an. Palettenregale in Hochregallagern sind, um Platz zu sparen, oft verfahrbar ausgeführt, damit Regale, auf die im Moment nicht zugegriffen werden muss, zusammengeschoben werden können. Radarsensoren können die parallele Verschiebung der Regale, die oft 20 oder mehr Meter lang sein können, zentimetergenau überwachen. Am Kopfende eines Zwischengangs angebrachte Radarsensoren können erkennen, ob sich im Bereich zwischen den Regalen noch Fahrzeuge oder Personen befinden, und gegebenenfalls warnen, bevor Regale zusammengeschoben werden.
Schließlich eignet sich das Modul auch für Sicherheitsanwendungen, um Bereiche mit bis 50 m Kantenlänge zu überwachen sowie Personen und Fahrzeuge zu erkennen, die die Bereichsgrenzen überschreiten.
Der Autor
Dr. rer. nat. Thomas Wolf
ist Applikationsingenieur bei der Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH in Nagold mit Schwerpunkt Sensoren, TFT-Displays und Konfiguration von Display-Touchcontrollern.
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