Radar-Einsatz in schwierigen Umgebungen
Fahrzeugerfassung und Kollisionsvermeidung im Blickpunkt
Radar spielt bei der Fahrzeugerfassung und Kollisionsvermeidung eine wichtige Rolle. Wie sich die Spezifikationen von Radarsensoren so nutzen lassen, dass sie eine multifunktionale Erfassung zur zuverlässigen Objekterkennung in schwierigen Umgebungen ermöglichen.
Bewegungs- und Positionssensoren ermöglichen die Vermeidung von Kollisionen, gewährleisten die Sicherheit und erhöhen die Produktivität in Logistik, Fertigung, Bergbau, Transport, Landwirtschaft und anderen Branchen. Die Sensoren lassen sich an Fahrzeugen oder an strategisch günstigen, festen Standorten anbringen. Sie müssen für spezifische Anwendungsanforderungen konfigurierbar sein und über multifunktionale Erfassungsfunktionen verfügen, einschließlich der Erkennung von Objekten mithilfe von Abstand, Winkelposition und Geschwindigkeit. Die Fähigkeit, mehrere Ziele gleichzeitig zu erkennen, wird in stark frequentierten oder komplexen Umgebungen benötigt.
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Anwendungen wie Laderampen und die Geschwindigkeitssteuerung von Gabelstaplern profitieren von Technologien, die unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Wind, Niederschlag und andere Umwelteinflüsse sind. Die Anpassung von Parametern wie der Form des Erfassungsfensters und der Zielsollwerte kann die Leistung weiter verbessern.
Dieser Artikel startet mit einem Überblick über die Bedeutung der Betriebsfrequenz für mehrere wichtige Radarspezifikationen und geht dann zum Vergleich verfügbarer Radartechnologien wie frequenzmodulierter Dauerstrichradargeräte (FMCW) und gepulster kohärenter Radargeräte (PCR), Detektionsverfahren, Strahlmuster und Erfassungsbereiche über. Anschließend wird ein Softwarepaket vorgestellt, das die Entwicklung fortschrittlicher Systeme mit Radarsensoren beschleunigen kann.
Anhand von Anwendungsbeispielen wird gezeigt, wie alle diese Faktoren in den Radarsensoren der Serie Q90R von Banner Engineering dazu genutzt werden, multifunktionale Erfassungsmöglichkeiten für die zuverlässige Erkennung in anspruchsvollen Umgebungen zu bieten – einschließlich der Anwesenheitserkennung von Lastwagen an einer Laderampe und der Geschwindigkeitssteuerung von Gabelstaplern, um die Sicherheit zu erhöhen.
Bei Radar handelt es sich um eine aktive Sensortechnik, bei der hochfrequente elektromagnetische Wellen ausgesendet werden. Die von Objekten reflektierten Echos lassen sich nach verschiedenen Kriterien auswerten, um Informationen über die Objekte zu gewinnen, zum Beispiel Entfernung, Geschwindigkeit oder andere.
Die Betriebsfrequenz ist ein grundlegendes Merkmal, das die Leistung eines Radarsensors bestimmt. Es gibt industrielle Radarsensoren, die in den ISM-Frequenzbändern (Industrie, Wissenschaft und Medizin) bei 24 GHz, 60 GHz und 122 GHz arbeiten und ohne spezielle Lizenz anwendbar sind.
Die Betriebsfrequenz eines Radarsensors hat erheblichen Einfluss auf mehrere Spezifikationen:
- Reichweite: Radarsensoren mit niedrigen Frequenzen, zum Beispiel 24 GHz, haben die größte Reichweite.
- Genauigkeit: Hochfrequenz-Radarsensoren mit 122 GHz zeichnen sich durch eine höhere Genauigkeit aus und können kleinere Objekte erkennen.
- Tote Zone: Die tote Zone oder Blockierdistanz eines Radarsensors entsteht, wenn das Ziel zu nah ist. Im Allgemeinen treten bei Sensoren mit höheren Frequenzen kleinere Totzonen auf.
- Witterungsbeständigkeit: Die Sensorfunktionen sind unempfindlich gegen Wind, Nebel, Dampf und Temperaturschwankungen. Radar ist im Allgemeinen resistent gegen Störungen durch Regen oder Schnee. Das 24-GHz-Radar hat die beste Fähigkeit, Störungen durch Regen und Schnee zu ignorieren.
- Zielmaterialien: Das 24-GHz-Radar ist zwar am unempfindlichsten gegen Witterungseinflüsse, kann aber eine Vielzahl von Materialien nur bedingt erfassen. 60-GHz- oder 122-GHz-Radarsensoren können hoch- und niedrigdielektrische Materialien erkennen (Bild 1).
Jenseits der Frequenz
Die Frequenz ist ein entscheidendes Charakteristikum von Radarsensoren. Es gibt jedoch noch weitere wichtige Spezifikationen, wie die verwendete Radartechnik (FMCW oder PCR), Erkennungssysteme (zum Beispiel einstellbares Feld oder Reflexionssensoren) sowie das Sichtfeld, die Fensterform und die Zielsollwerte.
FMCW sendet ein kontinuierliches Signal, das moduliert ist und dessen Frequenz über eine feste Bandbreite steigt oder fällt. Durch die Messung der Frequenz eines reflektierten Signals weiß das Radar, wie lange es dauert, bis das Signal vom Ziel reflektiert wird und zurückkommt. Diese Informationen aus der Laufzeitmessung (Time of Flight, ToF) bestimmen die Zielentfernung.
Zu den Vorteilen von FMCW gehören die gleichzeitige Messung von Entfernung und Geschwindigkeit, ohne dass separate Antennen oder Impulse erforderlich sind, eine bessere Entfernungsauflösung, die Fähigkeit, zwischen eng beieinander liegenden Zielen zu unterscheiden, und eine höhere Genauigkeit in schwierigen Umgebungen.
Das PCR-Radar sendet einen Impuls, schaltet den Sender aus, wartet auf ein Echo vom Ziel und schaltet dann den Sender wieder ein, um einen neuen Impuls zu senden und den Zyklus fortzusetzen. Wie bei FMCW wird eine Form der ToF-Analyse verwendet, um die Reichweite und Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen. Die Verwendung von Impulsen bewirkt, dass das PCR-Radar weniger Strom verbraucht als das FMCW-Radar. PCR wird häufig in batteriebetriebenen Systemen bevorzugt und eignet sich gut für stromsparende Anwendungen mit kurzer Reichweite.
Einstellbares Feld versus Reflexionssensoren
Das Radar mit einstellbarem Feld erkennt Objekte, indem es die reflektierten HF-Wellen erfasst. Es eignet sich gut für die Erkennung von Objekten mit einem großen Radarquerschnitt, die einen hohen Anteil der HF-Wellen reflektieren. Objekte mit großen metallischen Oberflächen, insbesondere Oberflächen, die senkrecht zum Radarstrahl stehen, weisen typischerweise große Radarquerschnitte auf.
Radarsensoren mit einstellbarem Feld können konfigurierbare Sollwertabstände haben. Der Sensor verwendet ToF-Berechnungen, um den Zielbereich zu bestimmen, und meldet nur das Vorhandensein von Zielen innerhalb der eingestellten Entfernung.
Ein Reflexionsradarsensor ist auf das Vorhandensein eines reflektierenden Referenzziels wie einer Wand angewiesen. Es erkennt Objekte, indem es Störungen im reflektierten Signal des Referenzziels identifiziert. Diese Radarsensoren können so optimiert werden, dass sie auch Objekte erfassen, die keinen großen Radarquerschnitt haben.
60-GHz-FMCW-Radarsensoren
Die einstellbaren FMCW-Feldradarsensoren der Serie Q90R arbeiten bei 60 GHz und zeichnen sich durch ihre ausgewogene Leistung in Bezug auf Genauigkeit, Reichweite und Materialerkennungsfähigkeit aus. Zudem sind sie nach IP69K zertifiziert und für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen geeignet (Bild 2). Sie sind mit Sichtfeldern von 120° x 40° oder 40° x 40° erhältlich. Parameter wie die Reichweite und die Erkennung des nächstgelegenen Objekts lassen sich für spezifische Anwendungsanforderungen verändern.
Der Q90R2-12040-6KDQ bietet ein hochgradig konfigurierbares Sichtfeld von 120° x 40°, das in unabhängige Erfassungsbereiche aufgeteilt werden kann und die präzise Positionserfassung ermöglicht (Bild 3). Seine mehrdimensionale Erfassungsfähigkeit kann eine intelligentere Objekterkennung auf Grundlage von Entfernungs-, Radialpositions- und Geschwindigkeitsschwellenwerten unterstützen. Wie andere Modelle der Radarsensor-Familie Q90R liegt seine Reichweite bei 0,15 bis 20 m. Außerdem verfügt er über flexible Anschlussmöglichkeiten, einschließlich IO-Link und die Pulse-Pro-PFM-Technik (Pulsfrequenzmodulation) von Banner.
Software für mehr Leistung
Die leistungsstarken Funktionen der Radarsensoren Q90R und Q90R2 ist mit der Measurement Sensor Software von Banner nutzbar, einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI), mit der die Daten der Sensoren konfiguriert und visualisiert werden können.
Die Software stellt eine Grafik zur Verfügung, die zeigt, was der Sensor sieht, was für Sensoren ohne sichtbare Strahlen nützlich ist, zum Beispiel für Radarsensoren. Sensorparameter wie Reaktionsgeschwindigkeit, Ausgangskonfigurationen und Filteroptionen können geändert werden.
Das 120° x 40° große Sichtfeld des Q90R2 ist in hohem Maße konfigurierbar und erlaubt die präzise Positionierung und Steuerung. Die Software von Banner kann verwendet werden, um erweiterte Erfassungsparameter wie die Fensterform und die Zielsollwerte für jede Anwendung anzupassen (Bild 4).
Fahrzeugerkennung an Laderampen
Die automatische und genaue Erkennung von Lastwagen an Laderampen ist wichtig, um die Produktivität und Sicherheit zu fördern sowie Umweltstandards zu erfüllen. Herkömmliche Lösungen wie Klingeln oder Blinklichter sind oft nicht geeignet. Laderampen können laute Orte sein, an denen die Türklingeln nicht immer zu hören sind. Darüber hinaus kann es durch die Beleuchtung von Decken und Maschinen oder durch Blinklichter an Gabelstaplern leicht passieren, dass ein Indikatorlicht – selbst ein blinkendes – übersehen wird.
Eine automatisierte Sensorlösung ist wünschenswert. Allerdings gibt es Lkw in verschiedenen Größen, aus unterschiedlichen Materialien und mit einer breiten Palette von Farben und Oberflächenausführungen. Derartige Herausforderungen und die Mehrdeutigkeit der Umgebungsbedingungen wie Lärm, Staub, Regen oder Schnee machen es schwierig, eine zuverlässige Lösung auf Basis von photoelektrischen oder Ultraschallsensoren zu implementieren.
Radarsensoren wie der Q90R2 sind oft die erste Wahl, da sie die Umgebungsbedingungen ignorieren. Diese Sensoren haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +65 °C und eignen sich somit für den Einsatz in schwierigen Umgebungen wie feuchten und nebligen Bereichen. Sie können das Vorhandensein von Lastwagen zuverlässig erkennen, unabhängig von Material, Farbe, Textur oder Reflexionsvermögen.
Die unabhängigen und konfigurierbaren Erfassungszonen sowie das 120° x 40° große Strahlmuster des Q90R2 ermöglichen es, dass ein Sensor die Arbeit von zwei Sensoren erledigt und die Anwesenheit von Lastwagen an zwei benachbarten Docks erkennt (Bild 5).
Geschwindigkeitskontrolle und Sicherheit von Gabelstaplern
Die Radarsensoren können nicht nur Fahrzeuge erkennen, sondern lassen sich auch an einem Fahrzeug wie einem Gabelstapler anbringen, um Veränderungen in der Umgebung zu detektieren und die Sicherheit zu erhöhen. Ein Q90R2-Radarsensor kann beispielsweise an der Rückseite oder an den Seiten eines Gabelstaplers montiert und mit mehreren Zonen in unterschiedlichen Abständen konfiguriert werden.
Das breite Strahlmuster von 120° x 40° des Q90R2 eignet sich besonders gut für die Überwachung von Objekten in der Umgebung, die sich möglicherweise bewegen. Darüber hinaus bietet der Q90R2 eine Rückmeldung zu radialem Abstand, Winkelposition und Zielgeschwindigkeit. Wenn sich die Gefahr nähert, kann der Gabelstaplerfahrer gewarnt werden, die Geschwindigkeit des Gabelstaplers kann automatisch gedrosselt werden, oder der Gabelstapler kann angehalten werden.
Falls ein Gabelstapler sowohl im Innen- als auch im Außenbereich eingesetzt wird, kann ein Q90R-Radarsensor mit einem Strahlmuster von 40° x 40° auf dem Dach montiert werden, um das Vorhandensein oder Fehlen einer Decke zu erkennen. Wenn der Gabelstapler sich im Freien befindet und keine Decke erkannt wird, kann die Maschine mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit fahren. Wenn der Gabelstapler sich in Innenräumen bewegt und eine Decke vorhanden ist, kann die maximale Geschwindigkeit automatisch reduziert werden, um die Sicherheit zu erhöhen und Schäden zu vermeiden (Bild 6).
Je nach Anforderungen des Systems stehen mehrere Q90R-Modelle mit unterschiedlichen Ausgangskonfigurationen zur Auswahl, darunter folgende Sensoren:
- Q90R-4040-6KDQ mit zwei diskreten NPN/PNP-, PFM- und einem IO-Link-Ausgang
- Q90R-4040-6KIQ mit einem analogen Stromausgang (4 bis 20 mA), einem diskreten NPN/PNP- und einem IO-Link-Ausgang
- Q90R-4040-6KUQ mit einem analogen Spannungsausgang (0 bis 10 V oder 0,5 bis 4,5 V), einem diskreten NPN/PNP- und einem IO-Link-Ausgang.
Vielseitig einsetzbar
Die Radarsensoren der Serie Q90R sind äußerst vielseitig. Dank ihrer Betriebsfrequenz von 60 GHz können sie verschiedene Materialien erkennen. Mit einer Reichweite von bis zu 20 m und konfigurierbaren Strahlmustern können diese FMCW-Radare eine Vielzahl von Anwendungen unterstützen. Sie sind mit verschiedenen Ausgangsoptionen erhältlich, um unterschiedlichen Systemanforderungen zu genügen, und können auf Fahrzeugen wie Gabelstaplern montiert oder an strategischen, festen Standorten aufgestellt werden, zum Beispiel in der Nähe von Laderampen. Schließlich kann die Measurement Sensor Software von Banner genutzt werden, um den Systementwurf und die Bereitstellung zu beschleunigen.
Der Autor
Rolf Horn
ist Applikationsingenieur bei DigiKey. Seit 2014 ist er in der europäischen Technical-Support-Gruppe tätig und in erster Linie für die Beantwortung aller Art von entwicklungs- und ingenieurtechnischen Fragen von Endkunden in DACH (Deutschland, Österreich & Schweiz) und BeNeLux (Belgien, Niederlande & Luxemburg) sowie für das Schreiben und Korrekturlesen von deutschen Artikeln und Blogs auf den Plattformen TechForum und maker.io von DigiKey zuständig. Vor seiner Zeit bei DigiKey arbeitete er bei verschiedenen Herstellern im Halbleiterbereich mit Schwerpunkt auf eingebetteten FPGA-, Mikrocontroller- und Prozessorsystemen für IoT, Industrie- und Automobilanwendungen. Horn hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik von der Fachhochschule in München und begann seine berufliche Laufbahn bei einem lokalen Distributor für Elektronikkomponenten als MCU-System-Solutions-Architekt.
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