Tutkan käyttö ajoneuvojen tunnistukseen ja törmäysten välttämiseen haastavissa ympäristöissä

Liikkeenvalvonta- ja asentoanturit voivat mahdollistaa törmäysten välttämisen, taata turvallisuuden ja parantaa tuottavuutta logistiikassa, tuotannossa, kaivostoiminnassa, liikenteessä, maataloudessa ja muilla teollisuudenaloilla. Antureita voidaan asentaa ajoneuvoihin tai sijoittaa strategisesti kiinteisiin paikkoihin.

Niiden täytyy tarjota mahdollisuus konfiguroida ne sovelluksen erityistarpeiden mukaan, ja niiden tulee tarjota monenlaisia mittausominaisuuksia, kuten etäisyyteen, kulma-asentoon ja nopeuteen perustuva objektin tunnistus. Kiireisissä tai kompleksisissa ympäristöissä vaaditaan kykyä havaita useita kohteita samanaikaisesti.

Lastauslaitureiden ja trukkien nopeusvalvonnan kaltaisissa sovelluksissa on hyötyä sellaisesta tekniikasta, johon lika, pöly, tuuli, sateet ja muut ympäristöolosuhteet eivät vaikuta. Sellaisten parametrien kuten mittausikkunan muodon ja kohteen asetuspisteiden räätälöinti voi parantaa suorituskykyä entisestään.

Tämä artikkeli tarkastelee ensin toimintataajuuden merkitystä useiden keskeisten tutkaspesifikaatioiden kannalta ja vertailee sen jälkeen käytettävissä olevia tutkatekniikoita, kuten FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) ja PCR (Pulsed Coherent Radar), tunnistusmuotoja, sädekuvioita ja tunnistusvyöhykkeitä. Seuraavaksi artikkeli esittelee ohjelmistopaketin, joka voi nopeuttaa tutka-antureita käyttävien edistyneiden järjestelmien kehittämistä.

Artikkeli tarjoaa lopuksi sovellusesimerkkejä siitä, miten kaikkia näitä tekijöitä käytetään Banner Engineeringin Q90R-tutka-anturisarjassa, joka tarjoaa monitoimiset mittausominaisuudet luotettavaan tunnistukseen vaativissa ympäristöissä, kuten kuorma-autojen läsnäolon tunnistuksessa lastauslaiturilla ja trukkien turvallisuutta lisäävässä nopeusvalvonnassa.

Radiomittaus ja etäisyyden mittaus (tutka) on aktiivinen anturitekniikka, joka lähettää korkeataajuista RF-energiaa. Sen reitillä olevista kohteista heijastuu energiaa takaisin, ja heijastuneen energian ominaisuuksia voidaan käyttää kohteiden tunnistukseen, niiden etäisyyden määrittämiseen ja joissakin tapauksissa mittaamaan nopeutta, jolla ne liikkuvat anturia kohti tai siitä poispäin.

Toimintataajuus on perustavanlaatuinen ominaisuus, joka määrittää tutka-anturin suorituskyvyn. Teollisuustutka-antureita on saatavilla toimintataajuuksilla 24 GHz, 60 GHz ja 122 GHz, jotka kuuluvat lisensoimattomiin ISM (Industrial, Scientific and Medical) -taajuuskaistoihin.

Tutka-anturin toimintataajuudella on merkittävä vaikutus moniin spesifikaatioihin, kuten:

• Kantama – Matalataajuisilla tutka-antureilla, kuten 24 GHz, on pisin kantama.
• Tarkkuus – Korkeataajuiset tutka-anturit, kuten 122 GHz, tarjoavat paremman tarkkuuden ja pystyvät tunnistamaan pienempiä kohteita.
• Kuollut alue – Tutka-anturin kuolleen alueen eli kielletyn etäisyyden aiheuttaa se, että kohde on liian lähellä. Mitä korkeampaa taajuutta anturi käyttää, sitä pienempi sen kuollut alue yleensä on.
• Säänkestävyys – Tuuli, sumu, höyry ja lämpötilan muutokset eivät vaikuta mittaukseen. Sade ja lumi eivät yleensä aiheuta häiriöitä tutkan toimintaan. 24 GHz:n tutka kestää parhaiten sateen ja lumen aiheuttamia häiriöitä.
• Kohdemateriaalit – Vaikka 24 GHz:n tutka kestää parhaiten sään aiheuttamia häiriöitä, sen kyky tunnistaa erilaisia materiaaleja on kaikkein rajoitetuin. 60 GHz:n ja 122 GHz:n tutka-anturit pystyvät tunnistamaan materiaaleja, joiden dielektrisyys on korkea tai matala (kuva 1).

Kuva 1: Tutka-antureiden toimintataajuus vaikuttaa suuresti kykyyn tunnistaa erilaisia kohdemateriaaleja niiden dielektristen ominaisuuksien perusteella. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Taajuuden lisäksi muillakin ominaisuuksilla on merkitystä

Taajuus on tutka-antureiden ratkaiseva ominaisuus. Muihin tärkeisiin ominaisuuksiin kuuluvat kuitenkin myös tutkatekniikat, kuten FMCW ja PCR, tunnistusmuodot, kuten säädettävä kenttä ja retroheijastavat anturit, sekä näkökenttä, ikkunan muoto ja kohteen asetuspisteet.

FMCW lähettää jatkuvaa signaalia, joka on moduloitu ja jonka taajuus kasvaa tai laskee kiinteällä kaistanleveydellä. Mittaamalla heijastuneen signaalin taajuuden tutka tietää, kuinka kauan signaalin heijastuminen kohteesta ja paluu kestää. Tämä kulkuaikatieto (ToF) määrittää kohteen etäisyyden.

FMCW-tutkan etuihin kuuluvat etäisyyden ja nopeuden samanaikainen mittaus ilman erillisiä antenneja tai pulsseja, ylivoimainen kantamaan liittyvä resoluutio, kyky erottaa lähekkäin sijaitsevat kohteet toisistaan ja parempi tarkkuus haastavissa käyttöympäristöissä.

PCR-tutka lähettää pulssin, kytkee lähettimen pois päältä, odottaa, että kohteesta vastaanotetaan kaiku, ja kytkee lähettimen takaisin päälle uuden pulssin lähettämiseksi ja syklin jatkamiseksi. Se käyttää kohteen etäisyyden ja nopeuden määrittämiseen FMCW-tutkan tavoin ToF-analyysiä. Pulssien käyttö tarkoittaa, että PCR-tutka kuluttaa vähemmän virtaa kuin FMCW-tutka. PCR-tutkaa suositaan usein akkukäyttöisissä järjestelmissä, ja se soveltuu hyvin pienitehoisiin lyhyen kantaman sovelluksiin.

Säädettävä kenttä vs. retroheijastavat anturit

Säädettävää kenttää käyttävää tutka tunnistaa kohteet mittaamalla heijastuneet RF-aallot. Tällaiset tutkat soveltuvat hyvin sellaisten kohteiden tunnistamiseen, joilla on suuri RF-energiaa heijastava tutkakaikupinta. Objekteilla, joissa on suuria metallipintoja, erityisesti kohtisuorassa tutkasäteeseen nähden, on tyypillisesti suuri tutkakaikupinta.

Säädettävää kenttää käyttävillä tutka-antureilla voi olla konfiguroitavissa olevia asetuspiste-etäisyyksiä. Anturi käyttää ToF-laskentaa kohteen etäisyyden määritykseen ja ilmoittaa vain asetuspiste-etäisyyden sisällä olevista kohteista.

Retroheijastava tutka-anturi perustuu heijastavan vertailukohteen, kuten seinän, käyttöön. Se havaitsee kohteet tunnistamalla häiriöt vertailukohteesta palaavassa signaalissa. Nämä tutka-anturit voidaan optimoida tunnistamaan myös sellaisia objekteja, joilla ei ole suurta tutkakaikupintaa.

60 GHz:n FMCW-tutka-anturit

Q90R-sarjan säädettävää kenttää käyttävät FMCW-tutka-anturit toimivat 60 GHz:n taajuudella ja tarjoavat tasapainoisen suorituskyvyn tarkkuuden, kantaman ja materiaalin tunnistusominaisuuksien suhteen. Lisäksi niillä on IP69K-luokitus ja ne soveltuvat käyttöön vaativissa ympäristöissä (kuva 2). Niitä on saatavana näkökentillä 120° x 40° tai 40° x 40°. Parametreja, kuten kantama ja lähimmän tai voimakkaimman kohteen tunnistus, voidaan muuttaa sovelluksen erityisvaatimusten mukaan.

Kuva 2: Q90R-sarjan säädettävää kenttää käyttävät FMCW-tutka-anturit toimivat 60 GHz:n taajuudella, ja ne on sijoitettu kestävään IP69K-luokiteltuun koteloon. (Kuvan lähde: DigiKey)

Q90R2-12040-6KDQ-mallin ominaisuuksiin kuuluu runsaasti konfigurointivaihtoehtoja tarjoava näkökenttä 120° x 40°, joka voidaan jakaa itsenäisiin tunnistusalueisiin ja joka mahdollistaa tarkan asentomittauksen (kuva 3). Sen moniulotteinen mittauskyky mahdollistaa kohteiden älykkäämmän tunnistuksen etäisyyden, radiaaliasennon ja nopeuden raja-arvojen perusteella. Sen mittausetäisyys on muiden Q90R-tutka-anturiperheen mallien tavoin 0,15–20 m. Se tarjoaa myös joustavia liitäntävaihtoehtoja, kuten IO-Linkin ja Bannerin Pulse Pro -pulssitaajuusmodulaatiotekniikan (PFM).

Kuva 3: Q90R2-tutka-antureilla on konfiguroitava ja laaja näkökenttä 120° x 40° (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Ohjelmisto maksimoi suorituskyvyn

Q90R- ja Q90R2-tutka-antureiden tehokkaita ominaisuuksia voidaan hyödyntää Bannerin Measurement Sensor Software -ohjelmistolla. Se on graafinen käyttöliittymä (GUI), joka mahdollistaa antureista saadun datan konfiguroinnin ja visualisoinnin.

Ohjelmisto näyttää graafisesti, mitä anturi näkee. Se on hyödyllinen antureille, joilla ei ole näkyvää sädettä, kuten tutka-anturit. Käyttäjät voivat muokata anturiparametreja, kuten reagointinopeutta, lähtökonfiguraatioita ja suodatusvaihtoehtoja.

Q90R2-tutka-anturin näkökenttä 120° x 40° tarjoaa runsaasti konfigurointivaihtoehtoja ja mahdollistaa tarkan paikannuksen ja ohjauksen. Suunnittelijat voivat käyttää Bannerin ohjelmistoa edistyneiden mittausparametrien räätälöintiin, esimerkkeinä kunkin sovelluksen ikkunan muoto ja kohteen asetuspisteet. (Kuva 4).

Kuva 4: Suunnittelijat voivat optimoida Bannerin Measurement Sensor Software -ohjelmiston avulla näkökentän (ylhäällä) sekä ikkunan muodot ja kohdepisteet (alhaalla). (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Ajoneuvon tunnistus lastauslaiturien luona

Kuorma-autojen automaattinen ja tarkka tunnistus lastauslaitureissa on tärkeää tuottavuuden ja turvallisuuden kannalta sekä ympäristöstandardien noudattamiseksi. Perinteiset ratkaisut, kuten ovikellot tai merkkivalot, eivät yleensä ole hyviä ratkaisuita. Lastauslaiturit voivat olla meluisia paikkoja, joissa ovikelloa ei aina kuule. Lisäksi katto- ja konevalaistus sekä trukkien vilkkuvalot voivat helposti aiheuttaa sen, että vilkkuvakin merkkivalo jää huomaamatta.

Suositeltava ratkaisu on automaattinen anturiratkaisu. Kuorma-autoja on kuitenkin eri kokoisia, niitä valmistetaan erilaisista materiaaleista ja niiden värit ja pintakäsittelyt voivat vaihdella. Nämä haasteet sekä ympäristöolosuhteiden, kuten melun, pölyn, sateen tai lumen, luomat epävarmuustekijät tekevät valosähköisiin tai ultraääniantureihin perustuvan luotettavan ratkaisun toteuttamisesta haastavaa.

Tutka-anturit, kuten Q90R2, ovat usein suositeltava valinta. Ympäristöolosuhteet eivät vaikuta niihin. Niillä on IP67/IP69K-luokiteltu kotelo, joten ne soveltuvat käyttöön sateessa ja muissa haastavissa ympäristöolosuhteisissa. Niillä on myös laaja käyttölämpötila-alue −40 °C ... +65 °C. Ne tunnistavat luotettavasti kuorma-autojen läsnäolon materiaalista ja sen väristä, tekstuurista tai heijastavuudesta riippumatta.

Q90R2-anturin itsenäiset ja konfiguroitavat tunnistusvyöhykkeet sekä sädekuvio 120° x 40° mahdollistavat sen, että yksi anturi voi tehdä kahden anturin työn ja tunnistaa kuorma-autojen läsnäolon kahdella vierekkäisellä laiturilla (kuva 5).

Kuva 5: Q90R2-tutka-anturin sädekuvio 120° x 40° tarkoittaa, että yksi ainut anturi voi valvoa kahta kuorma-autolaituria. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Haarukkatrukkien nopeusvalvonta ja turvallisuus

Ajoneuvojen tunnistuksen ohella tutka-antureita voidaan asentaa ajoneuvoon, kuten haarukkatrukkiin, niiden käyttöympäristössä tapahtuvien muutosten tunnistamiseksi ja turvallisuuden lisäämiseksi. Esimerkiksi Q90R2-tutka-anturi voidaan asentaa trukin takapuolelle tai sivulle ja konfiguroida useille eri etäisyyksillä oleville alueille.

Q90R2-tutka-anturin leveä sädekuvio 120° x 40° tekee siitä erityisen sopivan ympärillä olevien, mahdollisesti liikkuvien objektien valvontaan. Lisäksi Q90R2 antaa palautetta radiaalietäisyydestä, kulma-asennosta ja kohteen nopeudesta. Vaaran lähestyessä haarukkatrukin kuljettajaa voidaan varoittaa, trukin nopeutta voidaan rajoittaa automaattisesti tai trukki voidaan pysäyttää.

Kun trukkia käytetään sekä sisätiloissa että ulkona, sen katolle voidaan asentaa Q90R-tutka-anturi sädekuviolla 40° x 40° tunnistamaan rakennuksen katon läsnäolo tai puuttuminen. Kun trukki on ulkona eikä kattoa havaita, kone voi liikkua suurimmalla sallitulla nopeudella. Kun trukki siirtyy sisätiloihin ja laite tunnistaa katon, enimmäisnopeutta voidaan rajoittaa automaattisesti turvallisuuden lisäämiseksi ja vahinkojen estämiseksi (kuva 6).

Kuva 6: Tutka-antureiden avulla voidaan valvoa, onko trukin ympärillä ihmisiä tai objekteja ja onko sen yläpuolella katto vai ei. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Valittavana on useita Q90R-malleja erilaisilla lähtökonfiguraatioilla erilaisiin järjestelmätarpeisiin:

• Q90R-4040-6KDQ, jossa on kaksi diskreettiä NPN/PNP-lähtöä sekä yksi PFM- ja IO-Link-lähtö
• Q90R-4040-6KIQ, jossa on analoginen virtalähtö (4–20 mA), yksi diskreetti NPN/PNP- ja yksi IO-Link-lähtö
• Q90R-4040-6KUQ, jossa on analoginen jännitelähtö (0–10 V tai 0,5–4,5 V), yksi diskreetti NPN/PNP- ja yksi IO-Link-lähtö.

Yhteenveto

Q90R-sarjan tutka-anturit ovat erittäin monipuolisia. Niiden 60 GHz:n toimintataajuus mahdollistaa erilaisten materiaalien tunnistuksen. Nämä FMCW-tutkat mahdollistavat jopa 20 metrin mittausetäisyyden ja konfiguroitavissa olevien sädekuvioiden ansiosta monenlaiset sovellukset. Niitä on saatavana useilla eri lähtövaihtoehdoilla erilaisten järjestelmätarpeiden tukemiseksi, ja ne voidaan asentaa ajoneuvoihin, kuten haarukkatrukkeihin, tai sijoittaa strategisiin kiinteisiin paikkoihin, kuten lastauslaitureiden viereen. Lisäksi Bannerin Measurement Sensor Software -ohjelmistolla voidaan nopeuttaa järjestelmien suunnittelua ja käyttöönottoa.