Como o radar pode ser usado para detecção de veículos e prevenção de colisões em ambientes desafiadores

O monitoramento de movimento e os sensores de posição podem permitir a prevenção de colisões, garantir a segurança e aumentar a produtividade em logística, manufatura, mineração, transporte, agricultura e outros setores. Os sensores podem ser montados em veículos ou colocados em locais fixos estratégicos.

Eles devem ser configuráveis para atender às necessidades de aplicações específicas e ter recursos de detecção multifuncional, incluindo detecção de objetos com base na distância, posição angular e velocidade. A capacidade de detectar vários alvos ao mesmo tempo, é necessária em ambientes movimentados ou complexos.

Aplicações como docas de carga e controle de velocidade de empilhadeiras se beneficiam do uso de uma tecnologia que não é afetada por sujeira, poeira, vento, precipitação e outras condições ambientais. A personalização de parâmetros como a forma da janela de detecção e os pontos de ajuste do alvo pode melhorar ainda mais o desempenho.

Este artigo começa com uma análise da importância da frequência de operação em várias especificações importantes do radar e, em seguida, passa para uma comparação das tecnologias de radar disponíveis, como onda contínua modulada em frequência (FMCW) e radar coerente pulsado (PCR), esquemas de detecção, padrões de feixe e zonas de detecção. Em seguida, é apresentado um conjunto de software que pode acelerar o desenvolvimento de sistemas avançados usando sensores de radar.

Ele termina com exemplos de aplicação de como todos esses fatores são usados na série Q90R de sensores de radar da Banner Engineering para fornecer recursos de detecção multifuncional para detecção confiável em ambientes exigentes, incluindo a detecção da presença de caminhões em uma doca de carga e o controle da velocidade da empilhadeira para aumentar a segurança.

O radar (detecção e alcance por rádio) é uma tecnologia de sensor ativo que emite energia de RF de alta frequência. A energia é refletida pelos objetos em seu caminho, e as características da energia refletida podem ser usadas para detectar objetos, determinar sua distância e, em alguns casos, medir a velocidade com que eles estão se movendo em direção ao sensor ou para longe dele.

A frequência de operação é uma característica fundamental que determina o desempenho de um sensor de radar. Estão disponíveis sensores de radar industriais que operam em 24 GHz, 60 GHz e 122 GHz, partes das bandas de frequência industrial, científica e médica (ISM), e podem ser usados sem uma licença especial.

A frequência de operação de um sensor de radar tem um impacto significativo em várias especificações, inclusive:

• Alcance – os sensores de radar de baixa frequência, como os de 24 GHz, têm o maior alcance.
• Precisão – os sensores de radar de alta frequência, como os de 122 GHz, têm maior precisão e podem detectar objetos menores.
• Zona morta – a zona morta de um sensor de radar, ou distância de bloqueio, é causada pelo fato de o alvo estar muito próximo. Em geral, os sensores de frequência mais alta têm zonas mortas menores.
• Resistência a intempéries – as funções de detecção são imunes a vento, neblina, vapor e mudanças de temperatura. Em geral, o radar é resistente à interferência da chuva ou da neve. O radar de 24 GHz tem a melhor capacidade de ignorar a interferência da chuva e da neve.
• Materiais-alvo – embora seja mais resistente à interferência do clima, o radar de 24 GHz é o mais limitado em sua capacidade de detectar uma ampla variedade de materiais. Os sensores de radar de 60 GHz ou 122 GHz podem detectar materiais de valor dielétrico alto e baixo (Figura 1).

Figura 1: A frequência de operação dos sensores de radar tem grande influência na capacidade de identificar uma variedade de materiais-alvo com base em suas características dielétricas. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Além da frequência

A frequência é uma característica definidora dos sensores de radar. Além disso, outras especificações importantes incluem a tecnologia de radar, como FMCW versus PCR, esquemas de detecção, incluindo campo ajustável versus sensores retrorrefletivos, e o campo de visão, o formato da janela e os pontos de ajuste do alvo.

O FMCW emite um sinal contínuo que é modulado e aumenta ou diminui a frequência em uma largura de banda fixa. Ao medir a frequência de um sinal refletido, o radar sabe o tempo que o sinal levou para refletir no alvo e retornar. Essas informações de tempo de voo (ToF) determinam o alcance do alvo.

Alguns dos benefícios do FMCW incluem a medição simultânea de alcance e velocidade sem a necessidade de antenas ou pulsos separados, resolução de alcance superior, capacidade de distinguir entre alvos pouco espaçados e maior precisão em ambientes desafiadores.

O radar PCR transmite um pulso, desliga o transmissor, espera receber um eco do alvo e, em seguida, liga o transmissor novamente para enviar um novo pulso e continuar o ciclo. Assim como o FMCW, uma forma de análise ToF é usada para determinar o alcance e a velocidade do alvo. O uso de pulsos significa que o radar PCR usa menos energia do que o FMCW. O PCR é geralmente preferido em sistemas alimentados por bateria e é adequado para aplicações de curto alcance com baixo consumo de energia.

Campo ajustável versus sensores retrorrefletivos

O radar de campo ajustável detecta objetos por meio da detecção de ondas de RF refletidas. Eles são adequados para detectar objetos com uma grande seção transversal de radar que reflete muita energia de RF. Objetos com grandes áreas de superfície metálica, especialmente superfícies perpendiculares ao feixe de radar, normalmente têm grandes seções transversais de radar.

Os sensores de radar de campo ajustável podem ter distâncias de ponto de ajuste configuráveis. O sensor usa cálculos ToF para determinar o alcance do alvo e sinaliza apenas a presença de alvos dentro da distância do ponto de ajuste.

Um sensor de radar retrorrefletivo depende da presença de um alvo de referência refletivo, como uma parede. Ele detecta objetos ao identificar interrupções no sinal de retorno do alvo de referência. Esses sensores de radar podem ser otimizados para detectar objetos, mesmo que eles não tenham grandes seções transversais de radar.

Sensores de radar FMCW de 60 GHz

A série Q90R de sensores de radar de campo ajustável FMCW opera a 60 GHz e oferece desempenho equilibrado em termos de precisão, alcance e recursos de detecção de materiais. Além disso, eles têm classificação IP69K e são adequados para uso em ambientes exigentes (Figura 2). Estão disponíveis com campos de visão de 120° por 40° ou 40° por 40°. Parâmetros como alcance e detecção do objeto mais próximo ou mais forte podem ser modificados para atender a requisitos específicos da aplicação.

Figura 2: A série Q90R de sensores de radar de campo ajustável FMCW opera a 60 GHz e está em um invólucro IP69K robusto. (Fonte da imagem: DigiKey)

O Q90R2-12040-6KDQ apresenta um campo de visão altamente configurável de 120° por 40° que pode ser dividido em zonas de detecção independentes e permite o sensoriamento preciso da posição (Figura 3). Sua capacidade de detecção multidimensional pode oferecer suporte à detecção mais inteligente de objetos com base na distância, na posição radial e nos limites de velocidade. Como outros modelos da família Q90R de sensores de radar, ele tem um alcance de 0,15 a 20 m. Também oferece opções flexíveis de conectividade, incluindo IO-Link e a tecnologia de modulação por frequência de pulso (PFM) Pulse Pro da Banner.

Figura 3: Os sensores de radar Q90R2 têm um campo de visão configurável e amplo de 120° por 40° (Fonte da imagem: Banner Engineering)

O software libera o desempenho

Os recursos avançados dos sensores de radar Q90R e Q90R2 podem ser desbloqueados usando o Measurement Sensor Software da Banner, uma interface gráfica do usuário (GUI) que permite aos projetistas configurar e visualizar dados dos sensores

O software fornece um gráfico que mostra o que o sensor está vendo, o que é útil para sensores sem feixes visíveis, como sensores de radar. Os usuários podem modificar os parâmetros do sensor, como a velocidade de resposta, as configurações de saída e as opções de filtragem.

O campo de visão de 120° por 40° do Q90R2 é altamente configurável e permite posicionamento e controle precisos. Os projetistas podem usar o software da Banner para personalizar os parâmetros avançados de detecção, como o formato da janela de cada aplicação e os pontos de ajuste do alvo. (Figura 4).

Figura 4: O Measurement Sensor Software da Banner permite que os projetistas otimizem o campo de visão (parte superior), as formas das janelas e os pontos-alvo (parte inferior). (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Detecção de veículos em docas de carga

A detecção automática e precisa de caminhões nas docas de carregamento é importante para apoiar a produtividade e a segurança e atender aos padrões ambientais. As soluções tradicionais de campainhas ou luzes indicadoras geralmente não são adequadas. As docas de carga podem ser locais barulhentos, onde as campainhas nem sempre podem ser ouvidas. Além disso, a presença de luzes suspensas e de máquinas e de luzes piscantes nas empilhadeiras pode facilitar a não observação de uma luz indicadora, mesmo que esteja piscando.

É desejável uma solução automatizada de sensores. No entanto, os caminhões vêm em vários tamanhos, são fabricados com diversos materiais e podem ter uma ampla variedade de cores e acabamentos de superfície. Esses desafios, além das ambiguidades das condições ambientais, como ruído, poeira, chuva ou neve, tornam difícil a implementação de uma solução confiável baseada em sensores fotoelétricos ou ultrassônicos.

Os sensores de radar, como o Q90R2, costumam ser a escolha preferida. Eles ignoram as condições ambientais. Eles têm um invólucro com classificação IP67/IP69K, o que os torna adequados para chuvas fortes e outras condições ambientais desafiadoras, além de uma ampla faixa de temperatura operacional de -40°C a +65°C. Podem detectar de forma confiável a presença de caminhões, independentemente do material e de sua cor, textura ou refletividade.

As zonas de detecção independentes e configuráveis e o padrão de feixe de 120° por 40° do Q90R2 podem permitir que um sensor faça o trabalho de dois e detecte a presença de caminhões em duas docas adjacentes (Figura 5).

Figura 5: O padrão de feixe de 120° x 40° do sensor de radar Q90R2 significa que um único sensor pode monitorar duas docas de caminhões. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Controle de velocidade e segurança da empilhadeira

Além de detectar veículos, os sensores de radar podem ser montados em um veículo, como uma empilhadeira, para detectar mudanças nos arredores e aumentar a segurança. Por exemplo, um sensor de radar Q90R2 pode ser montado na parte traseira ou nas laterais de uma empilhadeira e configurado com várias zonas a diferentes distâncias.

O amplo padrão de feixe de 120° por 40° do Q90R2 o torna especialmente adequado para monitorar objetos ao redor que possam estar em movimento. Além disso, o Q90R2 fornece resposta de distância radial, posição angular e velocidade do alvo. À medida que os perigos se aproximam, o motorista da empilhadeira pode ser alertado, a velocidade da empilhadeira pode ser automaticamente restringida ou a empilhadeira pode ser parada.

Nos casos em que uma empilhadeira é usada em ambientes internos e externos, um sensor de radar Q90R com um padrão de feixe de 40° por 40° pode ser montado no telhado para detectar a presença ou ausência de um teto. Quando a empilhadeira está ao ar livre e nenhum teto é detectado, a máquina pode se mover em sua velocidade máxima permitida. Quando a empilhadeira se move em ambientes internos e há um teto, a velocidade máxima pode ser reduzida automaticamente para aumentar a segurança e evitar danos (Figura 6).

Figura 6: Os sensores de radar podem ser usados para monitorar pessoas ou objetos ao redor de uma empilhadeira e a presença ou ausência de um teto. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Dependendo das necessidades do sistema, há vários modelos Q90R para escolher com diferentes configurações de saída, incluindo:

• Q90R-4040-6KDQ com NPN/PNP discreto duplo, PFM e uma saída IO-Link
• Q90R-4040-6KIQ com uma corrente analógica (4 a 20 mA), 1 NPN/PNP discreto e uma saída IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ com uma tensão analógica (0 a 10 V ou 0,5 a 4,5 V), 1 NPN/PNP discreto e uma saída IO-Link

Conclusão

Os sensores de radar da série Q90R são altamente versáteis. Sua frequência de operação de 60 GHz permite a detecção de vários materiais. Com um alcance de até 20 m e padrões de feixe configuráveis, esses radares FMCW podem suportar uma variedade de aplicações. Eles estão disponíveis com várias opções de saída para atender a diferentes necessidades do sistema e podem ser montados em veículos como empilhadeiras ou colocados em locais fixos estratégicos, como ao lado de docas de carregamento. Por fim, os projetistas podem recorrer ao Measurement Sensor Software da Banner para acelerar o projeto e a implementação do sistema.