כיצד ניתן להשתמש בראדאר לגילוי רכבים ולמניעת התנגשות בסביבות מאתגרות

חיישני מיקום וניטור תנועה יכולים לאפשר מניעת התנגשות, להבטיח בטיחות, ולשפר פרודוקטיביות ולוגיסטיקה, ייצור, כרייה, תובלה, חקלאות ותעשיות אחרות. החיישנים יכולים להיות מותקנים על כלי רכב או ממוקמים במקומות אסטרטגיים קבועים.

הם חייבים להיות ניתנים להגדרת תצורה כדי להתאים לצורכי יישום ספציפיים ולהיות בעלי יכולות חישה רבות-פונקציות, כולל גילוי עצמים המבוסס על מרחק, מיקום זוויתי ומהירות. היכולת לגלות מטרות מרובות בבת אחת נדרשת בסביבות עמוסות או מורכבות.

יישומים כמו רציפי טעינה ובקרת מהירות מלגזה מפיקים תועלת משימוש בטכנולוגיה שאינה מושפעת מלכלוך, אבק, רוח, משקעים, ותנאי סביבה אחרים. התאמה מיוחדת של פרמטרים כגון צורת חלון הגילוי ונקודות הגדרת מטרה יכולה לשפר עוד יותר ביצועים.

מאמר זה מתחיל עם סקירת החשיבות של תדר העבודה על מספר מפרטי ראדאר ספציפיים, אחר כך עובר להשוואה בין טכנולוגיות ראדאר קיימות כמו גל רצוף מאופנן תדר (FMCW‏) וראדאר פולסים קוהרנטיים (PCR‏), סכמות גילוי, תבניות אלומה ואזורי חישה. אחר כך מוצגת חבילת תוכנה שיכולה להאיץ את הפיתוח של מערכות מתקדמות תוך שימוש בחיישני ראדאר.

המאמר מסיים עם דוגמאות יישום על כיצד כל הגורמים האלה משמשים בסדרת Q90R‏ ‏של חיישני הראדאר של Banner Engineering‏ כדי לספק יכולות חישה רבות-פונקציות עבור גילוי אמין בסביבות תובעניות, כולל חישת נוכחות של משאיות ברציף טעינה ובקרת מהירות מלגזה עבור בטיחות משופרת.

Radio Detection And Ranging‏ (RADAR, ראדאר))‏ היא טכנולוגיית חישה אקטיבית הפולטת אנרגיית RF בתדר-גבוה. האנרגיה מוחזרת אובייקטים שבדרכה, והמאפיינים של האנרגיה המוחזרת יכולים לשמש לגילוי אובייקטים, לקביעת המרחק שלהם, ובמקרים מסוימים למדידת המהירות שבה הם נעים לקראת החיישן או מתרחקים ממנו.

תדר הפעולה הוא מאפיין בסיסי הקובע את הביצועים של‏ חיישן ראדאר. חיישני ראדאר תעשייתיים זמינים פועלים בתדרים GHz‏ 24‏, GHz‏ 60‏ ו-GHz‏ 122‏, חלקים של פסי-התדרים של תעשייה, מדע ורפואה (ISM‏) וניתן להשתמש בהם ללא רישיון מיוחד.

לתדר הפעולה של חיישן ראדאר יש השפעה משמעותית על מספר מפרטים, כולל:

• טווח - לחיישני ראדאר בתדר-נמוך כמו GHz‏ 24‏ יש את הטווח הגדול ביותר.
• דיוק - לחיישני ראדאר בתדר-גבוה כמו GHz‏ 122‏ יש דיוק גבוה יותר והם יכולים לגלות אובייקטים קטנים יותר.
• שטח מת - השטח המת של חיישן ראדאר, או מרחק החסימה, נגרם עקב היות המטרה קרובה מדי. באופן כללי, לחיישני תדר גבוה יותר יש שטחים מתים קטנים יותר.
• עמידות למזג-אוויר - פונקציות החישה צריכות להיות חסינות לרוח, ערפל, קיטור ושינויי טמפרטורה. ראדאר צריך להיות באופן כללי עמיד להפרעות מגשם או שלג. לראדאר GHz‏ 24‏ יש את היכולת הטובה ביותר להתעלם מהפרעות של גשם ושלג.
• חומרי מטרה - בעוד שהוא העמיד ביותר להפרעות של מזג אוויר, ראדאר GHz‏ 24‏ הוא המוגבל ביותר ביכולתו לחוש מגוון רחב של חומרים. חיישני ראדאר GHz‏ 60‏ או GHz‏ 122‏ יכולים לגלות חומרים בעלי דיאלקטריות גבוהה ונמוכה (איור 1‏).

איור 1‏: לתדר הפעולה של חיישני ראדאר יש השפעה חזקה על היכולת לזהות מגוון של חומרי מטרה על בסיס המאפיינים הדיאלקטריים שלהם. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

מעבר לתדר

התדר הוא תכונה מגדירה של חיישני ראדאר. עדיין, מפרטים חשובים אחרים כוללים טכנולוגיות ראדאר כמו FMCW לעומת PCR, סכמות גילוי כולל חיישני שדה מתכוונן לעומת רטרו-רפלקטיביים, ושדה הראייה, צורת החלון ונקודות הגדרת מטרה.

FMCW פולט אות רצוף מאופנן העולה או יורד בתדר ברוחב-פס קבוע. על ידי מדידת התדר של אות מוחזר, הראדאר יודע את הזמן שלוקח לאות להיות מוחזר מהמטרה. מידע זמן טיסה (ToF) זה קובע את טווח המטרה.

יתרונות מסוימים של FMCW כוללים מדידה בו-זמנית של טווח ומהירות ללא הצורך באנטנות או פולסים נפרדים, רזולוציית טווח מעולה, היכולת להבדיל בין מטרות קרובות במרחב ודיוק גבוה יותר בסביבות מאתגרות.

ראדאר PCR משדר פולס, מכבה את המשדר ומחכה לקלוט הד מהמטרה, אחר כך מפעיל שוב את המשדר כדי לשלוח פולס חדש, וכך ממשיך את המחזור. כמו FMCW, ניתוח מהסוג של ToF משמש כדי לקבוע את הטווח והמהירות של המטרה. השימוש בפולסים משמעותו שראדאר PCR משתמש בפחות הספק מ-FMCW. ראדאר PCR מועדף לעיתים קרובות במערכות מוזנות-סוללות ומתאים היטב עבור יישומי טווח-קטן והספק-נמוך.

שדה מתכוונן לעומת חיישנים רטרו-רפלקטיביים

ראדאר שדה מתכוונן מגלה עצמים על ידי חישת גלי RF מוחזרים. הם מתאימים היטב עבור גילוי אובייקטים עם חתך רוחב ראדאר גדול המחזירים אנרגיית RF רבה. עצמים עם שטחי פנים מתכתיים גדולים, במיוחד משטחים אנכיים לקרן הראדאר, הם בדרך-כלל בעלי חתך רוחב ראדאר גדול.

חיישני ראדאר שדה מתכוונן יכולים להיות בעלי מרחקי נקודות-הגדרה ניתנים להתאמה מיוחדת. החיישן משתמש בחישובי ToF כדי לקבוע את טווח המטרה ומאותת על נוכחות מטרות במרחק נקודות ההגדרה.

חיישן ראדאר רטרו-רפלקטיבי מסתמך על הנוכחות של מטרת ייחוס מחזירה כמו קיר. הוא מגלה אובייקטים על ידי זיהוי שיבושים באות החוזר ממטרת הייחוס. חיישני ראדאר אלה ניתנים למיטוב עבור חישת חפצים אפילו אם אין להם חתכי רוחב ראדאר גדולים.

חיישני ראדאר FMCW‏, GHz‏ 60‏

סדרת Q90R של חיישני ראדאר שדה מתכוונן FMCW פועלים ב-GHz‏ 60‏ ומעניקים ביצועים מאוזנים במונחים של דיוק, טווח ויכולות גילוי חומרים. בנוסף, הם בדירוג IP69K ומתאימים לשימוש בסביבות תובעניות (איור 2‏). הם זמינים עם שדות ראייה של °‏120‏ x‏ °‏40 או °‏40‏ x‏ °‏40‏. פרמטרים כמו טווח וגילוי האובייקט הקרוב ביותר או החזק ביותר ניתנים להתאמה עבור דרישות יישום ספציפיות.

איור 2: סדרת Q90R של חיישני ראדאר שדה מתכוונן FMCW פועלת ב-GHz‏ 60‏ ונתונה במארז IP69K חסון. (מקור התמונה: DigiKey‏)

ה-Q90R2-12040-6KDQ מתאפיין בשדה ראייה ניתן להגדרה של 120° x‏ °‏40 הניתן לפיצול לאזורי גילוי עצמאיים ומאפשר חישת מיקום מדויקת (איור 3‏). יכולת החישה הרב-ממדית שלו יכולה לתמוך בגילוי אובייקטים חכם יותר המבוסס על מרחק, מיקום רדיאלי וספי מהירות. כמו דגמים אחרים במשפחת Q90R של חיישני ראדאר, יש לו טווח של 0.15 עד 20 מטר. הוא מציע גם אפשרויות חיבוריות גמישות, כולל IO-Link‏ וטכנולוגיית אפנון תדר פולס (PFM‏) Pulse Pro‏ של Banner.

איור 3‏: לחיישני הראדאר Q90R2 יש שדה ראייה ניתן-להגדרה ורחב של °‏120‏ x‏ °‏40 (מקור התמונה: Banner Engineering)

התוכנה מקדמת את הביצועים

המאפיינים רבי-העוצמה של חיישני הראדאר Q90R ו-Q90R2 באים לידי ביטוי הודות לשימוש ב-תוכנת חיישן המדידה של Banner‏, ממשק משתמש גרפי (GUI) המאפשר למתכננים להגדיר תצורה ולהציג נתונים מהחיישנים.

התוכנה מספקת גרפיקה המראה מה החיישן רואה, מאפיין שימושי עבור חיישנים ללא אלומות נראות, כמו חיישני ראדאר. המשתמשים יכולים לשנות את פרמטרי החיישן, כגון מהירות התגובה, תצורות היציאה ואפשרויות הסינון.

שדה הראייה של °‏120‏ x‏ °‏40 של ה-Q90R2‏ ניתן להגדרת תצורה במידה רבה ומאפשר מיקום מדויק ובקרה. המתכננים יכולים להשתמש בתוכנה של Banner‏ כדי להתאים במיוחד פרמטרי חישה מתקדמים, כגון צורת החלון ונקודות הגדרת המטרה של כל יישום. (איור 4).

איור 4‏: תוכנת חיישן המדידה של Banner מאפשרת למתכננים למטב את שדה הראייה (למעלה) ואת צורות החלון ונקודות המטרה (למטה). (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

גילוי רכב ברציפי טעינה

גילוי אוטומטי ומדויק של משאיות ברציפי טעינה הוא חשוב כדי לתמוך בפרודוקטיביות ובטיחות, ולעמוד בתקני איכות הסביבה. הפתרונות המסורתיים של פעמוני דלתות או אורות חיווי לעיתים קרובות אינם מתאימים. רציפי טעינה יכולים להיות מקומות רועשים בהם פעמוני דלתות לא תמיד נשמעים. נוסף לכך, הנוכחות של מבנה עילי ותאורת מכונה ואורות מהבהבים על מלגזות יכולים לגרום בקלות לאי תשומת לב לאור חיווי, אפילו אחד מהבהב.

רצוי פתרון חיישן אוטומטי. עם זאת, משאיות באות בממדים רבים, עשויות מחומרים שונים, ויכולות להיות בעלות מגוון רחב של‏ צבעים וגימורי משטח. אתגרים אלה, בנוסף לריבוי המשמעויות של תנאי סביבה כמו רעש, אבק, גשם או שלג, הופכים את המימוש של פתרון אמין המבוסס על חיישנים פוטו-אלקטריים או אולטרה-סוניים למאתגר.

חיישני ראדאר כמו ה-Q90R2 הם לעיתים קרובות הבחירה המועדפת. הם מתעלמים מתנאי הסביבה. הם בעלי בית חיישן בדירוג IP67/IP69K, ההופך אותם מתאימים לתנאי גשם וסביבה מאתגרים אחרים, ותחום טמפרטורות פעולה רחב של 40ºC- עד 65ºC+. הם יכולים לגלות באמינות את הנוכחות של משאיות ללא קשר לחומר, צבע, מרקם או רפלקטיביות.

אזורי החישה הבלתי-תלויים והניתנים-להגדרת-התצורה ביחד עם תבנית האלומה של °‏120‏ x‏ °‏40 של ה-Q90R2‏ יכולים לאפשר לחיישן אחד לבצע את העבודה של שני חיישנים ולגלות את הנוכחות של משאיות בשני רציפים סמוכים (איור 5‏).

איור 5‏: תבנית האלומה של °‏120‏ x‏ °‏40‏ של חיישן הראדאר Q90R2‏ משמעותה שחיישן אחד יכול לנטר שני רציפי משאיות. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

בקרת מהירות ובטיחות מלגזה

בנוסף לגילוי רכבים, חיישני ראדאר ניתנים להתקנה על רכבים כמו מלגזה כדי לגלות שינויים בסביבתם ולשפר את הבטיחות. לדוגמה, חיישן הראדאר Q90R2 ניתן להתקנה על חלקה האחורי או בצידי מלגזה, ולהגדיר את התצורה עם מספר אזורים במרחקים שונים.

תבנית האלומה הרחבה של °‏120‏ x‏ °‏40 של ה-Q90R2 הופכת אותו למתאים במיוחד עבור ניטור אובייקטים בסביבה הקרובה העלולים להיות בתנועה. בנוסף, ה-Q90R2 מספק משוב של מרחק רדיאלי, מיקום זוויתי ומהירות מטרה. עם התקרבות סכנה, ניתן להזהיר את נהג המלגזה, להגביל באופן אוטומטי את מהירות המלגזה או לעצור את המלגזה.

במקרים בהם משתמשים במלגזה בסביבות פנים וחוץ, ניתן להתקין חיישן ראדאר Q90R על גג המלגזה עם תבנית אלומה של 40° x‏ °‏40‏ כדי לגלות קיום או היעדר תקרה. כשהמלגזה בחוץ, ולא מגלים תקרה, המכונה יכולה לנוע במהירות המקסימלית המותרת שלה. כאשר המלגזה נעה בתוך מבנה ויש תקרה, ניתן להפחית אוטומטית את המהירות המרבית כדי לשפר את הבטיחות ולמנוע נזק (איור 6).

איור 6‏: חיישני ראדאר יכולים לשמש לניטור אנשים או אובייקטים סביב מלגזה וקיום או היעדר תקרה. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

בהתאם לצורכי המערכת,קיימים מספר דגמי Q90R לבחירה עם תצורות יציאה שונות, כולל:

• Q90R-4040-6KDQ עם NPN/PNP בדיד כפול, PFM‏, ויציאת IO-Link‏
• Q90R-4040-6KIQ עם זרם אנלוגי (4 עד mA‏ 20‏), ‎NPN/PNP אחד בדיד, ויציאת IO-Link
• Q90R-4040-6KUQ עם מתח אנלוגי (0 עד V‏ 10‏ או 0.5‏ עד V‏ 4.5‏), NPN/PNP‏ אחד בדיד, ויציאת IO-Link

סיכום

חיישני ראדאר סדרת Q90R הם רב-תכליתיים ביותר. תדר העבודה שלהם של GHz‏ 60‏ מאפשר להם לגלות חומרים שונים. עם טווח של עד 20 מטר ותבניות אלומה ניתנות-להגדרת-תצורה, ראדארים FMCW אלה יכולים לתמוך במגוון של יישומים. הם זמינים עם מספר אפשרויות יציאה כדי לתמוך בצורכי מערכת שונים, והם ניתנים להרכבה על רכבים כמו מלגזות או ממוקמים במקומות אסטרטגיים נייחים כגון סמוך לרציפי טעינה. לבסוף, המתכננים יכולים להשתמש בתוכנת חיישן מדידה של Banner‏ כדי להאיץ את תכנון ופריסת המערכת.