Automatisierung

Detektion mittels Radar

06.03.2024 - Sensor für Distanz, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung für mittlere Reichweiten

Die Objekterkennung mit Funkwellen sorgt im Luftverkehr und der Schifffahrt für Sicherheit und hilft bei der Steuerung der Fahrzeuge. Durch das robuste Messprinzip eignet sich Radar auch für den Transport an Land und für Maschinen im Außeneinsatz. Radarsensoren liefern bei Wind und Wetter zuverlässige Signale für automatisierte Steuerungsfunktionen. 

Die Radar-Technologie (Radio Detection And Ranging) nutzt ein Funksignal zur Objekterfassung auf Distanz. In der Luft- und Raumfahrt kann diese tausende Kilometer betragen, aber auch im Nahbereich funktioniert die Detektion. Im Alltag begegnet uns Radar bisher vor allem bei der Zugangskontrolle (Tür- und Torsteuerung), bei Aufzügen und bei der Geschwindigkeitsmessung im Straßenverkehr. Seit November 2023 bietet Pepperl+Fuchs Radarsensoren der Baureihe MWC25M-L2M-B16 auch für die industrielle Verwendung an. Sie wurden gezielt für den Einsatz in Kränen, Bau- und Landmaschinen (Mobile Equipment) sowie für das Material Handling entwickelt.

Der Radarsensor sendet eine elektromagnetische Welle aus, erfasst deren Reflexion und ermittelt anhand der Differenz die Entfernung zum angepeilten Objekt. Da sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, geschieht dies praktisch ohne Zeitverzögerung. Und auf dem Blitzer-Bußgeldbescheid kann man nachlesen, wie genau die Radarmessung auch die Geschwindigkeit eines bewegten Objekts bestimmen kann. Auf sie verlässt sich die Polizei nicht zuletzt, weil sie bei jedem Wetter zuverlässig funktioniert und exakte Ergebnisse liefert.


Verfahren der frequenzmodulierten Dauerstrichmethode

Die neuen Radarsensoren von Pepperl+Fuchs bringen die dafür benötigte Technologie in einer kompakten Bauform unter. Dieses Gehäuse  mit den Schutzarten IP68/69 hat sich bei anderen Sensoren des Herstellers als robust und praktisch bewährt. Nicht zuletzt erlaubt seine Bauform große Flexibilität bei der Montage. Der dreh- und schwenkbare Sensorkopf kann in so gut wie jeder Einbausituation optimal auf den Zielbereich ausgerichtet werden.

Für die Messung verwenden die Geräte die stabile frequenzmodulierte Dauerstrich­methode (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW). Damit können sie sowohl die Distanz als auch die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit von Objekten in ihrem Erfassungsbereich präzise bestimmen. Das Frequenzband von 122–123 GHz weist eine starke Resistenz gegenüber Störeinflüssen wie Regen, Nebel, Wind, Staub oder Temperaturschwankungen auf. Die Geräte zeichnen sich zudem durch hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aus, sie erreichen hier in nahezu jeder Kategorie E1-vergleichbare Werte. Das bedeutet, dass eine zuverlässige Messung trotz hoher Störpegel bei leitungsgebundener und hochfrequenter Einstrahlung gewährleistet ist.


Kommunikativ und anschlussfähig

Für den elektrischen Anschluss stehen wahlweise standardisierte M12-Anschlussstecker sowie speziell für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelte Stecker wie DEUTSCH oder AMP Superseal zur Verfügung. Messwerte und Parametrierbefehle werden durch eine integrierte CANopen-Schnittstelle übermittelt. Die Sensoren lassen sich damit sehr einfach und ohne aufwendige Einzelverdrahtung in eine vorhandene CAN-Bus-Infrastruktur einbinden. Über das CAN-Netzwerk oder das FDT-Rahmenprogramm PACTware und einen Device Type Manager (DTM) kann man auf zahlreiche Parameter sowie erweiterte Funktionen zugreifen und den Sensor flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen.

Die CANopen-Schnittstelle ermöglicht zudem eine differenzierte Zustandsüberwachung und Diagnose. Im Zusammenspiel mit einer fehlersicheren SPS können die Radarsensoren daher auch in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden. Ein einzelnes Gerät genügt, um den Sicherheitslevel PL c (Kat. 2)/SIL 1 zu erreichen. Bei redundanter Auslegung im Rahmen eines Safety-Konzepts, das die Eignung der Sensoren durch deren Diagnosefähigkeit in der Applikation bewertet, sind die Voraussetzungen für PL d/SIL 2 erfüllt.


Variabel im Betrieb

Radarsignale werden von verschiedenen Materialien in unterschiedlichem Ausmaß reflektiert, am besten von Metall. Für eine standardisiert hohe Signalqualität können Winkelreflektoren aus Blech sorgen, die an geeigneten Stellen im Erfassungsbereich der Sensoren angebracht sind. Zugleich können nichtmetallene Objekte durch entsprechende Parametrierung und die Auswahl der Messbetriebsart ausgeblendet werden. Der Sensor erfasst dann zuverlässig auch das eigentliche Zielobjekt dahinter.

Um die Funktionsweise der Radarsensoren an die Anwendung anzupassen, stehen drei verschieden Messbetriebsarten zur Verfügung:

  • Im Modus „Erstes Objekt“ wird materialunabhängig das Objekt erkannt, das sich am nächsten zum Sensor befindet. Objekte im Ausfahrbereich oder Aktionsradius von Fahrzeug und Ausleger werden verlässlich detektiert.
  • Im Modus „Stärkste Reflexion“ erfasst der Sensor das Objekt mit den besten Reflexionseigenschaften.
  • Im Modus „Schnellstes Objekt“ wird das Objekt detektiert, das sich am schnellsten auf den Sensor zu- oder von ihm wegbewegt. Diese Messbetriebsart ist unter anderem für die Wegüberwachung bei fahrerlosen Transportsystemen geeignet.
  • Die große Reichweite der Sensoren erlaubt es, verschiedene Bereiche rund um das Fahrzeug absichern. Der Einsatz mehrerer Geräte in unmittelbarer Nähe zueinander ist möglich, da sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Die Abtastrate kann auf bis zu 200 Hz eingestellt werden.


Anwendungsbeispiele Straßenbau

Zwei Fahrzeuge – der Beschicker mit dem Baumaterial und der Straßenfertiger fahren in gleichbleibendem Abstand hintereinander. Damit der Nachschub nie stockt, muss sich der Arm des Beschickers immer über dem Materialbehälter der Baumaschine befinden. Zwei Radarsensoren am Ausleger sind auf den Behälter gerichtet und liefern der Steuerung die benötigten Positionssignale, um Geschwindigkeit und Ausrichtung der Fahrzeuge kontinuierlich anzupassen. Die Messung wird von mechanischen Einwirkungen und der hohen Temperatur der Teermasse nicht beeinträchtigt.


Kranausleger

Ein Radarsensor in der Basis des hohlen Teleskopauslegers ist auf einen Winkelreflektor an dessen Spitze gerichtet. Der Sensor misst kontinuierlich den Abstand und damit die Ausfahrlänge des Auslegers. Anhand dieses Wertes wird unter anderem die zulässige Last bestimmt; bei Bedarf werden entsprechende Sicherheitsschaltungen ausgelöst.

Autor
Patrick Koch, Leiter Global Product Management, Ultraschall- und Radarsensoren

Kontakt

Pepperl+Fuchs SE

Lilienthalstrasse 200
68307 Mannheim
Deutschland

+49 621 776 0
+49 621 776 1111

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