Meer zien met 3D-Radarscanner

3D-gegevens van objecten en ruimtes

Veel radarsensoren voor botsingsvermijding beperken zich tot het detecteren van de afstand en geven daarom slechts één dimensie als meetwaarde uit. De nieuwe MR15-Q80-radarscanner van Turck levert daarentegen echte 3D-gegevens en verbetert zo objectdetectie binnen een complete ruimte aanzienlijk, wat meer vrijheid oplevert. Dankzij het robuuste ontwerp, dat schokken tot 100 g kan weerstaan, en de SAE J1939-interface is de scanner bijzonder geschikt voor gebruik in mobiele apparatuur.

Meestal associëren we radartechnologie met snelheidscontroles in het wegverkeer of met apparaten in lucht- en scheepvaart. Maar sinds de jaren 2000 wordt de technologie ook steeds vaker in auto’s gebruikt. Actieve adaptieve cruise control (ACC) systemen gebruiken radar om de afstand tot voorliggers en hun snelheid te bepalen. Radars zijn de laatste jaren ook steeds populairder geworden in de industriële automatisering. Vooral bij niveau- en conventionele afstandsmeting werpen de voordelen ten opzichte van ultrasone, optische sensor- of mediacontacttechnologieën in veel toepassingen hun vruchten af.

In 2020 presenteerde Turck met de LRS-serie al haar eerste radarsensoren voor niveaumeting, gevolgd in 2021 door de DR-M30 radarsensoren voor afstandsmeting. Beide series werken in het 120 GHz-bereik, wat vooral gunstig is in termen van bereik en resolutie, d.w.z. de nauwkeurigheid van het signaal. Turck lanceert nu de MR15-Q80 radarsensor als derde lid van haar radarportfolio (afbeelding 1). Alleen al de vorm van de behuizing laat zien dat er een nieuw type aan het productassortiment is toegevoegd. In tegenstelling tot de cilindrische apparaten voor afstanden en niveaus heeft de MR15-Q80 een vlak, kubusvormig ontwerp. De onderliggende technologie is ook anders: een 60 gigahertz-antenne is samen met de elektronica verwerkt in een robuuste IP69K-behuizing. Vergeleken met de 120 GHz-frequentieband heeft de lagere frequentie een lagere resolutie, maar de stralingshoek is aanzienlijk breder. De MR15-Q80 detecteert objecten met een openingshoek van 120 graden horizontaal en 100 graden verticaal (afbeelding 2).

De sensor heeft een bereik van maar liefst 15 meter, hoewel deze maximale waarde ook kan worden verlaagd, afhankelijk van het materiaal, de hoek en de oppervlakte-eigenschappen van de objecten. Gebruikers hoeven zich echter geen zorgen te maken over een gebrek aan bereik, aangezien de doeltoepassingen voornamelijk objectdetectie en botsingsvermijding zijn.

Botsingscontrole en objectdetectie

De nieuwe radarscanner van Turck biedt maximale IP69K-bescherming tegen binnendringend water en stof en voldoet hier aan alle eisen op het gebied van robuuste componenten voor mobiel gebruik. De M15-Q80 onderscheidt zich ook op het gebied van mechanische weerstand, aangezien deze schokken en stoten tot 100 g kan weerstaan. Dit is waar radartechnologie aanzienlijk verschilt van lasergebaseerde lidartechnologie. Lidarsystemen vereisen beweegbare spiegels om de laserstralen naar elke hoek van het te scannen gebied te richten. Deze bewegende spiegels zijn van nature gevoelig voor mechanische schade door stoten en trillingen.
Radars zijn dus niet alleen minder gevoelig voor interferentiefactoren zoals stof, mist of lichtreflecties, maar zijn ook mechanisch veel robuuster. Naast de weerstand tegen zware schokken is de MR15-Q80 ook bestand tegen piekspanningen op de 12- of 24V-boorspanning van voertuigen. Turck positioneert de MR15-Q80 dan ook als een sensor voor botsingsvermijding en objectdetectie voor alle niet-veiligheidsgerelateerde taken. Hij detecteert objecten in zijn omgeving en geeft – in tegenstelling tot vergelijkbare apparaten – meetwaarden voor alle drie dimensies. Voor mobiele apparatuur is deze nieuwe radarscanner momenteel dan ook het enige apparaat op de markt dat een driedimensionale meting kan uitvoeren via het SAE J1993-communicatieprotocol voor CAN-bus.

Realistische ruimtebepaling

De MR15-Q80 levert afstands- en snelheidswaarden voor objecten op alle drie ruimtelijke assen. Dit betekent dat de omgeving en alle objecten daarin veel nauwkeuriger kunnen worden afgebeeld. Vooral machines met armen of een giek op verschillende hoogtes ontvangen waardevolle, aanvullende informatie over hun omgeving. Dankzij de 3D-informatie weet het besturingssysteem niet alleen waar een obstakel begint, maar ook waar het eindigt en waar de machine met zijn armen kan werken. Er zijn veel andere toepassingsgebieden waar nauwkeurige kennis van de ruimte voor machines nuttig kan zijn, bijvoorbeeld bij het vastleggen van topografie en rotspartijen in de mijnbouw.

Identificatie van dieren en objecten in het veld

Een andere toepassing in de mobiele apparatuursector is de detectie van dieren en objecten in velden. De radarscanner van Turck kan direct op een grasmaaier of maaidorser worden gemonteerd om het veld ervoor te bewaken. Vanwege de verschillende reflecterende eigenschappen van dieren of objecten en graanstengels kan de sensor vreemde objecten in het veld detecteren die zelf beschadigd zouden raken of de dorsunit zouden kunnen beschadigen (afbeelding 3). Dankzij de grote openingshoeken van 120 graden horizontaal en 100 graden verticaal en een bereik van maximaal 15 meter kan de radarscanner betrouwbaar detecteren of het veld voor de maaidorser zonder problemen kan worden geoogst.

Zes instelbare waarschuwingsradii en drie signaalruimtes

Voor deze en andere toepassingen kunnen gebruikers waarschuwingsradii definiëren die een schakelsignaal activeren zodra er zich een object in bevindt. Schakelsignalen kunnen ook betrouwbaar worden geactiveerd door bepaalde intensiteitsdrempels, die belangrijk zijn voor het onderscheiden van objecten. De controller kan echter ook het IO-Link-signaal volledig evalueren om de volledige informatiedichtheid te benutten. Er kunnen maximaal zes vrij definieerbare waarschuwingsvelden en drie driedimensionale signaalruimten worden aangeleerd en gekoppeld aan een van de twee schakeluitgangen. Als een van deze waarschuwingsvelden zich in de radarschaduw bevindt, omdat er zich een object tussen de sensor en het veld bevindt, herkent de sensor dit ook en geeft een passend bericht af.
Een andere mogelijke toepassing op mobiele apparatuur is dodehoekwaarschuwing, d.w.z. het bewaken van moeilijk zichtbare gebieden op de machine. Het voertuig kan beschadigd raken als zich daar objecten bevinden. De waarschuwingsradii en signaalruimtes zijn ook voor deze taken nuttig om tijdig waarschuwingssignalen af ​​te geven.

Botsingsvermijding in de intralogistiek

Ook in de intralogistiek ontstaan ​​alternatieve toepassingsgebieden. Vooral industriële trucks en automatisch geleide voertuigen (AGV’s) hebben sensortechnologie nodig om te navigeren en botsingen te vermijden. LIDAR-scanners worden normaal gesproken gebruikt voor veiligheidsgerichte omgevingsbewaking. Ze zijn echter slechts in beperkte mate geschikt voor de verticale bewaking van liftpaden op autonome vorkheftrucks, omdat ze meestal een kleine verticale openingshoek detecteren. Speciale veiligheidsradars en -scanners zouden ook te groot en daarom te duur zijn voor de niet-veiligheidsrelevante functie van hoogteregeling.

Hoogteregeling

De 3D-radarscanner van Turck levert de nodige informatie voor alle drie de ruimtelijke dimensies en detecteert zo obstakels en omgevingen in hun geheel. Deze informatie vergemakkelijkt ook de nauwkeurige en veilige besturing van hefbewegingen (afbeelding 4). De gescande gegevens kunnen ook worden gebruikt om doorrijhoogtes te garanderen en schade aan voertuigen, goederen en installatie-elementen te voorkomen. Camerasystemen worden vaak voor deze taken gebruikt, maar zijn duurder en meestal veel complexer om op te zetten.

Vereenvoudigde inbedrijfstelling

De parametrering van dergelijke complexe sensoren, die meer dan alleen een analoog signaal of een of twee schakelsignalen afgeven, is vaak een uitdaging. Turck ondersteunt gebruikers met zijn TAS (Turck Automation Suite) configuratie en IIoT software. De toolkit maakt de inbedrijfstelling en optimale instelling van signaal- en intensiteitsfilters, detectiehoeken of waarschuwingsradii veel eenvoudiger. De software visualiseert alle ruwe data van de sensor in virtuele realtime in de webbrowser. Objecten worden weergegeven als punten en puntenwolken op twee grafieken, één voor de verticale data en één voor de horizontale detectiehoeken.

Turck biedt twee varianten van de 3D radarscanner: één met IO-Link en één met een SAE-J1939 interface, die voornamelijk wordt gebruikt voor mobiele apparatuur. Naast de interface voor de 3D data hebben beide apparaten twee klassieke schakeluitgangen die kunnen worden geactiveerd door verschillende drempelwaarden.

Auteur: Raphael Penning, productmanager voor afstandssensoren bij Turck