La supervisión del movimiento y los sensores de posición permiten evitar colisiones, garantizar la seguridad y aumentar la productividad en logística, fabricación, minería, transporte, agricultura y otras industrias. Los sensores pueden montarse en vehículos o colocarse en lugares fijos estratégicos.
Deben ser configurables para adaptarse a las necesidades específicas de la aplicación y tener capacidades de detección multifuncionales, incluida la detección de objetos basada en la distancia, la posición angular y la velocidad. La capacidad de detectar varios objetivos a la vez es necesaria en entornos concurridos o complejos.
Aplicaciones como muelles de carga y control de velocidad de carretillas elevadoras se benefician del uso de una tecnología a la que no afectan la suciedad, el polvo, el viento, las precipitaciones y otras condiciones ambientales. La personalización de parámetros como la forma de la ventana de detección y los puntos de consigna objetivo puede mejorar aún más el rendimiento.
Este artículo comienza con una revisión de la importancia de la frecuencia de funcionamiento en varias especificaciones clave del radar, para pasar después a una comparación de las tecnologías de radar disponibles, como la onda continua de frecuencia modulada (FMCW) y el radar pulsado coherente (PCR), los esquemas de detección, los patrones de haz y las zonas de detección. A continuación, se presenta un paquete de software que puede acelerar el desarrollo de sistemas avanzados que utilizan sensores de radar.
Concluye con ejemplos de aplicación de cómo se utilizan todos estos factores en la serie Q90R de sensores de radar de Banner Engineering para proporcionar capacidades de detección multifuncionales para una detección fiable en entornos exigentes, incluida la detección de la presencia de camiones en un muelle de carga y el control de la velocidad de las carretillas elevadoras para mejorar la seguridad.
El radar es una tecnología de sensores activos que emite energía de radiofrecuencia (RF) de alta frecuencia. La energía se refleja en los objetos que encuentra a su paso y las características de la energía reflejada pueden utilizarse para detectar objetos, determinar su distancia y, en algunos casos, medir la velocidad a la que se mueven hacia el sensor o alejándose de él.
La frecuencia de funcionamiento es una característica fundamental que determina el rendimiento de un sensor de radar. Existen sensores de radar industriales que funcionan a 24 GHz, 60 GHz y 122 GHz, partes de las Bandas de frecuencia industrial, científica y médica (ISM), y que pueden utilizarse sin licencia especial.
La frecuencia de funcionamiento de un sensor de radar tiene un impacto significativo en varias especificaciones, entre ellas:
- Alcance: los sensores de radar de baja frecuencia, como los de 24 GHz, son los que tienen mayor alcance.
- Precisión: los sensores de radar de alta frecuencia, como los de 122 GHz, tienen mayor precisión y pueden detectar objetos más pequeños.
- Zona muerta: la zona muerta de un sensor de radar, o distancia de bloqueo, se debe a que el objetivo está demasiado cerca. En general, los sensores de mayor frecuencia tienen zonas muertas más pequeñas.
- Resistencia a la intemperie: las funciones de detección son inmunes al viento, la niebla, el vapor y los cambios de temperatura. Por lo general, el radar es resistente a las interferencias provocadas por la lluvia o la nieve. El radar de 24 GHz es el que mejor puede ignorar las interferencias provocadas por la lluvia y la nieve.
- Materiales objetivo: aunque es el más resistente a las interferencias meteorológicas, el radar de 24 GHz es el más limitado en su capacidad para detectar una amplia gama de materiales. Los sensores de radar de 60 GHz o 122 GHz pueden detectar materiales de alto y bajo dieléctrico (figura 1).
Figura 1: La frecuencia de funcionamiento de los sensores de radar influye enormemente en la capacidad de identificar una serie de materiales objetivo en función de sus características dieléctricas. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)
Más allá de la frecuencia
La frecuencia es una característica definitoria de los sensores de radar. Otras especificaciones importantes son la tecnología de radar (FMCW frente a PCR), los esquemas de detección (campo ajustable frente a sensores retrorreflectantes), el campo de visión, la forma de la ventana y los puntos de ajuste del objetivo.
La FMCW emite una señal continua modulada que aumenta o disminuye de frecuencia en un ancho de banda fijo. Al medir la frecuencia de una señal reflejada, el radar conoce el tiempo que ha tardado la señal en reflejarse en el objetivo y regresar. Esa información sobre el tiempo de vuelo (ToF) determina el alcance del objetivo.
Algunas de las ventajas de la FMCW son la medición simultánea del alcance y la velocidad sin necesidad de antenas o pulsos separados, una resolución de alcance superior, la capacidad de distinguir entre objetivos muy próximos y una mayor precisión en entornos difíciles.
El radar PCR transmite un pulso, apaga el transmisor, espera a recibir un eco del blanco y vuelve a encender el transmisor para enviar un nuevo pulso y continuar el ciclo. Al igual que la FMCW, se utiliza una forma de análisis ToF para determinar el alcance y la velocidad del objetivo. El uso de pulsos hace que el radar PCR consuma menos energía que el FMCW. La PCR suele preferirse en sistemas alimentados por batería y es idónea para aplicaciones de corto alcance y baja potencia.
Campo ajustable frente a sensores catadióptricos
El radar de campo de RF ajustable detecta objetos detectando las ondas de RF reflejadas. Son idóneos para detectar objetos con una gran sección transversal de radar que refleje mucha energía de radiofrecuencia (RF). Los objetos con grandes superficies metálicas, especialmente las perpendiculares al haz del radar, suelen tener grandes secciones transversales de radar.
Los sensores de radar de campo ajustable pueden tener distancias de consigna configurables. El sensor utiliza cálculos ToF para determinar el alcance del objetivo y sólo señala la presencia de objetivos dentro de la distancia de consigna.
Un sensor de radar retrorreflectante depende de la presencia de un objetivo de referencia reflectante, como una pared. Detecta objetos identificando perturbaciones en la señal de retorno del objetivo de referencia. Estos sensores de radar pueden optimizarse para detectar objetos aunque no tengan grandes secciones transversales de radar.
Sensores de radar FMCW de 60 GHz
Los sensores de radar de campo ajustable FMCW de la serie Q90R funcionan a 60 GHz y ofrecen un rendimiento equilibrado en términos de precisión, alcance y capacidad de detección de materiales. Además, tienen clasificación IP69K y son adecuados para su uso en entornos exigentes (figura 2). Están disponibles con campos de visión de 120° por 40° o de 40° por 40°. Parámetros como el alcance y la detección del objeto más cercano o el más fuerte pueden modificarse en función de los requisitos específicos de cada aplicación.
Figura 2: Los sensores de radar de campo ajustable FMCW de la serie Q90R funcionan a 60 GHz y se presentan en un resistente encapsulado IP69K. (Fuente de la imagen: DigiKey)
El Q90R2-12040-6KDQ presenta un campo de visión de 120° por 40° altamente configurable que puede dividirse en zonas de detección independientes y permite una detección de posición de precisión (figura 3). Su capacidad de detección multidimensional permite detectar objetos de forma más inteligente en función de la distancia, la posición radial y los umbrales de velocidad. Al igual que otros modelos de la familia de sensores de radar Q90R, tiene un alcance de 0.15 a 20 m. También ofrece opciones de conectividad flexibles, como IO-Link y la tecnología de modulación de la frecuencia del pulso (PFM) Pulse Pro de Banner.
Figura 3: los sensores de radar Q90R2 tienen un campo de visión configurable y amplio de 120° por 40° (Imagen: Banner Engineering)
El software desbloquea el rendimiento
Las potentes características de los sensores de radar Q90R y Q90R2 pueden desbloquearse utilizando el software de medición de sensores de Banner, una interfaz gráfica de usuario (GUI) que permite a los diseñadores configurar y visualizar los datos de los sensores.
El software proporciona un gráfico que muestra lo que está viendo el sensor, lo que resulta útil para sensores sin haces visibles, como los sensores de radar. Los usuarios pueden modificar los parámetros de los sensores, como la velocidad de respuesta, las configuraciones de salida y las opciones de filtrado.
El campo de visión de 120° por 40° de la Q90R2 es altamente configurable y permite un posicionamiento y control de precisión. Los diseñadores pueden utilizar el software de Banner para personalizar parámetros de detección avanzados, como la forma de la ventana de cada aplicación y los puntos de consigna objetivo. (Figura 4).
Figura 4: El software de medición de sensores de Banner permite a los diseñadores optimizar el campo de visión (arriba) y las formas de las ventanas y los puntos de destino (abajo). (Fuente de la imagen: Banner Engineering)
Detección de vehículos en muelles de carga
La detección automática y precisa de camiones en los muelles de carga es importante para favorecer la productividad y la seguridad y cumplir las normas medioambientales. Las soluciones tradicionales de timbres o indicadores luminosos no suelen ser adecuadas. Los muelles de carga pueden ser lugares ruidosos donde no siempre se oyen los timbres. Además, la presencia de iluminación en el techo y en las máquinas, así como las luces intermitentes de las carretillas elevadoras, pueden hacer que sea fácil pasar por alto una luz indicadora, aunque sea intermitente.
Es deseable una solución de sensores automatizados. Sin embargo, los camiones vienen en múltiples tamaños, se fabrican con diversos materiales y pueden tener un amplio rango de colores y acabados superficiales. Estos retos, sumados a la ambigüedad de las condiciones ambientales, como el ruido, el polvo, la lluvia o la nieve, dificultan la implantación de una solución fiable basada en sensores fotoeléctricos o ultrasónicos.
Los sensores de radar como el Q90R2 suelen ser la opción preferida. Ignoran las condiciones ambientales. Cuentan con un receptáculo con clasificación IP67/IP69K, lo que los hace adecuados para lluvias torrenciales y otras condiciones ambientales difíciles, y un amplio rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +65 °C. Pueden detectar con fiabilidad la presencia de camiones independientemente del material y de su color, textura o reflectividad.
Las zonas de detección independientes y configurables y el diagrama de haz de 120° por 40° del Q90R2 permiten que un sensor haga el trabajo de dos y detecte la presencia de camiones en dos estaciones de conexión adyacentes (Figura 5).
Figura 5: El patrón de haz de 120° x 40° del sensor de radar Q90R2 permite que un solo sensor vigile dos muelles de camiones. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)
Control y seguridad de la velocidad de las carretillas elevadoras
Además de detectar vehículos, los sensores de radar pueden montarse en un vehículo como una carretilla elevadora para detectar cambios en su entorno y aumentar la seguridad. Por ejemplo, un sensor de radar Q90R2 puede montarse en la parte trasera o en los laterales de una carretilla elevadora y configurarse con varias zonas a diferentes distancias.
El amplio diagrama de haz de 120° por 40° de la Q90R2 la hace especialmente adecuada para vigilar objetos circundantes que puedan estar en movimiento. Además, el Q90R2 proporciona información sobre la distancia radial, la posición angular y la velocidad del objetivo. A medida que se acercan los peligros, se puede alertar al controlador de la carretilla elevadora, limitar automáticamente su velocidad o detenerla.
En los casos en los que una carretilla elevadora se utiliza tanto en interiores como en exteriores, se puede montar en el techo un sensor de radar Q90R con un patrón de haz de 40° por 40° para detectar la presencia o ausencia de techo. Cuando la carretilla elevadora está al aire libre y no se detecta ningún techo, la máquina puede desplazarse a su velocidad máxima permitida. Cuando la carretilla elevadora se desplaza por interiores y hay un techo, la velocidad máxima puede reducirse automáticamente para aumentar la seguridad y evitar daños (Figura 6).
Figura 6: Los sensores de radar pueden utilizarse para vigilar la presencia de personas u objetos alrededor de una carretilla elevadora, así como la presencia o ausencia de un techo. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)
Dependiendo de las necesidades del sistema, hay varios modelos Q90R para elegir con diferentes configuraciones de salida, incluyendo:
- Q90R-4040-6KDQ con doble NPN/PNP discreto, PFM y una salida IO-Link
- Q90R-4040-6KIQ con una corriente analógica (4 a 20 mA), 1 NPN/PNP discreto y una salida IO-Link
- Q90R-4040-6KUQ con un voltaje analógico (0 a 10 V o 0.5 a 4.5 V), 1 NPN/PNP discreto y una salida IO-Link
Conclusión
Los sensores de radar de la serie Q90R son muy versátiles. Su frecuencia de funcionamiento de 60 GHz les permite detectar diversos materiales. Con un alcance de hasta 20 m y diagramas de haces configurables, estos radares FMCW pueden admitir una gran variedad de aplicaciones. Están disponibles con varias opciones de salida para adaptarse a las distintas necesidades del sistema y pueden montarse en vehículos como carretillas elevadoras o colocarse en ubicaciones fijas estratégicas, como junto a muelles de carga. Por último, los diseñadores pueden recurrir al software de sensores de medición de Banner para acelerar el diseño y la implantación de sistemas.
