Sensorlösung FMCW-Radar für mobile Maschinen

Die Nutzer automatisierter Abläufe oder mobiler Maschinen stellen an ihre Geräte immer höhere Anforderungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz. Die Sensorlösung FMCW-Radar von Pulsotronic liefert selbst bei rausten Umgebungsbedingungen Prozessdaten und unterstützt so die Bewertung von Arbeitsergebnissen und deren Optimierungspotenzial. 

Vernetzte und automatisierte Prozesse bestimmen die Abläufe in Produktionsanlagen und nehmen einen stetig breiteren Raum in der Infrastruktur oder in mobilen Maschinen wie Baumaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen oder Flurförderzeugen ein. Die steigende Prozesskomplexität sowie sich ändernde nationale und globale regulatorische Vorgaben erhöhen die Anforderungen an die Prozesssicherheit und das Monitoring beträchtlich. Darüber hinaus setzt eine erfolgreiche Platzierung von Systemen in einer automatisierten Welt ein nachhaltigeres Wirtschaften sowie einen verbesserten Einsatz der Ressourcen voraus, was zu neuen, innovativen Lösungen führt. In ihrer Gesamtheit lassen sich die ständig wachsenden Anforderungen nur durch einen steigenden Automatisierungsgrad bis hin zur Autonomie der Applikation bewältigen. 

Kontinuierliches und vorbeugendes Monitoring unterstützt dabei den nachhaltigen Betrieb der Anlagen und beugt unplanmäßigen Stillstandzeiten vor. Schon heute ermitteln eine Vielzahl von Sensoren in Prozessabläufen Informationen wie Füllhöhe, Abstand, Endlage sowie die Geschwindigkeit und Position, kommuniziert die Daten dann an die Maschinensteuerung oder den Bedienenden und ermöglicht damit faktenbasierte Entscheidungen. Eine weitere Automatisierung der Arbeitsabläufe sowie die Einführung schneller, lediglich durch Automation steuer- oder regelbarer Abläufe erfordern eine noch vielfältigere Erfassung der Prozessdaten. Die dafür notwendige Sensorik muss präziser, vernetzter und robuster werden. Zudem werden die Fusion von Sensordaten sowie die Standardisierung und Digitalisierung von Schnittstellen weiter an Bedeutung gewinnen. 

Große Reichweite, schnelle Erfassungszeit 

Mit dem FMCW-Radar trägt Pulsotronic zur Lösung dieser sensorischen Herausforderungen bei. Die Abkürzung FMCW steht für frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (frequency modulated continuous wave radar). Diese Art von Radar sendet permanent ein elektromagnetisches Signal mit geringer Leistung aus, dessen Frequenz mit der Zeit ansteigt. Die Reflexionen des Signals werden anschließend aufgenommen und analysiert. So lassen sich die Entfernung und Geschwindigkeit des jeweiligen Ziels berechnen. Durch die Verwendung mehrerer Sende- und Empfangsantennen kann sogar zwischen mehreren Zielen unterschieden sowie Informationen – beispielsweise Position, Bewegungsrichtung, Signalstärke und Geschwindigkeit – über jedes einzelne Ziel zur Verfügung gestellt werden. Hohe Reichweiten, schnelle Erfassungszeiten und die Eigenschaft, nahezu jedes Material zu detektieren, bilden dabei die Grundlagen für eine flexibel nutzbare Produktfamilie. 

 In der Basisversion misst das FMCW-Radar von Pulsotronic die Entfernung zu einem (nächsten) Hindernis. Höhere Softwareausbaustufen erlauben eine detailliertere Datenaufnahme bis hin zur Arbeitsraumüberwachung mobiler Maschinen. Die FMCW-Technologie stellt genaue Abstands-, Geschwindigkeits- und Relativpositionen bereit, sodass die Steuerung der Maschine in ihrer Nähe befindliche Objekte erkennt, klassifiziert und entsprechend reagiert. Auf diese Weise reduziert sich das Risiko von Kollisionen. Ferner wird die Sicherheit der Maschine für den Bedienenden und die Umgebung optimiert. Das erweist sich insbesondere in Applikationen als nützlich, die durch eine belebte und sich schnell ändernde Umgebung gekennzeichnet sind. Mit einer Reichweite von bis zu 35 m eignen sich die Radarsensoren von Pulsotronic auch zur Erfassung von Durchfahrtshöhen, Schmalgängen oder Schrankensteuerungen in der Intralogistik. Die hohe Messgenauigkeit der Sensoren ermöglicht eben einen Einsatz im Nahfeldbereich bei der Detektion von Materialverschleiß oder Schichtdicken. 

Resistent gegen raue Bedingungen 

Mobile Maschinen, wie Gabelstapler und landwirtschaftliche Maschinen, beweisen ihre Funktion ebenso in rauen Umgebungen sowie unter schwierigen Betriebsbedingungen. Daher dürfen eisige Temperaturen, tropische Umgebungen, starke Vibrationen sowie Stöße und Schmutz die Sensoren nicht beeinträchtigen. An dieser Stelle bietet die Radartechnologie entscheidende Vorteile, denn sie kommt ohne bewegliche Teile aus. Außerdem widersteht das FMCW-Radar extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und Vibrationen. Deshalb eignen sich diese Sensoren bestens für die Verwendung in rauen Umgebungen, in denen herkömmliche Sensoren den Bedingungen nicht standhalten können. Darüber hinaus funktioniert das FMCW-Radar unabhängig vom vorhandenen Umgebungslicht. Der Sensor von Pulsotronic zeichnet sich zudem durch eine geringe Bauhöhe von nur 15 mm aus. Je nach Material kann er auch hinter Kunststoff verbaut werden, um spezielle Designanforderungen zu erfüllen. Aufgrund dieser Eigenschaften lässt sich das FMCW-Radar sowohl in neue ebenso wie bestehende Maschinen integrieren. Trotz der geringen Bauhöhe arbeitet der Sensor in einem großen Öffnungswinkel bis 140°. 

Die Radartechnologie gilt allgemein als aufwendig in der anwenderspezifischen Applikation. 

Pulsotronic setzt an diesem Punkt an und stellt ein Software-Framework zur Verfügung, welches die individuelle Anpassung durch die Datenaufnahme und -auswertung unterstützt und beschleunigt. Das Python-basierten Framework lässt eine zusätzliche Verarbeitung der aufgezeichneten Daten durch verschiedene Algorithmen zu. Dieser vereinfachte „Software-in-the-Loop“-Ansatz erlaubt ein Rapid Prototyping bis hin zur Einbindung kundenspezifischer Bibliotheken. Weitere Funktionen – z. B. eine automatische Kalibrierung oder die Eliminierung von statischen Hindernissen – tragen ebenfalls zur schnellen Umsetzung von Applikationen bei. So lässt sich beispielsweise die Überlagerung des Sensorsignals durch konstruktionsbedingte Blechteile im Erfassungsbereich des Sensors reduzieren und damit die Notwendigkeit einer konstruktiven Adaption des Bauraums verhindern. 

Keine Kollisionen, bessere Objekterkennung 

Das FMCW-Radar von Pulsotronic bietet eine leistungsfähige Sensortechnologie mit vielen Anwendungsmöglichkeiten in der Automatisierungstechnik sowie in mobilen Maschinen. Der funktionale Mehrwert des Sensors in den Bereichen Kollisionsvermeidung, Objekterkennung und Füllstandsmessung – auch durch geschlossene Behälterwandungen hindurch – machen ihn in Verbindung mit seiner Robustheit und Energieeffizienz zu einem wertvollen Werkzeug in der Automatisierung und Prozessdatenaufnahme. In Kombination mit den anwendungsspezifischen Anpassungen durch Pulsotronic erweist sich das FMCW-Radar als interessante Option für alle Unternehmen, die die Effizienz und Leistung ihrer Maschinen verbessern wollen. 

Autoren: Dr. Matthias Sachse, Leiter Entwicklung, & Raoul Scheidhauer, Leiter Vertrieb, beide Pulsotronic GmbH & Co. KG, Niederdorf