레이더를 사용하여 까다로운 환경에서 차량을 감지하고 충돌을 방지하는 방법

동작 모니터링 및 위치 센서를 사용하면 물류, 제조, 채굴, 운송, 농업 및 기타 산업에서 충돌을 방지하고 안전을 보장하며 생산성을 향상할 수 있습니다. 센서를 차량에 실장하거나 전략적 고정 위치에 배치할 수 있습니다.

센서는 특정 응용 분야의 요구 사항에 맞게 구성할 수 있고 거리, 각위치, 속도에 따른 물체 감지 등 다기능 감지 기능을 갖추고 있어야 합니다. 분주하거나 복잡한 환경에서는 한 번에 여러 대상을 감지할 수 있는 기능이 필요합니다.

하역장 및 지게차 속도 제어와 같은 응용 분야에서는 흙, 먼지, 바람, 강수 및 기타 환경 조건의 영향을 받지 않는 기술을 사용하는 것이 좋습니다. 감지 창 모양 및 대상 설정점과 같은 파라미터를 맞춤 설정하여 성능을 더 향상시킬 수 있습니다.

이 기사에서는 몇 가지 주요 레이더 사양에서 작동 주파수의 중요성을 검토한 후 주파수 변조 지속파(FMCW) 및 펄스형 가간섭성 레이더(PCR), 감지 체계, 빔 패턴, 감지 영역 등 사용 가능한 레이더 기술을 비교합니다. 그런 다음 레이더 센서를 사용하여 고급 시스템을 빠르게 개발할 수 있는 소프트웨어 제품군을 소개합니다.

마지막으로 안전을 강화하기 위해 하역장에서 트럭의 존재 여부를 감지하고 지게차 속도를 제어하는 등 까다로운 환경에서 안정적인 감지를 위한 다기능 감지 기능을 제공하기 위해 이러한 모든 요소가 Banner Engineering Q90R 계열 레이더 센서에서 어떻게 사용되는지를 보여주는 적용 사례를 살펴봅니다.

무선 감지 및 거리 측정기(레이더)는 고주파 RF 에너지를 방출하는 능동 센서 기술입니다. 이 에너지가 경로에 있는 물체에 반사되고, 반사된 에너지의 특성을 이용하여 물체를 감지하고 거리를 측정하며, 경우에 따라 물체가 센서를 향해 이동하거나 센서에서 멀어지는 속도를 측정할 수 있습니다.

작동 주파수는 레이더 센서의 성능을 결정하는 기본적인 특성입니다. 산업용 레이더 센서는 산업, 과학 및 의료(ISM) 주파수 대역의 일부인 24GHz, 60GHz 및 122GHz에서 작동하며 특별한 라이선스 없이 사용할 수 있습니다.

레이더 센서의 작동 주파수는 다음과 같은 여러 사양에 큰 영향을 미칩니다.

• 범위 - 24GHz와 같은 저주파 레이더 센서의 범위가 가장 깁니다.
• 정확도 - 122GHz와 같은 고주파 레이더 센서는 정확도가 높고 작은 물체도 감지할 수 있습니다.
• 데드 존 - 대상이 너무 가까우면 레이더 센서의 데드 존 또는 차단 거리가 발생합니다. 일반적으로 고주파 센서는 데드 존이 더 작습니다.
• 내후성 - 감지 기능은 바람, 안개, 증기 및 온도 변화에 영향을 받지 않습니다. 레이더는 일반적으로 비나 눈으로 인한 전파 방해에 강합니다. 24GHz 레이더는 비와 눈으로 인한 전파 방해를 무시하는 기능이 가장 뛰어납니다.
• 대상 물체 - 24GHz 레이더는 날씨로 인한 전파 방해에 가장 강하지만, 광범위한 물질을 감지하는 기능이 가장 제한적입니다. 60GHz 또는 122GHz 레이더 센서는 고유전체 물질 및 저유전체 물질을 감지할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 레이더 센서의 작동 주파수는 유전체 특성에 따라 다양한 대상 물체를 식별하는 능력에 큰 영향을 미칩니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

주파수 외 기능

주파수는 레이더 센서의 정의적 특성입니다. 이외에 다른 중요한 사양으로는 FMCW 및 PCR와 같은 레이더 기술, 가변 필드와 역반사 센서를 포함한 감지 체계, 시야각, 창 모양, 대상 설정점 등이 있습니다.

FMCW는 고정 대역폭에서 주파수가 증가하거나 감소하는 변조된 연속 신호를 방출합니다. 레이더는 반사되는 신호의 주파수를 측정하여 신호가 대상에 반사되어 돌아오는 데 걸린 시간을 파악합니다. 이 시간차(ToF) 정보에 따라 대상 범위가 결정됩니다.

FMCW는 별도의 안테나 또는 펄스 없이 거리와 속도를 동시에 측정할 수 있고, 거리 분해능이 우수하고, 가까운 거리에 있는 대상을 구분할 수 있으며, 까다로운 환경에서도 정확도가 높다는 이점이 있습니다.

PCR 레이더는 펄스를 전송하고 송신기를 끄고 대상에서 에코를 수신할 때까지 기다린 다음 송신기를 다시 켜서 새 펄스를 전송하는 주기를 반복합니다. FMCW와 마찬가지로 ToF 분석의 한 형태를 사용해 대상의 범위와 속도를 결정합니다. 펄스를 사용한다는 것은 PCR 레이더가 FMCW보다 전력을 적게 사용한다는 것을 의미합니다. PCR은 배터리 구동 시스템에서 사용되는 경우가 많으며 저전력 단거리 응용 분야에 적합합니다.

가변 필드 및 역반사 센서

가변 필드 레이더는 반사된 RF 전파를 감지하여 물체를 탐지합니다. RF 에너지를 많이 반사하는 큰 레이더 단면을 가진 물체를 감지하는 데 적합합니다. 금속 표면적이 넓은 물체, 특히 레이더 빔에 수직인 표면은 일반적으로 레이더 단면적이 큽니다.

가변 필드 레이더 센서로는 설정점 거리를 구성할 수 있습니다. ToF 계산을 사용하여 대상 범위를 결정하고 설정점 거리 내에 있는 대상에만 신호를 보냅니다.

역반사 레이더 센서는 벽과 같은 반사 참조 대상의 존재 여부에 의존합니다. 참조 대상에서 반사되는 반송파가 중단되는 것을 식별하여 물체를 감지합니다. 레이더 단면적이 크지 않더라도 물체를 감지하도록 최적화할 수 있습니다.

60GHz, FMCW 레이더 센서

Q90R 계열 FMCW 가변 필드 레이더 센서는 60GHz에서 작동하며 정확도, 범위 및 재료 감지 기능 측면에서 균형 잡힌 성능을 제공합니다. IP69K 등급 인증을 받아 까다로운 환경에서 사용하는 데 적합합니다(그림 2). 120°×40° 또는 40°×40° 시야각으로 제공됩니다. 범위, 가장 가까운 물체 또는 가장 강한 물체 감지 등 파라미터를 특정 응용 분야 요구 사항에 맞게 수정할 수 있습니다.

그림 2: Q90R 계열 FMCW 가변 필드 레이더 센서는 60GHz에서 작동하며 견고한 IP69K 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

Q90R2-12040-6KDQ는 구성이 자유로우며 독립적인 감지 영역으로 분할될 수 있는 120° x 40° 시야각을 지원하며 정밀한 위치 감지가 가능합니다(그림 3). 다차원 감지 기능은 거리, 반경 위치, 속도 임계값을 기반으로 더 지능적인 물체 감지를 지원할 수 있습니다. Q90R 레이더 센서 제품군의 다른 모델과 마찬가지로 감지 범위는 0.15m ~ 20m입니다. 또한 IO-Link 및 Banner의 Pulse Pro 펄스 주파수 변조(PFM) 기술을 비롯한 유연한 연결 옵션을 제공합니다.

그림 3: Q90R2 레이더 센서는 120° x 40°의 넓은 시야각을 구성할 수 있습니다(이미지 출처: Banner Engineering).

소프트웨어를 통한 성능 향상

설계자가 센서의 데이터를 구성하고 시각화할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)인 Banner 측정 센서 소프트웨어를 사용하여 Q90R 및 Q90R2 레이더 센서의 강력한 기능을 활용할 수 있습니다.

이 소프트웨어는 센서가 주시하는 것을 보여주는 그래픽을 제공하므로 레이더 센서와 같이 가시 빔이 없는 센서에 유용합니다. 사용자가 응답 속도, 출력 구성, 필터링 옵션 등 센서 파라미터를 수정할 수 있습니다.

Q90R2의 120° x 40° 시야각은 구성이 자유롭고 정밀한 포지셔닝 및 제어가 가능합니다. 설계자는 Banner 측정 센서 소프트웨어를 사용하여 각 응용 제품의 창 모양, 대상 설정점 등 고급 감지 파라미터를 맞춤 설정할 수 있습니다. (그림 4).

그림 4: Banner 측정 센서 소프트웨어를 사용하면 설계자가 시야각(위)과 창 모양 및 대상 지점(아래)을 최적화할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

하역장에서 차량 감지

생산성과 안전을 지원하고 환경 표준을 충족하려면 하역장에서 트럭을 자동으로 정확하게 감지하는 것이 중요합니다. 초인종이나 표시등과 같은 기존 솔루션은 적합하지 않은 경우가 많습니다. 하역장에서는 시끄러워서 초인종 소리가 잘 들리지 않을 수 있습니다. 또한 천장 및 기계 조명과 지게차의 번쩍이는 조명 때문에 깜박이는 표시등도 간과하기 쉽습니다.

따라서 자동화된 센서 솔루션이 적합합니다. 하지만 트럭은 다양한 크기와 다양한 소재로 제작되며 색상과 표면 마감도 다양합니다. 이러한 문제와 더불어 소음, 먼지, 비, 눈 등 주변 환경 조건의 모호함으로 인해 광전 센서 또는 초음파 센서를 기반으로는 신뢰할 수 있는 솔루션을 구현하기가 어렵습니다.

따라서 주변 환경 조건을 무시하는 Q90R2와 같은 레이더 센서가 선호되는 경우가 많습니다. IP67/IP69K 등급 하우징을 갖추고 있어 비가 내리는 경우나 기타 까다로운 환경 조건에 적합하며 -40°C ~ +65°C의 폭넓은 작동 온도 범위를 지원합니다. 소재, 색상, 질감, 반사율에 관계없이 트럭의 존재 여부를 안정적으로 감지할 수 있습니다.

Q90R2의 독립적이고 구성 가능한 감지 영역과 120° x 40° 빔 패턴은 하나의 센서로 두 개의 작업을 수행하여 인접한 두 개의 도크에서 트럭의 존재 여부를 감지할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: Q90R2 레이더 센서의 120° x 40° 빔 패턴을 통해 하나의 센서로 두 개의 트럭 도크를 모니터링할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

지게차 속도 제어 및 안전

지게차와 같은 차량에 레이더 센서를 실장하면 차량을 감지하는 것 외에도 주변 환경의 변화를 감지하여 안전을 강화할 수 있습니다. 예를 들어 Q90R2 레이더 센서를 지게차의 뒷면이나 측면에 실장하고 서로 다른 거리의 여러 구역으로 구성할 수 있습니다.

Q90R2의 광범위한 120° x 40° 빔 패턴은 움직이는 주변 물체를 모니터링하는 데 적합합니다. 또한 Q90R2는 반경 거리, 각위치 및 대상 속도 피드백을 제공합니다. 위험 요소가 가까워지면 지게차 운전자에게 경고하고 지게차 속도를 자동으로 제한하거나 지게차를 정지할 수 있습니다.

지게차를 실내외에서 모두 사용하는 경우, 빔 패턴이 40°×40°인 Q90R 레이더 센서를 지붕에 실장하여 천장의 유무를 감지할 수 있습니다. 지게차가 실외에 있고 천장이 감지되지 않는 경우 기계가 최대 허용 속도로 움직일 수 있습니다. 지게차가 실내에서 움직이고 천장이 있는 경우 안전을 강화하고 손상을 방지하기 위해 최대 속도를 자동으로 낮출 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 레이더 센서를 사용하여 지게차 주변의 사람이나 물체 및 천장의 유무를 모니터링할 수 있습니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

시스템 요구 사항에 따라 다양한 출력 구성을 갖춘 여러 Q90R 모델 중에서 선택할 수 있습니다.

• Q90R-4040-6KDQ - 이중 이산 소자 NPN/PNP, PFM 및 IO-Link 출력 지원
• Q90R-4040-6KIQ - 아날로그 전류(4mA ~ 20mA), 1개의 NPN/PNP 이산 소자 및 IO-Link 출력 지원
• Q90R-4040-6KUQ - 아날로그 전압(0V ~ 10V 또는 0.5V ~ 4.5V), 1개의 NPN/PNP 이산 소자 및 IO-Link 출력 지원

결론

Q90R 계열 레이더 센서는 다용도로 사용할 수 있습니다. 60GHz의 작동 주파수를 지원하여 다양한 물질을 감지할 수 있습니다. 최대 20m의 범위와 구성 가능한 빔 패턴을 갖춘 Q90R 계열 FMCW 레이더는 다양한 응용 분야를 지원합니다. 여러 출력 옵션을 제공하여 다양한 시스템 요구 사항을 지원하며, 지게차와 같은 차량에 실장하거나 하역장 옆과 같은 전략적 고정 위치에 배치할 수 있습니다. 마지막으로, 설계자는 Banner 측정 센서 소프트웨어를 사용하여 시스템을 빠르게 설계한 후 배포할 수 있습니다.