Künstliche Intelligenz, 5G und Big-Data-Technologien beschleunigen industrielle Modernisierungen in allen Sektoren. Mit dem Aufkommen der Industrie 4.0-Ära entwickeln sich Industrietechnologien hin zu mehr Intelligenz und Automatisierung. Die industrielle Automatisierungstechnik steht im Mittelpunkt der aktuellen industriellen Entwicklung Chinas. Millimeterwellen-Radarsensoren, die sich durch ihre starke Eindringfähigkeit auszeichnen, werden häufig in industriellen Automatisierungsprojekten eingesetzt. Der standardisierte und effiziente automatisierte Betrieb intelligenter Geräte wie Industrieroboter und Roboterarme ist eng mit den hochpräzisen Erkennungsfähigkeiten von Millimeterwellenradaren verknüpft.
Welche Vorteile bietet Millimeterwellenradar gegenüber anderen Radargeräten in industriellen Anwendungen?
Derzeit werden Radarsensoren hauptsächlich in drei Typen eingeteilt: Lidar, Ultraschallradar und Millimeterwellenradar. Jeder Typ arbeitet nach unterschiedlichen Prinzipien und verfügt über unterschiedliche Erkennungsfähigkeiten. Im Folgenden analysieren wir die Vorteile von Millimeterwellenradar in industriellen Anwendungen.
Überlegene Durchdringungsfähigkeit: Aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktionsprinzipien weisen verschiedene Radargeräte unterschiedliche Durchdringungsfähigkeiten auf. Lidar nutzt Laserstrahlen zur Überwachung von Objekten und kann keine Hindernisse durchdringen. Ultraschallradar erkennt Objekte, indem es Ultraschallwellen aussendet, die dichtere oder härtere Ziele nicht durchdringen können. Millimeterwellenradar erkennt Objekte, indem es elektromagnetische Wellen aussendet, die zahlreiche nicht{4}metallische Materialien wie Wasser, Glas und Vegetation durchdringen können. Unter diesen drei Radartypen weist das Millimeterwellenradar ein überlegenes Durchdringungsvermögen auf.
Großer Erfassungsbereich
LiDAR überwacht Objekte mithilfe von Laserstrahlen und erreicht im freien Zustand Erkennungsentfernungen von bis zu 50 Metern. Ultraschallradar erreicht die höchste Erkennungsgenauigkeit zwischen 0,1 und 3 Metern, mit typischen seitlichen Erkennungsbereichen von bis zu 8 Metern. Es wird häufig in Kfz-Radarsystemen verwendet. Millimeterwellenradar arbeitet mit Frequenzen zwischen Zentimeterwellen und Mikrowellen und kombiniert die Vorteile von optischem und Mikrowellenradar für eine überlegene Durchdringung. Die typische Erkennungsreichweite beträgt 0 bis 200 Meter und ist damit die Option mit der größten{11}}Reichweite.
Es weist eine hohe Störfestigkeit in Betriebsumgebungen auf. Im Gegensatz dazu nimmt die Leistung von LiDAR bei intensiver Sonneneinstrahlung aufgrund von Blendungsstörungen ab, was sich auf die Erkennungsergebnisse auswirkt. Darüber hinaus können hohe Temperaturen oder rauchige Bedingungen die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Ultraschallradar basiert auf Ultraschallwellen, die sich durch ein Medium ausbreiten. Da die Geschwindigkeit der Ultraschallübertragung je nach Medium variiert, können widrige Wetterbedingungen wie Regen, Schnee oder Sandstürme die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Millimeterwellenradar bleibt jedoch unabhängig von der Art des Mediums, der Lichtintensität oder der Temperatur und bietet eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber externen Umwelteinflüssen.
Millimeterwellenradar übertrifft LiDAR und Ultraschallradar durch Vorteile wie erweiterte Erfassungsreichweite, überlegene Durchdringungsfähigkeit und Umgebungsflexibilität. Mittlerweile ist es in der industriellen Automatisierung weit verbreitet. Um dies zu unterstützen, hat Texas Instruments spezielle Millimeterwellen-Radarchips für verschiedene industrielle Automatisierungsanwendungen eingeführt.
TI IWR1443 76–81 GHz industrieller Millimeterwellen-Radarsensor für die Sicherheit
Mit fortschreitenden technologischen Fähigkeiten stellen traditionelle Fabriken auf eine intelligente Fertigung um, indem sie Automatisierungsgeräte wie Roboterarme und intelligente Roboter integrieren. Sicherheit bleibt in vollautomatischen Anlagen von größter Bedeutung. Um dieses Problem anzugehen, hat TI industrielle Millimeterwellensensoren zur Personen- und Objekterkennung entwickelt. Wenn der Sensor die Annäherung von Personen oder Objekten erkennt, löst er Sicherheitssysteme aus, um Kollisionen zu minimieren. Millimeterwellensensoren sorgen für eine hohe Erkennungsgenauigkeit, unabhängig von hoher Staubbelastung oder schwankender Lichtintensität in Fabrikumgebungen.
Der IWR1443 ist ein hochintegrierter Millimeterwellen-Sensorchip, der auf der FMCW-Technologie basiert. Es arbeitet im Millimeterwellenband von 76 bis 81 GHz und verfügt im Vergleich zu herkömmlichen 24-GHz-Bändern über kürzere Wellenlängen. Mit einer kontinuierlichen Bandbreite von 4 GHz verbessert es die Entfernungsauflösung und erleichtert die Erkennung von Objekten in der Nähe.
Der Chip integriert intern eine ultrapräzise lineare Frequenzmodulations-Pulsmaschine mit geschlossenem -Loop-PLL. Es unterstützt drei Signalübertragungskanäle und zwei Signalempfangskanäle mit gleichzeitigem Betrieb von zwei Kanälen während der Millimeterwellensignalübertragung. Der IWR1443 umfasst zwei ARM Cortex-R4F-Funksteuerungssysteme: eines für die HF-Kalibrierung und Sicherheitsüberwachung, das andere für die Chip-Master-Steuerung, was einen nahtlosen Wechsel zwischen Master- und Slave-Dual-Modi ermöglicht.
Als Schnittstelle verfügt es über zwei SPI-Schnittstellen, die die Konnektivität mit Peripherieprozessoren zur Steuerung ermöglichen. Das Energiemanagement nutzt ein Low-{1}}Dropout-Stromnetz, das die Unterdrückungsrate der Stromversorgung verbessert. Der IWR1443 arbeitet in einem weiten Temperaturbereich von -40 bis 105 Grad und nutzt ein kompaktes 10,4 mm × 10,4 mm großes 161-Pin-BGA-Gehäuse. Dies erleichtert den Ingenieuren die Layoutgestaltung und minimiert gleichzeitig den Platzbedarf. Dieser Chip zeichnet sich durch seinen geringen Platzbedarf, geringen Stromverbrauch, hohe Genauigkeit und große Temperaturtoleranz aus und eignet sich ideal für industrielle Anwendungen, einschließlich Fabrikautomatisierung, industrielle Abstandssensoren, industrielle Geschwindigkeitssensoren und Sicherheitsschutzgeräte.
TI IWR6843 60–64-GHz-Millimeterwellen-Radarsensor für intelligente Roboter
Wenn Industrieroboter neben Menschen arbeiten, bewegen sie sich langsam. Hersteller von Roboterarmen und automatisierten Industrierobotern müssen die Umgebungserkennungsfähigkeiten in Roboterkonstruktionen verbessern, um potenzielle Kollisionen schnell zu erkennen und zu verhindern. Um dieses Problem anzugehen, hat TI den Millimeterwellen-Radarsensor IWR6843 für Roboter entwickelt.
Dieser intelligente Sensorchip, der auf der FMCW-Technologie basiert, führt im Frequenzband von 60–64 GHz eine Datenverarbeitung und Entscheidungsfindung in Echtzeit durch. Es unterstützt 4-Kanalempfang, 3-Kanalübertragung von Millimeterwellensignalen, PLL-Regelung und Hardwarebeschleunigung. Seine Spezifikationen stimmen weitgehend mit denen des IWR1443 überein und unterscheiden sich hauptsächlich durch die Integration eines C674x DSP-Signalprozessors für eine verbesserte Rechenleistung. Dieser Radarsensorchip erkennt Objekte im Umkreis von 10 Metern, ohne Einschränkungen hinsichtlich der Art des erkannten Ziels.
Was den Erkennungswinkel betrifft, unterstützt es eine Weitwinkelerkennung von maximal 120 Grad-, um die Umgebung genau zu erfassen und gefährliche Kollisionen zwischen Industrierobotern und anderen Objekten oder Personen zu verhindern. Der IWR6843 arbeitet effektiv in Umgebungen mit Rauch, Staub oder schlechten Lichtverhältnissen und kann transparente Objekte erkennen, um industrielle Produktionsanforderungen zu erfüllen und Herausforderungen bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine zu bewältigen.
Zusammenfassung
Die rasante Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung ist eng mit der Sensorik verknüpft. Millimeterwellenradar zeichnet sich durch seine Durchdringungsfähigkeit, seinen Erfassungsbereich und seine Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse aus. Im Vergleich zu Lidar bietet es einen relativ geringeren Kostenvorteil und ist mittlerweile in der industriellen Produktion weit verbreitet. Diese Technologie treibt die industrielle Automatisierung voran und bereitet sie mit erweiterten Funktionen auf das Zeitalter von Industrie 4.0 vor.