Kollisionen vermeiden mit Radarabstandsmessung

Stoßen Fahrzeuge mit Gegenständen oder Personen zusammen, gibt es mindestens Blechschäden und Kratzern bis hin zu schlimmen Verletzungen und den Funktionsausfall des Fahrzeugs. Um solche Unfälle zu vermeiden gibt es deswegen bereits für unseren Alltag clevere Lösungen. Beispielsweise im Auto integrierten Warnsysteme, die Zusammenstöße beim Rückwärtsfahren verhindern oder aber einen Mindestabstand während des Fahrens wahren. In Situationen, die wir Menschen schlecht überblicken, verlassen wir uns auf Sensorik.

Im Autoverkehr für viele längst normal, nehmen jedoch in der Industrie sensorgesteuerte Maßnahmen erst an Fahrt auf. Dabei gibt es gerade hier gute Gründe für die Nutzung Kollisionsschutzprodukten. Hier sind große, schwer manövrierbare Gefährte im Einsatz – häufig unter erschwerten Umweltbedingungen. Wenn es um automatisierte Produktionsabläufe, Transporte und die Positionierung geht, ist die Technik sogar unbedingt erforderlich, da nur mittels Sensoren eine Interaktion mit der Umgebung möglich ist.

In der Smart Factory bewegen sich Fahrzeuge und mobile Maschinen autonom bzw. frei im Raum. Die Etablierung von Robotern ist nur realisierbar, wenn diese mit Sicherheitsfunktionen ausgestattet sind und ihr Umfeld wahrnehmen. Mit der zunehmenden Zusammenarbeit zwischen Mensch und Technik steigt somit der Bedarf an Pre-Crash-Systemen.

Der Nutzen von Kollisionsschutz-Sensoren ist unbestreitbar. Doch weshalb ist nicht jeder Schwertransporter, Kran, jede Sondermaschine, jedes Baufahrzeug, oder jeder Gabelstapler in der Fabrikhalle mit einem solchen Warnsystem ausgestattet?

Große Herausforderungen an die Technik

Zum einem ist der Preis häufig ein K.O.-Kriterium. Jede einzelne Maschine nachzurüsten ist teuer und aufwendig. So greifen Unternehmen auf sehr günstige, einfache Lösungen – wie den klassischen „Piepser“ oder bei stationären Produktionsmaschinen das Schutzgitter – zurück. Sie sind häufig mit Nachteilen (Platzbedarf) verbunden oder nicht so effizient wie gewünscht.

Ein weiterer Hinderungsgrund: Die Anforderungen in der Industrie verursachen einen hohen Entwicklungsbedarf. Die Sensoren müssen immer zuverlässig funktionieren und höchstpräzise Messungen durchführen. Viele Herausforderungen kommen auch aus der Umwelt des Anwendungsbereichs hinzu. Ein Beispiel hierfür ist eine Offroad-Maschine wie ein großer Bagger bei der Baustoffgewinnung. Bei Regenwetter und Matsch soll der Sensor trotz Verschmutzung vor einer Kollision bewahren.

Trends wie Automatisierung und Digitalisierung in der Industrie treiben die Ansprüche in die Höhe. Sensoren warnen nicht nur, sondern lösen eine Reaktion wie die Drosselung der Fahrtgeschwindigkeit bzw. den Maschinenstopp aus. Um die Akzeptanz von autonomen/teilautonom handelnden oder fahrenden Maschinen zu erhöhen, muss das Unfallrisiko auf ein Minimum reduziert sein. Produkte für den Kollisionsschutz werden dabei unverzichtbar.

Anforderungen der Industrie

Um die Bedürfnisse der Branche zu erfüllen, ist fortschrittlichste Technologie gefragt. Für die Kollisionsvermeidung ist die kontinuierliche Abstandsermittlung Grundvoraussetzung. Die Erhebung weiterer Messdaten wie Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung verbessert zusätzlich die Umgebungswahrnehmung. Die Detektion muss möglichst genau erfolgen ohne Beeinträchtigungen durch Störungen, um in jeder Situation Personen- als auch Sachschaden zu vermeiden. Das bedeutet, Umwelteinflüsse dürfen die Funktion nicht einschränken. Die Sensoren müssen Indoor- sowie Outdoor einsetzbar sein.

Häufig sind sie hinter Stoßstangen, Gehäusen oder mobilen Bestandteilen einer Maschine verbaut. Die geänderte Perspektive bei unterschiedlichen Anbringungsmöglichkeiten und die Abdeckung sollte für die Sensorik kein Problem darstellen. Dabei müssen die Sensoren statische aber auch sich langsam bewegende Objekte detektieren, um sich nähernde oder kreuzende Fahrzeuge und Menschen zu erkennen. Wie bereits erwähnt, dienen sie als Trigger für eine technische Funktion und müssen entsprechend integrierbar sein. Produkte, die diese umfangreiche Funktionalität und präzise Performance aufweisen, stehen dem Markt noch nicht lange zu Verfügung. Denn nicht jede Messtechnologie eignet sich dafür. Und nicht alle Technologien meistern diese Herausforderungen.

Radarabstandsmessung

Ein geeignetes Messverfahren ist die Radartechnik. Sie bringt bereits wichtige Eigenschaften für die zuverlässige Performance im rauen Industrieumfeld mit. Bei der Abstandsmessung mit Radar sendet eine Antenne elektromagnetische Mikrowellen in Lichtgeschwindigkeit kontinuierlich als Impuls aus.

Dieser breitet sich in die Richtwirkung der Antenne gezielt und gebündelt aus. Trifft es auf eine Objektoberfläche, wird es zerstreut und ein Teil der Energie zurückgeworfen.

Sobald sich in der Reichweite des Radars ein Gegenstand oder eine Person befindet, erhält der Sensor eine Art Echo. Das Signal hat sich aufgrund der Reflexion, der Objekteigenschaft und des zurückgelegten Weges geändert. Anhand des Antwortsignals und der benötigten Dauer lässt sich der Abstand des Hindernisses zum Sensor bestimmen. Anschließend erfolgt die Auswertung der Detektion. Ein wichtiger Schritt, damit der Anwender nicht nur eine Art Punktwolke sieht, sondern eine für ihn verwertbare Angaben erhält. Hier sind spezielle Effekte der Technologie zu berücksichtigen. Filter und Konfigurationsmöglichkeiten verfeinern und optimieren die Datengewinnung. Die resultierende  Information gibt das Radar anschließend zur Nutzung weiter.

Durch die Radarintegration können Maschinen auf Distanzveränderungen in der Umwelt reagieren. Die permanente und berührungslose Messung von Entfernungen ermöglicht es, den notwendigen Sicherheitsabstand zu wahren. Denn die vom Radar ausgegebene Information ist die Grundlage für die Programmierung von automatischen Abläufen (Trigger-Funktion). Ist eine bestimmte Nähe von einem Objekt zum Sensor erreicht, löst es eine Warnfunktion bzw. Reaktion aus. Beispielsweise verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Maschine, es ertönt ein Alarm, es erfolgt eine Verriegelung, das Gerät schaltet sich ab oder fährt zurück. Auf diese Weise ist die Umgebung gewarnt und notwendige Sicherheitsfunktionen zur Vermeidung von Kollisionen sind eingeleitet.

Wie Radarsensoren die Branchenanforderungen erfüllen

Die Radarentwicklung hat in den letzten Jahren starke Fortschritte erzielt. Endlich sind komplexe Systeme für den Markt erhältlich, die die Anforderungen der Industrie standhalten. Die technischen Herausforderungen sind mit entsprechenden Entwicklungsaufwand der Experten umsetzbar. Radargeräte für den Kollisionsschutz senden kontinuierlich Impulse aus, um keine Unterbrechung der Schutzmaßnahme herbeizuführen. Die detektierten Daten verarbeitet und wertet das Radar schnell aus, um zuverlässig auf erscheinende Gegenstände oder Personen innerhalb des Erfassungsbereichs reagieren zu können. Hierfür nutzen Entwickler fortschrittliche Signalverarbeitungseinheiten, die Reaktionen unverzüglich triggern. Auch Filter für Störfaktoren oder weitere Einstellungen und ein fokussiertes Antennendesign dienen dazu, die Datenausgabe zu optimieren. Bei manchen Anwendungen ist es sinnvoll, einen Standby-Modus zu etablieren, der gleichzeitig auch Strom spart. Beispielsweise wird der Sensor nur beim Rückwärtsfahren aktiviert. Mit einem beschleunigten Messzyklus sorgen die Entwickler dafür, dass das Radar trotzdem sofort betriebsbereit ist.

60 GHz Radar für den Kollisionsschutz

Eine ganz große Rolle spielt beim Kollisionsschutz jedoch die Performance. Noch nicht lange stehen der Radarentwicklung die relevanten Frequenzbänder für die industrielle Abstandsmessung bereit. Erst mit deren Verfügbarkeit ist es möglich, höhere Auflösungen zu nutzen und hochpräzise Detektionen zu erzielen.

Während 24 GHz Lösungen für kleinste Messungen bei Positionierungsaufgaben zu ungenau sind, bieten 60 GHz bessere Messergebnisse insbesondere bei Gegenständen mit geringem Radarquerschnitt. Dies liegt an der größeren Bandbreite, die bei höheren Frequenzen verfügbar ist. Das Radar misst in weiter Entfernung millimetergenau und trennt unterschiedliche Distanzen der einzelnen Detektionspunkte klar voneinander.

Seit der Nutzung von 60 GHz Radaren für industrielle Anwendungen steigt die Nachfrage nach Radarlösungen im Kollisionsschutz. Die Technik ist dank der Weiterentwicklung eine ernst zu nehmende Alternative zu Laser oder Videotechnik. Im Vergleich zu anderen Messverfahren hat die Technologie einen wichtigen Vorteil. Sie ist extrem robust und dadurch vielfältig einsetzbar. Schlechtes Wetter, Dunkelheit, Hitze, Kälte, Schmutz, Lärm, Staub oder Vibrationen nehmen keinen Einfluss auf die Funktionalität des Geräts. Auch Schieflagen oder Verkippungen beeinträchtigen die Detektion nicht. Die Technik zeigt ihre Vorzüge, insbesondere wenn andere Lösungen scheitern. Die Sensoren eignen sich hervorragend für das raue Industrieumfeld und das Arbeiten unter extremen Bedingungen.

Mehr Möglichkeiten für Robotik & Kollisionsschutz

Für noch komplexere Anwendungen wie die Steuerung von fahrerlosen Transportmitteln in Fabrikhallen stehen bereits die nächsten Weiterentwicklungen in den Startlöchern. Die Radartechnik hat auch hier großes Potenzial. Deswegen arbeitet InnoSenT an der Entwicklung von Hightech-Sensorlösungen für den Kollisionsschutz und der Navigation im Anwendungsbereich Robotik und AGV. Die Radarprodukte ermöglichen eine dreidimensionale Betrachtung der Umgebung und liefern umfangreiche Objektinformationen wie Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung.

Zusätzliche Features wie das Tracking und die Objektklassifikation steigern die Effizienz der Systeme. Die fortschrittlichen Radarlösungen übernehmen in Zukunft weit mehr als nur die Aufgabe des Kollisionsschutzes. Sie minimieren das Risiko von Verletzungen sowie Schäden und tragen durch die anonyme Datenerhebung und Unfallreduzierung zur Produktivität bei.

Bereits heute sind sie ein Pfeiler für selbstfahrende Autos. Morgen bringen sie diese Sicherheit und Zuverlässigkeit in die Industrie und ebnen den Weg für kollaboratives Arbeiten und autonome Maschinen und Transporter.

Robotik, Automation, Safety & Kollisionsschutz

Mit industriellen Robotern erhalten auch immer mehr Sensoren Einzug in die moderne Fabrikhalle. Sie ermöglichen durch die Detektion der Umgebung und Ereignisse die sichere Interaktion zwischen Mensch und Maschine und bewahren vor Zusammenstöße. Ohne die Integration von Sensoren können Maschinen oder Roboter nicht auf ihr Umfeld reagieren. Typische Anwendungen sind dabei die Automation, der Personenschutz, die Navigation, Positionierung, autonome Fahrzeuge sowie der Kollisionsschutz. Radar bietet eine dreidimensionale Umfelderfassung und zuverlässige, präzise Detektion im rauen Industrieumgebungen.