Concept, Study and Test of a 24GHz Secondary Tachymeter for Precise Measurement of the Working Radius of a Mobile Crane

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hochgenaues und robustes Sekundärradar-Tachymeter für den Einsatz unter widrigen Umgebungsbedingungen wie z.B. Regen, Nebel oder Staub konzipiert, realisiert und in verschiedenen Anwendungsszenarien erprobt. Das System aus zwei Radareinheiten wurde in einen Liebherr Mobilkran integriert und auf dem Gelände der Liebherr-Werke Ehingen während einer einwöchigen Messkampagne erfolgreich bei verschiedenen Baueinsätzen getestet. Dabei wurde die Kranausladung während des Betriebes erstmalig mit einem RMSE von 15 cm in Echtzeit bestimmt. Die darauf basierte Lastmomentberechnung stellt besondere Anforderungen an die funktionale Sicherheit, welche nach Kenntnis des Autors bisher von keinem anderen kabellosen Nahortungssystem erreicht wurden. Aufgrund der Kombination aus Abstands- und Winkelmessung ist mit dem erforschten Tachymeter eine direkte Lokalisierung bewegter Einheiten mithilfe einer einzelnen Mastereinheit möglich, womit eine deutliche Verringerung des Infrastrukturaufwandes im Vergleich zu anderen lediglich auf Abstandsmessungen basierten Nahortungssystemen einher geht. Mögliche weitere Anwendungen des Systems sind dabei vielseitig und erstrecken sich über den gesamten Bereich der industriellen Automation, Sicherungs- und Verkehrstechnik. Das entwickelte Radarsystem arbeitet im ISM-Band bei 24–24.25 GHz. Es beinhaltet 8 Empfangskanäle und einen Sendekanal. Die FMCW-Signalerzeugung wurde mithilfe eines 12GHz-VCO in einer Phasenregelschleife durchgeführt, mit anschließendem Frequenzverdoppler, bzw. mit subharmonischen Mischern in den Empfangspfaden. Der im Rahmen des Forschungsprojektes aufgebaute Digitalteil führt die A/D-Wandlung sowie die schnelle Fouriertransformation der Empfangssignale durch und berechnet das Ergebnis der Abstands- und Winkelmessung. Dabei wird eine Messwiederholrate von 25 Hz erreicht. Zur Abstandsmessung wird ein FMCW-Sekundärradaransatz verwendet, welcher die hochgenaue Synchronisation zweier Einheiten im RTOF-Verfahren erlaubt und dabei u.a. auch die Relativgeschwindigkeit der Einheiten ausgibt. Zur Bestimmung der Einfallswinkel von Signalen wurden verschiedene DOA-Algorithmen auf ihre Eignung im angestrebten Anwendungsfall untersucht. Als wesentliche Kriterien wurden dabei die Auflösung, die erreichbare Genauigkeit und Robustheit gegen Mehrwegesignale bei gegebenem SNR sowie der benötigte Rechenaufwand betrachtet. Aufgrund seiner niedrigen Komplexität und der erreichten hohen Robustheit wurde der Bartlett-Beamformer für kostengünstige Systeme mit niedrigem SNR ausgewählt. Für Umgebungen mit extremen Mehrwegen konnte bei höherem SNR dagegen eine deutliche Verbesserung der Auflösung mithilfe einer Kombination aus Bartlett-Beamformer und MUSIK-Algorithmus mit Array-Interpolation und Spatial Smoothing erreicht werden. Zur Realisierung der Radar-Winkelschätzung wurden Methoden zum Finden optimaler linearer Antennenarrays mit charakteristischen Eigenschaften erforscht, wie der Winkel-Eindeutigkeitsbereich, die Hauptkeulenbreite und das Nebenkeulenniveau. Dabei wurden die entsprechenden erreichbaren Werte in Abhängigkeit von der Antennenanzahl anhand bekannter optimaler Gitteranordnungen für bestimmte Hauptkeulenbreiten ermittelt. Zusätzlich wurden allgemeine freie Anordnungen untersucht, die weitere bisher nicht erreichte optimale Kombinationen aus Keulenbreite und Nebenkeulenniveau ermöglichen. Auf dieser Basis wurde ein 8-elementiges Array für den Einsatz am Mobilkran ausgewählt. Zur Suche weiterer Arrays mit 3 bis ca. 16 Antennen wurde ein entsprechender effizienter Algorithmus entwickelt. Das gefundene optimale Array wurde aus eigens realisierten Patchantennen aufgebaut. Zur Abdeckung des spezifizierten Winkelbereichs besteht jede Einzelantenne dabei aus einer Anordnung aus 8 Patch-Elementen, wodurch für die Einzelantenne ein Gewinn von 12.5 dBi bei 24 GHz mit einer 10dB-Keulenbreite in Azimut von ±10°, sowie einer 3dB-Breite von etwa ±35° in Elevation erreicht wurde. Das Radartachymeter wurde zunächst in der Absorberkammer des LHFT kalibriert. Dabei wurde eine Winkelmessgenauigkeit von 0.1° bei 95% Konfidenz sowie ein RMSE von 0.05° erreicht. Der Winkelmessbereich beträgt ±35° in Elevation. Auf einem stillgelegten Flugplatz wurden Messungen mit einer Reichweite von bis zu 270 m durchgeführt. Für Abstände zwischen 2 und 220 m ergab sich eine Abstands-Messgenauigkeit von 4.6 cm und eine Winkel-Messgenauigkeit von 0.11° bei 95% Konfidenz, trotz starker Reflexion an der Fahrbahn. Zur Untersuchung der erreichbaren Winkelauflösung wurden zudem Messungen mit besonders starker Bodenreflexion durchgeführt. Bei einer Höhe der Einheiten über dem Boden von 60 cm wurde das Slave-Radar dazu vom Master weggefahren, hin zu Abständen zwischen 2 und 30 m. Anhand einer Kombination aus Bartlett-Beamformer und MUSIC-Algorithmus konnte das LOS-Signal bis hin zu einem kleinsten Winkelabstand von 2° eindeutig von der Bodenreflexion getrennt werden, wodurch die 5°-Auflösung des Bartlett-Beamformers deutlich übertroffen wurde. Dies stellt nach Kenntnis des Autors das bisher beste Ergebnis für vergleichbare Arrays bei entsprechendem SNR dar. Zur Erprobung des Systems in der Anwendung wurden die beiden Radareinheiten schließlich in einen Liebherr Mobilkran LTM1350-6.1 integriert. Während des Baueinsatzes wurde dabei ein RMSE von 2.2 cm im Abstand und 0.17° im Winkel erreicht, bei Abständen zwischen 1 und 60 m. Damit konnte erstmalig die Ausladung eines Kranes mit einer Genauigkeit von 32 cm bei 95% Konfidenz sowie mit einem RMSE von 15 cm bestimmt werden. Dies stellt eine deutliche Verbesserung im Vergleich zum Ergebnis herkömmlicher Systeme zur Ausladungsmessung dar und eröffnet neue Möglichkeiten beim Heben schwerer Lasten in anspruchsvollen Anwendungen. In this thesis, a highly accurate and robust secondary radar tachymeter for applications under adverse environmental conditions such as rain, fog or dust has been designed, implemented and tested in various field scenarios. The system consists of two radar units. It was mounted on a Liebherr mobile crane and tested during various construction operations on the proving ground of the Liebherr factory in Ehingen, Germany. Within this extensive test, it was shown that the working radius of the crane can be measured in real-time with a root-mean-square error (RMSE) of 15 cm during operation. The working radius has to be known in order to calculate the load torque on the crane, which allows the maximum load in the current boom position to be determined. To the knowledge of the author, the high level of functional safety required by the load measurement has not been achieved by other wireless localization systems. In this work, direct localization of moving targets is achieved with only one single master radar unit, due to the combined measurement of distance and angle. This significantly reduces the cost compared to other systems which are based only on distance measurement and therefore need multiple stationary units. Apart from the presented implementation on a mobile crane, there are also many other possible applications of the realized system in the sectors of industrial automation, security and traffic technology. The presented secondary radar works in the industrial, scientific and medical (ISM) band at 24–24.25 GHz. Each radar unit includes 8 receivers and one transmitter. The FMCW signal is generated by a 12 GHz voltage-controlled oscillator inside a phase-locked loop by using frequency doublers in the transmit path and subharmonic mixers in the receive paths. The unit’s digital part was designed within the research project RFTACH of the Bavarian Research Foundation. It performs the A/D conversion and fast Fourier transform of the received signals and calculates the corresponding angle and distance for each measurement. The system achieves a measurement rate of 25 Hz. The distance measurement is performed using an FMCW secondary radar approach which allows a highly accurate synchronization of two units with the roundtrip-time-of-flight technique. The relative velocity of the units is also determined. To measure the direction of arrival (DOA) of the signals, different algorithms were examined with regard to their applicability to the relevant use case. The main criteria were the achievable resolution, accuracy, robustness against multipath signals at a given SNR and the corresponding computational cost. Due to its low complexity and high robustness, the Bartlett beamformer was selected for low cost systems with low SNR. In environments with strong multipath effects, the resolution could be significantly improved by using a combination of the Bartlett beamformer and the MUSIC algorithm with array interpolation and spatial smoothing. To allow DOA estimation, methods for optimizing linear arrays with several characteristic properties were investigated, including the achievable sidelobe level and angular ambiguities. Based on known optimal grid arrays, these properties were estimated for different numbers of antennas depending on the desired main lobe width. Furthermore, general arrays with free antenna positions were examined in order to achieve additional combinations of beamwidth and sidelobe level that cannot be reached by grid arrays. An efficient algorithm was developed for arrays with 3 to approximately 16 elements. Using this algorithm, an 8-element array was chosen to be used at the mobile crane. The array was built with specially designed patch antennas, each consisting of 8 patch elements, to achieve a narrow beamwidth in azimuth. One antenna achieves a gain of 12.5 dBi at 24 GHz with a 10dB beamwidth of ±10° in azimuth to avoid disturbances from unwanted directions. The 3dB beamwidth of ±35° in elevation corresponds to the angular measurement range. Initially, the radar tachymeter was calibrated in the anechoic chamber at the Institute of Microwaves and Photonics (LHFT) in Erlangen. Here, an angular accuracy of 0.1° at a 95% confidence level was achieved, as well as an RMSE of 0.05°. At an unused landing strip, measurements with ranges of up to 270 m were performed. For ranges between 2 and 220 m, a distance accuracy of 4.6 cm and an angular accuracy of 0.11° at a 95% confidence level were achieved, despite strong ground reflections. To investigate the achievable angular resolution, measurements with extreme ground reflection were performed, with both units placed 60 cm from the ground. The slave radar was moved away from the master unit from 2 m up to a distance of 30 m. By using a combination of Bartlett beamformer and MUSIC algorithm, the line-of-sight signal could be clearly distinguished from the ground reflection up to a maximum resolution of 2°. Using only the Bartlett beamformer, a resolution of 5° could be achieved. To the knowledge of the author, this represents the best result for arrays of this size at the given SNR. The field test of the radar tachymeter was performed at the Liebherr site in Ehingen. Both radar units were mounted on a mobile crane LTM1350-6.1. During a building campaign, a distance RMSE of 2.2 cm and an angular RMSE of 0.17° in elevation were achieved for distances between 1 and 60 m. The working radius of the crane was determined with an accuracy of 32 cm at a 95% confidence level and an RMSE of 15 cm. This represents a significant improvement compared to existing solutions for determining the working radius and opens up new opportunities for the lifting of heavy loads in demanding applications.