雷射掃描儀的應用

雷射掃描儀的應用

Scott Orlosky 發表於 2021-01-06 09:16:27

雷射器——用於通過輻射受激發射來放大光線器件的縮寫——是一種能發出一束或多束相干光的電子裝置。相干表示頻率和波形相同、相位差不變的電磁波。雷射可用於：

切割、蝕刻、焊接和切片應用——如精密雕刻、鑽孔、半導體精加工、機械錶面再修復以及（醫療領域的）LASIK 眼科手術。

成像和投影——如全息、共聚焦顯微鏡、高清晰度測量（用於創建點雲）、雷射光譜。

數據傳輸——如條形碼閱讀器以及光纖和 DVD 技術。

定位——如工作單元安防系統、3D 列印和光探測與測距 (LiDAR) 系統。

　　雷射掃描——使用掃描或偏轉雷射束陣列——是許多此類應用的核心。本文將回顧幾種工業自動化領域最常見的雷射掃描應用。 在最簡單的實施方案中，雷射信號作為點光源產生，然後通過精確控制的內部鏡面反射掃過一個活動角度。內部光探測器讀取反射信號。由於雷射束的投射角和飛行時間 （ToF） 已知，掃描儀的電子裝置可以使用返回信號來構建掃描範圍內的詳細結構圖。

　　雖然概念簡單，但要使雷射掃描技術在現實世界中發揮作用，就必須克服一系列開發難題。其中更具挑戰性的是環境光變化、平臺移動、實現一致輸出所需的光源校準，以及耐受工業環境中的灰塵和汙垢。 我們已經找到了應對這些技術挑戰的辦法；現在，最複雜的一些應用是地面自主車輛 （AGV） 所採用的 360˚ 3D 掃描。

　　今天，建築業中使用自流平雷射掃描儀進行精密掛板或地面找平也是很常見的應用。然而，雷射掃描儀的另一個應用則是經緯儀測量，幫助土木工程師將道路等級規劃到毫米級解析度。這些都是針對特殊功能專門設計的雷射掃描設備例子——儘管雷射掃描儀的真正用途是在工廠車間。

　　工業安全雷射掃描儀

　　我們來考慮自動化領域中一個重要的雷射掃描應用——保護危險工作單元。在基本裝置中，雷射掃描儀的位置固定，同時雷射掃過一個平面。這種掃描儀用作安全監控系統的光幕。光幕應安裝在一個能夠保護危險性設備上特定部分的位置，並監視任何光束中斷。響應中斷時，光幕會使關鍵設備上的部件減速或停止，或提供報警信號。 必須將掃描儀定位，且雷射束的幾何形狀必須能夠監測任何可能的操作者進入點。

　　正如上述響應模式所暗示的那樣，掃描儀通常與其他安全設備（防護裝置、警報器和截止開關）配套使用，以確保操作人員在接近設備時不會受到傷害。 在光學掃描技術出現之前，採用機械聯鎖方式來保障危險工作單元的安全。在維修期間，工作單元的電源切斷並採取上鎖掛牌措施。眾所周知，人類是最不可靠，因為有些人總會繞過防護設施。光學互鎖更可靠——特別是與硬復位或雙操作控制面板配合使用時，用來確保單人操作不會啟動重啟功能。如需詳細了解，請參閱 Digi-Key 文章《安全雷射掃描儀保護操作者》。 

  飛行時間 (ToF) 技術說明：使用 ToF 技術時，能夠根據極坐標精確地繪製物體的位置：光束角度、在被觀測區域內與物體之間的距離。這些信息可用於創建掃描儀觀察區域的地圖，並將其分為若干區域。當考慮與協作機器人 (cobots) 配合使用的下一個特殊情況時，這點至關重要。   根據設計，協作機器人的目的是在協作活動中與操作人員一起工作。這要求緊密靠近以及隨之而來的風險。在使用工作空間地圖進行編程後，掃描儀可以根據機器人的位置和操作員的移動情況，確定允許機器人移動的範圍。在機器人以及掃描儀市場，這是一個新興增長領域，所以新應用一直在向前發展。  

用於 AGV 和定位任務的雷射掃描儀

現在，我們考慮下在移動平臺上使用 ToF 的、基於雷射掃描儀的光探測和測距 (LiDAR) 技術的優缺點。用於自主地面車輛 (AGV）中時，此類系統依賴 AGV 定位的內部地圖，因此所有物體探測都上下關聯。這種能力被稱為同步定位和映射或 SLAM。這會增加系統複雜性，因為位置定位誤差會直接影響障礙物或目標的映射定位。使用本地應答器、教學編程或地板嵌入式軌道有助於緩解這一問題。  

　　掃描技術會根據環境光的變化而改變其信噪比 （SNR）。最壞的情況是全日照，這種情況下光線可能比掃描照度高几個數量級。目前有幾種縣城的解決方案，包括調製源、結構化掃描、使用窄頻和濾波。幸運的是，AGV 大多在光控倉庫內工作，無需這些技術。對於室外工作車輛，目前正在密集研究和探索針對性解決方案。 雷射掃描儀由視距設備定義。這意味著它們被限制在正前方的視野中。如果正面是一列柱子，那麼掃描儀只能看到這列柱子中最前面的那根。

　　掃描儀需要改變視角才能探測其他的柱子，假設這些柱子在掃描儀觀察範圍內。 移動車輛上的 LiDAR 極其重要——尤其是在當 LiDAR 與其他傳感器組合使用，以應對倉庫環境實時變化的情況。在這裡，LIDAR 有助於提高交付率，減少人員要求並最大限度地減少事故。 在 LIDAR 系統中選擇合適的掃描功能意味著指定線性範圍、掃描窗口角度以及這些測量值的線性和角度解析度。帶寬或更新率是另一個關鍵因素，它可以限制 AGV 的運行速度。最後但也是很重要的一點，功耗將確定充電周期，以及在任何給定時間內可以部署的設備數量。

 

AGV 中 LiDAR 的電氣和機械注意事項

LiDAR 正在持續發展，其主要推動力自自動駕駛汽車市場。因此，在性能、功能、價位上都存在很大差異。這也意味著目前還沒有出現安裝或連接標準。當考慮在應用中使用 AGV 時，這個過程就是將現有的產品與系統要求相匹配，並從中指定物理結構。目前，有幾家公司可進行系統設計，提供完整的或可定製 LiDAR 系統。根據不同的需求，預先設計的解決方案可能只是形成更優化解決方案的起點。   美國國家標準與技術研究所 (NIST) 率先制定了 AGV 安全標準。目前這些標準主要集中在碰撞方面上，具體包括：

摺疊式保險槓：在多數老款車型中，保險槓將包含力檢測功能，並在撞上障礙物時啟動停車功能，限制碰撞接觸力。

非接觸方法：現代 AGV 應能探測到物體，並在不造成碰撞的情況下停車。在測試時已使用了近似於人形的測試物，不過仍建議在未來的測試中更多地使用類似於人形和姿勢的測試物。

突然出現的障礙物：安全區域內突然出現的障礙物。預計 AGV 會啟動緊急停車，然而並不期待避免發生碰撞。

預測被遮擋的障礙物：這些障礙包括 AGV 車道附近的設備或人員。預計在與 AGV 車道的間隙小於 0.5 m 的地方會有指定的慢速區。

在預測未來 AGV 的使用過程中，他們還會制定機器人安全標準，以便開始研究各種測試方法，其中會涉及到 AGV 底盤固定的機械臂。   LIDAR 領域的主流趨勢之一就是在不犧牲性能的前提下，推動雷射雷達體積、重量和成本的降低。這在過去十年取得了進展，使這些屬性已減少了一個數量級。我們前文提到，SLAM 或者本地化越來越受關注。理想的解決方案是，AGV 能夠從任何地方出發並繪製用於行駛時參照的自用內部世界地圖。執行此類任務需要依賴 LIDAR 與包括 GPS、輪速傳感器和攝像頭在內的其他類型傳感器的集成。  

雷射掃描儀用於數據通信

線性條形碼掃描儀的概念很簡單：一種由線條和空格組合而成且讀取方便的摩斯碼。

測量由掃描儀發出並由條形碼反射回的光線。

測量反射回的環境光

　　根據應用的不同，全球常用線性條形碼有九種。雖然雷射掃描儀是條形碼掃描的主流，但條形碼不一定需要雷射光源的精度，下面就是一些例外。大多數情況下，條形碼內容的讀取和翻譯都是在掃描儀內部完成。通常，條形碼掃描儀將解碼後的值直接發送至資料庫。 少數領域要求條形碼雷射儀具有高解析度。對於空間受限的地方，標準條形碼帶的物理標準較窄。

　　這就需要高解析度掃描儀，雷射掃描儀恰好滿足這一條件。條形碼距離較遠時也存在類似情況（比如在如倉庫貨架上），這會有效地減小代碼角度。 有時，環境光不足以保證條形碼與空間之間具有良好對比度。這種情況下，類似雷射這樣的已知光源就適合用來照射代碼，使其易於閱讀。 即使是經常逛雜貨店的消費者，也很熟悉自助收銀臺使用的手持掃描儀。因為條形碼掃描能從無限多的方向進行，所以掃描儀在這些設置中必須產生緊密交叉的雷射掃描線矩陣。這就保證了無論條形碼如何呈現，至少有一條掃描線會截取全部代碼。

  二維條形碼掃描儀： 二維 (2D) 代碼不同於上述線性代碼。二維碼的信息密度高，具有錯誤檢查功能以及即使損壞也可讀取的特點，因此越來越受歡迎。二維條形碼的複雜性意味著它們不適合與雷射掃描儀一起使用，而是依賴攝像頭進行解碼。常用的二維條形碼有四種類型，不過大多數消費者熟悉的是快速反應型 (QR) 碼，大多數智慧型手機都能輕鬆讀取。   當機器製造商和最終用戶在條形碼和掃描儀之間進行權衡時，應考慮三個主要方面：

掃描儀在哪裡使用？用於倉庫盤點、生產線上生產零件的跟蹤，還是用於銷售點？

需要多少數據、物品上有多大物理空間用來粘貼條形碼？

在什麼表面上列印條形碼——以及該表面能夠保持多高的列印解析度？

一旦解決了這三個問題，就能在備選方案中選擇了。  

  其他閱讀器和基於攝像頭的替代品：上文已經介紹了條形碼掃描儀的大多數變化形式。值得一提的是，有些條形碼掃描儀會使用一排長長的 LED 燈照亮代碼，並配合一排相匹配的電荷耦合器件 (CCD) 探測器來檢測反射光。這種掃描儀被稱為 LED 閱讀器。   還有採用專門設計和配置的攝像系統，可以有效快速地讀取二維碼。  

關於雷射掃描儀應用的結論

自 1960 年發明雷射以來，基於雷射的設備和用途便一直層出不窮，令人瞠目結舌。

       雖然條形碼比雷射早 11 年，但通過相干光掃描讀取信息已成為黃金標準。基於雷射的位置跟蹤和檢測掃描也已經成為工業領域的常用解決方案。對大多數工業製造和跟蹤應用而言，無論是從零開始設計系統還是改進現有工藝，雷射掃描方法的某些變化可能是極有價值的。考慮到技術已發展到現在的地步，如果現在還沒有確切的配置，那麼就會有一些非常適合的東西出現。  

責任編輯：xj

原文標題：比較雷射掃描儀的應用

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