激光掃描傳感器R2000的應(yīng)用

李劭

上海倍加福工業(yè)自動(dòng)化貿(mào)易有限公司，上海 200436

一、前言

2018年韓國(guó)冬奧會(huì)閉幕式上的北京8分鐘驚艷了觀眾的眼球。24塊冰屏呈現(xiàn)出新時(shí)代中國(guó)的美好形象，成為演出中的一大亮點(diǎn)。載著“冰屏”跳出華麗舞步的是24個(gè)動(dòng)作靈活的自動(dòng)導(dǎo)航車AGV（Automated Guided Vehicle），它們不僅完成了自己動(dòng)作編排，更與現(xiàn)場(chǎng)演員、地面投影進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)表演。

這24臺(tái)AGV由沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司移動(dòng)機(jī)器人事業(yè)部設(shè)計(jì)完成。每臺(tái)小車上裝備了兩臺(tái)由德國(guó)倍加福公司（Pepperl+Fuchs）生產(chǎn)的R2000激光掃描傳感器，可對(duì)半徑30 m范圍進(jìn)行360 °掃描，新松的人工智能算法系統(tǒng)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航定位。

本文將簡(jiǎn)要介紹R2000激光掃描傳感器在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

二、二維激光掃描傳感器R2000

現(xiàn)在市場(chǎng)上形形色色的二維激光掃描傳感器已不少見(jiàn)，各有特色，而倍加福R2000追求的是以更快的速度提供更多、更細(xì)致的二維測(cè)量數(shù)據(jù)。R2000采用激光脈沖測(cè)距技術(shù)（PRT），即通過(guò)測(cè)定激光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)精確測(cè)量距離。其測(cè)量半徑分為10 m、30 m和60 m三種規(guī)格（通過(guò)設(shè)置高返光的地理標(biāo)記物，測(cè)量半徑可擴(kuò)展至100 m甚至更大），距離測(cè)量分辨率高達(dá)1 mm；360 °無(wú)死角掃描的角分辨率高達(dá)0.014 °； 每秒鐘進(jìn)行25萬(wàn)次測(cè)量。海量的測(cè)量數(shù)據(jù)為后續(xù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了無(wú)限的可能。

三、二維激光掃描傳感器的應(yīng)用

由于R2000激光掃描傳感器能夠?qū)ο喈?dāng)廣闊范圍的二維平面環(huán)境進(jìn)行細(xì)致入微的掃描測(cè)量，所以，第一，它能夠勝任諸多應(yīng)用場(chǎng)景中自動(dòng)行駛裝備的導(dǎo)航，這些場(chǎng)景包括停車庫(kù)，物流倉(cāng)庫(kù)，自動(dòng)化生產(chǎn)車間等；第二，它能夠通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行前后比較，從而發(fā)現(xiàn)哪怕是很小的物體侵入；第三，只要在它掃描平面的垂直方向輔助一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)，它就能對(duì)物體的外形輪廓進(jìn)行細(xì)致地測(cè)量。

1、智能停車

R2000激光掃描傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于至少兩種智能停車庫(kù)。

一種就是利用AGV承載小轎車完成停放。在AGV前后各一個(gè)角上裝一臺(tái)R2000，即可有效地感知小車周邊環(huán)境，并在預(yù)置的車庫(kù)地圖中準(zhǔn)確定位。人工智能將幫助停車管理系統(tǒng)優(yōu)化車庫(kù)的停車策略，指引AGV將汽車停放到最合適的車位，或?qū)④嚾〕?，并在沿途避讓其他AGV。一個(gè)停車庫(kù)中可以有多臺(tái)AGV同時(shí)工作，以提高存取車的效率。

另一種智能停車庫(kù)案例是德國(guó)博世公司和戴姆勒公司合作開(kāi)發(fā)的一種全新概念的智能停車系統(tǒng)，并已經(jīng)在中國(guó)北京落地實(shí)施。該系統(tǒng)將R2000與汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)相結(jié)合。在停車庫(kù)的各個(gè)預(yù)設(shè)的測(cè)量點(diǎn)位安裝R2000，實(shí)時(shí)掃描進(jìn)出庫(kù)汽車的車輪，對(duì)汽車進(jìn)行定位。自動(dòng)駕駛的汽車實(shí)時(shí)接受這個(gè)定位，并根據(jù)停車管理系統(tǒng)的指引，自動(dòng)行駛到停車位置完成停車，或者駛往指定的取車位置。

2、智能叉車

自21世紀(jì)初以來(lái)，中國(guó)的倉(cāng)儲(chǔ)市場(chǎng)呈現(xiàn)出了迅速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，各類倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)在政策引導(dǎo)和市場(chǎng)推動(dòng)下紛紛加大投資，倉(cāng)庫(kù)設(shè)施建設(shè)呈現(xiàn)大型化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)，電商倉(cāng)庫(kù)成為建設(shè)熱點(diǎn)。尤其是隨著 “一帶一路”戰(zhàn)略的貫徹落實(shí)，“互聯(lián)網(wǎng)+”熱潮的迅猛襲來(lái)，巨大的市場(chǎng)需求也為倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)設(shè)備的更新?lián)Q代提供了巨大的推動(dòng)力。自2015年起，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)于能夠自動(dòng)行駛、自主作業(yè)的智能叉車需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。

其實(shí)，在R2000激光掃描傳感器問(wèn)世之前，激光導(dǎo)航的全自動(dòng)的智能叉車已經(jīng)存在很多年了。但是，由于激光導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格昂貴，極大地阻礙了智能叉車的普及。R2000在這方面的最大貢獻(xiàn)是使智能叉車導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)門(mén)檻大幅度降低。進(jìn)入2018年，有能力借助R2000自主開(kāi)發(fā)智能叉車的中國(guó)廠商已經(jīng)不下10家。2018年上海工博會(huì)和CeMAT物流展上展示的激光掃描傳感器的智能叉車品種已經(jīng)相當(dāng)之多，這足以表明中國(guó)激光導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)得到很大程度的普及。

3、激光導(dǎo)航機(jī)器人

利用激光導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在特定環(huán)境內(nèi)自由行走，代替人類完成枯燥而重復(fù)的簡(jiǎn)單工作，是目前機(jī)器人開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。

如今，國(guó)家電網(wǎng)遍及城鄉(xiāng)，全國(guó)的變電站不計(jì)其數(shù)，不少還設(shè)置在很偏僻的地方。所有的變電站都需要每天對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。巡檢人員的缺乏已經(jīng)成為國(guó)家電網(wǎng)面臨的一個(gè)棘手問(wèn)題。一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決方案便是大量使用巡檢機(jī)器人從事這項(xiàng)工作。激光掃描傳感器能夠幫助巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)巡檢路線的全程導(dǎo)航。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的迅猛發(fā)展，機(jī)房巡檢的工作量越來(lái)越大，于是機(jī)房巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。起先，這種機(jī)器人采用固定線路巡檢，有的采用天軌吊掛機(jī)器人，有的在地面采用地磁或色帶導(dǎo)航。但是，為了適應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜的巡檢任務(wù)，現(xiàn)在采用激光掃描傳感器實(shí)現(xiàn)激光導(dǎo)航以增加巡檢機(jī)器人行走自由度的技術(shù)方案逐漸開(kāi)始流行。

家庭中使用的掃地機(jī)已經(jīng)司空見(jiàn)慣了，現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)激光導(dǎo)航的清掃機(jī)器人。它的應(yīng)用場(chǎng)合通常是大型機(jī)場(chǎng)的大廳、過(guò)道、走廊等，它可以在夜深人靜的時(shí)候默默地自動(dòng)工作，將承載了一整天熙熙攘攘人群的、不管是大理石的還是鋪了地毯的地面清掃干凈。

在全自動(dòng)無(wú)人車間，激光導(dǎo)航機(jī)器人平臺(tái)配合由機(jī)器手、機(jī)器臂組成的工作平臺(tái)，能夠完成取件、放件、搬運(yùn)、攝錄、檢查、裝配等各種各樣的工作任務(wù)。

4、物體輪廓測(cè)量

將二維激光掃描傳感器旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的三維掃描測(cè)量。如果同時(shí)將多個(gè)二維激光掃描傳感器組合應(yīng)用，則可完成對(duì)物體輪廓的全方位測(cè)量。當(dāng)然，傳感器本身給出的只是海量的、一個(gè)一個(gè)點(diǎn)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，要真正完成物體輪廓的三維測(cè)量還需要一整套復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。

在2018年德國(guó)漢諾威工業(yè)展上，倍加福公司展示了一套三維人體掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多臺(tái)R2000組合實(shí)現(xiàn)人體的三維測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，配置多個(gè)R2000組成的人體測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)服務(wù)于特種服裝的快速個(gè)性化定制。

在物流行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，利用二維激光掃描傳感器測(cè)量貨物的尺寸大小，通常不是傳感器移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，而是貨物移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。比如，安裝兩臺(tái)傳感器即可測(cè)量在輸送帶上移動(dòng)貨物的尺寸大小。將貨物放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，用一臺(tái)傳感器即可測(cè)量旋轉(zhuǎn)貨物的尺寸大小。這兩種方法不但可以用于測(cè)量具有規(guī)則幾何形狀（多數(shù)是矩形）的貨物，也可以用于測(cè)量不規(guī)則形狀物體的尺寸大小，比如給出該物體的最大長(zhǎng)、寬、高尺寸。

既然能測(cè)量尺寸大小，也就能夠測(cè)量物體的體積。當(dāng)然，算法又更復(fù)雜些。比如，可以利用二維激光掃描傳感器測(cè)量堆場(chǎng)或料倉(cāng)內(nèi)堆積的散裝貨物的體積。

5、產(chǎn)品揀選

在線邊物流和配送物流中，一直廣泛應(yīng)用揀選監(jiān)控技術(shù)。過(guò)去，一條總裝流水線在一段時(shí)間內(nèi)只裝配一個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品，現(xiàn)在，柔性的總裝流水線可以同時(shí)裝配多種型號(hào)配置的汽車。柔性總裝線的線邊物流配送比較復(fù)雜，容易出錯(cuò)，激光掃描傳感器則可以幫助柔性總裝線線邊物流配送的揀選操作員減少出錯(cuò)概率。

一臺(tái)激光掃描傳感器的監(jiān)控范圍即可覆蓋一個(gè)常規(guī)揀選物料貨架的所有格口，當(dāng)揀選操作員開(kāi)始揀選某一工位針對(duì)某一輛車所需的工件時(shí)，貨架上對(duì)應(yīng)這些工件的格口就會(huì)亮燈，操作員要做的就是從亮燈的格口中取貨。激光掃描傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到操作員從那個(gè)格口中取貨，是否正確，有沒(méi)有漏揀。一旦操作員從正確的格口中取貨，該格口的指示燈就會(huì)熄滅。如果操作員的手伸入錯(cuò)誤的格口，系統(tǒng)會(huì)立即報(bào)警提醒。只有當(dāng)操作員正確地取完所需工件，系統(tǒng)才會(huì)開(kāi)始下一組工件的揀選。

揀選的另一個(gè)場(chǎng)景是貨到人，不是操作員到貨架上取貨，而是貨品被自動(dòng)送到操作員的面前。常見(jiàn)的自動(dòng)輸送模式有兩種。一種是由AGV將裝有若干貨箱的貨架馱到操作員面前，操作員取完貨后，貨架由AGV送回；另一種是用堆垛機(jī)將貨箱從貨架上取出，在用輸送機(jī)送到操作員面前，操作員取完貨后，輸送機(jī)和堆垛機(jī)再將貨箱放回貨架。由于AGV或堆垛機(jī)、輸送機(jī)運(yùn)貨都需要時(shí)間，且不同貨品所需時(shí)間也不同，操作員不能等選齊一單貨品再選下一單，而是會(huì)同時(shí)為多個(gè)貨單揀選。這樣，操作員的工位上會(huì)同時(shí)為多個(gè)貨單放置多個(gè)包裝箱。這時(shí)，用一臺(tái)激光掃描傳感器即可監(jiān)控所有的包裝箱。當(dāng)貨箱送到時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)告知操作員是哪個(gè)貨單的貨品，激光掃描傳感器能夠感知操作員是否將貨品放到正確的包裝箱內(nèi)。如果放錯(cuò)，系統(tǒng)會(huì)立刻提示操作員更正。

6、安全防護(hù)

堆垛機(jī)在貨架之間窄窄的巷道中來(lái)回穿行，最怕的是貨架上有東西伸進(jìn)巷道。給堆垛機(jī)安裝上激光掃描傳感器，在貨架和堆垛機(jī)之間形成一個(gè)半徑相當(dāng)于傳感器量程的360°的圓形監(jiān)測(cè)面，這樣就可以發(fā)現(xiàn)巷道里的異物侵入，從而及時(shí)采取措施避免事故。

機(jī)要部門(mén)、博物館、重要的倉(cāng)庫(kù)常采用紅外探測(cè)傳感器進(jìn)行安防。有的采用被動(dòng)紅外傳感器，通過(guò)探測(cè)人體體溫發(fā)現(xiàn)入侵者，或者采用紅外光電傳感器，光線被遮斷時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。但這種安防措施相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易被破解。激光傳感器的應(yīng)用則可以大大提高安防的可靠性。無(wú)論是帶天窗或通風(fēng)口的天花板，還是帶門(mén)窗的墻面，一臺(tái)激光掃描傳感器都能輕易監(jiān)控一整面墻，甚至也有監(jiān)控地面的方案。

四、結(jié)論

隨著激光掃描傳感器性能的提高、成本的降低，和人工智能算法的進(jìn)步，激光掃描傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展。比如，如果激光掃描傳感器從二維發(fā)展到三維，同時(shí)測(cè)量速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，就能夠勝任更為復(fù)雜場(chǎng)景的自動(dòng)導(dǎo)航和避障；又比如，如果激光掃描傳感器的測(cè)量精度進(jìn)一步提高，將有利于提高現(xiàn)有物體或空間三維測(cè)量的效率。