激光雷達(dá)技術(shù)及其在堆垛機(jī)中的應(yīng)用

周 松 楊黎明 萬(wàn) 杰

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

光作為一種自然現(xiàn)象在人們生活中隨處可見，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)和利用程度不斷地加深，光對(duì)人民的生活和發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。光不僅可以照明，還可以用來(lái)傳遞信息，人們對(duì)光的利用正朝著高科技的方向的發(fā)展。激光具有良好的單色性、方向性和垂直性，且光束發(fā)散角小，普通光源是全方位的光，而激光則是單一方向傳播的光，方向性好，功率密度高。激光能輸出高功率，其光束很細(xì)。激光雷達(dá)是堆垛機(jī)防撞系統(tǒng)種的重要組成部分，它可以對(duì)障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)信息傳遞給PLC，然后PLC對(duì)堆垛機(jī)做出反應(yīng)。由于激光雷達(dá)裝置攜帶方便，使用簡(jiǎn)單，效率高，可靠性好，在防撞方面的應(yīng)用比較普遍。

1 激光雷達(dá)原理及應(yīng)用

激光雷達(dá)具有強(qiáng)大的抗干擾能力，甚至可應(yīng)用于霧天環(huán)境，又因其本身具有加熱功能，所以對(duì)于堆垛機(jī)在冷庫(kù)中的防撞很有重大意義，而且可以全天候工作。但是，目前激光雷達(dá)對(duì)障礙物的檢測(cè)和識(shí)別還不夠完善，且多線激光雷達(dá)成本昂貴，應(yīng)用條件受限。因此，本文主要探討單線激光雷達(dá)在堆垛機(jī)防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用，而要完成激光雷達(dá)的選擇，既要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，也要考慮環(huán)境和安裝的問(wèn)題，才能選擇出適合的雷達(dá)。

1.1 激光雷達(dá)原理

如圖1所示，激光雷達(dá)主要由發(fā)射器、分光器、接收器和反射鏡等組成。其中，發(fā)射器主要由各種新式的激光器組成，即能產(chǎn)生激光的自激振蕩器。接收器主要由光電轉(zhuǎn)換器、整形、放大、濾波電路等組成，其作用是消除噪聲信號(hào)，將反射回來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。分光器的作用是將所需的共振吸收線分離處理。激光雷達(dá)是指以激光器作為輻射源，通過(guò)發(fā)射器作為向目標(biāo)發(fā)射一束激光信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)折射回來(lái)，返回信號(hào)被接收器經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可以經(jīng)過(guò)回波信號(hào)的延時(shí)、強(qiáng)度等參數(shù)來(lái)確定障礙物的距離和位置等。激光雷達(dá)就是為了探測(cè)目標(biāo)而存在的，廣泛應(yīng)用于防撞系統(tǒng)中。

圖1 激光雷達(dá)組成圖

1.2 激光雷達(dá)選型

按線數(shù)主要分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快，可靠性高。由于單線激光雷達(dá)比多線激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度反應(yīng)更快捷，所以在測(cè)試周圍障礙物的距離和精度上都更精確。但是，單線激光雷達(dá)只能平面式掃描，不能測(cè)量物體高度，有一定的局限性。多線激光雷達(dá)主要用于汽車的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場(chǎng)景還原有質(zhì)的改變，可識(shí)別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)常規(guī)是2.5D，甚至可以做到3D。目前市場(chǎng)上推出了4線、8線、16線、32線和64線，但價(jià)格較昂貴，設(shè)備質(zhì)量和功耗都很大，成像速度慢，不適用于堆垛機(jī)防撞系統(tǒng)。

按照激光發(fā)射波主要分為連續(xù)型激光雷達(dá)和脈沖型激光雷達(dá)。其中，連續(xù)激光是一直有光發(fā)出，就像打開手電筒的開關(guān)，它的光為常亮狀態(tài)。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測(cè)高度，進(jìn)行某個(gè)高度下的數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點(diǎn)，某時(shí)個(gè)刻只能采集到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。脈沖激光輸出的激光為閃爍光，而非連續(xù)發(fā)光。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬(wàn)個(gè)的激光粒子，根據(jù)國(guó)際通用的多普勒原理，根據(jù)這幾萬(wàn)個(gè)激光粒子的反射情況來(lái)綜合評(píng)價(jià)某個(gè)高度的風(fēng)況，是一個(gè)立體的概念，故有探測(cè)長(zhǎng)度的理論，防撞雷達(dá)大多采用脈沖型激光雷達(dá)。

本文所述激光雷達(dá)在堆垛機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用環(huán)境較簡(jiǎn)單，根據(jù)上述情況對(duì)比雷達(dá)的各種信號(hào)，選用德國(guó)西克激光雷達(dá)（見圖2），具體技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 激光雷達(dá)

表1 LMS111參數(shù)信息表

2 設(shè)備調(diào)試

如圖3所示，激光雷達(dá)有4個(gè)端口，其中端口1是電源連接公頭，端口2是串口連接線8針公頭，端口3是I/O連接8針公頭，端口4是以太網(wǎng)公接頭。圖4為電源公頭圖，其中針腳1接電源24VDC正極，針腳2接24VDC加熱器正極，針腳3接24VDC電源負(fù)極，針腳4未定義，針腳5接24VDC電源正極。圖5為串口連接線8針公頭，其中針腳 1接RS232 主串口接收端，針腳2接RS232 主串口發(fā)送段，針腳3接CAN 總線高信號(hào)端，針腳4接CAN 總線低信號(hào)端，針腳5接RS232/CAN 總線信號(hào)地端，針腳6接數(shù)字量輸入1，針腳 7接數(shù)字量輸入2，針腳 8接數(shù)字量輸入信號(hào)地。圖6為I/O連接8針母頭，其中針腳1接編碼器輸入1，針腳2接編碼器輸入2，針腳3接編碼器信號(hào)地，針腳4接數(shù)字量輸出1，針腳5接數(shù)字量輸出2，針腳6接數(shù)字量輸出3，針腳7接數(shù)字量輸出1～3連接信號(hào)線B，針腳8接數(shù)字量輸出電阻監(jiān)控信號(hào)線。圖7是以太網(wǎng)母接頭，其中針腳1接以太網(wǎng)接口TX+，針腳2接以太網(wǎng)接口RX+，針腳3接以太網(wǎng)接口 TX-，針腳4接以太網(wǎng)接口RX-。

圖3 激光雷達(dá)端口圖

圖4 電源公頭圖

圖5 串口連接線8陣公頭

圖6 I/O連接8針母頭

圖7 以太網(wǎng)母接頭

2.1 數(shù)字量輸出信號(hào)選擇

如圖8所示，左側(cè)為L(zhǎng)MS輸出，此方式為源型輸入，高電平有效。其中OUT1 B為I/O連接8針公頭電纜的4號(hào)針腳，接入電源24VDC，OUT1 R表示數(shù)字量輸出電阻監(jiān)控信號(hào)線，接入電源24M，OUT1 A為I/O連接8針公頭電纜的4號(hào)針腳，表示數(shù)字量輸出1。當(dāng)雷達(dá)沒有檢測(cè)到障礙物時(shí)，此時(shí)雷達(dá)會(huì)給PLC一個(gè)高電平的輸入點(diǎn)，當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)到障礙物時(shí)，這個(gè)輸入點(diǎn)會(huì)變?yōu)榈碗娖?，即可以這個(gè)輸入點(diǎn)來(lái)判斷激光雷達(dá)是否檢測(cè)到障礙物。本文選擇的是西門子PLC，為源型輸入，故選擇此接線圖。

圖8 源型輸出信號(hào)接線圖

如圖9所示，左側(cè)為L(zhǎng)MS輸出，此方式為漏型輸入，低電平有效。需要PLC公共端接入24VDC，數(shù)字量輸出1連接信號(hào)線 OUT1 B 接入 24V 負(fù)極或地電位。該接線方式如果用于驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，如指示燈、繼電器等，則需將 24V 正極接入負(fù)載一側(cè)，負(fù)載另一側(cè)接入 OUT1 A，OUT1 B 接入 24V 負(fù)極。 當(dāng)激光雷達(dá)沒檢測(cè)到障礙物時(shí)，激光雷達(dá)給PLC輸入為低電平，當(dāng)激光雷達(dá)檢測(cè)到障礙物時(shí)，激光雷達(dá)輸入為高電平。

圖9 漏型輸出信號(hào)接線圖

2.2 防護(hù)區(qū)域繪制

LMS111調(diào)試軟件用的是SOPAS，首先將電腦的IP地址設(shè)置和默認(rèn)的IP地址在同一個(gè)網(wǎng)段，設(shè)置完畢以后打開SOPAS軟件，搜索設(shè)備并將其打開，待設(shè)備在線后再設(shè)置防護(hù)區(qū)域。在繪制圖形時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境、防護(hù)距離等要素，因?yàn)榧す饫走_(dá)安裝于在巷道中運(yùn)行的堆垛機(jī)上，所以繪制矩形比較合適。當(dāng)激光雷達(dá)檢測(cè)到障礙物時(shí)，堆垛機(jī)應(yīng)停在障礙物前面，所以設(shè)置探測(cè)距離大于堆垛機(jī)最大速度時(shí)的減速距離，且橫向檢測(cè)距離小于巷道寬度等。雙擊打開Monitor,將探測(cè)距離設(shè)置為6 m，橫向距離設(shè)置為20 cm（見圖10），經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，繪制成矩形完全可行。

圖10 防護(hù)區(qū)域圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

如圖11所示，雙擊Parameter，再打開Data processing進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)有2個(gè)返回通道，當(dāng)返回第一個(gè)脈沖候，通過(guò)第一個(gè)通道返回，而第二通道返回的是第二個(gè)脈沖，此時(shí)選擇開啟一個(gè)通道即可。當(dāng)數(shù)據(jù)為8位時(shí)，為0～255；數(shù)據(jù)為16為時(shí)，返回的分辨率提高，為0～65 635；數(shù)據(jù)16位時(shí)的精度高。角度的選擇要考慮巷道的情況，所以對(duì)于堆垛機(jī)來(lái)說(shuō)，角度選擇0°～180°即可，掃描角度范圍太大容易誤探，降低堆垛機(jī)的效率。

圖11 數(shù)據(jù)選擇圖

2.4 防撞流程

當(dāng)激光雷達(dá)設(shè)置完畢后，需要進(jìn)行防撞測(cè)試，具體流程如圖12所示。將障礙物放入到巷道中，在正常情況下，當(dāng)激光雷達(dá)在防護(hù)區(qū)域內(nèi)未檢測(cè)到障礙物時(shí)，激光雷達(dá)會(huì)輸出高電平作為PLC的輸入，堆垛機(jī)正常行駛。當(dāng)激光雷達(dá)在防護(hù)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到障礙物時(shí)，激光雷達(dá)會(huì)輸出低電平給PLC，PLC通過(guò)檢測(cè)輸入點(diǎn)電壓高點(diǎn)判斷是否檢測(cè)到障礙物,從而判斷堆垛機(jī)是否停車。需要注意的是，在巷道盡頭會(huì)因墻的存在而導(dǎo)致誤探測(cè)，所以將激光雷達(dá)的探測(cè)加入限制，使其在巷道末不檢測(cè)障礙物。

圖12 防撞流程圖

3 遇到的問(wèn)題及解決方法

1）在測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到誤探情況，導(dǎo)致堆垛機(jī)停車報(bào)警，影響效率。為此，在繪制防護(hù)區(qū)域時(shí)可能將圖形繪制過(guò)大，超出巷道的寬度，此時(shí)應(yīng)將防護(hù)區(qū)域縮小，減少誤探情況。另外，堆垛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中因某個(gè)物體反光引起誤探，此時(shí)可在程序中加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)（如0.5 s等），這樣就會(huì)避免誤探的發(fā)生。

2）由于激光雷達(dá)自帶加熱功能，在冷庫(kù)中使用激光雷達(dá)時(shí)經(jīng)常會(huì)因斷電導(dǎo)致激光雷達(dá)報(bào)警。為此，如果長(zhǎng)時(shí)間斷電，會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)溫度下降而報(bào)警，所以通電后讓激光雷達(dá)自加熱一段時(shí)間，待其溫度上升后將激光雷達(dá)重啟即可解除報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)障礙物放在堆垛機(jī)巷道中，可利用上位機(jī)給堆垛機(jī)發(fā)送一個(gè)任務(wù)來(lái)檢測(cè)雷達(dá)的效果。結(jié)果表明，當(dāng)障礙物未在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，堆垛機(jī)照常運(yùn)行。當(dāng)雷達(dá)剛探測(cè)到障礙物時(shí)，堆垛機(jī)開始減速停車，且可停在障礙物的前面，未撞到障礙物。實(shí)驗(yàn)表明，將激光雷達(dá)應(yīng)用于堆垛機(jī)防撞系統(tǒng)中是完全可行的。隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，研究使得激光雷達(dá)正朝著高分辨率、高靈敏度、抗干擾、微型化、低成本的方向發(fā)展，相信在不久的未來(lái)，激光雷達(dá)將應(yīng)用于生活的各個(gè)方面。