Jämföra laserscannertillämpningar

Laser - en akronym för light amplifying by stimulated emission of radiation - är en elektronisk anordning som avger en eller flera strålar av sammanhängande ljus. Sammanhängande innebär här elektromagnetiska vågor med identisk frekvens och vågform och konstant fasskillnad. Lasrar kan användas för:

• Att skära, etsa, svetsa och skära - som inom precisionsgravyr, borrning, slutbehandling av halvledare, mekanisk ytbehandling och (inom det medicinska området) LASIK-ögonkirurgi
• Avbildning och projicering - som i holografi, konfokalmikroskopi, högupplöst kartering (för att skapa punktmoln) och laserspektroskopi
• Dataöverföring - som i streckkodsläsare och fiberoptik och DVD-teknik
• Positionering - som i säkerhetssystem för arbetssäkerhetsceller, 3D-utskrifter och LiDAR-system (Light Detection and Range)

Laserläser in - användningen av svepte eller avböjda laserstrålesystem - är kärnan i många av dessa applikationer. Denna artikel går igenom flera laserscanningstillämpningar som är mycket vanliga inom industriautomation.

I sitt enklaste utförande genereras en lasersignal som en punktkälla och sveps sedan genom en aktiv vinkel genom reflektion mot en exakt positionerad intern spegel. En intern ljusdetektor läser av den reflekterade signalen. Eftersom laserstrålens projektionsvinkel och flygtid (ToF) är kända, kan scannerns elektronik använda retursignalerna för att skapa en detaljerad karta över strukturer i scannerområdet.

Det var enkelt till sitt koncept, men det fanns en mängd utvecklingsproblem som måste lösas för att få laserscanningstekniken att fungera i den verkliga världen. Bland de mer utmanande var variationerna i omgivningsljus, plattformsrörelser, kalibrering av ljuskällor för jämn effekt, samt att motså störningar från damm och smuts som vanligtvis finns i industriella miljöer.

Lösningar har hittats för dessa tekniska problem: nu återfinns några av de mest sofistikerade tillämpningarna i självkörande golvfordon (AGV) som använder 3D-scanningar i 360˚ runt om. Idag är det också vanligt att se självnivellerande laserscannrar användas i byggsektorn för precisionshängning av gipsplattor eller golvavjämning. Ytterligare en laserscannertillämpning finns i svepande markmätningar, vilket hjälper byggingenjörer att planera väglutningar med en upplösning på millimeter. Detta är exempel på specialbyggda laserscanningsenheter för specialfunktioner - men laserscannrarnas verkliga mångsidighet finns på fabriksgolvet.

Laserscannrar för industriell säkerhet

Tänk på en viktig laserscannertillämpning inom automation - skydd av farliga arbetsceller. I grundläggande installationer placeras en laserscanner i ett fast läge medan lasern scannarn över ett enda plan. Sådana scannrar är ljusridåer som fungerar som säkerhetsövervakningssystem. En ljusridå är placerad för att skydda en viss del av potentiellt farlig utrustning - och den övervakar eventuella avbrott i ljusstrålen. Som svar på ett avbrott saktar eller stoppar den kritiska utrustningen ned eller ger en larmsignal.

Scannern måste vara placerad och strålgeometrin överensstämma med möjligheten att övervaka eventuella ingångsställen för en operatör. Som antyds av responsvarianterna som nämnts ovan, används ofta en scanner i kombination med annan säkerhetsutrustning (fysiska skydd, larm och avstängande brytare) för att säkerställa att ingen operatör skadar när de närmar sig utrustningen.

Innan optisk scanningsteknik fanns, användes mekaniska förreglingar för att skydda farliga arbetsceller. Under underhåll behövde elen till arbetscellen inaktiveras och förreglingsprocedurer finnas på plats. Människor är notoriskt opålitliga och vill ofta kringgå skyddsåtgärder. Optiska förreglingar är mer tillförlitliga - särskilt tillsammans med en hård reset eller en tvåoperatörspanel för att säkerställa att ingen enskild operatör kan initiera en omstart. Läs mer om detta i Digi-Keys artikel Säkerhetslaserscannrar för att skydda operatörer.

Figur 1: Denna säkerhetslaserscanner i SX5-serien, gör det möjligt för tillverkare eller slutanvändare att definiera upp till sex säkerhetszoner och två varningszoner med hjälp av en dator. (Bildkälla: Banner)

Kommentar om Time-of-Flight-tekniker (ToF): Med ToF möjliggörs exakt kartläggning av objektens placering, baserat på polära koordinater: ljusstrålens vinkel och avstånd till ett objekt i det område som observeras. Denna information kan användas för att skapa en karta över scannerns observerbara område i zoner. Detta är avgörande när man överväger nästa specialfall av att arbeta med samarbetande robotar (cobots).

Cobots är till sin konstruktion avsedda att arbeta tillsammans med mänskliga medarbetare i samarbetsaktiviteter. Detta kräver närhet och risker. En scanner som är programmerad med en karta över arbetsutrymmen kan styra tillåtna rörelser av coboten, beroende på medarbetarens läge och rörelser. Detta är ett ganska nytt tillväxtområde inom både robot- och scannermarknaden, så nya applikationer utvecklas hela tiden.

Laserscannrar för självkörande golvfordon och lokaliseringsuppgifter

Tänk nu på fördelarna och nackdelarna med LiDAR-teknologin (light detecting and ranging), som bygger på laserscannrar som använder ToF på en rörlig plattform. När de används på självkörande golvfordon, är sådana system beroende av interna kartor över omgivningen så att alla objektdetekteringar har sammanhang. Denna förmåga kallas samtidig lokalisering och kartläggning eller SLAM. Detta ökar systemkomplexiteten eftersom positioneringsfel direkt påverkar den mappade positionen beträffande hinder och mål. Användning av lokala transpondrar, inlärningsprogrammering eller markinbäddade spår hjälper till att lindra problemet.

Figur 2: Detta är en 270° SEL-H05LPC-säkerhetslaserskanner för användning i självkörande golvfordon, gaffeltruckar, robotar och annan rörlig utrustning som finns i industrianläggningar. (Bildkälla: IDEC)

Scanningsteknologier är utsatta för varierande signal-brus-förhållanden (SNR), som beror på förändringar i omgivningsljuset. Det värsta fallet är fullt solljus, där ljuset kan många gånger större än scanningsbelysningen. Det finns flera potentiella lösningar, inklusive modulering av källan, strukturerad scanning och användning av smala frekvenser tillsammans med filtrering. Lyckligtvis kör självkörande golvfordon mest i ljuskontrollerade lagerbyggnader, som inte behöver dessa tekniker. För fordon som är avsedda att köra utomhus pågår för närvarande intensiva studier och forskning för att finna lösningar.

Laserscannrar bygger per definition på fri siktlinje. Detta innebär att de är begränsade till vyn direkt framför dem. Om den riktas mot en rad pelare i djupled, ser scannern bara den första pelaren i raden. En perspektivförändring behövs för att scannern ska kunna upptäcka fler pelare, förutsatt att de är inom räckhåll.

LiDAR på mobila fordon kan vara mycket värdefullt - speciellt när LiDAR kombineras med andra sensorer för att svara på realtidsförändringar i lagermiljöer. Här hjälper LiDAR till att öka leveransgraden, minska personalbehovet och minimera olyckor.

Att välja rätt scanningsfunktioner i ett LiDAR-system innebär att man preciserar det linjära området, vinkelscanningsfönstret och både linjär- och vinkelupplösningen för dessa mått. Bandbredd eller uppdateringshastighet är ett annat viktigt element eftersom detta kan begränsa hastigheten på självkörande fordon. Slutligen, men desto viktigare, kommer energiförbrukningen att avgöra tiden mellan omladdningar och även antalet enheter som kan användas vid en given tidpunkt.

Många självkörande golvfordon på marknaden använder idag LiDAR för att navigera i en fabrik eller automatiserad lagermiljö. (Bildkälla: Gettyimages)

Elektriska och mekaniska överväganden för LiDAR i självkörande golvfordon

LiDAR fortsätter att utvecklas och drivs till stor del av marknaden för självkörande fordon. Följaktligen finns en bred mångfald av förmågor, funktioner och prispunkter. Det betyder också att ingen monterings- eller anslutningsstandard ännu har uppstått. När man överväger att använda självkörande golvfordon i en tillämpning, är utmaningen att matcha befintliga erbjudanden till systemkraven och specificera den fysiska strukturen därifrån. Flera företag arbetar med systemtekniska lösningar och erbjuder kompletta eller anpassningsbara LiDAR-system. Beroende på kraven kan en förkonstruerad lösning bara vara utgångspunkten för en mer optimerad lösning.

National Institute of Standards and Technology (NIST) ligger i framkant när det gäller att fastställa säkerhetsstandarder för självkörande golvfordon. För närvarande är dessa främst inriktade på frågan om kollisioner. bl.a.:

• Absorberande stötfångare: Framförallt på äldre modeller är avsikten att stötfångare ska inkludera stötvkänning och initiera ett stopp när de träffar ett hinder, vilket begränsar kraften i stöten.
• Beröringsfria metoder: Moderna självkörande golvfordon förväntas upptäcka föremål och stanna utan att det går till en kollision. Testformer som liknar formen av en människa har använts, men ännu mer mänskliga former och ställningar förmodas användas i framtida tester.
• Plötsliga hinder: Ett oväntat uppträdande av ett hinder inom säkerhetszonen. Självkörande golvfordon förväntas utlösa ett nödstopp, men undvikande av kollision förväntas inte.
• Hantering av trånga passager: Sådana hinder avser utrustning eller personer nära det självkörande golvfordonets körväg. Förväntningen är att ska det ska finnas långsamma zoner där det är mindre än 0,5 m fritt utrymme från det självkörande golvfordonets körbana.

Inför framtida användning av självkörande golvfordon, arbetar de också med robotsäkerhetsstandarder för att utveckla testmetoder som inbegriper användning av en robotarm som är fäst vid ett självkörande golvfordon.

En av de dominerande trenderna inom LiDAR är pressen att minska storlek, vikt och kostnad för LiDAR utan att offra prestandan. Framsteg har gjorts under det senaste decenniet och minskat dessa attribut flerfaldigt. Som nämnts tidigare får SLAM, eller lokalisering, mer uppmärksamhet. Den ideala lösningen gör det möjligt för ett självkörande golvfordon att starta var som helst och utveckla sin egen interna karta över den värld där den verkar i. Sådana funktioner är beroende av integration av LiDAR med andra sensortyper - inklusive GPS, hjulhastighetssensorer och kameror.

Laserscannrar för datakommunikation

Konceptet med en linjär streckkodsläsare är enkelt: En kombination av linjer och mellanrum skapar en slags Morse-kod som kan läsas av direkt:

• Mäta ljus från scannern när den reflekteras tillbaka från streckkoden
• Mäter omgivande ljus när det reflekteras

Det finns nio varianter av linjära streckkoder i vanligt bruk globalt, beroende på tillämpning. Även om laserscannrar är normen för streckkodssökning, behöver streckkoder inte nödvändigtvis precisionen hos en laserljuskälla, med några undantag som anges nedan. I de flesta fall görs läsning och tolkning av streckkodsinnehållet direkt i scannern. Vanligtvis skickar streckkodsläsaren avkodade värden direkt till en databas.

Några områden kräver den höga upplösningen hos en streckkodslaser. För platser med utrymmesbegränsningar, krävs att standardstreckkodsremsorna uppfyller en snävare fysisk standard. Detta kräver en läsare med hög upplösning och laserscannrar gör detta utmärkt. En liknande situation uppstår när streckkoden är längre bort (exempelvis på hyllan i ett lager), vilket de facto minskar kodens vinkelstorlek.

Ibland räcker det inte med omgivningsljuset för att säkerställa god kontrast mellan strecken och mellanrummen. I detta fall är en känd ljuskälla som en laser lämplig för att lysa upp koden och göra den enkelt läsbar.

Även konsumenter som besöker livsmedelsbutiker är bekanta med handhållna scannrar i bl.a. automatkassor. Eftersom streckkodsscanningar kan ske i ett oändligt antal olika riktningar måste scannrar i dessa inställningar producera en tät matris med korsande laserscanningslinjer. Detta säkerställer att oavsett hur streckkoden presenteras, kommer åtminstone en av scanningslinjerna att fånga upp hela koden.

Figur 4: Streckkodsläsaren MIKROE-2913 kan läsa 1D- och 2D-streckkoder enligt olika protokoll. Den innehåller en Micro-USB-port för att kunna fungera som en fristående enhet eller med andra kort. (Bildkälla:MikroElektronika)

2D-streckkodsscannrar: Tvådimensionella (2D) koder skiljer sig från de linjära koder som beskrivs ovan. De har vuxit i popularitet på grund av sin höga informationstäthet, felkontroll och läsbarhet även om de är skadade. Komplexiteten hos 2D-streckkoder innebär att de inte är lämpliga för användning med laserscannrar, utan är beroende av kameror för avkodning. Det finns fyra typer av 2D-streckkoder som är vanligt förekommande, även om de flesta konsumenter känner till quick-response-formatet (QR), som lätt kan avläsas av de flesta smartphones.

När maskinbyggare och slutanvändare väger olika streckkods- och scanneralternativ, finns det tre huvudaspekter att tänka på:

1. Var ska scannern användas? Är det för att inventera ett lager, spåra produktionskomponenter på en tillverkningslinje eller för användning på ett försäljningsställe?
2. Hur mycket data behövs, och vilket fysiskt utrymme finns tillgängligt på objektet för att placera streckkoden?
3. På vilken yta ska streckkoden skrivas ut - och vilken utskriftsupplösning klarar den ytan av?

När dessa tre frågor har besvarats bör det finnas ett antal gångbara alternativ att välja mellan.

Figur 5: DettaKodläsare 950 (CR950)streckkodslaserskanner frånBrady Corporation har en bred bildsensor för enklare skanning. Resultatet blir en allriktad avläsning av 1D- och 2D-streckkoder - även på blanka ytor. (Bildkällor: Brady Corporation)

Andra läsar- och kamerabaserade alternativ: De flesta variationer på streckkodsläsaren har beskrivits ovan. Värt att nämna är att vissa streckkodsläsare använder en lång rad lysdioder för att belysa koden, i kombination med en matchande rad av CCD-detektorer (charge-coupled device) för att detektera det reflekterade ljuset. Dessa kallas LED-läsare.

Det finns också kamerasystem som är särskilt utformade och konfigurerade för att effektivt och snabbt kunna läsa 2D-koder.

Slutsats om laserscannertillämpningar

Spridningen av laserbaserade anordningar och användningsområden har varit otrolig sedan laserns uppfinnande 1960. Även om streckkoden föregår lasern med 11 år, har användning av sammanhängande ljusscanning för att avläsa informationen blivit högsta standard. Laserbaserad positionsspårning och detektering har också blivit vanliga lösningar i industrimiljöer. Oavsett om ni utvecklar ett system från grunden eller förbättrar en befintlig process, finns det en stor chans att någon laserscanningsmetod fungerar väl för de flesta industriella tillverknings- och spårningstillämpningar. Även om den exakta konfigurationen inte finns tillgänglig idag är oddsen goda att något snaret blir synligt i horisonten, med tanke på hur långt tekniken har kommit idag.