李海明，王振偉，王學(xué)軍，吳兆遷，孫玉寶，劉德秋

（濟(jì)寧科力光電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

1951年德國(guó)sick公司推出了第一個(gè)用于安全防護(hù)的安全光柵；1993年sick推出第一個(gè)基于脈沖激光測(cè)距原理、符合三級(jí)安全類(lèi)別的區(qū)域掃描器，用于危險(xiǎn)區(qū)域的防護(hù)。至今，有更多的廠家如Omron、Hokuyo、Leuze、Keyence等推出了類(lèi)似的區(qū)域掃描保護(hù)裝置。這些裝置在各種復(fù)雜區(qū)域防護(hù)和移動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)域防護(hù)（如移動(dòng)機(jī)器人）得到了廣泛應(yīng)用。

我國(guó)工業(yè)安全防護(hù)產(chǎn)品起步較晚，且由于高精度脈沖激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)難度大，至今尚未有類(lèi)似的區(qū)域防護(hù)裝置面世。目前國(guó)內(nèi)在售的基于脈沖激光測(cè)距的定向測(cè)距傳感器，測(cè)距精度基本在數(shù)十cm量級(jí)甚至米級(jí)。而國(guó)外產(chǎn)品均有專(zhuān)用芯片，測(cè)距精度可達(dá)到cm級(jí)別。

本文研究了一種基于脈沖激光測(cè)距、二維掃描的激光安全掃描儀，測(cè)距精度±6cm，達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品空白。同時(shí)掃描區(qū)域半徑最大4m、掃描角度190°，能可靠探測(cè)該區(qū)域內(nèi)反射率低至1.8%、高至100%的物體，可通過(guò)上位機(jī)將掃描輪廓配置成任意形狀。該掃描儀屬于一類(lèi)激光產(chǎn)品，對(duì)人眼安全，且符合標(biāo)準(zhǔn)IEC61496中type3電敏防護(hù)裝置安全要求。

1 激光安全掃描儀概述

本文介紹的二維激光安全掃描儀內(nèi)部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)掃描單元，通過(guò)旋轉(zhuǎn)掃描單元發(fā)送周期性光脈沖，光脈沖遇到障礙物后返回傳感器，傳感器通過(guò)測(cè)量光往返時(shí)間確定當(dāng)前角度的障礙物和傳感器距離。所有角度位置的測(cè)距結(jié)果最終組成當(dāng)前二維平面的環(huán)境輪廓。激光安全掃描儀可掃描角度190°，分辨率 0.36°。

2 高精度測(cè)距實(shí)現(xiàn)

本文研究的二維激光安全掃描儀采用下述關(guān)鍵技術(shù)完成激光飛行時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)掃描區(qū)域內(nèi)反射率1.8%～100%物體測(cè)距精度±6cm的效果。

2.1 激光發(fā)射

測(cè)距用脈沖式半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路模型如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距，需要發(fā)射激光脈沖具有窄脈寬、快速上升下降時(shí)間特性。因?yàn)槊}寬越窄信噪比越高，測(cè)距精度越高[1]。從電路模型來(lái)看，高精度測(cè)距對(duì)放電回路的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)特性有極高的要求。本文選用ns級(jí)別開(kāi)關(guān)速度的射頻mosfet，產(chǎn)生了上升下降時(shí)間1.5ns、半脈寬3ns的發(fā)射脈沖，為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 激光器驅(qū)動(dòng)電路模型

2.2 回波處理、時(shí)點(diǎn)鑒別、時(shí)間測(cè)量

由于目標(biāo)物距離和反射物的變化，激光經(jīng)目標(biāo)漫反射返回后，回波能量動(dòng)態(tài)范圍變化很大，弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)比率甚至達(dá)到1：10000以上，經(jīng)過(guò)計(jì)算和測(cè)試1.8%反射率物體在4m處回波能量低至1μW以下，而強(qiáng)反射率物體（反射率100%）回波能量可達(dá)到1W以上。當(dāng)回波能量過(guò)強(qiáng)時(shí)，放大電路輸出信號(hào)將飽和失真。信號(hào)極大范圍的動(dòng)態(tài)變化，為準(zhǔn)確鑒別回波時(shí)點(diǎn)帶來(lái)很大困難[2]。

如果采用前沿時(shí)刻鑒別法[3]，如圖2所示，回波脈沖信號(hào)和固定閾值Vth比較，確定回波時(shí)點(diǎn)。由于回波信號(hào)幅值的變化，將引入計(jì)時(shí)誤差△t。該誤差至ns級(jí)別，1ns對(duì)應(yīng)距離30cm，無(wú)法滿足高精度測(cè)距要求。

圖2 前沿時(shí)刻鑒別示意圖

本文采用自動(dòng)增益控制和高通阻容時(shí)點(diǎn)鑒別相結(jié)合的方法，很好地解決了大動(dòng)態(tài)范圍回波信號(hào)的時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確鑒別問(wèn)題[4]。一方面對(duì)接收雪崩光電二極管APD和放大電路進(jìn)行自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，避免信號(hào)飽和失真；另一方面采用高通阻容時(shí)點(diǎn)鑒別方法實(shí)現(xiàn)不同幅值信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)點(diǎn)鑒別。高通阻容時(shí)點(diǎn)鑒別原理是，當(dāng)脈沖信號(hào)經(jīng)阻容微分電路后，原極值點(diǎn)轉(zhuǎn)換為零點(diǎn)，且該過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻不受輸入信號(hào)幅值變化影響，可作為準(zhǔn)確計(jì)時(shí)點(diǎn)。因?yàn)椴煌得}沖信號(hào)的極值點(diǎn)時(shí)刻相同（上升時(shí)間相同）。

經(jīng)過(guò)時(shí)點(diǎn)鑒別后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字計(jì)時(shí)信號(hào)送入專(zhuān)用計(jì)時(shí)芯片完成飛行時(shí)間測(cè)量。本文采用ACAM公司專(zhuān)用計(jì)時(shí)芯片TDC-GPX，該芯片時(shí)間測(cè)量分辨率達(dá)27ps，對(duì)應(yīng)距離0.81cm，可滿足cm級(jí)別測(cè)距精度目標(biāo)。

2.3 測(cè)距結(jié)果

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，二維激光安全掃描儀實(shí)現(xiàn)了±6cm的測(cè)距精度。分別使用黑色燈芯絨（1.8%反射率）、灰色粗紙板（20%反射率）、反光板（90%以上反射率），在不同位置進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送到上位機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示。抽取部分試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 不同反射率目標(biāo)和不同距離測(cè)距數(shù)據(jù)

3 控制安全與可靠性設(shè)計(jì)

激光安全掃描儀用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)，對(duì)掃描儀的安全可靠性具有極高的要求。

本文針對(duì)所有電路元件進(jìn)行失效安全分析并采取措施，如電阻失效模式包括開(kāi)路、短路、變值，集成元件失效分析包括任意引腳的開(kāi)路、相互之間短路，電源變化導(dǎo)致的性能變化。同時(shí)采用雙通道互檢、周期性測(cè)試自檢、關(guān)鍵回路冗余等技術(shù)保障安全，確保導(dǎo)致危險(xiǎn)失效的任何單一故障能被檢測(cè)到并切斷安全輸出；當(dāng)不引起失效危險(xiǎn)的單一故障未被檢測(cè)時(shí)（如某個(gè)增強(qiáng)抗干擾能力的上拉電阻開(kāi)路），繼續(xù)進(jìn)行故障累加測(cè)試，確保出現(xiàn)其他故障也不引起危險(xiǎn)失效。最終設(shè)計(jì)的二維激光安全掃描儀符合標(biāo)準(zhǔn)IEC61496中type3安全等級(jí)要求。

為了應(yīng)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，本文采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合屏蔽、最小環(huán)路設(shè)計(jì)、電氣隔離、信號(hào)完整性設(shè)計(jì)、板級(jí)高頻數(shù)模電路布局、串?dāng)_分析等措施，外加浪涌、脈沖群、靜電吸收防護(hù)和旁路措施[5]，使激光安全掃描儀完全通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IEC61496中type3產(chǎn)品相關(guān)EMC測(cè)試。

4 功能特點(diǎn)

4.1 保護(hù)區(qū)域自由配置、在線監(jiān)控

激光安全掃描儀掃描區(qū)域半徑最大4m、190°，可根據(jù)實(shí)際需求，將保護(hù)區(qū)域輪廓配置為任意形狀（如矩形，多邊形，或者自由曲線）。用戶可使用USB電纜連接PC電腦和激光安全掃描儀，通過(guò)上位機(jī)軟件繪制實(shí)際需要的保護(hù)區(qū)域輪廓，并發(fā)送給掃描儀。上位機(jī)簡(jiǎn)單界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)配置界面

當(dāng)激光掃描儀和PC電腦建立連接后，可通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控掃描儀工作狀態(tài)，如保護(hù)區(qū)域內(nèi)障礙物位置。

4.2 激光安全

掃描儀使用905nm脈沖激光，平均功率＜1mW，符合一類(lèi)激光安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人眼安全[6]。

4.3 高分辨率、快速響應(yīng)時(shí)間、無(wú)合作目標(biāo)

激光安全掃描儀掃描角度分辨率0.36°，在4m處可檢測(cè)到直徑7cm的物體。采用光飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)、單次測(cè)量時(shí)間只有40μs，可在1s內(nèi)完成25000次測(cè)量。掃描儀默認(rèn)響應(yīng)時(shí)間為80ms，針對(duì)特殊現(xiàn)場(chǎng)情況，如焊接站火星四濺、切割金屬屑飛濺等場(chǎng)合，響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)可調(diào)到680ms，減小因檢測(cè)到飛濺物料而斷開(kāi)安全回路的可能，從而提高生產(chǎn)效率。

掃描儀能可靠探測(cè)掃描平面內(nèi)反射率1.8%～100%的物體。

4.4 抗光干擾能力強(qiáng)

激光作為單色光，具有能量集中、穿透能力強(qiáng)、抗環(huán)境光干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文同時(shí)采用窗口可見(jiàn)光濾波、接收透鏡905nm窄帶濾波措施，進(jìn)一步增強(qiáng)掃描儀抗光干擾能力。

4.5 多區(qū)域組設(shè)置

掃描儀可存儲(chǔ)4組不同輪廓形狀的保護(hù)區(qū)域，用戶可通過(guò)四組輸入信號(hào)的變化切換至對(duì)應(yīng)的保護(hù)區(qū)域。該功能滿足了AGV（無(wú)人搬運(yùn)車(chē)）行進(jìn)中轉(zhuǎn)彎時(shí)需改變保護(hù)區(qū)域輪廓的需求。

4.6 窗口污染檢測(cè)

由于激光出射和接收窗口外露于空氣中，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間使用、灰塵覆蓋嚴(yán)重時(shí)，將嚴(yán)重削弱出射能量，最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)4m內(nèi)1.8%反射率物體的準(zhǔn)確測(cè)距。因此掃描儀設(shè)置有窗口污染檢測(cè)功能，當(dāng)能量削弱過(guò)多時(shí)停止探測(cè)，直到窗口清潔后才能恢復(fù)，從而確保測(cè)距和功能安全。

5 應(yīng)用展望

與超聲波測(cè)距、相位法激光測(cè)距、雷達(dá)微波測(cè)距，脈沖測(cè)距技術(shù)等相比，具有超高速、無(wú)合作目標(biāo)、商用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。其中超聲波測(cè)距成本最低，在民用倒車(chē)?yán)走_(dá)上得到廣泛應(yīng)用，但是由于其測(cè)量速度低，尚無(wú)法滿足快速運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用需求。相位法激光測(cè)距精度高，可至1mm以下，在工程領(lǐng)域有大量手持式相位測(cè)距儀應(yīng)用，缺點(diǎn)是對(duì)目標(biāo)反射率有要求，目標(biāo)反射率低時(shí)需要使用反射棱鏡等合作目標(biāo)配合測(cè)量。雷達(dá)微波測(cè)距由于高昂的成本，商用較少。

與基于圖像處理的視覺(jué)測(cè)量技術(shù)、各種基于CCD的測(cè)量技術(shù)比較，脈沖激光測(cè)距方法具有不受環(huán)境光明暗影響、夜間可靠工作等優(yōu)點(diǎn)。

綜合以上，基于脈沖激光飛行時(shí)間測(cè)量的二維激光安全掃描儀，在二維區(qū)域掃描、安全防護(hù)、移動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用前景光明，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種安全防護(hù)用二維激光安全掃描儀，測(cè)距精度達(dá)到±6cm，可實(shí)現(xiàn)半徑4m、190°的二維區(qū)域內(nèi)反射率1.8%～100%的目標(biāo)的可靠探測(cè)，同時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn)IEC61496中type3電敏防護(hù)裝置安全要求?？筛鶕?jù)實(shí)際需求將掃描區(qū)域輪廓配置成任意幾何形狀。該激光安全掃描儀的成功研制，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品空白，達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)安全防護(hù)產(chǎn)品的發(fā)展，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 姜海嬌，來(lái)建成，王春勇，等.激光雷達(dá)的測(cè)距特性及其測(cè)距精度研究[J].中國(guó)激光，2011，（5）.

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