數(shù)十年來,LiDAR 傳感器已在全球工業(yè)中得以應(yīng)用。這些傳感器提供人員防護(hù)并實(shí)現(xiàn)流程自動化。它們適用于室內(nèi)與室外區(qū)域。其應(yīng)用領(lǐng)域包括例如港口自動化、交通管理系統(tǒng)和目標(biāo)保護(hù)設(shè)備。
本文將闡述不同 LiDAR 變型的基本工作方式。此外,通過所選示例介紹了非接觸式、通常不可見的激光掃描儀的應(yīng)用選項。這些示例反映出 LiDAR 應(yīng)用對工業(yè) 4.0 的重要性。
什么是 LiDAR?
利用激光進(jìn)行非接觸式距離測量的傳感器已成為當(dāng)今自動化領(lǐng)域不可或缺的一部分。這一發(fā)展始于所謂的 TOF 測量技術(shù)。TOF(Time of Flight) 即飛行時間,這一說法基本上已被更為準(zhǔn)確的術(shù)語 LADAR 或比較常用的 LiDAR 所取代。LADAR(Laser Detectionand Ranging,激光檢測和測距)或 LiDAR(Light Detection and Ranging,光檢測和測距)源自通用術(shù)語 RADAR,它表示無線電檢測和測距(Radio Detection and Ranging)。
LiDAR 傳感器的 1D、2D 或 3D 變型
極簡款 LiDAR 傳感器在距離測量設(shè)備和傳感系統(tǒng)中用作點(diǎn)狀距離測量系統(tǒng)。通過對準(zhǔn)自然目標(biāo)或反射器,實(shí)現(xiàn)直接距離測量。
圖 1 SICK工業(yè)傳感器
通過此方式進(jìn)行一維(距離)作業(yè)的傳感器被稱為一維傳感器,即 1D 傳感器。
如果測量光束在某一平面上旋轉(zhuǎn)或移動,則可獲得距離和角度數(shù)據(jù),從而提供二維結(jié)果。用于此類測量的傳感器通常被稱為 2D激光掃描儀或 2D LiDAR 傳感器。它們按順序依次采集測量值,通常具有相等的測量時間間隔。
LiDAR 傳感器在旋轉(zhuǎn)時采用第三維度作業(yè)。由此提供 x 軸方向的距離和位置信息以及 y 軸和 z 軸方向的位置信息。當(dāng)傳感器中的多個發(fā)射和接收系統(tǒng)沿不同的水平角度移動掃描時,可獲得有關(guān)不同空間參數(shù)的同類信息。此類傳感器現(xiàn)稱為多層掃描儀。
圖 2:電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖 3:控制系統(tǒng)電路原理圖
在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,由測量元件在工作流程輸出端非接觸式采集實(shí)際值是 LiDAR 傳感器的優(yōu)勢所在。借助非接觸式測量方法,無需向被測物體施加機(jī)械壓力或其他壓力。由此確保流程不會產(chǎn)生反作用,并為后續(xù)控制系統(tǒng)回路提供可靠且可追溯的測量結(jié)果。
激光測量——各種測量方法
使用激光意味著主動照亮被測物體。通過主動照明有助于傳感器接收器在一切測量環(huán)境中對準(zhǔn)發(fā)射源。傳感器不受外部光源影響,可在夜間、地下、隧道等環(huán)境中使用。無論是用于室外區(qū)域還是針對人造光源,性能始終如一。
激光提供連續(xù)穩(wěn)定的聚焦光線,從而帶來其他優(yōu)勢。由此,例如用于檢測物體的發(fā)射信號可實(shí)現(xiàn)高精度空間界定。傳感器采用人眼安全設(shè)計,同時滿足允許發(fā)射功率的相關(guān)法律要求,這一點(diǎn)對此至關(guān)重要。發(fā)射激光的 2D 和 3D 聚焦能夠提供高分辨率,用以對遠(yuǎn)距離或微結(jié)構(gòu)物體進(jìn)行掃描。
使用激光作為發(fā)射源進(jìn)行測量時,必須使用合適的接收元件。發(fā)射器和接收器以及具有高時間分辨率的評價單元共同構(gòu)成 LiDAR傳感器的核心。如需使用所獲得的測量數(shù)據(jù),后續(xù)的電子回路至關(guān)重要。用于機(jī)械對準(zhǔn)發(fā)射和接收單元的數(shù)據(jù)與根據(jù)傳感器應(yīng)用進(jìn)行性能技術(shù)調(diào)整的數(shù)據(jù)于此匯總。
非接觸式測量方法要求能夠根據(jù)傳感器的測量原理對被測物體進(jìn)行物理檢測。這意味著,使用激光時,激光光束必須無干擾地直接“照”射至物體并從物體射出。由此構(gòu)成非接觸式激光測量的一大優(yōu)勢:它適用于具有幾乎任何物理特征的被測物體。因此,基于激光的非接觸式檢測在工業(yè)領(lǐng)域中具有諸多應(yīng)用選項。例如,基于激光的測量傳感器可用于物流(輸送流程等)、道路交通流量檢測或者港口集裝箱的裝卸流程自動化。
激光脈沖的反射光輸出直接取決于被測物體的物理特征和距離。由于激光脈沖沿發(fā)射方向呈直角平面擴(kuò)散(即發(fā)散),到達(dá)物體單位面積上的光輸出將根據(jù)距離相應(yīng)減少。針對反射光適用相同的擴(kuò)散條件。另外,待照射表面的對準(zhǔn)方式未必確保所有反射光均反射至傳感器。通常,只有一小部分反射光到達(dá) LiDAR 傳感器的接收器。
圖 4:物體表面的光線反射
圖 5:反射角
物體反射量直接取決于物體的物理特征。這就是所謂的反射比。該值由物體的光澤度和反射率決定。柯達(dá)標(biāo)準(zhǔn)表格中規(guī)定了反射比的百分比值。無煙煤的反射比約為 5%,黑色啞光鞋面革的反射比約為 10%,而白色干墻的反射比約為 90%。反射光朝向光源的逆向反射器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 10,000% 的反射率,而反光膜亦可達(dá)到 3,000%。無論物體直接位于傳感器前方還是與之距離甚遠(yuǎn),其反射特征均對傳感器接收器的動態(tài)性提出挑戰(zhàn)。通過適當(dāng)協(xié)調(diào)激光發(fā)射器、脈沖能量和接收器靈敏度,LiDAR 傳感器亦可可靠測量具有低反射比的遠(yuǎn)距離物體。
如果使用激光進(jìn)行距離測量,則將直接在光路中檢測物體和傳感器之間的最短距離。此為一大優(yōu)勢:按照光速測量可防止額外偏轉(zhuǎn),從而避免出現(xiàn)額外“放大”。然而,在個別應(yīng)用中,它同樣是一項缺陷。因此可能難以測量放置在玻璃板或包裝膜后方的物體。在特定應(yīng)用中,LiDAR 傳感器無法按需全角“觀測”,通常也無法透視物體。在大多數(shù)情況下,透明物體會對測量值造成干擾,但應(yīng)用中通??山柚嘀鼗夭ǖ燃夹g(shù)可靠濾除。
圖 6:采用脈沖飛行時間測量的距離測量
通過選擇合適的測量方法,可針對具體應(yīng)用優(yōu)化 LiDAR 傳感器。
相位相關(guān)測量法
相位相關(guān)法是一種常見的距離測量方法。針對每條連續(xù)的激光光束分配一個具有特定頻率的信號。隨后,接收器檢測到發(fā)射光束和接收光束之間的相位飛行時間差,并由評價單元進(jìn)行評估。相位差與傳感器和物體之間的距離有關(guān)。如果測量相位差時該值大于 360°,則無法獲得明確的距離數(shù)據(jù),此為該方法的一大系統(tǒng)缺陷。這就是所謂的明確測距范圍(《 360°)。切換不同波長對應(yīng)頻率的傳感器是一維系統(tǒng)中的解決方案,它們通過測量值的邏輯對比來實(shí)現(xiàn)大掃描范圍和高測量準(zhǔn)確度。
脈沖飛行時間測量法
脈沖飛行時間測量法確保 LiDAR 傳感器能夠在掃描范圍高達(dá)數(shù)百米的情況下成功運(yùn)行。同時還提供借助計量儀在幾厘米范圍內(nèi)檢測飛行時間的傳感器。脈沖飛行時間測量法采用發(fā)射器、物體和接收器之間的純光脈沖飛行時間。如果物體反射激光脈沖,通過測量將檢測物體和傳感器之間的最短距離。由于按照光速測量,LiDAR 傳感器基于脈沖飛行時間測量法提供的測量值具有出色的可靠性與可用性。
圖 7:飛行時間測量的作用原理
HDDM+測量法(統(tǒng)計評估):
升級型高分辨率距離測量 (HDDM+) 是一種統(tǒng)計式測量方法。。HDDM(+ 升級型高分辨率距離測量)是一種用于非接觸式距離測量的高分辨率光飛行時間測量法,既可用于距離傳感器,也可用于 2D 或 3D LiDAR 區(qū)域掃描傳感器。該技術(shù)適用于室內(nèi)與室外區(qū)域,用于測量距漫反射物體和逆向反射型反射器的距離。采用 HDDM+ 的距離傳感器針對逆向反射型薄膜的掃描范圍可達(dá) 1.5 km。不同于“單脈沖”(single pulse) 或相位相關(guān)等技術(shù),HDDM+ 是一種統(tǒng)計式測量方法。也就是說,傳感器以統(tǒng)計學(xué)方式分析多個激光脈沖的回波,以計算距離值。此外,還可憑借 HDDM+ 實(shí)現(xiàn)具有多重回波功能的傳感器。如有多個回波,則可識別到相關(guān)有效回波并加以評估。借此,即使在惡劣環(huán)境條件下亦可實(shí)現(xiàn)高測量可靠性的距離測量。
圖 8:全方位檢測掃描范圍,以 SICK LiDAR 傳感器 MRS1000 為例
評估測量光束中的多個接收脈沖
實(shí)際上不存在無限短的激光脈沖,光點(diǎn)也不能沿擴(kuò)散方向無限聚焦(?。?,而傳感器可以利用由此產(chǎn)生的物理效應(yīng)來計算測量值。反射回波信號是比較常見的效應(yīng),可用于多重采樣。如果激光光點(diǎn)大于被測物體,光點(diǎn)局部位于邊緣上,則部分光脈沖將由第一個被測物體反射,同時另一部分將由其后方的表面(如有)反射。該效應(yīng)可重復(fù)多次,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)后續(xù)測量。當(dāng)前的目標(biāo)是研發(fā)出一種能夠?qū)⒋祟惐砻娓蓴_效應(yīng)投入應(yīng)用的方法。傳感器提供各個角度反射回波的距離和回波值。1D 傳感器中的有效回波多達(dá)八個,而掃描型傳感器中至多為五個。通過發(fā)射多個回波,LiDAR 傳感器也可用于室外區(qū)域。由此能夠可靠濾除可視范圍內(nèi)因雨、雪、灰塵和冰雹造成的干擾測量值。
圖 9:物體小于激光光束直徑
圖 10:測量光束中的多重回波效應(yīng)
LiDAR 傳感器能夠針對各個角度行程檢測不同的距離測量值,如采用多重回波系統(tǒng)則可檢測多個測量值。該測量值可傳輸,用于內(nèi)部評估或外部數(shù)據(jù)輸出。一旦在給定角度上檢測到測量值,則通過脈沖飛行時間測量法確保物體位于該測量光束上。如果LiDAR 傳感器安裝在車輛上,則連續(xù)兩次測量不一定涉及同一物體。在后續(xù)應(yīng)用中必須進(jìn)行評估,以確定測量值屬于該應(yīng)用或者應(yīng)當(dāng)濾除(例如因部分位于可視范圍內(nèi)而產(chǎn)生)。使用激光測量傳感器時,用戶可自由安裝適合其應(yīng)用的篩選器。此外,傳感器通常具有可配置的附加篩選器。傳感器數(shù)據(jù)掃描包含用于確定測量時間的時間戳,其可與外部數(shù)據(jù)源同步。
圖 11:以 SICK LiDAR 傳感器LMS5xx 多重回波分析為例
1D、2D 或 3D 傳感器采用的測量方法
線性測量傳感器 (1D)
Dx1000 等距離傳感器沿被測物體方向進(jìn)行一維線性掃描,以確定至自然目標(biāo)(反射比高達(dá) 100%)或反射器的距離及距離變化。針對反射器測量時,掃描范圍最高可達(dá) 1,500 m (DL1000)。借助線性測量傳感器例如可按照精確間距定位大型起重機(jī),進(jìn)而完成抓取與卸載操作。根據(jù)具體應(yīng)用優(yōu)化測量周期時間,由此確保高度精確且可靠地采集遠(yuǎn)距離與快速距離變化。
平面測量傳感器 (2D)
2D 傳感器的研發(fā)目的在于保留出色的激光測量特點(diǎn),同時沿用至平面測量傳感器。為此通過偏轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)激光光束,這一方法看似簡單。在細(xì)節(jié)方面卻面臨挑戰(zhàn)。多數(shù)掃描型傳感器為同軸測量系統(tǒng)。其中,發(fā)射光束位于接收光束的中間?,F(xiàn)可通過偏轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)向。由此可保留激光測量所擁有的上述所有出色特點(diǎn),例如大掃描范圍以及針對深色物體的測量能力。
對于 LiDAR 傳感器,激光脈沖的發(fā)射序列與電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率及所需角度分辨率同步。電機(jī)轉(zhuǎn)速通常由激光源的最大發(fā)射頻率和所需角度分辨率決定。旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)量不得超過激光器布線的允許范圍。
掃描型傳感器在發(fā)射序列的角度精確性和角度分辨率以及高測量頻率(電機(jī)轉(zhuǎn)速)方面同樣占據(jù)優(yōu)勢。
通過偏轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)激光光束需要高機(jī)械精度。
圖中為多邊形發(fā)射器視圖,多邊形接收器側(cè)的接收光線通過聚光鏡引至側(cè)方接收器。使用偏轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)向時,每個多邊形面均可進(jìn)行掃描,故多邊形構(gòu)造可在低電機(jī)轉(zhuǎn)速下確保高掃描率。因此,根據(jù)多邊形面的數(shù)量和機(jī)械構(gòu)造,可視范圍限制不超過 100度,LMS4000 為 70 度。
圖 13:SICK LiDAR 傳感器 LMS4000 構(gòu)造,1 = 俯視圖;2 = 側(cè)視圖
如上所述,掃描頻率是 LiDAR 傳感器的一大重要特點(diǎn)。通過使用多個發(fā)射器與接收器可提高采樣率。SICK 的一款 LiDAR 傳感器LMS1000 共有 4 個發(fā)射/接收模塊,采用交叉布局(俯視)繞軸旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上設(shè)有四個激光傳感器,彼此間以 90 度的相位距掃描同一平面。如果電機(jī)按照 50 Hz 旋轉(zhuǎn)(一個整圈 20 ms),則掃描每個 90 度區(qū)域?qū)⒂脮r20 ms的 ? 。四個模塊覆蓋一個整圈(即 360度),其中每個模塊只需掃描 90 度。也就是說,360 度的可視范圍將在 5 ms 內(nèi)掃描完畢;換言之:傳感器以 200 Hz 的采樣率作業(yè)。
對于平面測量型 LiDAR 傳感器,掃描面的角度分辨率是關(guān)鍵。其所含信息確定是否能夠全方位掃描平面。為此,許多傳感器根據(jù)具體應(yīng)用提供合適的角度分辨率。例如,LMS511 可借助掃描頻率改變角度分辨率。其激光光點(diǎn)尺寸大于傳感器的角度分辨率,從而得以全方位檢測掃描區(qū)域。不同掃描儀的有效掃描范圍為 10 至 80 m 不等。即使反射光束特征要求高,例如反射比僅為 10%,這一點(diǎn)同樣適用。
圖 14:SICK LiDAR 傳感器 LMS5xx 示例
圖 15:在 0 m 至 80 m 范圍內(nèi),SICK LiDAR 傳感器 LMS500 測量點(diǎn)之間的光束直徑與間距
空間測量傳感器 (3D)
基于所述的平面測量型 LiDAR 傳感器原理,衍生出一個疑問:如何實(shí)現(xiàn)三維物體測量?
如欲利用 2D LiDAR 傳感器的測量數(shù)據(jù)生成 3D 圖像,除標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出報文外,還需要傳感器在用戶坐標(biāo)系中的機(jī)械安裝位置。輸出的掃描圖像帶有時間戳與編號,以便用戶能夠按照正確的時間和位置條理清晰地生成連續(xù)輸出的掃描圖像。由此亦可通過固定在機(jī)架或支柱上的傳感器為移動物體生成 3D 圖像。理論上,此時還需要物體自身移動的速度向量,以便同步采集掃描頻率與各次物體掃描的實(shí)際距離。由此也可測量經(jīng)過傳感器下方的物體長度。例如可用于借助激光傳感器提供具體車輛類別數(shù)據(jù)的收費(fèi)系統(tǒng),或是測量車輛尺寸或超寬物體的體積測量系統(tǒng)。
根據(jù)傳感器測量數(shù)據(jù)提供的信息,各臺 SICK 激光傳感器也可自行“移動”。這一情況常見于擺動設(shè)備或利用線性軸創(chuàng)建物體“3D距離圖像”。在此類應(yīng)用中,物體通常保持靜止。例如用于龍門吊的自動裝卸裝置或體積測量系統(tǒng)。由于設(shè)計堅固耐用,SICK 傳感器不會受到擺動、加速或制動等移動過程的影響。
多層掃描儀
擁有 4 個掃描面的 LiDAR 傳感器
3D LiDAR 傳感器的產(chǎn)品系列增添諸多特點(diǎn)。通過多個發(fā)射器與接收器或二合一設(shè)計,可形成同時或偏角掃描多個層面的傳感器。這意味著,除水平方向的 2D 層面(即傳感器水平放置時的 0° 層)外,LD-MRS 或 MRS1000 及 MRS6000 產(chǎn)品系列的傳感器還能掃描上傾或下傾的層面。
3D LiDAR 傳感器 MRS1000
圖 18:SICK LiDAR 傳感器MRS1000 例圖
用戶顯著獲益。通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更多測量點(diǎn)。為此需要采集距離、水平面角度、三維空間的各平面角度等信息。根據(jù)這三項空間坐標(biāo),可確定測量點(diǎn) X、Y、Z 在原始坐標(biāo)系中的位置。這一測量值在很大程度上顯示出 SICK AG 傳感器(包括 1D 或 2D 傳感器)慣有的相同可用性。例如,MRS1000 擁有四個層面,分別傾斜 2.5°。相較于 2D 傳感器,相同時間內(nèi)可掃描更多測量點(diǎn)。此外,多層機(jī)械構(gòu)造還有助于提高采樣速度。
多層系統(tǒng)提供各種不同的結(jié)構(gòu)型式。MRS1000 的內(nèi)部發(fā)射與接收模塊構(gòu)成層面傾斜。因此,每個模塊均可旋轉(zhuǎn) 90° 掃描一個區(qū)域。如此一來,只需整圈用時的四分之一即可檢測具有多個層面的物體。
3D 傳感器及利用偏轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)發(fā)射/接收路徑“視角”的測量原理保留激光測量的優(yōu)勢。如果以不同角度定向模塊,除掃描方向的距離和角度外,測量物體時還會確定物體平面角度,即 x、y 與 z 空間坐標(biāo)。如需針對各個平面進(jìn)行測量,亦可保留高靈敏度和大掃描范圍的優(yōu)勢。
圖 19:SICK LiDAR 傳感器 MRS1000 構(gòu)造
距離約 16 m 時,MRS1000 的橫向覆蓋范圍可達(dá) 2 m 左右。斜面呈錐狀。
若傳感器安裝在穿行通道的無人駕駛車輛(例如 AGV 或 AGC)上,則可在經(jīng)過時掃描物體表面。通過傾斜傳感器可改變掃描范圍。五米以內(nèi)的近距離層面傾斜會形成寬約 0.5 m 的掃描范圍。由此實(shí)現(xiàn)近距離快速反應(yīng),即使是小型物體亦可逐層掃描。通過偏置90 度的發(fā)射/接收模塊布局,掃描速度較之單個模塊的旋轉(zhuǎn)頻率快四倍。
3D LiDAR 傳感器 MRS6000
在 MRS6000 中,可利用多面鏡效應(yīng)迭置多個發(fā)射器。這是令一臺掃描儀產(chǎn)生多個測量面的另一方法。每個多面鏡用于傾斜含 6條光束的發(fā)射套組,因此多邊形轉(zhuǎn)滿一圈便可通過 4 個多邊形面獲得 24 個層面。MRS6000 實(shí)現(xiàn)覆蓋整個水平孔徑角的全方位掃描。其具備 120 度的水平孔徑角與 15 度的垂直孔徑角。
圖 20:作用原理 3D 示圖
3D LiDAR 傳感器 LD-MRS
多層掃描儀 LD-MRS 憑借 4 至 8 個掃描面覆蓋高達(dá) 100 m 的大掃描范圍,而 MRS1000 在 AGV 中的掃描范圍最多可達(dá) 30 m。
LD-MRS 系列傳感器使用兩個高級激光二極管作為發(fā)射元件。此外,接收信號可分別分給 2 個接收元件。因此,LD-MRS 傳感器具有四個層面。它的機(jī)械構(gòu)造與 MRS6000 多邊形掃描儀類似,但其多邊形由雙面構(gòu)成,即偏轉(zhuǎn)鏡正面與背面。
圖 21:SICK LiDAR 傳感器 LD-MRS 層面構(gòu)造
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