Porównanie zastosowań skanerów laserowych

Lasery - skrót powstały z angielskiej wersji wyrażenia wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania - to urządzenia elektroniczne emitujące jedną lub więcej wiązek spójnego światła. Określenie „spójne” wskazuje na fale elektromagnetyczne o identycznej częstotliwości i przebiegu oraz stałej różnicy faz. Lasery można wykorzystywać do:

• cięcia, trawienia, spawania i rozkrawania - na przykład w grawerowaniu precyzyjnym, wierceniu, produkcji półprzewodników, mechanicznej obróbce powierzchni oraz (w medycynie) zabiegach chirurgicznych oczu LASIK
• obrazowania i projekcji - w holografii, mikroskopii konfokalnej, miernictwie wysokiej rozdzielczości (do tworzenia chmur punktów) oraz spektroskopii laserowej
• przesyłu danych - w czytnikach kodów kreskowych, technologiach światłowodowych oraz DVD
• pozycjonowania - w systemach bezpieczeństwa komórek roboczych, druku 3D oraz systemach wykrywania i śledzenia światła (LiDAR)

skanowania laserowego - na wykorzystaniu omiatających lub odbitych wiązek promieni lasera opiera się wiele z tych zastosowań. W tym artykule omówimy kilka najpopularniejszych w automatyce przemysłowej zastosowań skanowania laserowego.

W najprostszej wersji generowany jako źródło punktowe sygnał laserowy jest przetaczany przez aktywny kąt za pomocą odbicia od precyzyjnie sterowanego lustra wewnętrznego. Odbity sygnał jest odczytywany przez wewnętrzny detektor światła. Ponieważ kąt projekcji wiązki laserowej i czas przelotu (ToF) są znane, podzespoły elektroniczne skanera na podstawie zwróconych sygnałów mogą wygenerować szczegółową mapę struktur znajdujących się w zasięgu skanera.

Jakkolwiek koncepcja była prosta, to pojawiło się wiele wyzwań projektowych, którym należało sprostać, aby zastosowanie technologii skanowania laserowego było możliwe w prawdziwym świecie. Do największych należały różnice w oświetleniu otoczenia, ruch platformy, kalibracja źródeł światła zmierzająca do uzyskania spójnego sygnału wyjściowego oraz odporność na kurz i zanieczyszczenia obecne zazwyczaj w środowisku przemysłowym.

Rozwiązania tych problemów technicznych udało się znaleźć, a dziś do najbardziej zaawansowanych zastosowań zaliczyć można pojazdy autonomiczne (AGV) wykorzystujące skanowanie 3D w zakresie 360°. Powszechnym dziś zjawiskiem są też samopoziomujące skanery laserowe stosowane w budownictwie do precyzyjnego zawieszania płyt budowlanych lub poziomowania podłóg. Kolejnym zastosowaniem skanera laserowego są niwelatory geodezyjne, pozwalające inżynierom na projektowanie nachylenia dróg z milimetrową precyzją. Są to przykłady przeznaczonych do konkretnych zastosowań urządzeń do skanowania laserowego, realizujących specjalistyczne funkcje - choć rzeczywistą wszechstronność skanerów laserowych najlepiej można zaobserwować w hali produkcyjnej.

Skanery laserowe a bezpieczeństwo przemysłowe

Rozpatrzmy jedno z istotnych zastosowań skanera laserowego w automatyce - ochronę niebezpiecznych komórek roboczych. W podstawowych instalacjach skaner laserowy jest umieszczany w stałej pozycji, a laser realizuje skanowanie w jednej płaszczyźnie. Skanery takie są kurtynami świetlnymi, służącymi jako systemy monitorowania bezpieczeństwa. Kurtyna świetlna jest umieszczona w taki sposób, aby móc nadzorować określony element potencjalnie niebezpiecznego urządzenia, monitorując przerwanie wiązki światła. W odpowiedzi na przerwanie spowalnia ona lub zatrzymuje krytyczne urządzenie lub emituje sygnał alarmowy.

Lokalizacja skanera oraz spójność geometrii wiązki muszą umożliwić monitorowanie każdego potencjalnego punktu wejścia operatora. Z wyżej wymienionych trybów reakcji wynika, że skanera często używa się w kombinacji z innym wyposażeniem ochronnym (osłony, alarmy i przełączniki odcinające) aby zagwarantować, że zbliżający się do urządzenia operator nie dozna obrażeń.

Przed pojawieniem się technologii skanowania optycznego do ochrony w niebezpiecznych komórkach roboczych stosowano blokady mechaniczne. Na czas trwania prac konserwacyjnych odcięty zostałby dopływ energii elektrycznej oraz uruchomione zostałyby procedury blokad dostępu. Ludzie bywają notorycznie niesolidni i wiadomo, że omijają zabezpieczenia. Blokady optyczne są bardziej niezawodne - zwłaszcza w połączeniu z funkcją twardego resetu lub panelem obsługiwanym przez dwóch operatorów, który uniemożliwia uruchomienie urządzenia w pojedynkę. Więcej informacji na ten temat zawiera artykuł DigiKey „Laserowe skanery bezpieczeństwa chroniące operatorów (Safety Laser Scanners to Safeguard Human Operators).”

Ilustracja 1: laserowy skaner bezpieczeństwa SX5-Series pozwala OEMom lub użytkownikom końcowym na zdefiniowanie za pośrednictwem komputera do sześciu stref bezpieczeństwa i dwóch stref ostrzegawczych. (Źródło ilustracji: Banner)

Uwaga do technologii czasu przelotu (Time-of-Flight, ToF): zastosowanie ToF umożliwia precyzyjne mapowanie lokalizacji obiektów w oparciu o współrzędne biegunowe: kąt padania wiązki światła oraz odległość od obiektu znajdującego się w obserwowanym obszarze. Informacje te można wykorzystać podczas tworzenia mapy stref obserwowanego obszaru skanera. Ma to kluczowe znaczenie przy rozważaniu kolejnego szczególnego przypadku - bliskiej współpracy z robotami współpracującymi (cobotami).

Z założenia coboty przeznaczone są do współpracy z ludźmi pełniącymi funkcję operatora podczas realizacji wspólnych działań. Konieczne są tu niewielkie odległości, co z kolei wiąże się z ryzykiem. Skaner z zaprogramowaną mapą przestrzeni roboczej może nadzorować dopuszczalne zakresy ruchu robota w zależności od jego położenia i ruchów osoby współpracującej. Jest to stosunkowo nowy obszar rozwoju zarówno robotyki, jak i rynku skanerów, dlatego też stale rozwijane są nowe zastosowania.

Wykorzystanie skanerów laserowych w pojazdach autonomicznych oraz lokalizacji

Teraz na przykładzie skanerów laserowych wykorzystujących ToF na ruchomej platformie rozważmy zalety i wady skanera LiDAR (light detecting and ranging). Działanie tych systemów, używanych w pojazdach autonomicznych (AGV), opiera się na wewnętrznych mapach lokalizacji pojazdu, dzięki czemu można uzyskać kontekst wszystkich detekcji obiektów. Ta zdolność nazywana jest jednoczesną lokalizacją i mapowaniem lub metodą SLAM. Podnosi to poziom złożoności systemu, ponieważ błędy lokalizacji bezpośrednio wpływają na mapowaną lokalizację przeszkód lub celów. Korzystanie z lokalnych transponderów, programów uczących się lub ścieżek zintegrowanych z podłożem pomaga zredukować ten problem.

Ilustracja 2: oto laserowy skaner bezpieczeństwa 270° SEL-H05LPC stosowany w pojazdach autonomicznych, wózkach widłowych, robotach i innym ruchomych urządzeniach wykorzystywanych w zakładach przemysłowych. (Źródło ilustracji: IDEC)

Technologie skanowania podlegają zmianom stosunku sygnału do szumu (SNR) w zależności od zmian natężenia oświetlenia w otoczeniu. Najmniej korzystny przypadek to pełne światło słoneczne, gdzie jego natężenie może być o kilka rzędów wielkości większe niż oświetlenie skanowania. Istnieje kilka możliwych rozwiązań, w tym modulacja źródła, skanowanie strukturyzowane oraz wykorzystanie wąskich pasm częstotliwości z filtrowaniem. Na szczęście pojazdy autonomiczne wykorzystywane są głównie w magazynach sterowanych za pomocą światła, w których rozwiązania te są zbędne. W przypadku pojazdów przeznaczonych do pracy na zewnątrz budynków obecnie prowadzi się intensywne badania i poszukuje rozwiązań.

Skanery laserowe z definicji są urządzeniami z ograniczonym polem widzenia. Oznacza to, że ich możliwości ograniczają się do „widzenia” tego, co znajduje się bezpośrednio przed nimi. Jeśli skaner zwrócony jest frontem do rzędu filarów, to „widzi” tylko pierwszy filar w rzędzie. Do wykrycia przez skaner dodatkowych filarów konieczna jest zmiana perspektywy, przy założeniu że znajdują się one w jego zasięgu.

LiDAR w pojazdach mobilnych może być cennym elementem - zwłaszcza, gdy system ten połączony zostanie z innymi czujnikami, aby mógł reagować w czasie rzeczywistym na zmiany warunków zachodzące w magazynie. LiDAR pomaga tu skrócić czas realizacji dostaw, zredukować liczbę personelu oraz zminimalizować liczbę wypadków.

Wybór odpowiednich zdolności skanowania w systemie LiDAR oznacza określenie zasięgu liniowego, okna skanowania kątowego oraz rozdzielczości liniowej i kątowej dla tych wartości. Szerokość pasma lub prędkość aktualizacji to kolejne elementy krytyczne, ponieważ mogą one ograniczyć prędkość pracy pojazdów autonomicznych. Na koniec równie ważna kwestia - zużycie energii będzie determinować czasy pomiędzy ładowaniami, a także liczbę jednostek, których w danym momencie można użyć.

Wiele dostępnych obecnie na rynku pojazdów autonomicznych używa systemu LiDAR do poruszania się po halach produkcyjnych lub w środowiskach magazynów zautomatyzowanych. (Źródło ilustracji: Gettyimages)

Kwestie elektryczne i mechaniczne dotyczące systemu LiDAR w pojazdach autonomicznych

System LiDAR stale się rozwija, a rozwój ten w dużej mierze jest stymulowany przez rynek pojazdów autonomicznych. Konsekwencją tej sytuacji jest szeroka gama możliwości, funkcji i cen. Oznacza to również, że dotąd nie pojawił się standard montażu ani komunikacji. W razie rozważania użycia pojazdu autonomicznego w zastosowaniu należałoby dostosować istniejącą ofertę do wymagań systemowych i określić strukturę fizyczną z tego punktu. Wiele przedsiębiorstw realizuje inżynierię systemową i ma w swojej ofercie gotowe lub konfigurowalne systemy LiDAR. W zależności od wymagań, wstępny projekt rozwiązania może stanowić jedynie punkt wyjścia na drodze do bardziej zoptymalizowanego rozwiązania.

Inicjatywę w ustanawianiu norm bezpieczeństwa dla pojazdów autonomicznych przejął Krajowy Instytut Norm i Technologii (National Institute of Standards and Technology, NIST). Obecnie normy te koncentrują się przede wszystkim na kwestiach związanych z kolizjami, takich jak:

• Zderzaki składane: przeważnie w przypadku starszych modeli intencją jest, aby zderzaki były wyposażone w systemy wyczuwania siły i inicjowały zatrzymanie po uderzeniu w przeszkodę, ograniczając siłę oddziałującą podczas kontaktu.
• Metody bezkontaktowe: nowoczesne pojazdy autonomiczne mają wykrywać obiekty i zatrzymywać się bez powodowania kolizji. Dotąd stosowano obiekty testowe kształtem przypominające postaci ludzkie, choć do przyszłych testów proponuje się formy i pozy bardziej przypominające ludzkie.
• Nagle pojawiające się przeszkody: nieoczekiwane pojawienie się przeszkody w strefie bezpieczeństwa. Od pojazdu autonomicznego oczekuje się, że będzie on inicjował zatrzymanie awaryjne, nie oczekuje się jednak uniknięcia kolizji.
• Przewidywanie przeszkód zasłoniętych: do przeszkód tych należą urządzenia lub osoby znajdujące się w pobliżu toru jazdy pojazdu autonomicznego. Oczekuje się wyznaczenia stref ruchu z niewielkimi prędkościami, w których odległość od toru poruszania się pojazdu autonomicznego będzie mniejsza niż 0,5m.

W ramach prognoz zastosowania pojazdów autonomicznych prowadzone są również prace nad normami bezpieczeństwa dotyczącymi robotów, aby zainicjować rozwój metod testowania wykorzystujących zrobotyzowane ramię umieszczone na podwoziu pojazdu autonomicznego.

Jednym z dominujących trendów w dziedzinie systemów LiDAR jest dążenie do redukcji rozmiaru, ciężaru i kosztu systemu bez utraty wydajności. W ostatniej dekadzie dokonał się postęp redukujący te wartości o rząd wielkości. Coraz większa uwaga kierowana jest w stronę wymienionej wcześniej metody SLAM, zwanej inaczej lokalizacją. Idealne rozwiązanie pozwoli pojazdowi autonomicznemu rozpocząć działanie z dowolnego miejsca i opracować własną wewnętrzną mapę świata, w którym działa. Taka operacja zasadza się na integracji systemu LiDAR z innymi rodzajami czujników - w tym z GPS, czujnikami prędkości obrotowej kół oraz kamerami.

Skanery laserowe do przesyłu danych

Idea liniowego czytnika kodów kreskowych jest prosta: kombinacja linii i przerw tworzy rodzaj kodu Morse'a, który może być bezpośrednio odczytany za pomocą:

• pomiaru natężenia światła odbitego od kodu kreskowego
• pomiaru światła otoczenia podczas jego odbijania

W standardowym, globalnym użyciu jest obecnie dziewięć odmian liniowego kodu kreskowego, dobieranych w zależności od zastosowania. Chociaż w przypadku skanowania kodów kreskowych skanery laserowe są normą, z pewnymi wyjątkami wskazanymi poniżej kody te niekoniecznie wymagają precyzji laserowego źródła światła. W większości przypadków odczyt i translacja treści kodów kreskowych odbywa się wewnątrz skanera. Skaner kodów kreskowych zazwyczaj przekazuje zdekodowane wartości bezpośrednio do bazy danych.

W niektórych obszarach wymagana jest precyzyjna rozdzielczość lasera kodu kreskowego. W przypadku ograniczonej przestrzeni standardowe paski kodów kreskowych są nanoszone w węższym standardzie fizycznym. Wymaga to zastosowania czytnika o wysokiej rozdzielczości, a skanery laserowe radzą sobie w takich sytuacjach całkiem nieźle. Podobna sytuacja zachodzi, gdy kod kreskowy znajduje się nieco dalej (np. na półce w magazynie), co skutecznie zmniejsza rozmiar kątowy kodu.

Czasami natężenie światła z otoczenia nie jest wystarczające do zapewnienia właściwego kontrastu pomiędzy kreskami a przerwami. W takim przypadku do oświetlenia kodu i uczynienia go czytelnym przydatne będzie znane źródło światła, jakim jest laser.

Nawet konsumenci odwiedzający sklepy spożywcze znają ręczne skanery przy kasach samoobsługowych. Ponieważ liczba kierunków prezentacji kodów kreskowych jest nieskończona, skanery pracujące w takich warunkach muszą generować ciasną matrycę krzyżujących się laserowych linii skanowania. W ten sposób przynajmniej jedna z linii skanowania będzie w stanie przechwycić cały kod, bez względu na sposób jego prezentacji.

Ilustracja 4: ta płytka skanera kodów kreskowych MIKROE-2913 jest w stanie odczytywać kody kreskowe 1D i 2D odpowiadające różnym protokołom. Zawiera ona port Micro USB umożliwiający pracę samodzielną lub z innymi płytami. (Źródło ilustracji: MikroElektronika)

Skanery kodów kreskowych 2D: kody dwuwymiarowe (2D) różnią się od wspomnianych powyżej kodów liniowych. Ich popularność rośnie ze względu na dużą gęstość informacji, weryfikację błędów oraz czytelność nawet w przypadku ich uszkodzenia. Złożoność kodów dwuwymiarowych powoduje, że nie są one odpowiednie do odczytu skanerami laserowymi, a do ich dekodowania używa się kamer. W powszechnym użyciu są cztery rodzaje kodów kreskowych 2D, choć większości konsumentów znany jest kod QR (quick-response), który bez problemu może odczytać większość smartfonów.

W sytuacji, gdy konstruktorzy maszyn i użytkownicy końcowi ważą opcje kodów kreskowych i skanerów, powinni wziąć pod uwagę trzy główne kwestie:

1. Gdzie skaner będzie używany? Czy będzie to inwentaryzacja w magazynie, śledzenie elementów na linii produkcyjnej czy też użytkowanie w punktach sprzedaży?
2. Ile danych jest potrzebne i ile miejsca na elemencie jest fizycznie dostępnego do umieszczenia kodu kreskowego?
3. Na jakiej powierzchni zostanie wydrukowany kod kreskowy i jaką rozdzielczość powierzchnia ta jest w stanie zachować?

Po uzyskaniu odpowiedzi na te trzy pytania powinno pojawić się kilka możliwych do zrealizowania opcji.

Ilustracja 5: ten laserowy skaner kodów kreskowych Code Reader 950 (CR950) firmy Brady Corporation posiada szerokokątny sensor obrazu ułatwiający skanowanie. Dzięki temu możliwy jest dookólny odczyt kodów kreskowych 1D i 2D - nawet z błyszczących powierzchni. (Źródła ilustracji: Brady Corporation)

Inne czytniki oraz rozwiązania bazujące na kamerach: większość odmian skanerów kodów kreskowych została omówiona powyżej. Warto wspomnieć, że niektóre skanery kodów kreskowych do oświetlania kodu wykorzystują długi rząd diod LED w połączeniu z odpowiadającym mu rzędem detektorów ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), aby móc wykryć odbite światło. Są to tak zwane czytniki LED.

Istnieją również systemy kamer zaprojektowanych i skonfigurowanych specjalnie do efektywnego i szybkiego odczytu kodów 2D.

Wnioski dotyczące zastosowań skanerów laserowych

Upowszechnianie się urządzeń i zastosowań opartych na laserze od momentu jego wynalezienia w 1960 r. przyprawia o zawrót głowy. Chociaż kod kreskowy jest starszy od lasera o 11 lat, to stosowanie skanowania światłem spójnym do odczytu informacji stało się złotym standardem. Oparte na laserze śledzenie położenia i skanowanie detekcyjne weszły również do stosowania w przemyśle. Niezależnie od tego, czy system projektowany będzie od zera, czy też rozbudowywany, bardzo prawdopodobne jest, że któreś z podejść do skanowania laserowego będzie odpowiednie dla większości zastosowań w produkcji przemysłowej lub śledzeniu położenia. Uwzględniając intensywny rozwój tej technologii, można z dużym prawdopodobieństwem uznać, że jeśli dokładna konfiguracja obecnie nie jest dostępna, to na horyzoncie pojawi się coś odpowiedniego.