Sammenligning av bruksområder for laserscannere

Lasere – et akronym for lysforsterkning ved stimulert utslipp av stråling (light amplifying by stimulated emission of radiation) – er elektronikk som avgir én eller flere stråler av koherent lys. Koherent indikerer elektromagnetiske bølger med identisk frekvens og bølgeform og konstant faseforskjell. Lasere kan brukes til følgende:

• Skjæring, etsning, sveising og snitting – for eksempel i presisjonsgravering, boring, halvleder-etterbehandling, mekanisk overflatebehandling og (innen det medisinske feltet) LASIK-øyekirurgi
• Avbildning og projisering – for eksempel i holografikk, konfokalmikroskopi, undersøkelser med høy definisjon (for opprettelse av punktskyer), laserspektroskopi
• Dataoverføring – for eksempel i strekkodelesere og fiberoptikk- og DVD-teknologier
• Posisjonering – for eksempel i sikkerhetssystemer for arbeidsceller, 3D-utskrift og LiDAR-systemer (light detection and ranging)

Laserskanning – bruken av buede eller avbøyde laserstrålematriser – er kjernen i mange av disse bruksområdene. Denne artikkelen vil ta for seg flere bruksområder med laserskanning, som er de mest vanlige innen industriell automatisering.

I sin enkleste utførelse genereres et lasersignal som en punktkilde, og blir deretter buet gjennom en aktiv vinkel ved hjelp av refleksjon av et nøyaktig regulert internt speil. En intern lysdetektor avleser det reflekterte signalet. Fordi laserstrålens projeksjonsvinkel og flyvetid (ToF – time-of-flight) er kjent, kan scannerens elektronikk bruke de returnerte signalene til å lage et detaljert kart over strukturer innenfor scannerområdet.

Det er et enkelt konsept, men det var en rekke utviklingsutfordringer som måtte løses for å bringe laserskanningsteknologi til den virkelige verden. Noen av de mer stimulerende utfordringene var variasjoner i omgivelseslys, plattformbevegelse, kalibrering av lyskilder for å oppnå jevne utgangsverdier og motstandsdyktighet mot støv og smuss som vanligvis finnes i industrielle miljøer.

Det er funnet løsninger på disse tekniske utfordringene; og nå er noen av de mest sofistikerte installasjonene de vi finner i autonome bakkekjøretøyer (AGV – automomous ground vehicles) som bruker 3D-scanninger over et område på 360 grader. I dag er det også vanlig å se selvjusterende laserscannere for bruk i konstruksjon for presisjonshenging av gipsplater eller gulvnivåjustering. Et annet bruksområde for laserscannere er landmåling av gjennomfarter, som gjør det enklere for sivilingeniører å planlegge veihellinger og -stigninger ned til en oppløsning på noe få millimeter. Dette er eksempler på spesialbygde laserskanningsenheter for spesialiserte funksjoner – selv om det er på fabrikkgulvet allsidigheten til laserscannere virkelig kommer til nytte.

Laserscannere for industriell sikkerhet

La oss ta for oss et viktig bruksområde for laserscannere innen automatisering – beskyttelse av farlige arbeidsceller. I grunnleggende installasjoner kan en laserscanner plasseres i en fast posisjon mens laseren skanner på tvers av et enkelt plan. Slike scannere er lysgardiner som fungerer som sikkerhetsovervåkingssystemer. Et lysgardin er plassert slik at den verner en bestemt del med potensielt farlig utstyr – og den overvåker eventuelle avbrudd i lysstrålen. Som respons på et avbrudd, bremses eller stanses det kritiske utstyret eller et alarmsignal leveres.

Scanneren må være plassert og strålegeometrien konsistent med muligheten til å overvåke alle potensielle inngangspunkter for en operatør. Som antydet av responsmodusene nevnt ovenfor, brukes en scanner ofte sammen med annet sikkerhetsutstyr (verneutstyr, alarmer og avstengningsbrytere) for å sikre at ingen operatører kommer til skade når de nærmer seg utstyret.

Før optisk skanningsteknologi eksisterte, ble mekaniske forriglinger benyttet til å beskytte farlige arbeidsceller. Under vedlikehold ville strømmen til arbeidscellen deaktiveres, og prosedyrer for lockout-tagout ville være på plass. Mennesker er notorisk upålitelige, og folk har en tendens til å omgå sikkerhetstiltak. Optiske forriglinger er mer pålitelige – spesielt sammen med en hard nullstilling eller et to-operatørpanel for å sikre at én enkelt operatør ikke kan initiere en omstart. Les mer om dette i DigiKey-artikkelen «Sikkerhetslaserscannere for å beskytte menneskelige operatører».

Figur 1: Denne sikkerhetslaserscanneren i SX5-serien gjør det mulig for OEM-produsenter (original equipment manufacturer) eller sluttbrukere å definere opptil seks sikkerhetssoner og to advarselssoner ved å bruke en datamaskin. (Bildekilde: Banner)

Merknad om flyvetid-teknologier (ToF – Time of Flight): Bruken av ToF muliggjør nøyaktig kartlegging av plasseringen til objekter basert på polare koordinater, som er lysstrålens vinkel og avstand til et objekt i området som observeres. Denne informasjonen kan brukes til å lage et soneoppdelt kart over scannerens observerbare område. Dette er kritisk når vi vurderer neste spesialtilfelle som innebærer å jobbe med samarbeidssroboter (cobot).

Samarbeidsroboter er utviklet for å jobbe side ved side med menneskelige operatører i samarbeidsaktiviteter. Dette krever nærhet og kontroll av risiko. En scanner som er programmert med et kart over arbeidsområdet kan styre tillatte bevegelser av samarbeidsroboten, avhengig av hvor de befinner seg og bevegelsene til kollegaen. Dette er et ganske nytt vekstområde innen både robotikk- og scannermarkedet, så nye bruksområder er under stadig utvikling.

Laserscannere for AGV-er og lokaliseringsoppgaver

Nå skal du vurdere fordelene og ulempene med lysdeteksjon og måling (LiDAR) basert på laserscannere som bruker ToF på en bevegelig plattform. Slike systemer brukes i autonome bakkekjøretøyer (AGV), og de er avhengige av interne kart over AGV-plasseringen, slik at alle objektdeteksjonene har kontekst. Denne egenskapen kalles samtidig lokalisering og kartlegging eller SLAM (simultaneous localization and mapping). Dette øker systemets kompleksitet fordi feil under posisjonslokalisering påvirker direkte kartlagt posisjon av hindringer eller mål. Bruk av lokale transpondere, læringsprogrammering eller innebygde gulvspor hjelper til med å lindre dette problemet.

Figur 2: Dette er en 270° SEL-H05LPC sikkerhetslaserscanner for bruk i AGV-er, gaffeltrucker, roboter og annet bevegelig utstyr som er å finne i industrianlegg. (Bildekilde: IDEC)

Skanningsteknologier er gjenstand for endringer i signal-til-støy-forholdet (SNR – signal-to-noise ratio) basert på endringer i omgivende lys. Det verste utfallet er fullt sollys, der lyset kan være flere størrelsesordener større enn skanningsbelysningen. Det er flere mulige løsninger tilgjengelig, deriblant modulering av kilden, strukturert skanning og bruk av smale frekvenser kombinert med filtrering. Heldigvis benyttes AGV-er stort sett i lysregulerte lagre, som ikke trenger disse teknikkene. For kjøretøyer som er beregnet for utendørsdrift, utføres det for øyeblikket intense studier og forskning for å finne løsninger.

Laserscannere er per definisjon siktlinje-enheter. Dette betyr at de er begrenset til synsfeltet rett foran dem. Hvis de er vendt mot en rad av søyler, vil scanneren kun se den første søylen i raden. Det er nødvendig med en perspektivendring for at scanneren skal være i stand til å detektere flere søyler, forutsatt at de er innenfor rekkevidde.

LiDAR på mobile kjøretøyer kan være verdifullt – spesielt når LiDAR kombineres med andre sensorer for å respondere på sanntidsendringer i lageromgivelser. Her bidrar LiDAR til med å øke leveringshastigheten, redusere personellbehovet og minimere ulykker.

Det å velge de riktige skannefunksjonene i et LiDAR-system omfatter å spesifisere det lineære området, vinkelskanningsvinduet og både den lineære oppløsningen og vinkeloppløsningen for disse målingene. Båndbredde eller oppdateringshastighet er et annet viktig element, da dette kan begrense driftshastigheten til AGV-en. Det siste, men likevel viktige punktet er at strømforbruket vil angi tiden mellom ladinger og også antall enheter som kan distribueres til enhver tid.

Mange AGV-er på markedet i dag bruker LiDAR til å navigere i fabrikken eller de automatiserte lageromgivelsene. (Bildekilde: Gettyimages)

Elektriske og mekaniske hensyn som må tas vedrørende LiDAR i AGV-er

LiDAR fortsetter å utvikle seg, og denne utviklingen drives hovedsakelig av det autonome kjøretøymarkedet. Derfor er det et bredt spekter av muligheter, funksjoner og prispunkter. Det betyr også at det ikke ennå har kommet noen standarder for montering eller konnektivitet. Når du vurderer AGV-er for et gitt bruksområde, vil prosessen bestå av å matche eksisterende tilbud til systemkravene, og derfra spesifisere den fysiske strukturen. Flere selskaper utfører systemteknikk, og de tilbyr ferdiglagede eller egendefinerbare LiDAR-systemer. Avhengig av kravene, kan en forhåndskonstruert løsning kun være et utgangspunkt for en mer optimalisert løsning.

National Institute of Standards and Technology (NIST) har tatt på seg en lederrolle når det kommer til å etablere sikkerhetsstandarder for AGV-er. For tiden er disse hovedsakelig fokusert på problemene relatert til kollisjoner, deriblant:

• Sammentrykkbare støtfangere: Intensjonen for hovedsakelig eldre modeller er at støtfangere vil inkludere kraftføling, og at de vil initiere en stans når de treffer en hindring, noe som begrenser kraften ved kontakt.
• Berøringsfrie metoder: Moderne AGV-er forventes å detektere objekter og stanse uten å forårsake en kollisjon. Testformer som er en tilnærming av den menneskelige formen har blitt brukt, men mer menneskelignende former og stillinger er foreslått for fremtidig testing.
• Plutselige hindringer: Det uventede utseendet til en hindring i sikkerhetssonen. AGV-en forventes å iverksette en nødstans, men det forventes ikke at kollisjonen unngås.
• Forventning om nære hindringer: Disse hindringene inkluderer utstyr eller personer i nærheten av AGV-kjørebanen. Forventningen er at det vil utpekes soner for sakte fart, der det er mindre enn 0,5 m klaring fra AGV-kjørebanen.

I påvente av fremtidig AGV-bruk, jobber de også med sikkerhetsstandarder for roboter for å begynne utviklingen av testmetoder som involverer bruk av en robotarm festet til en AGV-innfatning.

En av de dominerende trendene innen LiDAR er presset om å redusere størrelse, vekt og kostnader for LiDAR, uten å ofre ytelsen. Det har blitt gjort fremskritt det siste tiåret, og disse egenskapene har blitt redusert med en størrelsesorden. Som nevnt tidligere, får samtidig lokalisering og kartlegging (SLAM) mer oppmerksomhet. Den idealiserte løsningen vil gjøre det mulig for en AGV å begynne fra hvor som helst og deretter utvikle sitt eget interne kart over omgivelsene den opererer i. En slik operasjon er avhengig av at LiDAR integreres med andre sensortyper, for eksempel GPS, hjulhastighetssensorer og kameraer.

Laserscannere for datakommunikasjon

Konseptet for en lineær strekkodeleser er enkelt: En kombinasjon av linjer og mellomrom skaper en slags morsekode som kan avleses direkte ved å gjøre følgende:

• Måle lys fra leseren når det reflekteres tilbake av strekkoden
• Måle omgivelseslyset når det reflekteres tilbake

Det er ni varianter av lineære strekkoder som brukes regelmessig på globalt basis, avhengig av bruksområdet. Selv om laserscannere er normen for strekkodeskanning, trenger ikke strekkoder nødvendigvis nøyaktigheten til en laserlyskilde. Visse unntak er angitt nedenfor. I de fleste tilfeller utføres avlesing og oversettelse av strekkodeinnholdet i leseren. Strekkodeleseren overfører vanligvis avkodede verdier direkte til en database.

Noen få bruksområder krever den høye oppløsning til en strekkodelaser. De standard strekkodestripene holdes til en smalere fysisk standard på steder med plassbegrensninger. Dette krever en leser med høy oppløsning, og laserscannere håndterer dette på strak arm. En lignende situasjon eksisterer når strekkoden befinner seg lenger borte (for eksempel på hyllen på et lager), noe som effektivt reduserer kodenes vinkelstørrelse.

Noen ganger er ikke omgivelseslys nok til å sikre god kontrast mellom stolpene og mellomrommene. I dette tilfellet er en kjent lyskilde, for eksempel en laser, godt egnet til å lyse opp koden og gjøre den lett lesbar.

Til og med forbrukere som ofte besøker dagligvarebutikker er kjent med håndholdte strekkodelesere i kasser med selvbetjening. Fordi strekkodeskanninger kan presenteres i et uendelig antall vinkler, må lesere i disse omgivelsene produsere en tett matrise med kryssende laserskanningslinjer. Dette sørger for at minst én av skannelinjene fanger opp hele koden, uansett hvordan strekkoden presenteres til leseren.

Figur 4: Dette MIKROE-2913-strekkodeleserkortet kan avlese 1D- og 2D-strekkoder som følger forskjellige protokoller. Det inkluderer en mikro-USB-port, slik at det kan fungere som enten en frittstående enhet eller sammen med andre kort. (Bildekilde: MikroElektronika)

Strekkode 2D-scannere: Todimensjonale (2D) koder skiller seg fra de lineære kodene som er nevnt ovenfor. De har vokst i popularitet takket være deres høye informasjonstetthet, feilsjekking og lesbarhet, til og med når de er skadet. Kompleksiteten til 2D-strekkoder betyr at de ikke er egnet for bruk med laserscannere, og de er avhengige av kameraer for å avkodes. Det er fire typer 2D-strekkoder som er mye brukt, men de fleste forbrukere vil være best kjent med quick-response (QR)-koden, som enkelt kan avleses av de fleste smarttelefoner.

Når maskinbyggere og sluttbrukere vurderer ulike strekkode- og leseralternativer, er det tre hovedaspekter som må vurderes:

1. Hvor skal scanneren/leseren brukes? Er den for inventar på et lager, sporing av produksjonsdeler på en produksjonslinje eller for bruk på et salgsstedet?
2. Hvor mye data er nødvendig og hva er den fysiske plassen som er tilgjengelig for strekkoden på varen?
3. På hvilken overflate vil strekkoden skrives ut – og hvilken utskriftsoppløsning er denne overflaten i stand til å håndtere?

Når disse tre spørsmålene er besvart, er det antakelig en rekke potensielle alternativer å velge mellom.

Figur 5: Denne Code Reader 950 (CR950)-strekkodelaserscanneren fra Brady Corporation har en bildesensor med bredt område, noe som gir enklere skanning. Resultatet er rundtstrålende avlesning av 1D- og 2D-strekkoder – til og med strekkodene på skinnende overflater. (Bildekilder: Brady Corporation)

Andre leser- og kamerabaserte alternativer: De fleste varianter av strekkodelesere er dekket ovenfor. Det er verdt å nevne at noen strekkodelesere vil bruke en lang rad med lysdioder til å belyse koden sammen med en samsvarende rad med ladningskoblede halvlederelementer (CCD) som vil detektere det reflekterte lyset. Disse kalles lysdiode (LED)-lesere.

Det er også kamerasystemer som er spesialkonstruert og -konfigurert for effektiv og rask avlesing av 2D-koder.

Konklusjon om bruksområder for laserscannere

Spredningen av laserbaserte enheter og bruksområder siden oppfinnelsen av laseren i 1960, har vært ufattelig. Selv om strekkoden kom 11 år før laseren, har bruken av koherent lysskanning til å lese informasjon blitt gullstandarden. Laserbasert posisjonssporing og deteksjonsskanning har også blitt foretrukkede løsninger i industrielle omgivelser. Enten du utvikler et system fra bunnen av eller endrer en eksisterende prosess, er det en god sjanse for at en eller annen variasjon av en laserskanningstilnærming er verdifull for de fleste industrielle produksjons- eller sporingsinstallasjoner. Tatt i betraktning hvor langt teknologien har kommet, er sjansene gode for at, hvis den nøyaktige konfigurasjonen ikke er tilgjengelig i dag, en god løsning vil bli tilgjengelig i nær fremtid.