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安全激光掃描儀在工業(yè)車輛防碰撞中的應(yīng)用

2021-10-16 05:31:16蘭婉玉劉冠伯韓晴晴
起重運輸機械 2021年17期
關(guān)鍵詞:掃描儀障礙物報警

蘭婉玉 劉冠伯 韓晴晴,3

1北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007 2北京市自動化物流裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100007 3機械工業(yè)物料搬運工程技術(shù)研究中心 北京 100007

0 引言

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展,工業(yè)車輛的使用數(shù)量不斷增加,近年來工業(yè)車輛安全事故起數(shù)居高不下,國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布《工業(yè)車輛安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》,要求工業(yè)車輛加裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)控系統(tǒng)),對工業(yè)車輛運行過程中的重要參數(shù)進行監(jiān)控,防止因安全事故造成的財產(chǎn)損失或人員傷亡。針對工業(yè)車輛的避障功能,可采用安全激光掃描儀(以下簡稱掃描儀)對車輛附近的障礙物進行檢測,將檢測到的信息實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng),發(fā)生異常時能夠及時做出應(yīng)對措施,減少碰撞事故的發(fā)生,提高行車安全。

1 安全激光掃描儀

掃描儀能根據(jù)作業(yè)需求對檢測區(qū)域進行自由配置[1],用于靜態(tài)和動態(tài)區(qū)域防護,通過集成的旋轉(zhuǎn)鏡對任意確定的檢測區(qū)域進行二維監(jiān)測,判斷是否存在障礙物以及所在區(qū)域,并實時將檢測結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中,監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果對工業(yè)車輛進行相應(yīng)的控制。掃描儀能適應(yīng)各種環(huán)境條件,應(yīng)用場所靈活廣泛。本文以SICK掃描儀為例,針對在工業(yè)車輛防碰撞中的應(yīng)用進行研究。

1.1 工作原理

掃描儀是光學傳感器,其工作原理主要是利用障礙物反射的光波進行探測[2],掃描儀內(nèi)部集成光波的發(fā)射和接收裝置,激光器發(fā)射出的激光遇到障礙物時,一部分光波會反射到接收器上,發(fā)射光束的同時運行電子秒表,根據(jù)發(fā)射和接收時間點的時間差Δt ,通過公式S(距離)=C(光速)·Δt/2,可計算出障礙物到掃描儀的距離。

此外,設(shè)備中有一面勻速旋轉(zhuǎn)鏡,使脈沖轉(zhuǎn)向分散在270°的扇形區(qū)域中,由此可識別270°以內(nèi)保護區(qū)域內(nèi)的物體,第1束掃描從-45°開始,設(shè)備以0.5°的角度分辨率發(fā)射激光,即可達到30~150 mm的分辨率;結(jié)合光束的角度和距離可得到障礙物的確切位置(見圖1)。掃描儀的主動掃描原理,不僅減少安裝工作量,還可輕松調(diào)整監(jiān)控區(qū)域。

圖1 安全激光掃描儀旋轉(zhuǎn)功能原理

1.2 檢測區(qū)域

如圖2所示,掃描儀的檢測區(qū)域包括1個保護區(qū)域和2個報警區(qū)域(報警區(qū)域2、報警區(qū)域3)。報警區(qū)域3內(nèi)出現(xiàn)障礙物時即啟動報警,提醒駕駛員注意有障礙物靠近;報警區(qū)域2內(nèi)出現(xiàn)障礙物時啟動報警,提醒駕駛員并啟動相應(yīng)是措施(如減速);保護區(qū)域1內(nèi)出現(xiàn)障礙物時啟動危機干預(yù)措施,關(guān)閉發(fā)動機停止設(shè)備運行。保護和報警區(qū)域可靈活根據(jù)現(xiàn)場條件進行自由劃定。

圖2 安全型掃描儀的3個防護區(qū)域

1.3 設(shè)備優(yōu)點

現(xiàn)有的掃描儀完全能滿足工業(yè)車輛防碰撞的檢測需求,其優(yōu)點有:測量距離可達9 m、角分辨率高達0.5°、測量角度范圍最大為270°、響應(yīng)時間達80 ms,且抗干擾能力強,結(jié)構(gòu)簡單小巧;通過眩目和顆粒算法提升灰塵和顆粒公差,減少粉塵對檢測的干擾,能在較惡劣環(huán)境下正常工作;掃描儀為非接觸式防護,不需要通過作用力進行檢測,避免因碰撞造成保護裝置的損壞,減少停機與設(shè)備保養(yǎng)的時間;采用標準的通信接口,能快速集成到應(yīng)用中;保護和報警區(qū)域可自由根據(jù)現(xiàn)場條件進行劃定,當環(huán)境條件改變時可通過軟件快速調(diào)整掃描儀的檢測區(qū)域,準確、高效地完成檢測任務(wù);使用單個掃描儀出現(xiàn)檢測盲區(qū)時,還能按照主從結(jié)構(gòu)串聯(lián)1~4臺掃描儀,實現(xiàn)全方位的檢測。

1.4 設(shè)備缺點

掃描儀具備眾多優(yōu)點的同時也存在缺點:使用時光路必須始終保持通常,不得被透明物遮擋(如防護玻璃、透鏡等);不適用于含有煙氣、霧氣、粉塵及其他空雜質(zhì)較多的環(huán)境,設(shè)備易出現(xiàn)錯誤關(guān)閉;超出最大檢測距離即檢測無效,檢測數(shù)值始終為0;發(fā)射的激光對人眼有害,使用過程中要避免出現(xiàn)激光直射人眼的情況;設(shè)備價格較昂貴;測量方式為點測量,進行面測量時需要對數(shù)據(jù)處理的算法進行編程,難度較高且不能實現(xiàn)三維測量。

2 安全激光掃描儀的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用場所

工業(yè)車輛多在環(huán)境復雜多變的庫區(qū)和廠房中作業(yè),運行通道附近時常會出現(xiàn)工作人員走動或貨物堆放的狀況,極易發(fā)生碰撞事故,不僅存在安全隱患,也影響作業(yè)效率。掃描儀具有自由劃分檢測區(qū)域的特性,非常適用于作業(yè)復雜多變的環(huán)境,可廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的防碰撞功能。

1)穿梭車

在高密度物流倉儲中的貨物搬運,貨架間的貨物搬運設(shè)備大多數(shù)采用穿梭車,巷道兩側(cè)存在密集的貨架和貨物,避障設(shè)備對物體進行檢測時,易將兩側(cè)的貨架和貨物判定為障礙物,混淆檢測結(jié)果,造成不必要的干擾。通過掃描儀的區(qū)域自由劃定功能,僅將巷道內(nèi)的區(qū)域設(shè)定為檢測區(qū)域,就能避免此類情況的發(fā)生,保證作業(yè)效率,見圖3。

圖3 穿梭車避障中的應(yīng)用

2)叉車

叉車是一個流動的物流搬運設(shè)備,其工作環(huán)境包括室內(nèi)和室外,沒有特定的運行通道,環(huán)境非常復雜多變,有時還會處于人車混雜的空間內(nèi)作業(yè),叉車行駛速度較快且體積較大,運行中的安全取決于駕駛員的即時操作,駕駛技能的要求和相應(yīng)的管理制度并不能完全避免事故的發(fā)生,仍存在大量因視覺盲區(qū)、疲勞、超速、轉(zhuǎn)向等導致的剮蹭、碰撞等事故發(fā)生,不僅帶來經(jīng)濟損失,甚至還有人身傷害。使用掃描儀檢測叉車周圍障礙物的狀況,再通過車輛監(jiān)控系統(tǒng)及時對駕駛員發(fā)出警示或緊急停車控制,能有效避免客觀因素導致的碰撞事故。

3)搬運機器人

搬運機器人的制造成本很高,安全性是其設(shè)計的重中之重。多輛小車在同一片區(qū)域運行過程中,避障和導航都需要實時獲取周圍的環(huán)境信息,其避障設(shè)計分為2類:一是接觸式,常用接觸類傳感器(壓電傳感器,機械開關(guān)等),但其結(jié)構(gòu)復雜安裝不便;二是非接觸式,常用非接觸類傳感器,不僅能避免直接接觸造成的損壞,測量范圍也很廣泛。

現(xiàn)有的搬運機器人更傾向于使用非接觸式避障方式。發(fā)生相遇情況時,掃描儀將檢測信息傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng),按照優(yōu)先級別對搬運車下達安全避讓或停止運行指令,防止發(fā)生相互碰撞導致作業(yè)流程停止和小車損壞,安全可靠的避障方式可降低運行成本,提高作業(yè)效率。

2.2 應(yīng)用方法

1)硬件安裝

將掃描儀安裝在工業(yè)車輛的車尾或車頂,270°檢測范圍能完全涵蓋操作人員的視覺盲區(qū)。若采用常見的磁吸式安裝方式,磁鐵與掃描儀的激光束旋轉(zhuǎn)頭距離不宜過近,否則會產(chǎn)生干擾。特殊的型號或安裝位置需要設(shè)置相應(yīng)的機架進行固定,以免受到過度沖擊和振動影響。工作環(huán)境較惡劣時,應(yīng)做好防塵措施,避免粉塵附著過多影響激光的發(fā)射與接收,從而降低檢測的準確度。此外,防護措施本身要透光性好,不得阻擋激光的收發(fā)。掃描儀固定安裝完成后,按照使用手冊的說明完成電氣連接,再通過軟件對其參數(shù)和檢測區(qū)域進行相應(yīng)的設(shè)定即可[3]。

2)設(shè)備配置

通過USB端口或Ethernet與PC端進行連接,啟動SICK專用的Safety Designer軟件。在Configuration目錄下,首先定義設(shè)備的IP、項目信息、分辨率和采樣時間等個性化參數(shù)的設(shè)置。其次,在Fields中使用Field set區(qū)域的工具快速對檢測區(qū)域進行設(shè)置,繪制檢測區(qū)域范圍,并設(shè)定各個區(qū)域的保護類型。然后,對可編程邏輯控制器通信方式和監(jiān)控事件等進行定義。最后,以測試模式啟動設(shè)備,檢查當前配置對實際應(yīng)用的適應(yīng)性,檢查生成檢驗報告無誤后,將設(shè)定配置下載到掃描儀中,完成掃描儀的配置,如圖4所示。掃描儀能設(shè)置多個可切換的區(qū)域組,作業(yè)環(huán)境發(fā)生改變時,只需在軟件中重新配置并更新下載到掃描儀中即可,快速便捷。

圖4 掃描儀配置頁面

除了能將設(shè)定的配置下載到掃描儀中,還能導出其原有的設(shè)備信息。設(shè)備連接成功后,在設(shè)備概況中可查看項目和設(shè)備信息、顯示狀態(tài)等,設(shè)備配置由Upload導入至Safety Designer,可逐項對其信息進行瀏覽,任務(wù)和附注也可在頁腳中查看。如改動不大,可根據(jù)實際需求在其原有的信息上進行更改并重新下載,大大減少配置時間。

2.3 應(yīng)用結(jié)果

工業(yè)車輛在運行過程中,掃描儀將檢測信號實時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中,當掃描儀感應(yīng)到報警區(qū)域3有物體時IO2口輸出中斷,報警指示燈閃爍;報警區(qū)域2中有物體時IO1口輸出中斷,報警指示燈閃爍并降低運行速度;保護區(qū)域1中有物體時則將開關(guān)量輸出(OSSD)切換到關(guān)機狀態(tài),報警指示燈閃爍,并關(guān)閉驅(qū)動裝置停止運行;另外,可根據(jù)實際情況通過監(jiān)控系統(tǒng)增加其他報警方式。掃描儀的2個警示區(qū)域和1個保護區(qū)域可確保所有的保護區(qū)域和充分的反應(yīng)時間,能準確地做出報警預(yù)測,并根據(jù)危險情況做出相應(yīng)反饋[4],既能避免發(fā)生碰撞事故,還能防止非必要停機而降低作業(yè)效率和減少車輛急停對制動裝置造成的磨損。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)自動化的高度發(fā)展,監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)車輛中的應(yīng)用將愈加普及,防碰撞更是監(jiān)控系統(tǒng)重中之重的一部分。掃描儀具備自由劃定檢測區(qū)域且配置簡單靈活的特點,能夠快速適應(yīng)各種復雜多變的作業(yè)環(huán)境,非常適合與各種應(yīng)用進行集成,將會成為工業(yè)車輛檢測障礙物的重要手段,應(yīng)用前景十分廣闊。

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