周 松 楊黎明 萬 杰

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

光作為一種自然現(xiàn)象在人們生活中隨處可見，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對光的認識和利用程度不斷地加深，光對人民的生活和發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。光不僅可以照明，還可以用來傳遞信息，人們對光的利用正朝著高科技的方向的發(fā)展。激光具有良好的單色性、方向性和垂直性，且光束發(fā)散角小，普通光源是全方位的光，而激光則是單一方向傳播的光，方向性好，功率密度高。激光能輸出高功率，其光束很細。激光雷達是堆垛機防撞系統(tǒng)種的重要組成部分，它可以對障礙物進行實時檢測，并將檢測信息傳遞給PLC，然后PLC對堆垛機做出反應(yīng)。由于激光雷達裝置攜帶方便，使用簡單，效率高，可靠性好，在防撞方面的應(yīng)用比較普遍。

1 激光雷達原理及應(yīng)用

激光雷達具有強大的抗干擾能力，甚至可應(yīng)用于霧天環(huán)境，又因其本身具有加熱功能，所以對于堆垛機在冷庫中的防撞很有重大意義，而且可以全天候工作。但是，目前激光雷達對障礙物的檢測和識別還不夠完善，且多線激光雷達成本昂貴，應(yīng)用條件受限。因此，本文主要探討單線激光雷達在堆垛機防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用，而要完成激光雷達的選擇，既要考慮經(jīng)濟問題，也要考慮環(huán)境和安裝的問題，才能選擇出適合的雷達。

1.1 激光雷達原理

如圖1所示，激光雷達主要由發(fā)射器、分光器、接收器和反射鏡等組成。其中，發(fā)射器主要由各種新式的激光器組成，即能產(chǎn)生激光的自激振蕩器。接收器主要由光電轉(zhuǎn)換器、整形、放大、濾波電路等組成，其作用是消除噪聲信號，將反射回來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。分光器的作用是將所需的共振吸收線分離處理。激光雷達是指以激光器作為輻射源，通過發(fā)射器作為向目標發(fā)射一束激光信號，該信號經(jīng)過目標折射回來，返回信號被接收器經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，可以經(jīng)過回波信號的延時、強度等參數(shù)來確定障礙物的距離和位置等。激光雷達就是為了探測目標而存在的，廣泛應(yīng)用于防撞系統(tǒng)中。

圖1 激光雷達組成圖

1.2 激光雷達選型

按線數(shù)主要分為單線激光雷達和多線激光雷達。單線激光雷達主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快，可靠性高。由于單線激光雷達比多線激光雷達在角頻率和靈敏度反應(yīng)更快捷，所以在測試周圍障礙物的距離和精度上都更精確。但是，單線激光雷達只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定的局限性。多線激光雷達主要用于汽車的雷達成像，相比單線激光雷達在維度提升和場景還原有質(zhì)的改變，可識別物體的高度信息。多線激光雷達常規(guī)是2.5D，甚至可以做到3D。目前市場上推出了4線、8線、16線、32線和64線，但價格較昂貴，設(shè)備質(zhì)量和功耗都很大，成像速度慢，不適用于堆垛機防撞系統(tǒng)。

按照激光發(fā)射波主要分為連續(xù)型激光雷達和脈沖型激光雷達。其中，連續(xù)激光是一直有光發(fā)出，就像打開手電筒的開關(guān)，它的光為常亮狀態(tài)。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測高度，進行某個高度下的數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點，某時個刻只能采集到一個點的數(shù)據(jù)。脈沖激光輸出的激光為閃爍光，而非連續(xù)發(fā)光。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬個的激光粒子，根據(jù)國際通用的多普勒原理，根據(jù)這幾萬個激光粒子的反射情況來綜合評價某個高度的風況，是一個立體的概念，故有探測長度的理論，防撞雷達大多采用脈沖型激光雷達。

本文所述激光雷達在堆垛機系統(tǒng)中的應(yīng)用環(huán)境較簡單，根據(jù)上述情況對比雷達的各種信號，選用德國西克激光雷達（見圖2），具體技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 激光雷達

表1 LMS111參數(shù)信息表

2 設(shè)備調(diào)試

如圖3所示，激光雷達有4個端口，其中端口1是電源連接公頭，端口2是串口連接線8針公頭，端口3是I/O連接8針公頭，端口4是以太網(wǎng)公接頭。圖4為電源公頭圖，其中針腳1接電源24VDC正極，針腳2接24VDC加熱器正極，針腳3接24VDC電源負極，針腳4未定義，針腳5接24VDC電源正極。圖5為串口連接線8針公頭，其中針腳 1接RS232 主串口接收端，針腳2接RS232 主串口發(fā)送段，針腳3接CAN 總線高信號端，針腳4接CAN 總線低信號端，針腳5接RS232/CAN 總線信號地端，針腳6接數(shù)字量輸入1，針腳 7接數(shù)字量輸入2，針腳 8接數(shù)字量輸入信號地。圖6為I/O連接8針母頭，其中針腳1接編碼器輸入1，針腳2接編碼器輸入2，針腳3接編碼器信號地，針腳4接數(shù)字量輸出1，針腳5接數(shù)字量輸出2，針腳6接數(shù)字量輸出3，針腳7接數(shù)字量輸出1～3連接信號線B，針腳8接數(shù)字量輸出電阻監(jiān)控信號線。圖7是以太網(wǎng)母接頭，其中針腳1接以太網(wǎng)接口TX+，針腳2接以太網(wǎng)接口RX+，針腳3接以太網(wǎng)接口 TX-，針腳4接以太網(wǎng)接口RX-。

圖3 激光雷達端口圖

圖4 電源公頭圖

圖5 串口連接線8陣公頭

圖6 I/O連接8針母頭

圖7 以太網(wǎng)母接頭

2.1 數(shù)字量輸出信號選擇

如圖8所示，左側(cè)為LMS輸出，此方式為源型輸入，高電平有效。其中OUT1 B為I/O連接8針公頭電纜的4號針腳，接入電源24VDC，OUT1 R表示數(shù)字量輸出電阻監(jiān)控信號線，接入電源24M，OUT1 A為I/O連接8針公頭電纜的4號針腳，表示數(shù)字量輸出1。當雷達沒有檢測到障礙物時，此時雷達會給PLC一個高電平的輸入點，當雷達檢測到障礙物時，這個輸入點會變?yōu)榈碗娖?，即可以這個輸入點來判斷激光雷達是否檢測到障礙物。本文選擇的是西門子PLC，為源型輸入，故選擇此接線圖。

圖8 源型輸出信號接線圖

如圖9所示，左側(cè)為LMS輸出，此方式為漏型輸入，低電平有效。需要PLC公共端接入24VDC，數(shù)字量輸出1連接信號線 OUT1 B 接入 24V 負極或地電位。該接線方式如果用于驅(qū)動外部負載，如指示燈、繼電器等，則需將 24V 正極接入負載一側(cè)，負載另一側(cè)接入 OUT1 A，OUT1 B 接入 24V 負極。 當激光雷達沒檢測到障礙物時，激光雷達給PLC輸入為低電平，當激光雷達檢測到障礙物時，激光雷達輸入為高電平。

圖9 漏型輸出信號接線圖

2.2 防護區(qū)域繪制

LMS111調(diào)試軟件用的是SOPAS，首先將電腦的IP地址設(shè)置和默認的IP地址在同一個網(wǎng)段，設(shè)置完畢以后打開SOPAS軟件，搜索設(shè)備并將其打開，待設(shè)備在線后再設(shè)置防護區(qū)域。在繪制圖形時，應(yīng)考慮環(huán)境、防護距離等要素，因為激光雷達安裝于在巷道中運行的堆垛機上，所以繪制矩形比較合適。當激光雷達檢測到障礙物時，堆垛機應(yīng)停在障礙物前面，所以設(shè)置探測距離大于堆垛機最大速度時的減速距離，且橫向檢測距離小于巷道寬度等。雙擊打開Monitor,將探測距離設(shè)置為6 m，橫向距離設(shè)置為20 cm（見圖10），經(jīng)過實驗，繪制成矩形完全可行。

圖10 防護區(qū)域圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

如圖11所示，雙擊Parameter，再打開Data processing進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)有2個返回通道，當返回第一個脈沖候，通過第一個通道返回，而第二通道返回的是第二個脈沖，此時選擇開啟一個通道即可。當數(shù)據(jù)為8位時，為0～255；數(shù)據(jù)為16為時，返回的分辨率提高，為0～65 635；數(shù)據(jù)16位時的精度高。角度的選擇要考慮巷道的情況，所以對于堆垛機來說，角度選擇0°～180°即可，掃描角度范圍太大容易誤探，降低堆垛機的效率。

圖11 數(shù)據(jù)選擇圖

2.4 防撞流程

當激光雷達設(shè)置完畢后，需要進行防撞測試，具體流程如圖12所示。將障礙物放入到巷道中，在正常情況下，當激光雷達在防護區(qū)域內(nèi)未檢測到障礙物時，激光雷達會輸出高電平作為PLC的輸入，堆垛機正常行駛。當激光雷達在防護區(qū)域內(nèi)檢測到障礙物時，激光雷達會輸出低電平給PLC，PLC通過檢測輸入點電壓高點判斷是否檢測到障礙物,從而判斷堆垛機是否停車。需要注意的是，在巷道盡頭會因墻的存在而導致誤探測，所以將激光雷達的探測加入限制，使其在巷道末不檢測障礙物。

圖12 防撞流程圖

3 遇到的問題及解決方法

1）在測試過程中，經(jīng)常會遇到誤探情況，導致堆垛機停車報警，影響效率。為此，在繪制防護區(qū)域時可能將圖形繪制過大，超出巷道的寬度，此時應(yīng)將防護區(qū)域縮小，減少誤探情況。另外，堆垛機在運行過程中因某個物體反光引起誤探，此時可在程序中加入適當?shù)难訒r（如0.5 s等），這樣就會避免誤探的發(fā)生。

2）由于激光雷達自帶加熱功能，在冷庫中使用激光雷達時經(jīng)常會因斷電導致激光雷達報警。為此，如果長時間斷電，會導致激光雷達溫度下降而報警，所以通電后讓激光雷達自加熱一段時間，待其溫度上升后將激光雷達重啟即可解除報警。

4 結(jié)束語

當障礙物放在堆垛機巷道中，可利用上位機給堆垛機發(fā)送一個任務(wù)來檢測雷達的效果。結(jié)果表明，當障礙物未在雷達探測范圍內(nèi)時，堆垛機照常運行。當雷達剛探測到障礙物時，堆垛機開始減速停車，且可停在障礙物的前面，未撞到障礙物。實驗表明，將激光雷達應(yīng)用于堆垛機防撞系統(tǒng)中是完全可行的。隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，研究使得激光雷達正朝著高分辨率、高靈敏度、抗干擾、微型化、低成本的方向發(fā)展，相信在不久的未來，激光雷達將應(yīng)用于生活的各個方面。