安全激光掃描儀在工業(yè)車輛防碰撞中的應(yīng)用

蘭婉玉 劉冠伯 韓晴晴，3

1北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007 2北京市自動(dòng)化物流裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100007 3機(jī)械工業(yè)物料搬運(yùn)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(lái)工業(yè)車輛安全事故起數(shù)居高不下，國(guó)家市場(chǎng)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(jiǎn)稱監(jiān)控系統(tǒng)），對(duì)工業(yè)車輛運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，防止因安全事故造成的財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡。針對(duì)工業(yè)車輛的避障功能，可采用安全激光掃描儀（以下簡(jiǎn)稱掃描儀）對(duì)車輛附近的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)做出應(yīng)對(duì)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(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行自由配置[1]，用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)區(qū)域防護(hù)，通過(guò)集成的旋轉(zhuǎn)鏡對(duì)任意確定的檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行二維監(jiān)測(cè)，判斷是否存在障礙物以及所在區(qū)域，并實(shí)時(shí)將檢測(cè)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(cè)結(jié)果對(duì)工業(yè)車輛進(jìn)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(chǎng)所靈活廣泛。本文以SICK掃描儀為例，針對(duì)在工業(yè)車輛防碰撞中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1.1 工作原理

掃描儀是光學(xué)傳感器，其工作原理主要是利用障礙物反射的光波進(jìn)行探測(cè)[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(shí)，一部分光波會(huì)反射到接收器上，發(fā)射光束的同時(shí)運(yùn)行電子秒表，根據(jù)發(fā)射和接收時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間差Δt ，通過(guò)公式S（距離）＝C（光速）·Δt/2，可計(jì)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(shí)別270°以內(nèi)保護(hù)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(dá)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(dòng)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(cè)區(qū)域

如圖2所示，掃描儀的檢測(cè)區(qū)域包括1個(gè)保護(hù)區(qū)域和2個(gè)報(bào)警區(qū)域（報(bào)警區(qū)域2、報(bào)警區(qū)域3）。報(bào)警區(qū)域3內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)即啟動(dòng)報(bào)警，提醒駕駛員注意有障礙物靠近；報(bào)警區(qū)域2內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，提醒駕駛員并啟動(dòng)相應(yīng)是措施（如減速）；保護(hù)區(qū)域1內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)啟動(dòng)危機(jī)干預(yù)措施，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)停止設(shè)備運(yùn)行。保護(hù)和報(bào)警區(qū)域可靈活根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行自由劃定。

圖2 安全型掃描儀的3個(gè)防護(hù)區(qū)域

1.3 設(shè)備優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)有的掃描儀完全能滿足工業(yè)車輛防碰撞的檢測(cè)需求，其優(yōu)點(diǎn)有：測(cè)量距離可達(dá)9 m、角分辨率高達(dá)0.5°、測(cè)量角度范圍最大為270°、響應(yīng)時(shí)間達(dá)80 ms，且抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧；通過(guò)眩目和顆粒算法提升灰塵和顆粒公差，減少粉塵對(duì)檢測(cè)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(hù)，不需要通過(guò)作用力進(jìn)行檢測(cè)，避免因碰撞造成保護(hù)裝置的損壞，減少停機(jī)與設(shè)備保養(yǎng)的時(shí)間；采用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，能快速集成到應(yīng)用中；保護(hù)和報(bào)警區(qū)域可自由根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行劃定，當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)可通過(guò)軟件快速調(diào)整掃描儀的檢測(cè)區(qū)域，準(zhǔn)確、高效地完成檢測(cè)任務(wù)；使用單個(gè)掃描儀出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)時(shí)，還能按照主從結(jié)構(gòu)串聯(lián)1～4臺(tái)掃描儀，實(shí)現(xiàn)全方位的檢測(cè)。

1.4 設(shè)備缺點(diǎn)

掃描儀具備眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在缺點(diǎn)：使用時(shí)光路必須始終保持通常，不得被透明物遮擋（如防護(hù)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(cuò)誤關(guān)閉；超出最大檢測(cè)距離即檢測(cè)無(wú)效，檢測(cè)數(shù)值始終為0；發(fā)射的激光對(duì)人眼有害，使用過(guò)程中要避免出現(xiàn)激光直射人眼的情況；設(shè)備價(jià)格較昂貴；測(cè)量方式為點(diǎn)測(cè)量，進(jìn)行面測(cè)量時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)處理的算法進(jìn)行編程，難度較高且不能實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量。

2 安全激光掃描儀的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用場(chǎng)所

工業(yè)車輛多在環(huán)境復(fù)雜多變的庫(kù)區(qū)和廠房中作業(yè)，運(yùn)行通道附近時(shí)常會(huì)出現(xiàn)工作人員走動(dòng)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(cè)區(qū)域的特性，非常適用于作業(yè)復(fù)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(cāng)儲(chǔ)中的貨物搬運(yùn)，貨架間的貨物搬運(yùn)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(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，易將兩側(cè)的貨架和貨物判定為障礙物，混淆檢測(cè)結(jié)果，造成不必要的干擾。通過(guò)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(cè)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(gè)流動(dòng)的物流搬運(yùn)設(shè)備，其工作環(huán)境包括室內(nèi)和室外，沒有特定的運(yùn)行通道，環(huán)境非常復(fù)雜多變，有時(shí)還會(huì)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(yùn)行中的安全取決于駕駛員的即時(shí)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(dǎo)致的剮蹭、碰撞等事故發(fā)生，不僅帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，甚至還有人身傷害。使用掃描儀檢測(cè)叉車周圍障礙物的狀況，再通過(guò)車輛監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)對(duì)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(dǎo)致的碰撞事故。

3）搬運(yùn)機(jī)器人

搬運(yùn)機(jī)器人的制造成本很高，安全性是其設(shè)計(jì)的重中之重。多輛小車在同一片區(qū)域運(yùn)行過(guò)程中，避障和導(dǎo)航都需要實(shí)時(shí)獲取周圍的環(huán)境信息，其避障設(shè)計(jì)分為2類：一是接觸式，常用接觸類傳感器（壓電傳感器，機(jī)械開關(guān)等），但其結(jié)構(gòu)復(fù)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(cè)量范圍也很廣泛。

現(xiàn)有的搬運(yùn)機(jī)器人更傾向于使用非接觸式避障方式。發(fā)生相遇情況時(shí)，掃描儀將檢測(cè)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，按照優(yōu)先級(jí)別對(duì)搬運(yùn)車下達(dá)安全避讓或停止運(yùn)行指令，防止發(fā)生相互碰撞導(dǎo)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(yùn)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(cè)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(guò)近，否則會(huì)產(chǎn)生干擾。特殊的型號(hào)或安裝位置需要設(shè)置相應(yīng)的機(jī)架進(jìn)行固定，以免受到過(guò)度沖擊和振動(dòng)影響。工作環(huán)境較惡劣時(shí)，應(yīng)做好防塵措施，避免粉塵附著過(guò)多影響激光的發(fā)射與接收，從而降低檢測(cè)的準(zhǔn)確度。此外，防護(hù)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(cè)的說(shuō)明完成電氣連接，再通過(guò)軟件對(duì)其參數(shù)和檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定即可[3]。

2）設(shè)備配置

通過(guò)USB端口或Ethernet與PC端進(jìn)行連接，啟動(dòng)SICK專用的Safety Designer軟件。在Configuration目錄下，首先定義設(shè)備的IP、項(xiàng)目信息、分辨率和采樣時(shí)間等個(gè)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(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，繪制檢測(cè)區(qū)域范圍，并設(shè)定各個(gè)區(qū)域的保護(hù)類型。然后，對(duì)可編程邏輯控制器通信方式和監(jiān)控事件等進(jìn)行定義。最后，以測(cè)試模式啟動(dòng)設(shè)備，檢查當(dāng)前配置對(duì)實(shí)際應(yīng)用的適應(yīng)性，檢查生成檢驗(yàn)報(bào)告無(wú)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(gè)可切換的區(qū)域組，作業(yè)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，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(yè)面

除了能將設(shè)定的配置下載到掃描儀中，還能導(dǎo)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(xiàng)目和設(shè)備信息、顯示狀態(tài)等，設(shè)備配置由Upload導(dǎo)入至Safety Designer，可逐項(xiàng)對(duì)其信息進(jìn)行瀏覽，任務(wù)和附注也可在頁(yè)腳中查看。如改動(dòng)不大，可根據(jù)實(shí)際需求在其原有的信息上進(jìn)行更改并重新下載，大大減少配置時(shí)間。

2.3 應(yīng)用結(jié)果

工業(yè)車輛在運(yùn)行過(guò)程中，掃描儀將檢測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)掃描儀感應(yīng)到報(bào)警區(qū)域3有物體時(shí)IO2口輸出中斷，報(bào)警指示燈閃爍；報(bào)警區(qū)域2中有物體時(shí)IO1口輸出中斷，報(bào)警指示燈閃爍并降低運(yùn)行速度；保護(hù)區(qū)域1中有物體時(shí)則將開關(guān)量輸出（OSSD）切換到關(guān)機(jī)狀態(tài)，報(bào)警指示燈閃爍，并關(guān)閉驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)行；另外，可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)增加其他報(bào)警方式。掃描儀的2個(gè)警示區(qū)域和1個(gè)保護(hù)區(qū)域可確保所有的保護(hù)區(qū)域和充分的反應(yīng)時(shí)間，能準(zhǔn)確地做出報(bào)警預(yù)測(cè)，并根據(jù)危險(xiǎn)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(jī)而降低作業(yè)效率和減少車輛急停對(duì)制動(dòng)裝置造成的磨損。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)自動(dòng)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(cè)區(qū)域且配置簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，能夠快速適應(yīng)各種復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，非常適合與各種應(yīng)用進(jìn)行集成，將會(huì)成為工業(yè)車輛檢測(cè)障礙物的重要手段，應(yīng)用前景十分廣闊。