基于激光測距的機械手臂防碰撞自動控制技術研究

曲宏楊

（寶雞鈦業股份有限公司實驗中心，陜西 寶雞 721014）

基于激光測距的機械手臂防碰撞自動控制系統主要是利用激光來進行機械手臂與障礙物之間的距離的簡單測算，并與界定的防碰撞的臨界值進行比較，根據比較的結果對機械手臂下達不同的指令，從而實現對機械手臂的自動控制。該系統能夠高度規避機械手臂發生碰撞事故的概率，實現自動控制和人機交互功能，是保障加工作業安全進行、提高機械手臂工作效率的有力保障。本文主要對采用了脈沖式激光測距方法的機械手臂防碰撞自動控制系統進行探究。

1 激光測距概述

1.1 激光測距的原理

激光測距其實是一種利用激光器作為光源發射光波進行測距的手段，具有精準度高、抗干擾能力強、運轉能力強和操作簡便的優點，其主要測算方法有三角法、干涉法、脈沖法和相位法，其中以脈沖法和相位法最為常用。激光測距的操作原理是通過利用激光脈沖和激光束從發出到被反射后的時間差來進行測距儀器與被測物體之間的間隔距離。激光測距的計算公式如下：

式中，D代表的是測距儀（設為A）與被測物體（設為B）之間的距離；c代表的是激光脈沖或者激光束在空氣中的傳播速度；t代表的是激光從測距儀（設為A）到被測物體（設為B），再被測物體（設為B）反射回測距儀所用的時間。

該公式的實際含義就是，當進行激光測距時，由測距器發出激光接觸到被測物體，然后，再把被測物體反彈到測距器，激光傳輸的前后時間被儀器記錄了下來，而激光傳播速度和前后時間的乘積的一半，就是測距器和被測物體之間的時間間隔距離。通常，激光測距儀的精確度能夠達到1mm，可以適應所有要求實現精確測量的行業的需要。需要注意的是，脈沖型激光測量用這種方式測量出的距離的準確度通常在正負10cm左右，并且，測距儀通常還存在1寸以內的測量盲區。

通過對上述公式的實際含義進行分析，可以得出激光傳播的時間t是A與B之間的實際間隔距離的決定性因素，通過測算時間的方法以及測算時間的數值不同，可以將激光測距儀分成脈沖型和相位型兩個類別。

1.2 激光測距的手段

1.2.1 三角法激光測距

激光位移傳感器的測量手段稱為三角法激光測距。在激光測距儀的精度得到確定的前提條件下，試驗和分析得出同一測距儀在處于測定范圍內的不同的測算距離的測算精度相同，因此，三角法激光測距的測算精度與范圍相關，三角法激光測算的精度隨著測量范圍的逐漸增大而逐漸降低。

三角法激光測距的操作原理是通過采取激光三角法和回波分析法對需要測算的物體所在地點以及與測距儀之間相隔的位移進行距離測算。半導體激光器（序號1）發射可以被看見的紅色激光經過透鏡（序號2）聚焦在被測物體（序號6）的外表面上，再由外表面對激光進行物理反射，反射光經過透鏡（序號3）被其收集并且投射到線性CCD相機（序號4）上，由于線性CCD相機（序號4）可以在不同的角度測得光點，因此，測算的間隔距離不同，數字信號處理器（序號5）根據相機的測算角度并運用科學的三角函數數學關系結合線性CCD相機（序號4）上的光點的地點以及激光器與攝像機之間的間隔進行測距儀與被測物體之間的距離的測算。

該距離測算方法常用于成本相對較低的激光測距方案中，例如，三角法激光測距方法常用在搭建鋼軌以及測評產品厚度、平整度和尺寸等各種屬性方面的數據。

1.2.2 脈沖法激光測距

脈沖法激光測距是通過向脈沖式激光器傳達明確的脈沖信號，使得脈沖式激光器瞬間發射出大量的大功率激光光束，同時，對這期間激光光束在脈沖式激光器與被測物體之間的來回運作時間進行數據測量，根據公式測算出脈沖式激光器與被測物體之間的距離的一種激光測距方法。該激光測距方法的精度主要受到脈沖式的上升沿、激光回收通道的帶寬、探測器的信噪比以及時間間隔的精度等因素的影響。脈沖法激光測距方法常用于對地形的測繪、對戰術前向的測距、對導彈軌道的跟蹤以及對衛星、地月進行的測距工作等，有著非常好的發展前景。

通過分析和研究可以得出，脈沖法激光測距的操作原理是通過脈沖信號對激光器下達指令，使激光器瞬間發出的帶有脈沖信號的激光經過待測算間隔L并被測目標反射出帶有回波信號的激光，然后被激光器接收，同時，計時電路對激光發射和激光接收的前后時間進行計時統計得到時間t，然后運用激光測距的公式進行測距儀和被測物體之間的距離間隔的測算。

1.2.3 相位式激光測距

相位式激光測距是通過射頻波段的頻率對激光光束進行調制，發射不同頻率波長的激光光束到被測物體上并被測物體反射回激光器，測量對比不同頻率波長的激光在傳播過程中產生的相位延遲，從而測算出激光器與被測物體之間的間隔距離的一種激光測距方法，該測算方法是一種具有高精度的間接測算手段。需要注意的是，測量的相位延遲是測量調制在激光上的信號的相位。

當發射光接觸到墻面時，獲得的反射光的光波實際上是發射光的光波的鏡像，因此，所獲的相位差的數值大小與光速無關，只與發射光的發射時間以及發射光與被測物體的接觸時間有關。將調制的激光的光波波長利用相位延遲來完成轉換并通過相位差進行激光器與被測物體之間的間隔距離的測算。

1.2.4 干涉法激光測距

干涉法激光測距是以光的干涉原理為基礎，通過對激光進行干涉，使激光光束產生明暗相間的干涉條紋，利用光電轉換元件接收并轉換成電信號，通過對其進行記數器計數實現對間隔距離進行測算的一種激光測距技術。

干涉法激光測距的具體操作流程是激光器發射的激光經過分光鏡分成兩束激光光束，分別經過反射鏡M1和可移動反射鏡M2形成參考光束和透射光束，兩束光束在反射過程中匯合并將其干涉信號疊加在一起，由光電記數器進行回收統計，通過運用式（2）進行距離的測算。

L=Nλ/2 （2）

式中，用激光光波的波長（λ）的一半來表示兩束激光的路徑差，用N表示光電顯微鏡發射的記數，用L表示激光器與被測物體之間的間隔距離。

1.3 激光測距的注意事項

一般情況下，激光測距的測算數據為了保證精確度，防止漫反射對測算數據的強干擾性，需要選擇全反射棱鏡進行配合，當然，也可以用薄塑料板作為反射面來規避嚴重的漫反射現象發生。為了能夠獲得足夠強度的激光反射，從而獲得精確的測算數據，需要采取短距離的垂直光墻反射式測距。

2 機械手臂防碰撞自動控制系統概述

機械手臂防撞擊自動控制系統是一個安裝在機械臂操作平臺的主動防御裝置。該管理系統的主要功能是在機械臂和車輛之間出現交叉撞擊情況之前，完成對該機械臂的停止或移動控制，并發布警示。

機械手臂防碰撞自動控制系統主要由機械手臂工作環境監測、防碰撞運算以及機械手臂控制3個基礎模塊組成。起重機械手臂工作環境監測模塊和防碰撞運算模塊主要是對機械手臂的上機位進行控制，當機械手臂進行正常操作作業時，由機械手臂工作環境監測模塊在后臺對機械手臂的工作信息進行實時監測，當發現附近有存在一定碰撞概率的其他機械手臂、各種機械設備、人員或墻面時，將這些信息和信號傳遞給防碰撞運算模塊，由該模塊結合機械手臂的手臂高度和運轉速度進行機械手臂與障礙物體之間的距離測算，并與防碰撞臨界距離進行比較，如果發現該距離未觸碰臨界值，系統則不下達任何指令，一旦發現觸碰甚至超出防碰撞臨界值，則立即向機械手臂控制模塊傳達控制指令來實現防碰撞控制；機械手臂控制模塊主要是對機械手臂的下機位進行控制，也就是執行上機位發布的控制指令，包括對機械手臂的開度、轉向角度以及位移速度等參數進行調節，以此規避和降低發生碰撞事故的風險。

3 激光測距在機械手臂防碰撞自動控制中的應用

3.1 脈沖式激光測距在防碰撞自動控制系統中的應用

由于機械手臂的工作環境往往較為復雜，因此防碰撞的臨界值通常較小，這時就需要對機械手臂與障礙物體之間的間隔距離進行高度精準的測量，而激光測距主要通過激光進行測距，具有極強的方向性和相干性，能夠快速精準地進行激光的傳播，在激光傳播過程中不易發生過多的能量損耗，通過激光在障礙物體上的反射形成的反射光的信息進行距離測算，能夠有效地節省測距的時間。激光測距與其他測距方法相比具有很強的優勢。

隨著近年來我國科技的發展，我國機械廠商的芯片和光路元件的集成性能與質量也有了快速穩定的提升，于是，脈沖式的激光測距方法在激光測距方法發展中逐漸突出，其具有的精度優勢也越來越明顯，深受機械廠商的關注。

脈沖式激光測距的工作流程是控制芯片通過一定周期的脈沖信號的傳遞來對驅動電路進行控制，從而使脈沖激光器進行初始化并瞬間發出有大功率的脈沖式激光光束，使電路中產生一定的電壓，同時，參考時鐘開始進行初始化操作，在激光光束經過透鏡與干涉波片形成不受背景和環境光干擾的純凈反射激光，反射回機械手臂上，機械手臂接收反射回的激光光束并將其進行光電轉換，將反射光信息轉換成電信號并進行整流放大，由門電路對其中的有效信息進行選擇，并送達參考時鐘進行時間計數，經過一系列的測算工作，最終將距離測距結果顯示出來。在整個工作過程中，激光器、光電轉換電路、整流電路、門電路、顯示器、時鐘、驅動電路等硬件發揮了至關重要的作用，使得整個脈沖式激光測距工作能夠順利進行。

在理想條件下，激光光束在進行能量傳播時，能量損耗幾乎為0，這時障礙物體與機械手臂之間的距離如式（3）：

式中，f0表示參考時鐘晶振頻率，N表示參考時鐘收到的激光光束中的脈沖數量（與原始激光光束的脈沖數量相等），c表示激光傳播速度，L1表示障礙物體與機械手臂之間的距離間隔。

但是，由于機械制造廠的空氣中含有大量的粉塵和顆粒，因此，提供給機械手臂的工作環境通常是非理想狀態，這使得激光光束在進行能量傳播時存在部分能量衰減。此時，只能用下面的公式進行距離測算：

式中，t1表示脈沖激光器發射出激光光束的時間，t2表示光電轉換電路接收反射光束的時間。機械手臂防碰撞自動控制系統通過最終的測量結果與防碰撞臨界值進行比較，發布控制指令。

3.2 機械手臂防碰撞自動控制系統中參考時鐘的優化

在進行非理想狀態下的脈沖式激光測距時，參考時鐘的作用至關重要，其計數過程直接關系距離測量的精度，如果參考時鐘在進行初始化時，激光光束已經傳播了一段距離，導致參考時鐘無法直接獲取t1，而參考時鐘初始化時間與機械手臂防碰撞自動控制系統的資源利用率有關，也不能用計數數據與初始化時間的加減關系獲取t1。因此，需要對參考時鐘進行優化，要對參考時鐘計數誤差有準確的認識。

Ta表示脈沖式激光光束的收發端與上升沿之間的時間差，Tb表示脈沖式激光光束的收發端與下降沿之間的時間差，在假設脈沖計數數量為M，脈沖周期的平均時間差為Ts時，脈沖式激光測距在機械手臂防碰撞自動控制系統中的計數誤差T0可以表示為：

在激光測距過程中排除參考時鐘的計數誤差，可以得到在非理想狀態下的相對準確的脈沖式激光傳播時間t的計算公式，并代替測算公式中的(t2－t1)，即：

用此優化方法可以實現基于脈沖式激光測距的機械手臂防碰撞自動控制系統的優化。

4 結語

本文主要對激光測距的概念、原理和類型進行了詳細的闡述和分析，然后對最適合機械手臂防碰撞自動控制系統進行測距工作的脈沖式激光測距方法的工作原理和其在整個防碰撞自動控制系統中的應用進行了研究和分析，證實了脈沖式激光測距方法的可行性。