Vergelijking van laserscannertoepassingen

Lasers - een acroniem voor lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling - zijn elektronica die een of meer bundels coherent licht uitzenden. Coherent duidt op elektromagnetische golven met een identieke frequentie en golfvorm en een constant faseverschil. Lasers kunnen worden gebruikt voor:

• Snijden, etsen en lassen - zoals bij precisiegraveren, boren, halfgeleiderafwerking, mechanische resurfacing en (in de medische sector) LASIK oogchirurgie
• Beeldvorming en projectie - zoals in holografie, confocale microscopie, high-definition surveying (voor het creëren van puntwolken), laserspectroscopie
• Gegevenstransmissie - zoals in barcodelezers en glasvezel- en dvd-technologieën
• Positionering - zoals bij veiligheidssystemen voor werkcellen, 3D-printers en lichtdetectie- en -bereiksystemen (LiDAR)

Laserscanning - het gebruik van geveegde of afgebogen laserstralen - is de kern van veel van deze toepassingen. In dit artikel worden verschillende laserscanning-toepassingen besproken die het meest gebruikelijk zijn in de industriële automatisering.

In zijn eenvoudigste vorm wordt een lasersignaal gegenereerd als puntbron en vervolgens door een actieve hoek geveegd door weerkaatsing van een nauwkeurig gecontroleerde interne spiegel. Een interne lichtdetector leest het gereflecteerde signaal af. Omdat de projectiehoek en de time-of-flight (ToF) van de laserstraal bekend zijn, kan de elektronica van de scanner de teruggezonden signalen gebruiken om een gedetailleerde kaart te maken van de structuren binnen het bereik van de scanner.

Eenvoudig in concept, er waren een heleboel ontwikkelingsuitdagingen die overwonnen moesten worden om de laserscantechnologie in de echte wereld te laten werken. Onder de meer uitdagende waren variaties in omgevingslicht, platformbeweging, kalibratie van lichtbronnen voor een consistente output, en het weerstaan van stof en vuil die gewoonlijk in industriële omgevingen worden aangetroffen.

Er zijn oplossingen gevonden voor deze technische uitdagingen; en nu zijn enkele van de meest geavanceerde toepassingen die in autonome grondvoertuigen (AGV's) die gebruik maken van 3D-scans over een bereik van 360˚. Vandaag de dag is het ook gebruikelijk om zelfnivellerende laserscanners te zien die in de bouw worden gebruikt voor het nauwkeurig ophangen van plaatwerk of het egaliseren van de vloer. Nog een andere laserscannerapplicatie is in surveyor-transits, die civiel ingenieurs helpen bij het plannen van de wegligging tot een resolutie van millimeters. Dit zijn voorbeelden van speciaal gebouwde laserscanners voor gespecialiseerde functies - hoewel de echte veelzijdigheid van laserscanners zich op de fabrieksvloer bevindt.

Laserscanners voor industriële veiligheid

Beschouw één essentiële laserscannerapplicatie in de automatisering - het bewaken van gevaarlijke werkcellen. In basisinstallaties wordt een laserscanner in een vaste positie geplaatst terwijl de laser over een enkel vlak scant. Dergelijke scanners zijn lichtgordijnen die dienen als veiligheidscontrolesysteem. Een lichtgordijn is zo geplaatst dat het een specifiek stuk potentieel gevaarlijke apparatuur bewaakt - en het bewaakt elke onderbreking van de lichtstraal. Als reactie op een interruptie vertraagt of stopt het de kritische apparatuur of geeft het een alarmsignaal.

De scanner moet zich bevinden en de geometrie van de bundel moet overeenstemmen met de mogelijkheid om elk mogelijk ingangspunt voor een operator te controleren. Zoals geïmpliceerd door de bovengenoemde reactiemodi wordt een scanner vaak gebruikt in combinatie met andere veiligheidsapparatuur (bewakers, alarmen en afsluitschakelaars) om ervoor te zorgen dat een operator geen schade ondervindt bij het naderen van de apparatuur.

Voorafgaand aan het bestaan van de optische scantechnologieën werden mechanische vergrendelingen gebruikt om gevaarlijke werkcellen te beveiligen. Tijdens het onderhoud zou de elektriciteit naar de werkcel worden uitgeschakeld en zouden er lock-out-tagoutprocedures worden toegepast. Mensen zijn berucht om hun onbetrouwbaarheid en het is bekend dat mensen de veiligheidsmaatregelen omzeilen. Optische vergrendelingen zijn betrouwbaarder - vooral in combinatie met een harde reset of een twee-operator-paneel om ervoor te zorgen dat geen enkele operator een herstart kan starten. Lees meer hierover in het DigiKey-artikel "Veiligheidslaserscanners voor de beveiliging van menselijke operatoren"

Afbeelding 1: Met deze veiligheidslaserscanner uit de SX5-serie kunnen OEM's of eindgebruikers met behulp van een pc maximaal zes veiligheidszones en twee waarschuwingszones definiëren. (Bron afbeelding: Banner)

Opmerking over Time-of-Flight (ToF) technologieën: Het gebruik van ToF maakt het mogelijk om de locatie van objecten nauwkeurig in kaart te brengen op basis van de polaire coördinaten: hoek van de lichtstraal en afstand tot een object in het gebied dat wordt geobserveerd. Deze informatie kan worden gebruikt om een kaart te maken van het waarneembare gebied van de scanner in zones. Dit is van cruciaal belang bij het overwegen van het volgende speciale geval van het werken met collaboratieve robots (cobots).

Cobots by design zijn bedoeld om samen te werken met menselijke operators in samenwerkingsverbanden. Dit vereist nauwe nabijheid en bijbehorende risico's. Een scanner die is geprogrammeerd met een kaart van de werkruimte kan de toelaatbare bewegingen van de cobot controleren, afhankelijk van de locatie en de beweging van de medewerker. Dit is een vrij nieuw groeigebied in zowel de robot- als de scannermarkt, dus er zijn voortdurend nieuwe toepassingen in ontwikkeling.

Laserscanners voor AGV's en lokalisatietaken

Denk nu aan de voor- en nadelen van lichtdetectie en -bereik (LiDAR) op basis van laserscanners die gebruik maken van ToF op een bewegend platform. Deze systemen worden gebruikt in autonome grondvoertuigen (AGV's) en zijn gebaseerd op interne kaarten van de AGV-locatie, zodat alle objectdetecties context hebben. Deze mogelijkheid wordt gelijktijdige lokalisatie en mapping of SLAM genoemd. Dit maakt het systeem nog ingewikkelder, omdat fouten in de positiebepaling direct van invloed zijn op de in kaart gebrachte locatie van obstakels of doelen. Het gebruik van lokale transponders, teach-programmering of ingebedde tracks op de vloer helpen dit probleem te verlichten.

Afbeelding 2: Dit is een 270° SEL-H05LPC veiligheidslaserscanner voor gebruik in AGV's, vorkheftrucks, robots en andere bewegende apparatuur in industriële installaties. (Bron afbeelding: IDEC)

Scantechnologieën zijn onderhevig aan veranderingen in de signaal-ruisverhouding (SNR) op basis van veranderingen in het omgevingslicht. Het ergste geval is vol zonlicht, waarbij het licht enkele orden van grootte groter kan zijn dan de scanverlichting. Er zijn verschillende mogelijke oplossingen beschikbaar, waaronder modulatie van de bron, gestructureerd scannen, en het gebruik van smalle frequenties samen met filtering. Gelukkig werken AGV's meestal in lichtgestuurde magazijnen, die deze technieken niet nodig hebben. Voor voertuigen die bestemd zijn om buiten te werken, wordt momenteel intensief onderzoek gedaan naar oplossingen.

Laserscanners zijn per definitie zichthulpmiddelen. Dit betekent dat ze zich beperken tot het uitzicht direct voor hen. Als de scanner met het hoofd op een zuiltje staat, ziet hij alleen de loden zuil in de rij. Er is een verandering van perspectief nodig voor de scanner om extra pijlers te detecteren, ervan uitgaande dat ze binnen bereik zijn.

LiDAR op mobiele voertuigen kan heel waardevol zijn - vooral wanneer die LiDAR gecombineerd wordt met andere sensoren om te reageren op real-time veranderingen in magazijnomgevingen. Hier helpt LiDAR bij het verhogen van de leverbetrouwbaarheid, het verminderen van de personeelsbehoefte en het minimaliseren van ongelukken.

Het kiezen van de juiste scanmogelijkheden in een LiDAR systeem betekent het opgeven van het lineaire bereik, het hoekige scanvenster en zowel de lineaire als de hoekresolutie voor deze metingen. Bandbreedte of updatefrequentie is een ander kritisch element, omdat dat de snelheid van de AGV kan beperken. Tot slot, maar belangrijk, zal het stroomverbruik de tijd tussen het opladen bepalen en ook het aantal eenheden dat op een bepaald moment kan worden ingezet.

Veel AGV's op de markt maken vandaag de dag gebruik van LiDAR om te navigeren in hun fabriek of geautomatiseerde magazijnomgeving. (Bron afbeelding: Gettyimages)

Elektrische en mechanische overwegingen voor LiDAR in AGV's

LiDAR blijft zich ontwikkelen, grotendeels gedreven door de autonome voertuigmarkt. Er is dus een breed scala aan mogelijkheden, functies en prijspunten. Het betekent ook dat er nog geen montage- of connectiviteitsstandaard is ontstaan. Bij het overwegen van het gebruik van AGV's in een applicatie zou het proces bestaan uit het afstemmen van het bestaande aanbod op de systeemeisen en het specificeren van de fysieke structuur van daaruit. Verschillende bedrijven voeren systeemengineering uit en bieden complete of op maat gemaakte LiDAR-systemen aan. Afhankelijk van de eisen kan een pre-engineered oplossing slechts het uitgangspunt zijn voor een meer geoptimaliseerde oplossing.

Het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft het voortouw genomen bij het vaststellen van de veiligheidsnormen voor AGV's. Op dit moment zijn deze vooral gericht op de kwestie van de aanrijdingen, waaronder:

• Opvouwbare bumpers: Meestal bij oudere modellen is het de bedoeling dat de bumpers een krachtsensor bevatten en een stop starten wanneer ze een obstakel raken, waardoor de contactkracht wordt beperkt.
• Niet-contactuele methoden: Van moderne AGV's wordt verwacht dat ze objecten detecteren en stoppen zonder een botsing te veroorzaken. Er zijn testvormen gebruikt die de menselijke vorm benaderen, hoewel er meer mensachtige vormen en houdingen worden voorgesteld voor toekomstige testen.
• Plotselinge obstakels: Het onverwachte verschijnen van een obstakel binnen de veiligheidszone. Van de AGV wordt verwacht dat hij een noodstop in gang zet, maar het vermijden van een botsing wordt niet verwacht.
• Anticiperen op afgesloten hindernissen: Deze obstakels zijn onder andere apparatuur of mensen in de buurt van het rijpad van de AGV. De verwachting is dat er langzame zones zullen worden aangewezen waar er minder dan 0,5 m vrije ruimte is van de rijbaan van de AGV.

Vooruitlopend op het toekomstige gebruik van AGV's werken ze ook met robotveiligheidsnormen om te beginnen met de ontwikkeling van testmethoden waarbij gebruik wordt gemaakt van een robotarm die op een AGV-basis is bevestigd.

Een van de dominante trends in LiDAR is het streven om de omvang, het gewicht en de kosten van LiDAR te verminderen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. De afgelopen tien jaar is er vooruitgang geboekt, waardoor deze attributen met een orde van grootte zijn afgenomen. Eerder genoemd, SLAM, of lokalisatie krijgt meer aandacht. De geïdealiseerde oplossing stelt een AGV in staat om overal te starten en een eigen interne kaart te ontwikkelen van de wereld waarin hij opereert. Een dergelijke operatie is gebaseerd op de integratie van LiDAR met andere sensortypen - waaronder GPS, wielsnelheidssensoren en camera's.

Laserscanners voor datacommunicatie

Het concept van een lineaire barcodelezer is eenvoudig: Een combinatie van lijnen en spaties zorgt voor een soort morsecode die direct te lezen is:

• Het meten van het licht van de scanner als het wordt teruggekaatst van de barcode
• Het meten van het omgevingslicht als het wordt teruggekaatst

Er zijn wereldwijd negen soorten lineaire streepjescodes die regelmatig worden gebruikt, afhankelijk van de toepassing. Hoewel laserscanners de norm zijn voor het scannen van barcodes, hebben barcodes niet noodzakelijkerwijs de precisie van een laserlichtbron nodig, met enkele uitzonderingen die hieronder worden vermeld. In de meeste gevallen gebeurt het lezen en vertalen van de barcode-inhoud binnen de scanner. Meestal geeft de barcodescanner gedecodeerde waarden direct door aan een database.

Enkele gebieden vragen om de fijne resolutie van een barcodelaser. Voor plaatsen met beperkte ruimte worden de standaard barcodestrepen op een smallere fysieke standaard gehouden. Dit vereist een fijne resolutie lezer en laserscanners doen het heel goed. Een soortgelijke situatie bestaat wanneer de barcode verder weg staat (op het schap in een magazijn bijvoorbeeld), waardoor de hoekgrootte van de code effectief afneemt.

Soms is omgevingslicht niet genoeg om een goed contrast tussen de tralies en de ruimtes te garanderen. In dit geval is een bekende lichtbron zoals een laser geschikt om de code op te lichten en gemakkelijk leesbaar te maken.

Zelfs consumenten die regelmatig boodschappen doen, zijn vertrouwd met de handscanners bij de kassa's. Omdat barcodescans in een oneindig aantal oriëntaties kunnen worden gepresenteerd, moeten scanners in deze instellingen een strakke matrix van kruisende laserscanlijnen produceren. Dit zorgt ervoor dat hoe de barcode ook gepresenteerd wordt, ten minste één van de scanregels de gehele code zal onderscheppen.

Afbeelding 4: Dit MIKROE-2913 barcode-scannerbord kan 1D en 2D barcodes volgens verschillende protocollen lezen. Het omvat een micro-USB-poort om te werken als een stand-alone apparaat of met andere borden. (Bron afbeelding: MikroElektronika)

Barcode 2D Scanners: Tweedimensionale (2D) codes verschillen van de hierboven genoemde lineaire codes. Ze zijn in populariteit gegroeid door hun hoge informatiedichtheid, foutcontrole en leesbaarheid, zelfs als ze beschadigd zijn. Door de complexiteit van 2D-barcodes zijn ze niet geschikt voor gebruik met laserscanners en vertrouwen ze op camera's voor het decoderen. Er zijn vier soorten 2D-barcodes in gebruik, hoewel de meeste consumenten bekend zullen zijn met de quick-response (QR) code, die gemakkelijk te lezen is door de meeste smartphones.

Wanneer machinebouwers en eindgebruikers barcode- en scanneropties wegen, zijn er drie belangrijke aspecten waarmee rekening moet worden gehouden:

1. Waar wordt de scanner gebruikt? Is het voor het inventariseren in een magazijn, het volgen van productieonderdelen op een productielijn, of voor gebruik op een verkooppunt?
2. Hoeveel gegevens zijn er nodig en wat is de fysieke ruimte die beschikbaar is op het item om de barcode te plaatsen?
3. Op welk oppervlak wordt de barcode gedrukt - en welke printresolutie kan dat oppervlak behouden?

Zodra deze drie vragen zijn beantwoord, moeten er een aantal haalbare alternatieven zijn waaruit kan worden gekozen.

Afbeelding 5: Deze Code Reader 950 (CR950) barcodelaserscanner van Brady Corporation heeft een breedbeeldbeeldsensor om gemakkelijker te kunnen scannen. Het resultaat is een omnidirectionele aflezing van 1D en 2D barcodes - zelfs die op glanzende oppervlakken. (Bron afbeelding: Brady Corporation)

Andere lezer- en camera-gebaseerde alternatieven: De meeste variaties op de barcodescanner zijn hierboven behandeld. Vermeldenswaard is dat sommige barcodescanners een lange rij LED's zullen gebruiken om de code te verlichten in combinatie met een bijpassende rij CCD-detectoren (charge-coupled device) om het gereflecteerde licht te detecteren. Deze worden LED-lezers genoemd.

Er zijn ook camerasystemen die speciaal zijn ontworpen en geconfigureerd om 2D-codes effectief en snel te kunnen lezen.

Conclusie over Laserscanner-toepassingen

De proliferatie van op laser gebaseerde apparaten en toepassingen sinds de uitvinding van de laser in 1960 is geestelijk verbijsterend. Hoewel de barcode 11 jaar voor de laser dateert, is het gebruik van coherent-light scanning om informatie te lezen de gouden standaard geworden. Het scannen van posities met behulp van een laser is ook een go-to oplossing geworden in industriële omgevingen. Of het nu gaat om het ontwerpen van een systeem vanaf nul, of om het uitbreiden van een bestaand proces, de kans is groot dat enige variatie op een laserscanaanpak waarde heeft voor de meeste industriële productie- of traceringstoepassingen. Als je bedenkt hoe ver de technologie is gekomen, is de kans groot dat als de exacte configuratie vandaag niet beschikbaar is, er iets passends in het verschiet ligt.