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Vergleich von Laserscanner-Anwendungen

Von Scott Orlosky

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Laser - ein Akronym für Light Amplifying by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) - sind Komponenten, die einen oder mehrere Strahlen kohärenten Lichts aussenden. Kohärent bezeichnet elektromagnetische Wellen mit identischer Frequenz und Wellenform und konstanter Phasendifferenz. Laser können verwendet werden für:

  • Schneid-, Gravur- und Schweißanwendungen - wie z.B. in der Präzisionsgravur, beim Bohren, bei der Halbleiterfertigung, bei der mechanischen Oberflächenbearbeitung und (im medizinischen Bereich) bei der LASIK-Augenchirurgie
  • Bildgebung und Projektion - wie in der Holografie, konfokalen Mikroskopie, hochauflösende Vermessung (zur Erzeugung von Punktwolken), Laserspektroskopie
  • Datenübertragung - wie bei Barcode-Lesegeräten sowie Glasfaser- und DVD-Technologien
  • Positionierung - wie in Arbeitszellen-Sicherheitssystemen, 3D-Druck und LiDAR-Systemen (Light Detection And Ranging)

Laserscanning - die Verwendung von abgelenkten oder reflektierten Laserstrahlen - ist der Kern vieler dieser Anwendungen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über verschiedene Laserscan-Anwendungen, die in der industriellen Automatisierung am häufigsten vorkommen.

In seiner einfachsten Ausführungsform wird ein Lasersignal als Punktquelle erzeugt und dann durch Reflexion an einem präzise gesteuerten Innenspiegel durch einen aktiven Winkel abgelenkt. Ein interner Lichtdetektor liest das reflektierte Signal. Da der Projektionswinkel und die Laufzeit (ToF) des Laserstrahls bekannt sind, kann die Elektronik des Scanners die zurückgesendeten Signale nutzen, um eine detaillierte Karte der Strukturen innerhalb des Scannerbereichs zu erstellen.

Vom Konzept her einfach, gab es eine Vielzahl von Entwicklungsherausforderungen, die überwunden werden mussten, damit die Laserscanning-Technologie in der realen Welt funktioniert. Zu den größeren Herausforderungen gehörten Schwankungen des Umgebungslichts, die Bewegung der Plattform, die Kalibrierung der Lichtquellen für eine konsistente Ausgabe und die Widerstandsfähigkeit gegen Staub und Schmutz, die normalerweise in industriellen Umgebungen vorkommen.

Es wurden Lösungen für diese technischen Herausforderungen gefunden, und einige der anspruchsvollsten Anwendungen sind nun diejenigen, die in autonomen Bodenfahrzeugen (AGVs) eingesetzt werden, die 3D-Scans über einen 360˚-Bereich verwenden. Heutzutage ist es auch alltäglich, selbstnivellierende Laserscanner zu sehen, die im Bauwesen zum präzisen Aufhängen von Rigipsplatten oder zum Nivellieren von Böden eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung von Laserscannern ist die Vermessung von Durchfahrten, die Bauingenieuren bei der millimetergenauen Planung von Straßenneigungen helfen. Dies sind Beispiele für zweckbestimmte Laserabtastgeräte für spezielle Funktionen - obwohl die wahre Vielseitigkeit von Laserscannern in der Fabrikhalle liegt.

Laserscanner für den Arbeitsschutz

Betrachten Sie eine der wichtigsten Anwendungen von Laserscannern in der Automatisierung - die Absicherung von gefährlichen Arbeitszellen. Bei Basisinstallationen wird ein Laserscanner in einer festen Position platziert, während der Laser über eine einzige Ebene scannt. Solche Scanner sind Lichtvorhänge, die als Sicherheitsüberwachungssysteme dienen. Ein Lichtvorhang ist so angeordnet, dass er ein bestimmtes Stück potentiell gefährlicher Ausrüstung schützt - und er überwacht auf eine Unterbrechung des Lichtstrahls. Als Reaktion auf eine Unterbrechung verlangsamt oder stoppt sie das kritische Gerät oder liefert ein Alarmsignal.

Die Anordnung des Scanners und die Strahlgeometrie müssen so beschaffen sein, dass jeder potenzielle Eintrittspunkt für einen Bediener überwacht werden kann. Wie aus den oben erwähnten Reaktionsmodi hervorgeht, wird ein Scanner häufig in Verbindung mit anderen Sicherheitseinrichtungen (Schutzvorrichtungen, Alarme und Abschalter) verwendet, um sicherzustellen, dass der Bediener bei der Annäherung an die Anlage keinen Schaden erleidet.

Bevor es optische Abtasttechnologien gab, wurden mechanische Verriegelungen zum Schutz gefährlicher Arbeitszellen eingesetzt. Während der Wartungsarbeiten würde der Strom zur Arbeitszelle abgeschaltet und es gäbe Sperrverfahren zur Absicherung des Bereichs. Menschen sind bekanntermaßen unzuverlässig, und es ist bekannt, dass sie Sicherheitsvorkehrungen umgehen. Optische Verriegelungen sind zuverlässiger - insbesondere in Verbindung mit einer Vollrückstellung oder einem Bedienfeld für zwei Bediener, um sicherzustellen, dass kein einzelner Bediener einen Neustart auslösen kann. Lesen Sie mehr darüber im Digi-Key-Artikel „Einsatz von Sicherheits-Laserscannern zum Schutz des Bedienpersonals in gefährlichen industriellen Arbeitsbereichen“.

Abbildung eines Sicherheitslaserscanners der SX5-Serie von BannerAbbildung 1: Mit diesem Sicherheits-Laserscanner der Serie SX5 können OEMs oder Endbenutzer mit einem PC bis zu sechs Sicherheitszonen und zwei Warnzonen definieren. (Bildquelle: Banner)

Anmerkung zu den Laufzeit(ToF)-Technologien: Die Verwendung von ToF ermöglicht eine präzise Kartierung der Lage von Objekten auf der Grundlage von Polarkoordinaten, d.h. Winkel des Lichtstrahls und Entfernung zu einem Objekt im beobachteten Bereich. Diese Informationen können verwendet werden, um eine Karte des beobachtbaren Bereichs des Scanners in Zonen zu erstellen. Dies ist entscheidend, wenn man den nächsten Spezialfall der Arbeit mit kollaborativen Robotern (Cobots) betrachtet.

Cobots sind so konzipiert, dass sie bei kollaborativen Aktivitäten mit menschlichen Operatoren zusammenarbeiten. Dies erfordert große Nähe und die damit verbundenen Risiken. Ein Scanner, der mit einer Karte des Arbeitsbereichs programmiert ist, kann die zulässigen Bewegungen des Cobots in Abhängigkeit von seinem Standort und der Bewegung des Mitarbeiters überwachen. Dies ist ein ziemlich neuer Wachstumsbereich sowohl auf dem Roboter- als auch auf dem Scanner-Markt, so dass sich ständig neue Anwendungen entwickeln.

Laserscanner für AGVs und Ortungsaufgaben

Betrachten Sie nun die Vor- und Nachteile von LiDAR (Light Detection and Ranging) auf der Grundlage von Laserscannern, die ToF auf einer beweglichen Plattform verwenden. Solche Systeme, die in autonomen Bodenfahrzeugen (AGVs) eingesetzt werden, stützen sich auf interne Karten des AGV-Standorts, so dass alle Objekterfassungen im Kontext stehen. Diese Fähigkeit wird als gleichzeitige Lokalisierung und Kartierung oder SLAM bezeichnet. Dies erhöht die Systemkomplexität, da Positionsfehler sich direkt auf die kartografische Lokalisierung von Hindernissen oder Zielen auswirken. Die Verwendung von lokalen Transpondern, Lehrprogrammierung oder in den Boden eingelassene Spuren helfen, dieses Problem zu lindern.

Bild des 270°-Sicherheitslaserscanners SEL-H05LPC von IDECAbbildung 2: Dies ist ein 270°-Sicherheitslaserscanner SEL-H05LPC für den Einsatz in AGVs, Gabelstaplern, Robotern und anderen beweglichen Geräten in Industrieanlagen. (Bildquelle: IDEC)

Scanning-Technologien unterliegen Änderungen des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), die auf Änderungen des Umgebungslichts beruhen. Der ungünstigste Fall ist eine volle Sonnenlichteinstrahlung, die mehrere Größenordnungen stärker sein kann als die Scan-Beleuchtung. Es gibt mehrere mögliche Lösungen, darunter die Modulation der Quelle, strukturierte Abtastung und die Verwendung von schmalen Frequenzbändern zusammen mit Filterung. Glücklicherweise arbeiten AGVs meist in lichtgesteuerten Lagern, die diese Techniken nicht benötigen. Für Fahrzeuge, die für den Einsatz im Freien vorgesehen sind, wird derzeit intensiv nach Lösungen gesucht und geforscht.

Laserscanner sind per Definition Sichtgeräte. Das heißt, sie sind auf die Sicht direkt vor ihnen beschränkt. Wenn der Scanner frontal auf eine Reihe von Säulen blickt, sieht er nur die führende Säule in der Reihe. Ein Wechsel der Perspektive ist erforderlich, damit der Scanner zusätzliche Säulen erkennen kann, vorausgesetzt, sie befinden sich in Reichweite.

LiDAR auf Fahrzeugen kann sehr wertvoll sein - vor allem, wenn dieses LiDAR mit anderen Sensoren kombiniert wird, um auf Echtzeitänderungen in Lagerumgebungen zu reagieren. Hier hilft LiDAR, die Lieferraten zu erhöhen, den Personalbedarf zu reduzieren und Unfälle zu minimieren.

Die Auswahl der richtigen Abtastfunktionen in einem LiDAR-System bedeutet, dass der lineare Bereich, das Winkelabtastfenster und sowohl die lineare als auch die Winkelauflösung für diese Messungen festgelegt werden müssen. Bandbreite oder Aktualisierungsrate ist ein weiteres kritisches Element, da dies die Betriebsgeschwindigkeit des AGVs einschränken kann. Und schließlich, aber ebenfalls wichtig, bestimmt der Stromverbrauch die Zeit zwischen dem Aufladen und auch die Anzahl der Einheiten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt eingesetzt werden können.

Bild: AGVs, die heute auf dem Markt sind, nutzen LiDAR zur Navigation durch ihr WerkViele AGVs, die heute auf dem Markt sind, verwenden LiDAR zur Navigation in ihrer Werks- oder automatisierten Lagerumgebung. (Bildquelle: Gettyimages)

Elektrische und mechanische Überlegungen für LiDAR in AGVs

LiDAR entwickelt sich weiter, hauptsächlich angetrieben durch den Markt für autonome Fahrzeuge. Folglich gibt es ein breites Spektrum an Fähigkeiten, Funktionen und Preispunkten. Es bedeutet auch, dass sich noch kein Montage- oder Netzwerkstandard herausgebildet hat. Wenn die Verwendung von AGVs in einer Anwendung in Betracht gezogen wird, würde der Prozess darin bestehen, bestehende Angebote an die Systemanforderungen anzupassen und von dort aus die physische Struktur zu spezifizieren. Mehrere Unternehmen führen Systementwicklungen durch und bieten fertige oder anpassbare LiDAR-Systeme an. Je nach den Anforderungen kann eine vorgefertigte Lösung nur der Ausgangspunkt zu einer optimierten Lösung sein.

Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hat bei der Festlegung von Sicherheitsstandards für AGVs die Führung übernommen. Gegenwärtig konzentrieren sich diese in erster Linie auf die Frage der Kollisionen einschließlich:

  • Versenkbare Stoßstangen: Meistens in älteren Modellen sind die Stoßfänger mit einem Kraftsensor ausgestattet und leiten einen Stopp ein, wenn sie auf ein Hindernis treffen, wodurch die Kontaktkraft begrenzt wird.
  • Kontaktlose Methoden: Von modernen AGVs wird erwartet, dass sie Objekte erkennen und anhalten, ohne eine Kollision zu verursachen. Es wurden Testformen verwendet, die der menschlichen Form nahe kommen, obwohl für zukünftige Tests mehr menschenähnliche Formen und Posen vorgeschlagen werden.
  • Plötzlich auftretende Hindernisse: Das unerwartete Auftreten eines Hindernisses innerhalb der Sicherheitszone. Es wird erwartet, dass das AGV eine Notbremsung einleitet, eine Kollisionsvermeidung wird jedoch nicht erwartet.
  • Antizipation verdeckter Hindernisse: Zu diesen Hindernissen gehören Geräte oder Personen in der Nähe der Fahrbahn des AGV. Es wird erwartet, dass es ausgewiesene Langsamfahrzonen geben wird, in denen weniger als 0,5 m Abstand zum Fahrweg des AGV vorhanden sind.

In Erwartung der zukünftigen Verwendung von AGVs werden auch Sicherheitsstandards für Roboter einbezogen, um mit der Entwicklung von Testmethoden zu beginnen, die den Einsatz eines an einer AGV-Basis befestigten Roboterarms beinhalten.

Einer der vorherrschenden Trends bei LiDAR ist das Bestreben, die Größe, das Gewicht und die Kosten von LiDAR ohne Leistungseinbußen zu reduzieren. In den letzten zehn Jahren wurden Fortschritte erzielt, die diese Eigenschaften um eine Größenordnung reduziert haben. Wie bereits erwähnt, erhält SLAM oder Lokalisierung mehr Aufmerksamkeit. Die idealisierte Lösung wird es einem AGV ermöglichen, von überall her zu starten und seine eigene interne Karte der Welt, in der er operiert, zu entwickeln. Ein solcher Betrieb ist auf die Integration von LiDAR mit anderen Sensortypen angewiesen - einschließlich GPS, Radgeschwindigkeitssensoren und Kameras.

Laserscanner für die Datenkommunikation

Das Konzept eines linearen Strichcodelesers ist einfach: Eine Kombination von Linien und Zwischenräumen erzeugt eine Art Morse-Code, der direkt gelesen werden kann:

  • Messung des vom Scanner zurückreflektierten Lichts vom Barcode
  • Messung von Umgebungslicht bei der Rückreflexion

Abhängig von der Anwendung gibt es weltweit neun Varianten des linearen Barcodes, die regelmäßig verwendet werden. Obwohl Laserscanner die Norm für das Scannen von Strichcodes sind, benötigen Strichcodes nicht unbedingt die Präzision einer Laserlichtquelle, mit einigen Ausnahmen, die im Folgenden erwähnt werden. In den meisten Fällen erfolgt das Lesen und Übersetzen des Barcode-Inhalts innerhalb des Scanners. Normalerweise übergibt der Barcode-Scanner dekodierte Werte direkt an eine Datenbank.

Einige wenige Bereiche erfordern die feine Auflösung eines Barcode-Lasers. Für Orte mit beengten Platzverhältnissen werden die Standard-Strichcode-Streifen auf einem engeren physikalischen Standard gehalten. Dazu ist ein Lesegerät mit feiner Auflösung erforderlich, und Laserscanner können das recht gut. Eine ähnliche Situation besteht, wenn der Barcode weiter entfernt ist (z.B. auf dem Regal in einem Lagerhaus), wodurch die Winkelgröße des Codes effektiv reduziert wird.

Manchmal reicht das Umgebungslicht nicht aus, um einen guten Kontrast zwischen den Balken und den Räumen zu gewährleisten. In diesem Fall eignet sich eine bekannte Lichtquelle wie ein Laser, um den Code zu beleuchten und leicht lesbar zu machen.

Selbst Verbraucher, die häufig in Lebensmittelgeschäften einkaufen, sind mit Handscannern an Selbstbedienungskassen vertraut. Da Barcode-Scans in unendlich vielen Ausrichtungen dargestellt werden können, müssen Scanner in diesen Einstellungen eine enge Matrix sich kreuzender Laser-Scanlinien erzeugen. Dadurch wird sichergestellt, dass unabhängig von der Art und Weise, wie der Barcode präsentiert wird, mindestens eine der Scanlinien den gesamten Code abfangen wird.

Bild des Strichcode-Scannerboards MIKROE-2913 von MikroElektronikaAbbildung 4: Dieses Barcode-Scannerboard MIKROE-2913 kann 1D- und 2D-Barcodes lesen, die verschiedenen Protokollen entsprechen. Es enthält einen Mikro-USB-Anschluss, um als eigenständiges Gerät oder mit anderen Karten zu arbeiten. (Bildquelle: MikroElektronika)

2D-Barcode-Scanner: Zweidimensionale (2D) Codes unterscheiden sich von den oben erwähnten linearen Codes. Sie erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Informationsdichte, Fehlerüberprüfung und Lesbarkeit auch bei Beschädigung zunehmender Beliebtheit. Die Komplexität von 2D-Barcodes bedeutet, dass sie sich nicht für den Einsatz von Laserscannern eignen und zur Decodierung auf Kameras angewiesen sind. Es gibt vier Arten von 2D-Barcodes, die häufig verwendet werden, obwohl die meisten Verbraucher mit dem Quick-Response(QR)-Code vertraut sind, der von den meisten Smartphones leicht gelesen werden kann.

Wenn Maschinenbauer und Endanwender Barcode- und Scanneroptionen abwägen, gibt es drei Hauptaspekte zu berücksichtigen:

  1. Wo soll der Scanner eingesetzt werden? Ist es für die Inventarisierung in einem Lager, die Verfolgung von Produktionsteilen auf einer Fertigungsstraße oder für den Einsatz an einer Verkaufsstelle vorgesehen?
  2. Wie viele Daten werden benötigt und wie groß ist der physische Platz auf dem Gegenstand, um den Barcode anzubringen?
  3. Auf welche Oberfläche wird der Barcode gedruckt - und welche Druckauflösung kann diese Oberfläche beibehalten?

Wenn diese drei Fragen beantwortet sind, sollte es eine Reihe von gangbaren Alternativen geben, aus denen man wählen kann.

Abbildung des Barcode-Laserscanners Code Reader 950 (CR950) der Brady CorporationAbbildung 5: Der Barcode-Laserscanner Code Reader 950 (CR950) der Brady Corporation verfügt über einen Weitbereichsbildsensor zum leichteren Scannen. Das Ergebnis ist das omnidirektionale Lesen von 1D- und 2D-Barcodes - selbst von solchen auf glänzenden Oberflächen. (Bildquelle: Brady Corporation)

Andere leser- und kamerabasierte Alternativen: Die meisten Varianten des Barcode-Scanners wurden oben behandelt. Erwähnenswert ist, dass einige Strichcode-Scanner eine lange Reihe von LEDs zur Beleuchtung des Codes in Verbindung mit einer passenden Reihe von CCD-Detektoren (CCD = charge-coupled device) verwenden, um das reflektierte Licht zu erkennen. Diese werden als LED-Lesegeräte bezeichnet.

Es gibt auch Kamerasysteme, die speziell für das effektive und schnelle Lesen von 2D-Codes entwickelt und konfiguriert wurden.

Schlussfolgerung zu Laserscanner-Anwendungen

Die Verbreitung laserbasierter Geräte und Anwendungen seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 ist überwältigend. Obwohl der Barcode dem Laser um 11 Jahre voraus ist, hat sich der Einsatz von Kohärenzlichtscannen zum Lesen von Informationen zum Goldstandard entwickelt. Laserbasierte Positionsverfolgung und Erkennungsabtastung sind auch in der Industrie zu Standardlösungen geworden. Unabhängig davon, ob man ein System von Grund auf neu entwirft oder einen bestehenden Prozess erweitert, besteht eine gute Chance, dass eine gewisse Variation des Laserabtastverfahrens für die meisten industriellen Fertigungs- oder Tracking-Anwendungen von Nutzen ist. Wenn man bedenkt, wie weit die Technologie fortgeschritten ist, stehen die Chancen gut, dass, wenn die genaue Konfiguration heute nicht verfügbar ist, etwas Geeignetes am Horizont auftaucht.

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Über den Autor

Scott Orlosky

Throughout his 30-year career, Scott Orlosky has designed, engineered, developed, marketed, and sold sensors and actuators for industrial and commercial industries. He is coinventor on four patents for the design and manufacturing of inertial sensors. Orlosky is also a coauthor of Encoders for Dummies and produced the BEI Sensors industrial newsletter for nearly 15 years. Orlosky holds a master’s degree in Manufacturing and Control Theory from the University of California, Berkeley.

Über den Verlag

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