一種工業安全防護用二維激光安全掃描儀

李海明，王振偉，王學軍，吳兆遷，孫玉寶，劉德秋

（濟寧科力光電產業有限責任公司，山東 濟寧 272000）

0 引言

1951年德國sick公司推出了第一個用于安全防護的安全光柵；1993年sick推出第一個基于脈沖激光測距原理、符合三級安全類別的區域掃描器，用于危險區域的防護。至今，有更多的廠家如Omron、Hokuyo、Leuze、Keyence等推出了類似的區域掃描保護裝置。這些裝置在各種復雜區域防護和移動危險區域防護（如移動機器人）得到了廣泛應用。

我國工業安全防護產品起步較晚，且由于高精度脈沖激光測距實現難度大，至今尚未有類似的區域防護裝置面世。目前國內在售的基于脈沖激光測距的定向測距傳感器，測距精度基本在數十cm量級甚至米級。而國外產品均有專用芯片，測距精度可達到cm級別。

本文研究了一種基于脈沖激光測距、二維掃描的激光安全掃描儀，測距精度±6cm，達到國外產品水平，填補了國內產品空白。同時掃描區域半徑最大4m、掃描角度190°，能可靠探測該區域內反射率低至1.8%、高至100%的物體，可通過上位機將掃描輪廓配置成任意形狀。該掃描儀屬于一類激光產品，對人眼安全，且符合標準IEC61496中type3電敏防護裝置安全要求。

1 激光安全掃描儀概述

本文介紹的二維激光安全掃描儀內部有一個旋轉掃描單元，通過旋轉掃描單元發送周期性光脈沖，光脈沖遇到障礙物后返回傳感器，傳感器通過測量光往返時間確定當前角度的障礙物和傳感器距離。所有角度位置的測距結果最終組成當前二維平面的環境輪廓。激光安全掃描儀可掃描角度190°，分辨率 0.36°。

2 高精度測距實現

本文研究的二維激光安全掃描儀采用下述關鍵技術完成激光飛行時間的準確測量，實現掃描區域內反射率1.8%～100%物體測距精度±6cm的效果。

2.1 激光發射

測距用脈沖式半導體激光器驅動電路模型如圖1所示。為了實現高精度測距，需要發射激光脈沖具有窄脈寬、快速上升下降時間特性。因為脈寬越窄信噪比越高，測距精度越高[1]。從電路模型來看，高精度測距對放電回路的開關管開關特性有極高的要求。本文選用ns級別開關速度的射頻mosfet，產生了上升下降時間1.5ns、半脈寬3ns的發射脈沖，為實現高精度測距奠定了良好的基礎。

圖1 激光器驅動電路模型

2.2 回波處理、時點鑒別、時間測量

由于目標物距離和反射物的變化，激光經目標漫反射返回后，回波能量動態范圍變化很大，弱信號和強信號比率甚至達到1：10000以上，經過計算和測試1.8%反射率物體在4m處回波能量低至1μW以下，而強反射率物體（反射率100%）回波能量可達到1W以上。當回波能量過強時，放大電路輸出信號將飽和失真。信號極大范圍的動態變化，為準確鑒別回波時點帶來很大困難[2]。

如果采用前沿時刻鑒別法[3]，如圖2所示，回波脈沖信號和固定閾值Vth比較，確定回波時點。由于回波信號幅值的變化，將引入計時誤差△t。該誤差至ns級別，1ns對應距離30cm，無法滿足高精度測距要求。

圖2 前沿時刻鑒別示意圖

本文采用自動增益控制和高通阻容時點鑒別相結合的方法，很好地解決了大動態范圍回波信號的時點準確鑒別問題[4]。一方面對接收雪崩光電二極管APD和放大電路進行自動增益調節，避免信號飽和失真；另一方面采用高通阻容時點鑒別方法實現不同幅值信號的準確時點鑒別。高通阻容時點鑒別原理是，當脈沖信號經阻容微分電路后，原極值點轉換為零點，且該過零點時刻不受輸入信號幅值變化影響，可作為準確計時點。因為不同幅值脈沖信號的極值點時刻相同（上升時間相同）。

經過時點鑒別后，模擬信號轉換為數字計時信號送入專用計時芯片完成飛行時間測量。本文采用ACAM公司專用計時芯片TDC-GPX，該芯片時間測量分辨率達27ps，對應距離0.81cm，可滿足cm級別測距精度目標。

2.3 測距結果

經過試驗驗證，二維激光安全掃描儀實現了±6cm的測距精度。分別使用黑色燈芯絨（1.8%反射率）、灰色粗紙板（20%反射率）、反光板（90%以上反射率），在不同位置進行測距數據采集，并發送到上位機完成數據顯示。抽取部分試驗結果，如表1所示。

表1 不同反射率目標和不同距離測距數據

3 控制安全與可靠性設計

激光安全掃描儀用于工業現場安全防護，對掃描儀的安全可靠性具有極高的要求。

本文針對所有電路元件進行失效安全分析并采取措施，如電阻失效模式包括開路、短路、變值，集成元件失效分析包括任意引腳的開路、相互之間短路，電源變化導致的性能變化。同時采用雙通道互檢、周期性測試自檢、關鍵回路冗余等技術保障安全，確保導致危險失效的任何單一故障能被檢測到并切斷安全輸出；當不引起失效危險的單一故障未被檢測時（如某個增強抗干擾能力的上拉電阻開路），繼續進行故障累加測試，確保出現其他故障也不引起危險失效。最終設計的二維激光安全掃描儀符合標準IEC61496中type3安全等級要求。

為了應對工業現場復雜的電磁環境，本文采取模塊化結構設計，結合屏蔽、最小環路設計、電氣隔離、信號完整性設計、板級高頻數模電路布局、串擾分析等措施，外加浪涌、脈沖群、靜電吸收防護和旁路措施[5]，使激光安全掃描儀完全通過標準IEC61496中type3產品相關EMC測試。

4 功能特點

4.1 保護區域自由配置、在線監控

激光安全掃描儀掃描區域半徑最大4m、190°，可根據實際需求，將保護區域輪廓配置為任意形狀（如矩形，多邊形，或者自由曲線）。用戶可使用USB電纜連接PC電腦和激光安全掃描儀，通過上位機軟件繪制實際需要的保護區域輪廓，并發送給掃描儀。上位機簡單界面如圖3所示。

圖3 上位機配置界面

當激光掃描儀和PC電腦建立連接后，可通過上位機軟件實時監控掃描儀工作狀態，如保護區域內障礙物位置。

4.2 激光安全

掃描儀使用905nm脈沖激光，平均功率＜1mW，符合一類激光安全標準，對人眼安全[6]。

4.3 高分辨率、快速響應時間、無合作目標

激光安全掃描儀掃描角度分辨率0.36°，在4m處可檢測到直徑7cm的物體。采用光飛行時間測量技術、單次測量時間只有40μs，可在1s內完成25000次測量。掃描儀默認響應時間為80ms，針對特殊現場情況，如焊接站火星四濺、切割金屬屑飛濺等場合，響應時間最長可調到680ms，減小因檢測到飛濺物料而斷開安全回路的可能，從而提高生產效率。

掃描儀能可靠探測掃描平面內反射率1.8%～100%的物體。

4.4 抗光干擾能力強

激光作為單色光，具有能量集中、穿透能力強、抗環境光干擾能力強等特點。本文同時采用窗口可見光濾波、接收透鏡905nm窄帶濾波措施，進一步增強掃描儀抗光干擾能力。

4.5 多區域組設置

掃描儀可存儲4組不同輪廓形狀的保護區域，用戶可通過四組輸入信號的變化切換至對應的保護區域。該功能滿足了AGV（無人搬運車）行進中轉彎時需改變保護區域輪廓的需求。

4.6 窗口污染檢測

由于激光出射和接收窗口外露于空氣中，當長時間使用、灰塵覆蓋嚴重時，將嚴重削弱出射能量，最終無法實現4m內1.8%反射率物體的準確測距。因此掃描儀設置有窗口污染檢測功能，當能量削弱過多時停止探測，直到窗口清潔后才能恢復，從而確保測距和功能安全。

5 應用展望

與超聲波測距、相位法激光測距、雷達微波測距，脈沖測距技術等相比，具有超高速、無合作目標、商用價值高等優點。其中超聲波測距成本最低，在民用倒車雷達上得到廣泛應用，但是由于其測量速度低，尚無法滿足快速運動控制領域的應用需求。相位法激光測距精度高，可至1mm以下，在工程領域有大量手持式相位測距儀應用，缺點是對目標反射率有要求，目標反射率低時需要使用反射棱鏡等合作目標配合測量。雷達微波測距由于高昂的成本，商用較少。

與基于圖像處理的視覺測量技術、各種基于CCD的測量技術比較，脈沖激光測距方法具有不受環境光明暗影響、夜間可靠工作等優點。

綜合以上，基于脈沖激光飛行時間測量的二維激光安全掃描儀，在二維區域掃描、安全防護、移動控制領域應用前景光明，將發揮越來越重要的作用。

6 結語

本文介紹了一種安全防護用二維激光安全掃描儀，測距精度達到±6cm，可實現半徑4m、190°的二維區域內反射率1.8%～100%的目標的可靠探測，同時符合標準IEC61496中type3電敏防護裝置安全要求。可根據實際需求將掃描區域輪廓配置成任意幾何形狀。該激光安全掃描儀的成功研制，填補了國內產品空白，達到國外同類產品水平，推動了國內安全防護產品的發展，具有良好的社會效益和經濟效益。

[1] 姜海嬌，來建成，王春勇，等.激光雷達的測距特性及其測距精度研究[J].中國激光，2011，（5）.

[2] 朱 福，林一楠.一種提高脈沖激光測距精度的方法[J].光電技術應用，2011，（2）.

[3] 王 彬.半導體激光測距機關鍵技術[J].硅谷，2011，（5）.

[4] 張育琪，徐 軍，楊 佩.脈沖激光測距接收電路的設計[J].電子科技，2010，（4）.

[5] 楊克俊，編著.電磁兼容原理與設計技術[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[6] 陳 虹，尹志斌.激光產品的安全分級與防護[J].激光雜志，2010，（4）.