安全激光掃描儀在工業車輛防碰撞中的應用

蘭婉玉 劉冠伯 韓晴晴，3

1北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007 2北京市自動化物流裝備工程技術研究中心 北京 100007 3機械工業物料搬運工程技術研究中心 北京 100007

0 引言

隨著物流行業的快速發展，工業車輛的使用數量不斷增加，近年來工業車輛安全事故起數居高不下，國家市場監督管理總局發布《工業車輛安全監控管理系統》，要求工業車輛加裝安全監控管理系統（以下簡稱監控系統），對工業車輛運行過程中的重要參數進行監控，防止因安全事故造成的財產損失或人員傷亡。針對工業車輛的避障功能，可采用安全激光掃描儀（以下簡稱掃描儀）對車輛附近的障礙物進行檢測，將檢測到的信息實時傳輸到監控系統，發生異常時能夠及時做出應對措施，減少碰撞事故的發生，提高行車安全。

1 安全激光掃描儀

掃描儀能根據作業需求對檢測區域進行自由配置[1]，用于靜態和動態區域防護，通過集成的旋轉鏡對任意確定的檢測區域進行二維監測，判斷是否存在障礙物以及所在區域，并實時將檢測結果傳輸到監控系統中，監控系統根據檢測結果對工業車輛進行相應的控制。掃描儀能適應各種環境條件，應用場所靈活廣泛。本文以SICK掃描儀為例，針對在工業車輛防碰撞中的應用進行研究。

1.1 工作原理

掃描儀是光學傳感器，其工作原理主要是利用障礙物反射的光波進行探測[2]，掃描儀內部集成光波的發射和接收裝置，激光器發射出的激光遇到障礙物時，一部分光波會反射到接收器上，發射光束的同時運行電子秒表，根據發射和接收時間點的時間差Δt ，通過公式S（距離）＝C（光速）·Δt/2，可計算出障礙物到掃描儀的距離。

此外，設備中有一面勻速旋轉鏡，使脈沖轉向分散在270°的扇形區域中，由此可識別270°以內保護區域內的物體，第1束掃描從-45°開始，設備以0.5°的角度分辨率發射激光，即可達到30～150 mm的分辨率；結合光束的角度和距離可得到障礙物的確切位置（見圖1）。掃描儀的主動掃描原理，不僅減少安裝工作量，還可輕松調整監控區域。

圖1 安全激光掃描儀旋轉功能原理

1.2 檢測區域

如圖2所示，掃描儀的檢測區域包括1個保護區域和2個報警區域（報警區域2、報警區域3）。報警區域3內出現障礙物時即啟動報警，提醒駕駛員注意有障礙物靠近；報警區域2內出現障礙物時啟動報警，提醒駕駛員并啟動相應是措施（如減速）；保護區域1內出現障礙物時啟動危機干預措施，關閉發動機停止設備運行。保護和報警區域可靈活根據現場條件進行自由劃定。

圖2 安全型掃描儀的3個防護區域

1.3 設備優點

現有的掃描儀完全能滿足工業車輛防碰撞的檢測需求，其優點有：測量距離可達9 m、角分辨率高達0.5°、測量角度范圍最大為270°、響應時間達80 ms，且抗干擾能力強，結構簡單小巧；通過眩目和顆粒算法提升灰塵和顆粒公差，減少粉塵對檢測的干擾，能在較惡劣環境下正常工作；掃描儀為非接觸式防護，不需要通過作用力進行檢測，避免因碰撞造成保護裝置的損壞，減少停機與設備保養的時間；采用標準的通信接口，能快速集成到應用中；保護和報警區域可自由根據現場條件進行劃定，當環境條件改變時可通過軟件快速調整掃描儀的檢測區域，準確、高效地完成檢測任務；使用單個掃描儀出現檢測盲區時，還能按照主從結構串聯1～4臺掃描儀，實現全方位的檢測。

1.4 設備缺點

掃描儀具備眾多優點的同時也存在缺點：使用時光路必須始終保持通常，不得被透明物遮擋（如防護玻璃、透鏡等）；不適用于含有煙氣、霧氣、粉塵及其他空雜質較多的環境，設備易出現錯誤關閉；超出最大檢測距離即檢測無效，檢測數值始終為0；發射的激光對人眼有害，使用過程中要避免出現激光直射人眼的情況；設備價格較昂貴；測量方式為點測量，進行面測量時需要對數據處理的算法進行編程，難度較高且不能實現三維測量。

2 安全激光掃描儀的應用

2.1 應用場所

工業車輛多在環境復雜多變的庫區和廠房中作業，運行通道附近時常會出現工作人員走動或貨物堆放的狀況，極易發生碰撞事故，不僅存在安全隱患，也影響作業效率。掃描儀具有自由劃分檢測區域的特性，非常適用于作業復雜多變的環境，可廣泛應用于各類工業車輛監控系統中的防碰撞功能。

1）穿梭車

在高密度物流倉儲中的貨物搬運，貨架間的貨物搬運設備大多數采用穿梭車，巷道兩側存在密集的貨架和貨物，避障設備對物體進行檢測時，易將兩側的貨架和貨物判定為障礙物，混淆檢測結果，造成不必要的干擾。通過掃描儀的區域自由劃定功能，僅將巷道內的區域設定為檢測區域，就能避免此類情況的發生，保證作業效率，見圖3。

圖3 穿梭車避障中的應用

2）叉車

叉車是一個流動的物流搬運設備，其工作環境包括室內和室外，沒有特定的運行通道，環境非常復雜多變，有時還會處于人車混雜的空間內作業，叉車行駛速度較快且體積較大，運行中的安全取決于駕駛員的即時操作，駕駛技能的要求和相應的管理制度并不能完全避免事故的發生，仍存在大量因視覺盲區、疲勞、超速、轉向等導致的剮蹭、碰撞等事故發生，不僅帶來經濟損失，甚至還有人身傷害。使用掃描儀檢測叉車周圍障礙物的狀況，再通過車輛監控系統及時對駕駛員發出警示或緊急停車控制，能有效避免客觀因素導致的碰撞事故。

3）搬運機器人

搬運機器人的制造成本很高，安全性是其設計的重中之重。多輛小車在同一片區域運行過程中，避障和導航都需要實時獲取周圍的環境信息，其避障設計分為2類：一是接觸式，常用接觸類傳感器（壓電傳感器，機械開關等），但其結構復雜安裝不便；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，測量范圍也很廣泛。

現有的搬運機器人更傾向于使用非接觸式避障方式。發生相遇情況時，掃描儀將檢測信息傳輸到監控系統，按照優先級別對搬運車下達安全避讓或停止運行指令，防止發生相互碰撞導致作業流程停止和小車損壞，安全可靠的避障方式可降低運行成本，提高作業效率。

2.2 應用方法

1）硬件安裝

將掃描儀安裝在工業車輛的車尾或車頂，270°檢測范圍能完全涵蓋操作人員的視覺盲區。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頭距離不宜過近，否則會產生干擾。特殊的型號或安裝位置需要設置相應的機架進行固定，以免受到過度沖擊和振動影響。工作環境較惡劣時，應做好防塵措施，避免粉塵附著過多影響激光的發射與接收，從而降低檢測的準確度。此外，防護措施本身要透光性好，不得阻擋激光的收發。掃描儀固定安裝完成后，按照使用手冊的說明完成電氣連接，再通過軟件對其參數和檢測區域進行相應的設定即可[3]。

2）設備配置

通過USB端口或Ethernet與PC端進行連接，啟動SICK專用的Safety Designer軟件。在Configuration目錄下，首先定義設備的IP、項目信息、分辨率和采樣時間等個性化參數的設置。其次，在Fields中使用Field set區域的工具快速對檢測區域進行設置，繪制檢測區域范圍，并設定各個區域的保護類型。然后，對可編程邏輯控制器通信方式和監控事件等進行定義。最后，以測試模式啟動設備，檢查當前配置對實際應用的適應性，檢查生成檢驗報告無誤后，將設定配置下載到掃描儀中，完成掃描儀的配置，如圖4所示。掃描儀能設置多個可切換的區域組，作業環境發生改變時，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 掃描儀配置頁面

除了能將設定的配置下載到掃描儀中，還能導出其原有的設備信息。設備連接成功后，在設備概況中可查看項目和設備信息、顯示狀態等，設備配置由Upload導入至Safety Designer，可逐項對其信息進行瀏覽，任務和附注也可在頁腳中查看。如改動不大，可根據實際需求在其原有的信息上進行更改并重新下載，大大減少配置時間。

2.3 應用結果

工業車輛在運行過程中，掃描儀將檢測信號實時傳輸到監控系統中，當掃描儀感應到報警區域3有物體時IO2口輸出中斷，報警指示燈閃爍；報警區域2中有物體時IO1口輸出中斷，報警指示燈閃爍并降低運行速度；保護區域1中有物體時則將開關量輸出（OSSD）切換到關機狀態，報警指示燈閃爍，并關閉驅動裝置停止運行；另外，可根據實際情況通過監控系統增加其他報警方式。掃描儀的2個警示區域和1個保護區域可確保所有的保護區域和充分的反應時間，能準確地做出報警預測，并根據危險情況做出相應反饋[4]，既能避免發生碰撞事故，還能防止非必要停機而降低作業效率和減少車輛急停對制動裝置造成的磨損。

3 結束語

隨著工業自動化的高度發展，監控系統在工業車輛中的應用將愈加普及，防碰撞更是監控系統重中之重的一部分。掃描儀具備自由劃定檢測區域且配置簡單靈活的特點，能夠快速適應各種復雜多變的作業環境，非常適合與各種應用進行集成，將會成為工業車輛檢測障礙物的重要手段，應用前景十分廣闊。