前言
光作为一种自然现象在人们生活中随处可见，随着科学技术的发展，人们对光的认识和利用程度不断地加深，光对人民的生活和发展起到了至关重要的作用。光不仅可以照明，还可以用来传递信息，人们对光的利用正朝着高科技的方向的发展。激光具有良好的单色性、方向性和垂直性，且光束发散角小，普通光源是全方位的光，而激光则是单一方向传播的光，方向性好，功率密度高。激光能输出高功率，其光束很细。激光雷达是堆垛机防撞系统种的重要组成部分，它可以对障碍物进行实时检测，并将检测信息传递给PLC，然后PLC对堆垛机做出反应。由于激光雷达装置携带方便，使用简单，效率高，可靠性好，在防撞方面的应用比较普遍。
一、激光雷达原理及应用
激光雷达具有强大的抗干扰能力，甚至可应用于雾天环境，又因其本身具有加热功能，所以对于堆垛机在冷库中的防撞很有重大意义，而且可以全天候工作。但是，目前激光雷达对障碍物的检测和识别还不够完善，且多线激光雷达成本昂贵，应用条件受限。因此，本文主要探讨单线激光雷达在堆垛机防撞系统中的应用，而要完成激光雷达的选择，既要考虑经济问题，也要考虑环境和安装的问题，才能选择出适合的雷达。
1.1 激光雷达原理
如图1所示，激光雷达主要由发射器、分光器、接收器和反射镜等组成。其中，发射器主要由各种新式的激光器组成，即能产生激光的自激振荡器。接收器主要由光电转换器、整形、放大、滤波电路等组成，其作用是消除噪声信号，将反射回来的光信号转换成电信号。分光器的作用是将所需的共振吸收线分离处理。激光雷达是指以激光器作为辐射源，通过发射器作为向目标发射一束激光信号，该信号经过目标折射回来，返回信号被接收器经过光电转换器将光信号转换成电信号，可以经过回波信号的延时、强度等参数来确定障碍物的距离和位置等。激光雷达就是为了探测目标而存在的，广泛应用于防撞系统中。
图1 激光雷达组成图
1.2 激光雷达选型
按线数主要分为单线激光雷达和多线激光雷达。单线激光雷达主要用于规避障碍物，其扫描速度快，可靠性高。由于单线激光雷达比多线激光雷达在角频率和灵敏度反应更快捷，所以在测试周围障碍物的距离和精度上都更精确。但是，单线激光雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定的局限性。多线激光雷达主要用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原有质的改变，可识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，甚至可以做到3D。目前市场上推出了4线、8线、16线、32线和64线，但价格较昂贵，设备质量和功耗都很大，成像速度慢，不适用于堆垛机防撞系统。
按照激光发射波主要分为连续型激光雷达和脉冲型激光雷达。其中，连续激光是一直有光发出，就像打开手电筒的开关，它的光为常亮状态。连续激光是依靠持续亮光到待测高度，进行某个高度下的数据采集。由于连续激光的工作特点，某时个刻只能采集到一个点的数据。脉冲激光输出的激光为闪烁光，而非连续发光。脉冲激光的原理是发射几万个的激光粒子，根据国际通用的多普勒原理，根据这几万个激光粒子的反射情况来综合评价某个高度的风况，是一个立体的概念，故有探测长度的理论，防撞雷达大多采用脉冲型激光雷达。
本文所述激光雷达在堆垛机系统中的应用环境较简单，根据上述情况对比雷达的各种信号，选用德国西克激光雷达（见图2），具体技术参数见表1。
图2 激光雷达
表1 LMS111参数信息表
二、设备调试
如图3所示，激光雷达有4个端口，其中端口1是电源连接公头，端口2是串口连接线8针公头，端口3是I/O连接8针公头，端口4是以太网公接头。图4为电源公头图，其中针脚1接电源24VDC正极，针脚2接24VDC加热器正极，针脚3接24VDC电源负极，针脚4未定义，针脚5接24VDC电源正极。图5为串口连接线8针公头，其中针脚1接RS232主串口接收端，针脚2接RS232主串口发送段，针脚3接CAN总线高信号端，针脚4接CAN总线低信号端，针脚5接RS232/CAN总线信号地端，针脚6接数字量输入1，针脚7接数字量输入2，针脚8接数字量输入信号地。图6为I/O连接8针母头，其中针脚1接编码器输入1，针脚2接编码器输入2，针脚3接编码器信号地，针脚4接数字量输出1，针脚5接数字量输出2，针脚6接数字量输出3，针脚7接数字量输出1～3连接信号线B，针脚8接数字量输出电阻监控信号线。图7是以太网母接头，其中针脚1接以太网接口TX ，针脚2接以太网接口RX ，针脚3接以太网接口TX-，针脚4接以太网接口RX-。
图3 激光雷达端口图
图4 电源公头图
图5 串口连接线8阵公头
图6 I/O连接8针母头
图7 以太网母接头
2.1 数字量输出信号选择
如图8所示，左侧为LMS输出，此方式为源型输入，高电平有效。其中OUT1B为I/O连接8针公头电缆的4号针脚，接入电源24VDC，OUT1R表示数字量输出电阻监控信号线，接入电源24M，OUT1A为I/O连接8针公头电缆的4号针脚，表示数字量输出1。当雷达没有检测到障碍物时，此时雷达会给PLC一个高电平的输入点，当雷达检测到障碍物时，这个输入点会变为低电平，即可以这个输入点来判断激光雷达是否检测到障碍物。本文选择的是西门子PLC，为源型输入，故选择此接线图。
图8 源型输出信号接线图
如图9所示，左侧为LMS输出，此方式为漏型输入，低电平有效。需要PLC公共端接入24VDC，数字量输出1连接信号线OUT1B接入24V负极或地电位。该接线方式如果用于驱动外部负载，如指示灯、继电器等，则需将24V正极接入负载一侧，负载另一侧接入OUT1A，OUT1B接入24V负极。当激光雷达没检测到障碍物时，激光雷达给PLC输入为低电平，当激光雷达检测到障碍物时，激光雷达输入为高电平。
图9 漏型输出信号接线图
2.2 防护区域绘制
LMS111调试软件用的是SOPAS，首先将电脑的IP地址设置和默认的IP地址在同一个网段，设置完毕以后打开SOPAS软件，搜索设备并将其打开，待设备在线后再设置防护区域。在绘制图形时，应考虑环境、防护距离等要素，因为激光雷达安装于在巷道中运行的堆垛机上，所以绘制矩形比较合适。当激光雷达检测到障碍物时，堆垛机应停在障碍物前面，所以设置探测距离大于堆垛机最大速度时的减速距离，且横向检测距离小于巷道宽度等。双击打开Monitor,将探测距离设置为6m，横向距离设置为20cm（见图10），经过实验，绘制成矩形完全可行。
图10 防护区域图
2.3 数据处理
如图11所示，双击Parameter，再打开Dataprocessing进行数据处理。数据有2个返回通道，当返回第一个脉冲候，通过第一个通道返回，而第二通道返回的是第二个脉冲，此时选择开启一个通道即可。当数据为8位时，为0～255；数据为16为时，返回的分辨率提高，为0～65635；数据16位时的精度高。角度的选择要考虑巷道的情况，所以对于堆垛机来说，角度选择0º～180º即可，扫描角度范围太大容易误探，降低堆垛机的效率。
图11 数据选择图
2.4 防撞流程
当激光雷达设置完毕后，需要进行防撞测试，具体流程如图12所示。将障碍物放入到巷道中，在正常情况下，当激光雷达在防护区域内未检测到障碍物时，激光雷达会输出高电平作为PLC的输入，堆垛机正常行驶。当激光雷达在防护区域内检测到障碍物时，激光雷达会输出低电平给PLC，PLC通过检测输入点电压高点判断是否检测到障碍物,从而判断堆垛机是否停车。需要注意的是，在巷道尽头会因墙的存在而导致误探测，所以将激光雷达的探测加入限制，使其在巷道末不检测障碍物。
图12 防撞流程图
三、遇到的问题及解决方法
1）在测试过程中，经常会遇到误探情况，导致堆垛机停车报警，影响效率。为此，在绘制防护区域时可能将图形绘制过大，超出巷道的宽度，此时应将防护区域缩小，减少误探情况。另外，堆垛机在运行过程中因某个物体反光引起误探，此时可在程序中加入适当的延时（如0.5s等），这样就会避免误探的发生。
2）由于激光雷达自带加热功能，在冷库中使用激光雷达时经常会因断电导致激光雷达报警。为此，如果长时间断电，会导致激光雷达温度下降而报警，所以通电后让激光雷达自加热一段时间，待其温度上升后将激光雷达重启即可解除报警。
四、结束语
当障碍物放在堆垛机巷道中，可利用上位机给堆垛机发送一个任务来检测雷达的效果。结果表明，当障碍物未在雷达探测范围内时，堆垛机照常运行。当雷达刚探测到障碍物时，堆垛机开始减速停车，且可停在障碍物的前面，未撞到障碍物。实验表明，将激光雷达应用于堆垛机防撞系统中是完全可行的。随着传感器技术的飞速发展，研究使得激光雷达正朝着高分辨率、高灵敏度、抗干扰、微型化、低成本的方向发展，相信在不久的未来，激光雷达将应用于生活的各个方面。
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作者：北京起重运输机械设计研究院有限公司周松/杨黎明/万杰
来源：《起重运输机械》
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