激光器——用于通過輻射受激發(fā)射來放大光線器件的縮寫——是一種能發(fā)出一束或多束相干光的電子裝置。相干表示頻率和波形相同、相位差不變的電磁波。激光可用于：

切割、蝕刻、焊接和切片應(yīng)用——如精密雕刻、鉆孔、半導(dǎo)體精加工、機(jī)械表面再修復(fù)以及（醫(yī)療領(lǐng)域的）LASIK 眼科手術(shù)。

成像和投影——如全息、共聚焦顯微鏡、高清晰度測量（用于創(chuàng)建點云）、激光光譜。

數(shù)據(jù)傳輸——如條形碼閱讀器以及光纖和 DVD 技術(shù)。

定位——如工作單元安防系統(tǒng)、3D 打印和光探測與測距 (LiDAR) 系統(tǒng)。

激光掃描——使用掃描或偏轉(zhuǎn)激光束陣列——是許多此類應(yīng)用的核心。本文將回顧幾種工業(yè)自動化領(lǐng)域最常見的激光掃描應(yīng)用。 在最簡單的實施方案中，激光信號作為點光源產(chǎn)生，然后通過精確控制的內(nèi)部鏡面反射掃過一個活動角度。內(nèi)部光探測器讀取反射信號。由于激光束的投射角和飛行時間 （ToF） 已知，掃描儀的電子裝置可以使用返回信號來構(gòu)建掃描范圍內(nèi)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。

雖然概念簡單，但要使激光掃描技術(shù)在現(xiàn)實世界中發(fā)揮作用，就必須克服一系列開發(fā)難題。其中更具挑戰(zhàn)性的是環(huán)境光變化、平臺移動、實現(xiàn)一致輸出所需的光源校準(zhǔn)，以及耐受工業(yè)環(huán)境中的灰塵和污垢。 我們已經(jīng)找到了應(yīng)對這些技術(shù)挑戰(zhàn)的辦法；現(xiàn)在，最復(fù)雜的一些應(yīng)用是地面自主車輛 （AGV） 所采用的 360? 3D 掃描。

今天，建筑業(yè)中使用自流平激光掃描儀進(jìn)行精密掛板或地面找平也是很常見的應(yīng)用。然而，激光掃描儀的另一個應(yīng)用則是經(jīng)緯儀測量，幫助土木工程師將道路等級規(guī)劃到毫米級分辨率。這些都是針對特殊功能專門設(shè)計的激光掃描設(shè)備例子——盡管激光掃描儀的真正用途是在工廠車間。

工業(yè)安全激光掃描儀

我們來考慮自動化領(lǐng)域中一個重要的激光掃描應(yīng)用——保護(hù)危險工作單元。在基本裝置中，激光掃描儀的位置固定，同時激光掃過一個平面。這種掃描儀用作安全監(jiān)控系統(tǒng)的光幕。光幕應(yīng)安裝在一個能夠保護(hù)危險性設(shè)備上特定部分的位置，并監(jiān)視任何光束中斷。響應(yīng)中斷時，光幕會使關(guān)鍵設(shè)備上的部件減速或停止，或提供報警信號。 必須將掃描儀定位，且激光束的幾何形狀必須能夠監(jiān)測任何可能的操作者進(jìn)入點。

正如上述響應(yīng)模式所暗示的那樣，掃描儀通常與其他安全設(shè)備（防護(hù)裝置、警報器和截止開關(guān)）配套使用，以確保操作人員在接近設(shè)備時不會受到傷害。 在光學(xué)掃描技術(shù)出現(xiàn)之前，采用機(jī)械聯(lián)鎖方式來保障危險工作單元的安全。在維修期間，工作單元的電源切斷并采取上鎖掛牌措施。眾所周知，人類是最不可靠，因為有些人總會繞過防護(hù)設(shè)施。光學(xué)互鎖更可靠——特別是與硬復(fù)位或雙操作控制面板配合使用時，用來確保單人操作不會啟動重啟功能。如需詳細(xì)了解，請參閱 Digi-Key 文章《安全激光掃描儀保護(hù)操作者》。

飛行時間 (ToF) 技術(shù)說明：使用 ToF 技術(shù)時，能夠根據(jù)極坐標(biāo)精確地繪制物體的位置：光束角度、在被觀測區(qū)域內(nèi)與物體之間的距離。這些信息可用于創(chuàng)建掃描儀觀察區(qū)域的地圖，并將其分為若干區(qū)域。當(dāng)考慮與協(xié)作機(jī)器人 (cobots) 配合使用的下一個特殊情況時，這點至關(guān)重要。 根據(jù)設(shè)計，協(xié)作機(jī)器人的目的是在協(xié)作活動中與操作人員一起工作。這要求緊密靠近以及隨之而來的風(fēng)險。在使用工作空間地圖進(jìn)行編程后，掃描儀可以根據(jù)機(jī)器人的位置和操作員的移動情況，確定允許機(jī)器人移動的范圍。在機(jī)器人以及掃描儀市場，這是一個新興增長領(lǐng)域，所以新應(yīng)用一直在向前發(fā)展。

用于 AGV 和定位任務(wù)的激光掃描儀

現(xiàn)在，我們考慮下在移動平臺上使用 ToF 的、基于激光掃描儀的光探測和測距 (LiDAR) 技術(shù)的優(yōu)缺點。用于自主地面車輛 (AGV）中時，此類系統(tǒng)依賴 AGV 定位的內(nèi)部地圖，因此所有物體探測都上下關(guān)聯(lián)。這種能力被稱為同步定位和映射或SLAM。這會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，因為位置定位誤差會直接影響障礙物或目標(biāo)的映射定位。使用本地應(yīng)答器、教學(xué)編程或地板嵌入式軌道有助于緩解這一問題。

掃描技術(shù)會根據(jù)環(huán)境光的變化而改變其信噪比 （SNR）。最壞的情況是全日照，這種情況下光線可能比掃描照度高幾個數(shù)量級。目前有幾種縣城的解決方案，包括調(diào)制源、結(jié)構(gòu)化掃描、使用窄頻和濾波。幸運的是，AGV 大多在光控倉庫內(nèi)工作，無需這些技術(shù)。對于室外工作車輛，目前正在密集研究和探索針對性解決方案。 激光掃描儀由視距設(shè)備定義。這意味著它們被限制在正前方的視野中。如果正面是一列柱子，那么掃描儀只能看到這列柱子中最前面的那根。

掃描儀需要改變視角才能探測其他的柱子，假設(shè)這些柱子在掃描儀觀察范圍內(nèi)。 移動車輛上的 LiDAR 極其重要——尤其是在當(dāng) LiDAR 與其他傳感器組合使用，以應(yīng)對倉庫環(huán)境實時變化的情況。在這里，LIDAR 有助于提高交付率，減少人員要求并最大限度地減少事故。 在 LIDAR 系統(tǒng)中選擇合適的掃描功能意味著指定線性范圍、掃描窗口角度以及這些測量值的線性和角度分辨率。帶寬或更新率是另一個關(guān)鍵因素，它可以限制 AGV 的運行速度。最后但也是很重要的一點，功耗將確定充電周期，以及在任何給定時間內(nèi)可以部署的設(shè)備數(shù)量。

AGV 中 LiDAR 的電氣和機(jī)械注意事項

LiDAR 正在持續(xù)發(fā)展，其主要推動力自自動駕駛汽車市場。因此，在性能、功能、價位上都存在很大差異。這也意味著目前還沒有出現(xiàn)安裝或連接標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)考慮在應(yīng)用中使用 AGV 時，這個過程就是將現(xiàn)有的產(chǎn)品與系統(tǒng)要求相匹配，并從中指定物理結(jié)構(gòu)。目前，有幾家公司可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，提供完整的或可定制 LiDAR 系統(tǒng)。根據(jù)不同的需求，預(yù)先設(shè)計的解決方案可能只是形成更優(yōu)化解決方案的起點。 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 率先制定了 AGV 安全標(biāo)準(zhǔn)。目前這些標(biāo)準(zhǔn)主要集中在碰撞方面上，具體包括：

折疊式保險杠：在多數(shù)老款車型中，保險杠將包含力檢測功能，并在撞上障礙物時啟動停車功能，限制碰撞接觸力。

非接觸方法：現(xiàn)代 AGV 應(yīng)能探測到物體，并在不造成碰撞的情況下停車。在測試時已使用了近似于人形的測試物，不過仍建議在未來的測試中更多地使用類似于人形和姿勢的測試物。

突然出現(xiàn)的障礙物：安全區(qū)域內(nèi)突然出現(xiàn)的障礙物。預(yù)計 AGV 會啟動緊急停車，然而并不期待避免發(fā)生碰撞。

預(yù)測被遮擋的障礙物：這些障礙包括 AGV 車道附近的設(shè)備或人員。預(yù)計在與 AGV 車道的間隙小于 0.5 m 的地方會有指定的慢速區(qū)。

在預(yù)測未來 AGV 的使用過程中，他們還會制定機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)，以便開始研究各種測試方法，其中會涉及到 AGV 底盤固定的機(jī)械臂。 LIDAR 領(lǐng)域的主流趨勢之一就是在不犧牲性能的前提下，推動激光雷達(dá)體積、重量和成本的降低。這在過去十年取得了進(jìn)展，使這些屬性已減少了一個數(shù)量級。我們前文提到，SLAM 或者本地化越來越受關(guān)注。理想的解決方案是，AGV 能夠從任何地方出發(fā)并繪制用于行駛時參照的自用內(nèi)部世界地圖。執(zhí)行此類任務(wù)需要依賴 LIDAR 與包括 GPS、輪速傳感器和攝像頭在內(nèi)的其他類型傳感器的集成。

激光掃描儀用于數(shù)據(jù)通信

線性條形碼掃描儀的概念很簡單：一種由線條和空格組合而成且讀取方便的摩斯碼。

測量由掃描儀發(fā)出并由條形碼反射回的光線。

測量反射回的環(huán)境光

根據(jù)應(yīng)用的不同，全球常用線性條形碼有九種。雖然激光掃描儀是條形碼掃描的主流，但條形碼不一定需要激光光源的精度，下面就是一些例外。大多數(shù)情況下，條形碼內(nèi)容的讀取和翻譯都是在掃描儀內(nèi)部完成。通常，條形碼掃描儀將解碼后的值直接發(fā)送至數(shù)據(jù)庫。 少數(shù)領(lǐng)域要求條形碼激光儀具有高分辨率。對于空間受限的地方，標(biāo)準(zhǔn)條形碼帶的物理標(biāo)準(zhǔn)較窄。

這就需要高分辨率掃描儀，激光掃描儀恰好滿足這一條件。條形碼距離較遠(yuǎn)時也存在類似情況（比如在如倉庫貨架上），這會有效地減小代碼角度。 有時，環(huán)境光不足以保證條形碼與空間之間具有良好對比度。這種情況下，類似激光這樣的已知光源就適合用來照射代碼，使其易于閱讀。 即使是經(jīng)常逛雜貨店的消費者，也很熟悉自助收銀臺使用的手持掃描儀。因為條形碼掃描能從無限多的方向進(jìn)行，所以掃描儀在這些設(shè)置中必須產(chǎn)生緊密交叉的激光掃描線矩陣。這就保證了無論條形碼如何呈現(xiàn)，至少有一條掃描線會截取全部代碼。

二維條形碼掃描儀：二維 (2D) 代碼不同于上述線性代碼。二維碼的信息密度高，具有錯誤檢查功能以及即使損壞也可讀取的特點，因此越來越受歡迎。二維條形碼的復(fù)雜性意味著它們不適合與激光掃描儀一起使用，而是依賴攝像頭進(jìn)行解碼。常用的二維條形碼有四種類型，不過大多數(shù)消費者熟悉的是快速反應(yīng)型 (QR) 碼，大多數(shù)智能手機(jī)都能輕松讀取。 當(dāng)機(jī)器制造商和最終用戶在條形碼和掃描儀之間進(jìn)行權(quán)衡時，應(yīng)考慮三個主要方面：

掃描儀在哪里使用？用于倉庫盤點、生產(chǎn)線上生產(chǎn)零件的跟蹤，還是用于銷售點？

需要多少數(shù)據(jù)、物品上有多大物理空間用來粘貼條形碼？

在什么表面上打印條形碼——以及該表面能夠保持多高的打印分辨率？

一旦解決了這三個問題，就能在備選方案中選擇了。

其他閱讀器和基于攝像頭的替代品：上文已經(jīng)介紹了條形碼掃描儀的大多數(shù)變化形式。值得一提的是，有些條形碼掃描儀會使用一排長長的 LED 燈照亮代碼，并配合一排相匹配的電荷耦合器件 (CCD) 探測器來檢測反射光。這種掃描儀被稱為 LED 閱讀器。 還有采用專門設(shè)計和配置的攝像系統(tǒng)，可以有效快速地讀取二維碼。

關(guān)于激光掃描儀應(yīng)用的結(jié)論

自 1960 年發(fā)明激光以來，基于激光的設(shè)備和用途便一直層出不窮，令人瞠目結(jié)舌。

雖然條形碼比激光早 11 年，但通過相干光掃描讀取信息已成為黃金標(biāo)準(zhǔn)?；诩す獾奈恢酶櫤蜋z測掃描也已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域的常用解決方案。對大多數(shù)工業(yè)制造和跟蹤應(yīng)用而言，無論是從零開始設(shè)計系統(tǒng)還是改進(jìn)現(xiàn)有工藝，激光掃描方法的某些變化可能是極有價值的。考慮到技術(shù)已發(fā)展到現(xiàn)在的地步，如果現(xiàn)在還沒有確切的配置，那么就會有一些非常適合的東西出現(xiàn)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：比較激光掃描儀的應(yīng)用

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