Laserskannerisovellusten vertailu

Laserit — lyhenne sanoista light amplifying by stimulated emission of radiation — ovat elektroniikkalaitteita, jotka lähettävät yhden tai useampia koherentteja valonsäteitä. Koherentti viittaa sähkömagneettisiin aaltoihin, joilla on sama taajuus ja aallonmuoto ja vakio vaihe-ero. Lasereita voidaan käyttää seuraaviin tarkoituksiin:

• Leikkuu-, etsaus-, hitsaus- ja siivutussovellukset — kuten tarkkuuskaiverruksessa, porauksessa, puolijohdeviimeistelyssä, mekaanisessa uudelleenpinnoituksessa ja (lääketieteen alalla) LASIK-silmäkirurgiassa
• Kuvannus ja projisointi — kuten holografiassa, konfokaalimikroskopiassa, suuren tarkkuuden maanmittauksessa (pistepilvien luontiin), laserspektroskopiassa
• Tiedonsiirto — kuten viivakoodinlukijoissa sekä kuituoptisissa ja DVD-tekniikoissa
• Paikannus — kuten tuotantosolujen turvajärjestelmissä, 3D-tulostuksessa ja LiDAR (light detection and ranging) -valotutkajärjestelmissä

Laserskannaus — pyyhkivien tai heijastuvien lasersädematriisien käyttö — on monien tällaisten sovellusten ydin. Tämä artikkeli tarkastelee useita laserskannerisovelluksia, jotka ovat kaikkein yleisimpiä teollisuusautomaatiossa.

Yksinkertaisimmassa muodossaan lasersignaali tuotetaan pistelähteenä ja sitten pyyhkäistään aktiivisen kulman poikki ja se heijastuu takaisin tarkasti ohjatusta sisäisestä peilistä. Sisäinen valontunnistin lukee heijastuneen signaalin. Koska lasersäteen projisointikulma ja kulkuaika (ToF) ovat tunnettuja, skannerin elektroniikka voi käyttää palanneita signaaleja yksityiskohtaisen kartan luontiin skannerin kantamalla olevista rakenteista.

Tämä konsepti on yksinkertainen, mutta oli joukko kehityshaasteita, jotka täytyi voittaa, jotta laserskanneritekniikka saatiin toimimaan reaalimaailmassa. Suurimpia haasteita olivat ympäristön valomäärän vaihtelut, alustan liike, valonlähteiden kalibrointi tasalaatuista valontuottoa varten sekä teollisuusympäristöissä yleensä esiintyvän pölyn ja lian sietäminen.

Näille teknisille haasteille on löydetty ratkaisut, ja nykyään eräitä sofistikoiduimpia sovelluksia käytetään automaattitrukeissa (AGV), joissa käytetään 3D-skannauksia 360˚:n alueelta. Tänä päivänä on myös yleistä nähdä itsevaaittuvia laserskannereita, joita käytetään rakennustyömailla väliseinien tarkkaa ripustusta tai lattian vaaitusta varten. Vielä yhtenä laserskannerin käyttökohteena ovat maanmittauksessa käytettävät kojeet, joiden avulla rakennusinsinöörit voivat suunnitella teiden kaltevuuksia millimetrien tarkkuudella. Nämä ovat esimerkkejä erityistarkoituksiin suunnitelluista laserskannereista – vaikka laserskannereiden todellinen monipuolisuus ilmenee tehdasympäristöissä.

Laserskannerit teollisuuden työturvallisuutta varten

Mieti yhtä tärkeää laserskannerisovellusta automaatiossa — vaarallisten tuotantosolujen suojaamista. Perusjärjestelmissä laserskanneri sijoitetaan kiinteään paikkaan, jossa laser skannaa yksittäisen tason poikki. Tällaisia skannereita ovat valoverhot, jotka toimivat turvallisuuden valvontajärjestelminä. Valoverho sijoitetaan siten, että se suojaa tiettyä osaa potentiaalisesti vaarallisesta laitteesta – ja se valvoo valosäteen katkeamista. Jos valosäde katkeaa, valoverho hidastaa kriittisen laitteen osaa, pysäyttää sen tai antamaa hälytyssignaalin.

Skanneri täytyy sijoittaa siten ja sädegeometrian on oltava sellainen, että kaikkia koneenkäyttäjän mahdollisia tulokohtia voidaan valvoa. Yllä mainittujen vastetilojen mukaisesti skanneria käytetään usein yhdessä muiden turvalaitteiden kanssa (suojukset, hälytykset ja hätäpysäytyskytkimet) sen varmistamiseksi, ettei koneenkäyttäjä voi vahingoittua lähestyessään konetta.

Ennen optisia skannausteknologioita vaarallisten tuotantosolujen suojaamiseen käytettiin mekaanisia lukituksia. Tällöin tuotantosolun sähkö katkaistaan huollon ajaksi ja varmistuksena käytetään vahinkokäynnistyksen estoa. Ihmiset ovat surullisen kuuluisia epäluotettavuudestaan ja ihmiset ovat ohittaneet suojalaitteita. Optiset lukot ovat luotettavampia – erityisesti yhdistettynä kovaan resetointiin tai kahden käyttäjän käyttöpaneeliin, jolla varmistetaan, ettei yksittäinen käyttäjä voi aloittaa uudelleenkäynnistystä. Lue tästä lisää Digi-Keyn artikkelista ”Turvalaserskannerit ihmiskäyttäjien suojaamiseen”.

Kuva 1: Tämän SX5-Series-turvalaserskannerin avulla OEM-valmistajat ja loppukäyttäjät voivat määritellä tietokoneen kautta enintään kuusi turvallisuusvyöhykettä ja kaksi vaaravyöhykettä. (Kuvan lähde: Banner)

Lisähuomio kulkuaika (ToF) -tekniikoista: ToF:n käyttö mahdollistaa objektien sijainnin tarkan kartoituksen napakoordinaatiston perusteella: valosäteen kulma ja etäisyys objektiin havainnoitavalla alueella. Tätä informaatiota voidaan käyttää kartan luontiin skannerilla havainnoitavasta alueesta sen jakamiseksi vyöhykkeisiin. Tämä on erittäin tärkeää ajatellen seuraavaa erityistilannetta, työskentely yhteistyörobottien (cobottien) kanssa.

Cobotit on nimenomaisesti tarkoitettu työskentelemään yhdessä ihmiskäyttäjien rinnalla yhteistyönä tehtävissä toimissa. Tämä edellyttää lähietäisyyttä ja siihen liittyy riskejä. Skanneri, johon on ohjelmoitu työtilan kartta, voi valvoa cobotin sallittuja liikkeitä niiden sijainnista ja työntekijän liikkeestä riippuen. Tämä on suhteellisen uusi kasvualue sekä robotiikassa että skannerimarkkinoilla, joten uusia käyttökohteita kehittyy jatkuvasti.

Laserskannerit AGV-ajoneuvoihin ja tehtävien paikantamiseen

Pohditaanpa nyt ToF-tekniikkaa ja laserskannereita käyttävän LiDAR-valotutkan hyötyjä ja haittoja liikkuvalla alustalla. Automaattitrukeissa (AGV) käytettäessä tällaiset järjestelmät ovat riippuvaisia AGV-laitteen sijaintipaikan sisäisistä kartoista, joten kaikilla objektihavainnoilla on konteksti. Tätä kykyä kutsutaan samanaikaiseksi paikannukseksi ja kartoitukseksi tai SLAM:ksi. Tämä lisää järjestelmän kompleksisuutta, sillä sijaintipaikkavirheet vaikuttavat suoraan esteiden tai kohteiden kartoitettuun sijaintiin. Paikallisten transpondereiden, opetusohjelmoinnin tai maahan upotettujen ratojen käyttö helpottaa tämän ongelman ratkaisua.

Kuva 2: Tämä on 270° SEL-H05LPC -turvalaserskanneri, joka on tarkoitettu käyttöön AGV-laiteissa, haarukkatrukeissa, roboteissa ja teollisuuslaitoksissa käytettävissä muissa liikkuvissa laitteissa. (Kuvan lähde: IDEC)

Skannaustekniikoiden signaalikohinasuhteessa (SNR) voi tapahtua muutoksia ympäristön valomäärän muutosten vuoksi. Pahin tilanne on täydessä auringonvalossa, jossa valo voi olla useita kertaluokkia skannauksen valoa voimakkaampaa. Tähän on monia mahdollisia ratkaisuja, kuten lähteen modulointi, strukturoitu skannaus ja kapeiden taajuuksien käyttö suodatuksen kanssa. Onneksi AGV-laitteita käytetään useimmiten valaistusohjatuissa varastoissa, joissa ei tarvita edellä mainittuja tekniikoita. Ulkokäyttöön tarkoitettuja ajoneuvoja varten etsitään tällä nykyä ratkaisuja intensiivisen tutkimuksen kautta.

Laserskannerit vaativat määritelmän mukaan näköyhteyttä. Tämä tarkoittaa, että niiden näkymä rajoittuu vain suoraan niiden edessä olevalle alueelle. Jos skanneri osoittaa suoraan pylväsriviä kohti, se näkee vain rivin ensimmäisen pylvään. Perspektiiviä on muutettava, jotta skanneri voisi havaita muut pylväät. Tämä edellyttää, että ne ovat kantaman puitteissa.

LiDAR voi olla mobiiliajoneuvoissa erittäin hyödyllinen — erityisesti silloin, kun LiDAR yhdistetään muihin antureihin. Tämä mahdollistaa reagoimisen varastoympäristöjen reaaliaikaisiin muutoksiin. Tällöin LiDAR auttaa tehostamaan toimitusnopeuksia, vähentämään henkilökunnan tarvetta ja minimoimaan onnettomuudet.

Sopivien skannausominaisuuksien valinta LiDAR-järjestelmässä tarkoittaa lineaarisen alueen, skannausikkunakulman sekä lineaarisen että kulmaresoluution määrittelyä näille mittauksille. Kaistanleveys tai päivitysnopeus on toinen kriittinen elementti, sillä se voi rajoittaa AGV-laitteen toimintanopeutta. Viimeinen mutta tärkeä tekijä on virrankulutus. Se määrittelee uudelleenlatausten välisen ajan ja myös kullakin hetkellä käytettävissä olevien yksiköiden lukumäärän.

Monissa nykyään markkinoilla olevissa AGV-laitteissa käytetään LiDAR-tekniikkaa tehtaassa tai automaattisessa varastoympäristössä navigointiin. (Kuvan lähde: Gettyimages)

Sähköisiä ja mekaanisia tekijöitä LiDAR-teknologian käytössä AGV-laitteissa

LiDAR-teknologian kehitys jatkuu, pääosin autonomisten ajoneuvojen markkinoiden ohjaamina. Tästä on seurauksena paljon eri ominaisuuksia, toimintoja ja hintaluokkia. Tämä tarkoittaa myös, ettei asennus- tai yhdistettävyysstandardia ole vielä muodostettu. Kun AGV-laitteiden käyttöä harkitaan jossain kohteessa, tehtävänä olisi sovittaa senhetkinen tarjonta järjestelmävaatimuksiin ja tämän tulisi toimia lähtökohtana fyysisen rakenteen määrittelyssä. Monet yritykset tarjoavat järjestelmäsuunnittelua ja tarjoavat valmiita tai räätälöitäviä LiDAR-järjestelmiä. Vaatimuksista riippuen esisuunniteltu ratkaisu saattaa olla vain lähtökohta optimoidumpaa ratkaisua kohti.

Yhdysvaltain National Institute of Standards and Technology (NIST) -virasto on johtoasemassa AGV-laitteiden turvallisuusstandardien laatimisessa. Tällä hetkellä standardeissa keskitytään ensi sijassa törmäyksiin liittyviin aiheisiin, kuten:

• Kokoon painuvat puskurit: Pääosin vanhemmissa malleissa tarkoituksena on, että puskurit sisältävät voimantunnistuksen ja aloittavat pysäytyksen osuessaan esteeseen, mikä rajoittaa kontaktivoimaa.
• Kontaktittomat menetelmät: Nykyaikaisten AGV-laitteiden odotetaan tunnistavan objektit ja pysähtyvän aiheuttamatta törmäystä. Ihmishahmoja muistuttavia testausmuotoja on käytetty ja lisää ihmisen kaltaisia muotoja ja asentoja on ehdotettu tulevaa testausta varten.
• Yllättävät esteet: Esteen odottamaton ilmaantuminen turvallisuusvyöhykkeelle. AGV-laitteen odotetaan aloittavan hätäpysäytys mutta törmäyksen välttämistä ei kuitenkaan odoteta.
• Ohipääsemättömien esteiden ennakointi: Näihin esteisiin kuuluvat AGV-laitteen ajoreitin lähellä sijaitsevat laitteet ja ihmiset. On odotettavissa, että reitillä on määrättyjä hitaita vyöhykkeitä, joissa AGV-laitteen ajoreitillä on alle 0,5 m vapaata tilaa.

Tulevaa AGV-laitteiden käyttöä ennakoidessaan NIST työskentelee myös robottien turvallisuusstandardien parissa. Tavoitteena on aloittaa testausmenetelmien kehittely, joihin sisältyy AGV-alustaan kiinnitetyn robottivarren käyttö.

Yksi dominoivista LiDAR-trendeistä on yrittää pienentää LiDAR-järjestelmän kokoa, painoa ja hintaa suorituskykyä heikentämättä. Viimeisimmän vuosikymmenen aikana on tapahtunut edistystä ja näitä ominaisuuksia on pienennetty kertaluokalla. Aiemmin mainittu SLAM tai paikantaminen saa yhä enemmän huomiota. Ihanteellisessa ratkaisussa AGV voi aloittaa mistä kohdasta tahansa ja kehittää toimintaympäristöstään oman sisäisen karttansa. Tällainen toiminta perustuu siihen, että LiDAR-teknologian ohessa käytetään muita anturityyppejä – mukaan lukien GPS, pyörännopeusanturit ja kamerat.

Laserskannerit tiedonsiirtoon

Lineaarisen viivakoodinlukijan käsite on yksinkertainen: viivojen ja välien yhdistelmä luo ikään kuin Morse-koodin, joka voidaan lukea suoraan:

• Mittaamalla skannerin lähettämä valo sen heijastuessa takaisin viivakoodista
• Mittaamalla ympäristön valo valon heijastuessa takaisin

Yleisessä käytössä on maailmanlaajuisesti yhdeksän lineaarisen viivakoodin versiota käyttötarkoituksesta riippuen. Vaikka viivakoodien luvussa käytetään tavallisesti laserskannereita, viivakoodit eivät välttämättä tarvitse laservalolähteen tarkkuutta alla mainittuja poikkeuksia lukuun ottamatta. Useimmissa tapauksissa viivakoodisisällön luku ja dekoodaaminen tapahtuu kokonaan skannerissa. Viivakoodinlukija lähettää dekoodatut arvot normaalisti suoraan tietokantaan.

On muutamia alueita, jotka edellyttävät viivakoodilaserin tarkkaa resoluutiota. Ahtaisiin paikkoihin tarkoitetussa standardissa viivakoodin viivat ovat lähempänä toisiaan. Tämä edellyttää resoluutioltaan korkeaa lukijaa ja laserskannerit sopivat hyvin tähän tehtävään. Samankaltainen tilanne esiintyy, kun viivakoodi on kauempana (esimerkiksi varaston hyllyllä), mikä käytännössä pienentää koodin kulmakokoa.

Joskus ympäristön valo ei riitä hyvän kontrastin synnyttämiseen viivojen ja tyhjien välien kesken. Tässä tapauksessa tunnettu valonlähde, kuten laser, sopii koodin valaisuun ja tekee siitä helppolukuisen.

Itsepalvelukassojen kädessä pidettävät skannerit ovat tuttuja jopa elintarvikemyymälöissä usein käyville kuluttajille. Koska skannattava viivakoodi voi olla miten päin tahansa, skannereiden täytyy tällaisissa tilanteissa käyttää tiiviin matriisin muodostavia risteäviä laserskannausviivoja. Näin varmistetaan, että vähintään yksi skannausviivoista sieppaa koko koodin, oli viivakoodi miten päin hyvänsä.

Kuva 4: Tämä MIKROE-2913-viivakoodinlukijakortti voi lukea 1D- ja 2D-viivakoodeja eri protokollien mukaisesti. Se sisältää micro-USB-portin ja sitä voidaan käyttää itsenäisenä laitteena tai muiden korttien kanssa. (Kuvan lähde: MikroElektronika)

2D-viivakoodinlukijat: Kaksiulotteiset (2D) koodit poikkeavat yllä mainituista lineaarisista koodeista. Niiden suosio on kasvanut niiden korkean informaatiotiheyden ja virheiden tarkistuksen ansiosta sekä siksi, että ne voidaan lukea myös vaurioituneina. 2D-viivakoodien kompleksisuus tarkoittaa, etteivät ne sovellu käyttöön laserskannereiden kanssa ja niiden dekoodaukseen tarvitaan kameroita. Yleisessä käytössä on neljä 2D-viivakoodityyppiä, vaikka useimmat kuluttajat tuntevat QR (quick-response) -koodin, joka on helppo lukea useimmilla älypuhelimilla.

Kun koneenrakentajat ja loppukäyttäjät punnitsevat viivakoodi- ja skannerivaihtoehtoja, kolme tärkeintä huomioon otettavaa näkökohtaa ovat:

1. Missä skanneria käytetään? Onko se tarkoitettu varaston inventointiin, tuotanto-osien jäljitykseen tuotantolinjalla vai myyntipistekäyttöön?
2. Paljonko tietoja tarvitaan ja paljonko tuotteessa on fyysistä tilaa viivakoodin sijoittamista varten?
3. Mille pinnalle viivakoodi tulostetaan – ja mitä tulostusresoluutiota kyseinen pinta tukee?

Kun näihin kolmeen kysymykseen on vastattu, valittavissa tulisi olla joukko käypiä vaihtoehtoja.

Kuva 5: Tässä Brady Corporationin Code Reader 950 (CR950) -laserviivakoodinlukijassa on skannausta helpottava laaja-alainen kuva-anturi. Sillä voidaan skannata 1D- ja 2D-viivakoodeja kaikista suunnista – myös kirkkailta pinnoilta. (Kuvan lähde: Brady Corporation)

Muut lukija- ja kamerapohjaiset vaihtoehdot: Yllä on käsitelty useimmat viivakoodinlukijan versiot. On mainitsemisen arvoista, että joissakin viivakoodinlukijoissa käytetään pitkiä ledirivejä koodin valaisuun sekä vastaavaa riviä CCD (charge-coupled device) -tunnistimia heijastuvan valon mittaamista varten. Niitä kutsutaan ledilukijoiksi.

On myös kamerajärjestelmiä, jotka on suunniteltu ja konfiguroitu erityisesti 2D-koodien tehokkaaseen ja nopeaan lukuun.

Yhteenveto laserskannerin käyttökohteista

Laserpohjaisten laitteiden ja niiden käyttökohteiden räjähdysmäinen kasvu laserin keksimisestä vuonna 1960 alkaen on ollut ällistyttävää. Vaikka viivakoodi on laseria 11 vuotta vanhempi, koherenttia valoa käyttävästä skannauksesta informaation lukemiseen on tullut kultainen standardi. Laserpohjaisesta paikannuksesta ja tunnistuksesta skannaamalla on myös tullut käypä ratkaisu teollisuusympäristöissä. Suunnitellaanpa järjestelmä tyhjästä vai parannetaanpa olemassa olevaa prosessia, on hyvin mahdollista, että jollain laserskannauksen muunnelmalla on käyttöä useimmissa teollisuuden valmistus- ja seurantasovelluksissa. Kun otetaan huomioon kuinka pitkälle tämä teknologia on kehittynyt, on todennäköistä, että jotain sopivaa on horisontissa, vaikkei tiettyä konfiguraatiota olisikaan saatavilla vielä.