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(chǎn)業(yè)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(qū)域掃描器，用于危險區(qū)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(qū)域掃描保護裝置。這些裝置在各種復(fù)雜區(qū)域防護和移動危險區(qū)域防護（如移動機器人）得到了廣泛應(yīng)用。

我國工業(yè)安全防護產(chǎn)品起步較晚，且由于高精度脈沖激光測距實現(xiàn)難度大，至今尚未有類似的區(qū)域防護裝置面世。目前國內(nèi)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(shù)十cm量級甚至米級。而國外產(chǎn)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(chǎn)品水平，填補了國內(nèi)產(chǎn)品空白。同時掃描區(qū)域半徑最大4m、掃描角度190°，能可靠探測該區(qū)域內(nèi)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(chǎn)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(nèi)部有一個旋轉(zhuǎn)掃描單元，通過旋轉(zhuǎn)掃描單元發(fā)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(jié)果最終組成當前二維平面的環(huán)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(xiàn)

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

2.1 激光發(fā)射

測距用脈沖式半導體激光器驅(qū)動電路模型如圖1所示。為了實現(xiàn)高精度測距，需要發(fā)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(guān)管開關(guān)特性有極高的要求。本文選用ns級別開關(guān)速度的射頻mosfet，產(chǎn)生了上升下降時間1.5ns、半脈寬3ns的發(fā)射脈沖，為實現(xiàn)高精度測距奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖1 激光器驅(qū)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(jīng)目標漫反射返回后，回波能量動態(tài)范圍變化很大，弱信號和強信號比率甚至達到1：10000以上，經(jīng)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(tài)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(yīng)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(jié)合的方法，很好地解決了大動態(tài)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(diào)節(jié)，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(xiàn)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(jīng)阻容微分電路后，原極值點轉(zhuǎn)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(jīng)過時點鑒別后，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(yīng)距離0.81cm，可滿足cm級別測距精度目標。

2.3 測距結(jié)果

經(jīng)過試驗驗證，二維激光安全掃描儀實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集，并發(fā)送到上位機完成數(shù)據(jù)顯示。抽取部分試驗結(jié)果，如表1所示。

表1 不同反射率目標和不同距離測距數(shù)據(jù)

3 控制安全與可靠性設(shè)計

激光安全掃描儀用于工業(yè)現(xiàn)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(guān)鍵回路冗余等技術(shù)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(xù)進行故障累加測試，確保出現(xiàn)其他故障也不引起危險失效。最終設(shè)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(yīng)對工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境，本文采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合屏蔽、最小環(huán)路設(shè)計、電氣隔離、信號完整性設(shè)計、板級高頻數(shù)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(chǎn)品相關(guān)EMC測試。

4 功能特點

4.1 保護區(qū)域自由配置、在線監(jiān)控

激光安全掃描儀掃描區(qū)域半徑最大4m、190°，可根據(jù)實際需求，將保護區(qū)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(qū)域輪廓，并發(fā)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(jiān)控掃描儀工作狀態(tài)，如保護區(qū)域內(nèi)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(yīng)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(shù)、單次測量時間只有40μs，可在1s內(nèi)完成25000次測量。掃描儀默認響應(yīng)時間為80ms，針對特殊現(xiàn)場情況，如焊接站火星四濺、切割金屬屑飛濺等場合，響應(yīng)時間最長可調(diào)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(chǎn)效率。

掃描儀能可靠探測掃描平面內(nèi)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(huán)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(qū)域組設(shè)置

掃描儀可存儲4組不同輪廓形狀的保護區(qū)域，用戶可通過四組輸入信號的變化切換至對應(yīng)的保護區(qū)域。該功能滿足了AGV（無人搬運車）行進中轉(zhuǎn)彎時需改變保護區(qū)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(xiàn)4m內(nèi)1.8%反射率物體的準確測距。因此掃描儀設(shè)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(fù)，從而確保測距和功能安全。

5 應(yīng)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(shù)等相比，具有超高速、無合作目標、商用價值高等優(yōu)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(yīng)用，但是由于其測量速度低，尚無法滿足快速運動控制領(lǐng)域的應(yīng)用需求。相位法激光測距精度高，可至1mm以下，在工程領(lǐng)域有大量手持式相位測距儀應(yīng)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(shù)、各種基于CCD的測量技術(shù)比較，脈沖激光測距方法具有不受環(huán)境光明暗影響、夜間可靠工作等優(yōu)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(qū)域掃描、安全防護、移動控制領(lǐng)域應(yīng)用前景光明，將發(fā)揮越來越重要的作用。

6 結(jié)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(xiàn)半徑4m、190°的二維區(qū)域內(nèi)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?？筛鶕?jù)實際需求將掃描區(qū)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(nèi)產(chǎn)品空白，達到國外同類產(chǎn)品水平，推動了國內(nèi)安全防護產(chǎn)品的發(fā)展，具有良好的社會效益和經(jīng)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(shù)應(yīng)用，2011，（2）.

[3] 王 彬.半導體激光測距機關(guān)鍵技術(shù)[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(shè)計[J].電子科技，2010，（4）.

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

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