Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №46 (июнь) 2017
Разделы: Электротехника, Оптика
Размещена 23.05.2017. Последняя правка: 20.05.2017.

Применение технологии Lidar в системах позиционирования электроприводов

Проскуряков Михаил Александрович

Санкт-Петербургский Горный Университет

студент

Научный руководитель: Гульков Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский Горный Университет


Аннотация:
В данной статье рассматривается активная оптическая технология для измерения расстояния Lidar в составе систем позиционирования электроприводов производственных машин с описанием принципа действия и перечислением преимуществ и недостатков данной технологии.


Abstract:
This article is dedicated to the such active optical technology for distance ranging as Lidar as part of the positioning systems of electric drives of technological machines with a description of the principle of operation and enumerating the advantages and disadvantages of this technology.


Ключевые слова:
Lidar; оптические дальномеры; лазерные датчики; системы позиционирования; электропривод; автоматизация технологических процессов.

Keywords:
Lidar; optical ranging; laser sensors; positioning systems; electric drive; automation of technological process.


УДК 681.786.23

Введение. В настоящее время в качестве устройств для бесконтактного измерения расстояния до объектов наибольшее распространения получили ультразвуковые, радиолокационные и оптические и электрооптические дальномеры. Несмотря на ряд несомненных преимуществ, данные технологии имеют и несколько значительных недостатков. Так, например, помехами корректной работе ультразвуковых дальномеров могут стать так называемые паразитные эхо-сигналы, причиной которых являются криволинейные или наклонные по отношению к направлению излучения сигнала поверхности, а также высокая влажность окружающей среды; к ошибке измерений может привести также измерения расстояния до объектов из звукопоглощающих и изоляционных материалов. На работу радиолокационных и электромагнитных дальномеров значительно влияют частотные и электромагнитные помехи и шумы. Эти технологии также требуют использования сложного устройства для разделения излучаемых и принимаемых колебаний [1, 3].

Актуальность. Данные недостатки существующих технологий могут быть серьёзной помехой при их применении на производстве при процессах, в которых необходимо своевременное и высокоточное определение расстояния до окружающих объектов.

Следящие системы (системы позиционирования) электропривода используются для обеспечения с заданной точностью движения исполнительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно изменяющимся входным сигналом управления, измеряемого датчиком. Часто входной сигнал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала задающего устройства [2]. В ситуации, когда входным сигналом является расстояние до окружающих объектов, такие датчики строятся на основе устройств для бесконтактного измерения расстояния.  В связи вышеперечисленных несовершенств данных устройств в следящих системах возможно возникновение ошибок из-за погрешностей измерений величины входного сигнала.

Технология. Одним из современных способов получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем является технология Lidar (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности). Принцип действия таких систем основан на отражении от целей направленного луча света и его возвращении к источнику. В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер. Отражение лазера от объекта принимается и анализируется сенсором. Приемники записывают точное время, прошедшее с момента испускания лазерного импульса системой до момента его возвращения, для того чтобы вычислить расстояние между сенсором и целью (рис. 1).

Рисунок 1. Принцип действия Lidar.

Рисунок 1. Принцип действия Lidar.




Рисунок 2. Схема следящей системы на основе Lidar.

Рисунок 2. Схема следящей системы на основе Lidar.

На рисунке 2 представлена одна из возможных схем прототипа системы Lidar. Импульс света, испускаемый лазером под управлением микроконтроллера, проходит через линзу-трансмиттер (излучатель), отражается от объекта и попадает на линзу-ресивер (приёмник), проходя затем через фотодиод и усилитель. Начало и конец периода времени, в течение которого лазер испускает импульс, фиксируется детектором и передаётся на TDC (Time-to-DigitalConverter) – устройство, преобразующее временные величины в цифровые. Время следования импульса до объекта и обратно также фиксируется TDC и преобразуется в цифровое значение. TDC работает по принципу таймера, засекая временные периоды между началом испускания лазерных импульсов, его завершением и попаданием отраженного импульса в ресивер. Далее цифровые данные об этих временных промежутках передаются на микроконтроллер, где и формируются сигналы управления системой позиционирования [4].

Преимущества использования следящих систем с использованием датчиков на основе технологии Lidarзаключаются в следующем [5, 6]:

  • Высокая точность. Технология позволяет измерять расстояние до объектов с точностью до миллиметров.
  • Чувствительность. Технология имеет намного более высокое разрешение, чем альтернативные, что делает лазерные датчики гораздо более чувствительным к обнаружению небольших объектов.
  • Высокая плотность данных. Количество импульсов, испускаемых лазерным излучателем, может достигать 167000. В один момент времени в 1 м2 пространства расстояние может быть определено более чем для 24 различных точек. Множественные сигналы, посылаемые на приемник, позволяют построить 3D модель пространства.
  • Отсутствие влияния на работу системы электромагнитных и радиопомех.
  • Возможность определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах.
  • Цена. Учитывая точность, плотность и скорость получения  данных, применение Lidar в некоторых случаях обходится дешевле прочих технологий. Отмечается также тенденция к постепенному снижению стоимости датчиков на основе лазеров.

Из отрицательных сторон данной технологии стоит отметить следующие [5.6]:

  • Из-за способности световых волны рассеянию в любых средах работа системы в условиях повышенной влажности и туманности может привести к появлениям погрешностей и ошибок измерений.
  • На данном этапе в большинстве случаев применение данной технологии обходится значительно дороже аналогов.

Помимо широкого применения Lidarв картографии, моделировании, навигации и строительстве, данная технология используется в следящих системах электропривода рабочих органов механизмов и технологических машин. В рудниках австралийско-британского концерна Rio Tinto уже используются карьерные самосвалы фирмы Komatsu, в которых применена технология  автоматизированной тяги, использующая Lidar-датчики [8].

Концерн Volvo Construction Equipment совместно с Университетом Карнеги-Мелона разработали на основе лазерных датчиков систему, предоставляющую операторам тяжеловесных технологических машин видеть своё окружение в полном объёме. Система предоставляет операторам центральный дисплей в кабине (Рис.2) и дает им возможность следить за окружающей средой в режиме реального времени. Технология применяется на узких или перегруженных рабочих площадках, особенно в зонах дорожных работ. 

Рисунок 3. Применение Lidar в строительной технике Volvo.

Рисунок 3. Применение Lidar в строительной технике Volvo.

Инженеры из Технологического Университета Тампере (Финляндия) разработали систему управления автономным погрузчиком на основе Lidar-датчиков. Машина оборудована датчиками и управляющими ими сервоприводами (Рис.3), что позволяет получать 3D-изображение окружающего пространства в режиме реального времени. По словам разработчиков, данная технология является намного менее дорогостоящей, чем существующие на данный момент 3DLidar-датчики для навигационных систем мобильных производственных машин [7].  

Рисунок 4. Применение 2D Lidar-датчиков и сервоприводов для получения 3D-изображения окружающего автономный погрузчик пространства.

Рисунок 4. Применение 2D Lidar-датчиков и сервоприводов для получения 3D-изображения окружающего автономный погрузчик пространства.

Американская компания Quanergy предоставляет услуги по автоматизации производственных процессов с помощью технологии Lidar. По словам компании, автоматизация производства основана на оснащении производственных механизмов интеллектуальными датчиками «Quanergy LiDAR». Крупнейшие американские складские и распределительные центры используют датчики Quanergy для предотвращения столкновений и определения размеров объектов, что обеспечивает быстрый автоматизированный поток товаров. Датчики помогают в определении размеров участков для оптимальной загрузки в грузовые автомобили, а также для идентификации и измерения грузовых контейнеров [9]. Основное достоинство систем Quanergy состоит в том, что компания предоставляет сразу несколько вариантов готовых решений, имеющих универсальный характер и способных найти применение в большинстве современных производственных процессах, что позволяет упростить внедрение технологии при автоматизации производства. Одно из таких решений представлено на рисунке 5. Модель Quanergy LiDAR S3 использует оптическую фазированную решетку в качестве трансмиттера, позволяющую управлять импульсами света, сдвигая фазу лазерного импульса при их прохождении через решетку (рисунок 6). 

Рисунок 5. Модель Quanergy LiDAR S3.

Рисунок 5. Модель Quanergy LiDAR S3.



Рисунок 6. Оптически-фазированный трансмиттер в Quanergy LiDAR S3.

Рисунок 6. Оптически-фазированный трансмиттер в Quanergy LiDAR S3.

Оптическая фазированная решетка имеет несколько оптических антенн, которые подают когерентные световые сигналы одинаковой интенсивности. Управление переменными фазами используется в каждом элементе для генерации диаграммы направленности и ее ориентации в нужном направлении. Каждый импульс отправляется примерно за микросекунду, что позволяет получать около миллиона точек данных в секунду [10].

Заключение. При современном уровне научно-технического прогресса предпочтительной формой производства становится комплексно-автоматизированное производство. Специалистам в области автоматизации технологических процессов часто ставится задача по переводу производства на мировые технологические стандарты, тем самым уменьшив издержки предприятия. Например, российские производители техники для сельского хозяйства отмечают необходимость автоматизации сельскохозяйственных машин: «В результате роста энергонасыщенности, а следовательно, и рабочих скоростей тракторов возникает необходимость в автоматизации управления ими. Это обусловлено также несоответствием общего числа тракторов, сельскохозяйственных машин, автомобилей в сельском хозяйстве с численностью механизаторских кадров. В связи с этим необходимо создавать автоматы на тракторах, которые управляли бы положением рабочих орудий, скоростью движения, режимом работы двигателя, курсовой устойчивостью, торможением и разгоном трактора». Отсюда можно сделать вывод о целесообразности использования наиболее передовых и развивающиеся технологии, способных обрабатывать большое количество информации за минимальное время без существенных погрешностей, какой и является технология Lidar.

Опираясь на научные исследования, экспериментальные данные и богатый мировой опыт использования Lidar, можно утверждать о  высокой плотности данных, точности и чувствительности данной технологии. А благодаря предоставляемой компаниями-производителями информации о системах на основе лазерных систем позиционирования, можно сделать вывод о широком спектре применения, гибкости реализации, постоянному совершенствованию прототипов и обеспечению программной поддержки этих систем. Всё это даёт основания считать следящую систему на основе лазерных датчиковперспективной и востребованной технологией для применения в системах позиционирования производственных и технологических машин с целью автоматизации процессов.

Библиографический список:

1. А. А. Генике, А. М. Афанасьев. «Геодезические свето- и радиодальномер». М.: Недра, 2012.
2. А.А. Шапран. «Автоматизация производственных процессов». Екатеринбург: издательство УрГУПС, 2014.
3. В.Г. Дождиков, Ю.С. Лифанов, М.И. Салтан; под ред. В.Г. Дождикова. «Энциклопедический словарь по радиоэлектронике, оптоэлектронике и гидроакустике». В. Г. Дождиков. — Москва: Энергия, 2008.
4. «TDC7200 Time-to-Digital Converter for Time-of-Flight Applications in LIDAR, Magnetostrictive and Flow Meters», Texas Instruments, February 2015–Revised March 2016
5. Piironen, P. and E. W. Eloranta, «Demonstration of a high spectral resolution lidar based on an iodine absorption filter», bf 19, 234--236, 2014.
6. Eloranta, E. W., «A practical model for the calculation of multiply scattered Lidar returns», Optical Society of America, Remote Sensing of the Atmosphere, Topical Meeting, Salt Lake City, Utah, March 8-12, 2007, pp. ThE20-1.
7. A. Kolu, M. Hyvönen, P. Multanen, K.Huhtala, K.Rajapolvi, «3D Lidar for mobile machinery», Tampere University of Technology, CAN Newsletter 4/2016.
8. Сайт, посвященный новостям в мире технологического машиностроения http://www.heavyconstruction.myindustrytracker.com
9. Официальный сайт компании Quanergy http://quanergy.com
10. L. Eldada, «Solid State LiDAR for Ubiquitous 3D Sensing», Quanergy Systems, Inc, 2016.




Рецензии:

26.07.2017, 12:55 Манин Константин Владимирович
Рецензия: Cтатья рекомендуется к публикации в журнале. С наилучшими пожеланиями Манин К.В.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх