Применение технологии Lidar в системах позиционирования электроприводов

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 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.

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.

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 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.