Confronto tra le applicazioni degli scanner laser

I laser - acronimo di amplificazione della luce attraverso l'emissione stimolata di radiazioni - sono dispositivi elettronici che emettono uno o più fasci di luce coerente. Coerente indica onde elettromagnetiche di frequenza e forma d'onda identiche e differenza di fase costante. I laser possono essere utilizzati per:

• Applicazioni di taglio, incisione, saldatura e assottigliamento - come nell'incisione di precisione, foratura, finitura di semiconduttori, resurfacing meccanico e (in campo medico) chirurgia oculare LASIK
• Imaging e proiezione - come in olografia, microscopia confocale, rilievi ad alta definizione (per la creazione di nuvole di punti), spettroscopia laser
• Trasmissione dei dati - come nei lettori di codici a barre e nelle tecnologie a fibra ottica e DVD
• Posizionamento - come nei sistemi di sicurezza delle celle di lavoro, stampa 3D e sistemi di rilevamento e regolazione della luce (LiDAR)

La scansione laser - l'uso di array di raggi laser su traiettorie ellittiche o paraboliche - è al centro di molte di queste applicazioni. Questo articolo passerà in rassegna le applicazioni di scansione laser più comuni nell'automazione industriale.

Nella sua incarnazione più semplice, un segnale laser viene generato come sorgente puntiforme e poi viene fatto passare attraverso un angolo attivo per riflessione da uno specchio interno controllato con precisione. Un rilevatore di luce interna legge il segnale riflesso. Poiché l'angolo di proiezione del raggio laser e il tempo di volo (ToF) sono noti, l'elettronica dello scanner può utilizzare i segnali restituiti per creare una mappa dettagliata delle strutture all'interno del raggio dello scanner.

Semplice dal punto di vista concettuale, alcune sfide in fase di sviluppo minano il funzionamento della tecnologia di scansione laser nel mondo reale. Tra le più impegnative vi erano le variazioni della luce ambiente, il movimento della piattaforma, la calibrazione delle sorgenti luminose per un'emissione costante e la resistenza alla polvere e alla sporcizia tipiche degli ambienti industriali.

Sono state trovate soluzioni a queste sfide tecniche e ora alcune delle applicazioni più sofisticate riguardano i veicoli a guida automatica (AGV) che utilizzano scansioni 3D su un raggio di 360°. Oggi è anche comune vedere scanner laser autolivellanti utilizzati nell'edilizia per appendere perfettamente i pannelli di cartongesso o livellare i pavimenti. Un'altra applicazione dello scanner laser è in topografia, dove aiuta gli ingegneri civili a pianificare le pendenze stradali con una risoluzione di pochi millimetri. Questi sono esempi di dispositivi di scansione laser costruiti appositamente per funzioni specializzate - anche se la vera versatilità degli scanner laser si trova in fabbrica.

Scanner laser per la sicurezza sul lavoro

Considerate un'applicazione essenziale dello scanner laser nell'automazione: la protezione delle celle di lavoro pericolose. Nelle installazioni di base, uno scanner laser viene posizionato in un punto fisso mentre il laser scansiona un singolo piano. Tali scanner sono barriere fotoelettriche che fungono da sistemi di monitoraggio per la sicurezza. Una barriera fotoelettrica è posizionata in modo da proteggere uno specifico componente di un'apparecchiatura potenzialmente pericolosa e controlla l'eventuale interruzione del fascio di luce. In risposta a un'interruzione, rallenta o arresta il componente critico dell'apparecchiatura o fornisce un segnale di allarme.

Lo scanner deve essere posizionato in modo esatrto con la geometria del fascio coerente con la capacità di monitorare qualsiasi potenziale punto di ingresso per un operatore. Implicito nelle modalità di risposta sopra menzionate, uno scanner viene spesso utilizzato in combinazione con altre apparecchiature di sicurezza (protezioni, allarmi e interruttori di arresto) per garantire l'incolumità dell'operatore quando si avvicina all'apparecchiatura.

Prima dell'esistenza delle tecnologie di scansione ottica, erano utilizzati interblocchi meccanici per salvaguardare le celle di lavoro pericolose. Durante la manutenzione, l'elettricità alla cella di lavoro veniva disattivata e le procedure di blocco e disinnesto messe in atto. Gli esseri umani sono notoriamente inaffidabili e si sa che le persone sono furbe e tendono ad aggirare le misure di sicurezza. Gli interblocchi ottici sono più affidabili - specialmente insieme ad un reset forzato o con un pannello per due operatori al fine di garantire che un singolo operatore non possa da solo impartire un comando di riavvio. Per saperne di più su questo argomento, leggere l'articolo DigiKey "Scanner laser di sicurezza per la tutela degli operatori umani".

Figura 1: Questo scanner laser di sicurezza serie SX5 permette agli OEM o agli utenti finali di definire fino a sei zone di sicurezza e due zone di avviso su un PC. (Immagine per gentile concessione di Banner)

Nota sulle tecnologie del tempo di volo (ToF): l'uso del ToF consente la mappatura precisa della posizione degli oggetti in base alle coordinate polari: angolo del fascio di luce e distanza da un oggetto nell'area da osservare. Queste informazioni possono essere utilizzate per creare una mappa zonale dell'area osservabile dello scanner. Questo è fondamentale quando si considera il caso di lavoro speciale con i robot collaborativi (cobot).

I cobot sono stati concepiti per lavorare a fianco degli operatori umani in attività di collaborazione. Ciò richiede una stretta vicinanza e comporta alcuni rischi. Uno scanner programmato con una mappa dell'area di lavoro può controllare i movimenti consentiti dal cobot a seconda della loro posizione e del movimento del collaboratore. Si tratta di un'area di crescita relativamente nuova sia nel mercato dei robot che in quello degli scanner, per cui le nuove applicazioni sono in continua evoluzione.

Scanner laser per AGV e attività di localizzazione

Considerate ora i vantaggi e gli svantaggi del rilevamento e della telemetria mediante luce (LiDAR) basato su scanner laser che utilizzano il ToF su una piattaforma mobile. Utilizzati nei veicoli a guida automatica (AGV), tali sistemi si basano su mappe interne della posizione dell'AGV in modo che tutte le rilevazioni di oggetti abbiano un contesto. Questa capacità è chiamata localizzazione e mappatura simultanea o SLAM. Ciò aumenta la complessità del sistema perché gli errori di localizzazione hanno un impatto diretto sulla posizione mappata degli ostacoli o degli obiettivi. L'uso di transponder locali, la programmazione dell'apprendimento o i binari integrati nei pavimenti aiutano ad alleviare questo problema.

Figura 2: Lo scanner laser di sicurezza a 270° SEL-H05LPC è destinato all'uso in AGV, carrelli elevatori a forche, robot e altre apparecchiature in movimento tipiche degli impianti industriali. (Immagine per gentile concessione di IDEC)

Le tecnologie di scansione sono soggette a variazioni del rapporto segnale/rumore (SNR) in base alle variazioni della luce ambiente. Il caso peggiore è quello della piena luce solare, dove la luce può essere di diversi ordini di grandezza superiore all'illuminazione di scansione. Sono disponibili diverse soluzioni potenziali, tra cui la modulazione della sorgente, la scansione strutturata e l'uso di frequenze strette, oltre al filtraggio. Fortunatamente, gli AGV lavorano per lo più in magazzini a luce controllata e non hanno bisogno di queste tecniche. Per i veicoli destinati a lavorare all'esterno, sono in corso intensi studi e ricerche per trovare soluzioni adatte.

Gli scanner laser sono per definizione dispositivi con linea di vista. Ciò significa che si limitano a vedere direttamente ciò che sta loro davanti. Se rivolto di testa verso una fila di pilastri, lo scanner vedrà solo il primo pilastro nella fila. È necessario un cambio di prospettiva affinché lo scanner possa vedere ulteriori pilastri, supponendo che si trovino entro il raggio.

Il LiDAR sui veicoli mobili può essere molto prezioso - specialmente quando lo si combina con altri sensori per rispondere ai cambiamenti in tempo reale negli ambienti dei magazzini. Qui, il LiDAR aiuta ad aumentare la velocità di consegna, a ridurre il fabbisogno di personale e a minimizzare gli incidenti.

Scegliere le giuste capacità di scansione in un sistema LiDAR significa specificare il campo lineare, la finestra di scansione angolare e la risoluzione lineare e quella angolare per queste misurazioni. La larghezza di banda o la velocità di aggiornamento è un altro elemento critico, in quanto può limitare la velocità di funzionamento dell'AGV. Infine, ma non per ultimo, il consumo energetico stabilirà il tempo che intercorre tra la ricarica e il numero di unità che possono essere dispiegate in ogni momento.

Molti AGV presenti sul mercato oggi utilizzano il LiDAR per navigare nell'ambiente di fabbrica o del magazzino automatizzato. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Considerazioni elettriche e meccaniche per il LiDAR negli AGV

Il LiDAR continua ad evolversi, trainato in gran parte dal mercato dei veicoli autonomi. Di conseguenza, ha una vasta gamma di capacità, funzioni e livelli di prezzo. Ciò significa anche che non è ancora emerso alcuno standard di montaggio o di connettività. Quando si contempla l'uso di AGV in un'applicazione, l'ideale sarebbe abbinare le offerte esistenti ai requisiti del sistema e specificare la struttura fisica partendo da questo. Diverse aziende si occupano di ingegneria dei sistemi e offrono sistemi LiDAR completi o personalizzabili. A seconda delle esigenze, una soluzione pre-ingegnerizzata può essere solo il punto di partenza per una soluzione più ottimizzata.

Il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha assunto un ruolo guida nella definizione degli standard di sicurezza per gli AGV. Al momento questi si concentrano principalmente sulla questione delle collisioni, tra cui:

• Paraurti a scomparsa: per lo più nei modelli più vecchi, l'intento è che i paraurti includano il rilevamento della forza e diano inizio a un arresto quando colpiscono un ostacolo, limitando la forza di contatto.
• Metodi senza contatto: i moderni AGV devono rilevare gli oggetti e arrestarsi senza causare collisioni. Sono state utilizzate forme di prova simili alla forma umana, anche se per i test futuri si propongono forme e pose più simili a quelle umane.
• Ostacoli improvvisi: la comparsa inaspettata di un ostacolo all'interno della zona di sicurezza. Si prevede che l'AGV dia inizio a un arresto di emergenza, ma non è prevista la prevenzione delle collisioni.
• Anticipazione di ostacoli occlusi: questi ostacoli includono attrezzature o persone vicino al percorso di guida dell'AGV. L'aspettativa è che saranno designate zone lente con meno di 0,5 m di spazio libero dal percorso di marcia dell'AGV.

In previsione del futuro utilizzo di AGV, sono anche all'opera i lavori con gli standard di sicurezza dei robot per iniziare lo sviluppo di metodi di prova che prevedano l'utilizzo di un braccio robotico fissato a una base AGV.

Una delle tendenze dominanti nel LiDAR è la spinta a ridurne le dimensioni, il peso e il costo senza sacrificare le prestazioni. Nell'ultimo decennio sono stati fatti progressi, riducendo di parecchio questi attributi. Come già detto in precedenza, SLAM, o localizzazione, sta ricevendo maggiore attenzione. La soluzione idealizzata permetterà a un AGV di partire da qualsiasi luogo e di sviluppare la propria mappa interna del mondo in cui lavora. Tale operazione si basa sull'integrazione del LiDAR con altri tipi di sensori - tra cui GPS, sensori di velocità delle ruote e telecamere.

Scanner laser per la comunicazione dei dati

Il concetto di un lettore di codici a barre lineare è semplice: una combinazione di linee e spazi crea una sorta di codice Morse che può essere letto direttamente mediante:

• Misurazione della luce proveniente dallo scanner mentre viene riflessa dal codice a barre
• Misurazione della luce ambiente che viene riflessa

Vi sono nove varietà di codici a barre lineari in uso a livello mondiale, a seconda dell'applicazione. Anche se gli scanner laser sono la norma per la scansione dei codici a barre, questi ultimi non hanno necessariamente bisogno della precisione di una sorgente di luce laser, con alcune eccezioni indicate di seguito. Nella maggior parte dei casi la lettura e la traduzione del contenuto del codice a barre viene effettuata all'interno dello scanner. Tipicamente, il lettore di codici a barre passa i valori decodificati direttamente a un database.

Poche aree richiedono la risoluzione fine di un laser a codice a barre. Per i luoghi con vincoli di spazio, le strisce dei codici a barre standard rispettano uno standard fisico più stretto. Questo richiede un lettore a risoluzione fine e gli scanner laser sono adeguati allo scopo. Una situazione simile si verifica quando il codice a barre è più lontano (ad esempio sullo scaffale di un magazzino), il che riduce efficacemente la dimensione angolare del codice.

A volte la luce ambiente non è sufficiente a garantire un buon contrasto tra le barre e gli spazi. In questo caso, una sorgente luminosa conosciuta come il laser è adatta per illuminare il codice e facilitarne la lettura.

Anche i consumatori che frequentano i negozi di alimentari hanno familiarità con gli scanner portatili situati nelle corsie. Poiché le scansioni di codici a barre possono essere presentate in un numero infinito di orientamenti, gli scanner in queste impostazioni devono produrre una matrice stretta di linee di scansione laser incrociate. Questo assicura che, indipendentemente da come si presenta il codice a barre, almeno una delle linee di scansione intercetterà l'intero codice.

Figura 4: La scheda per scanner di codici a barre MIKROE-2913 è in grado di leggere codici a barre 1D e 2D conformi a vari protocolli. Include una porta Micro-USB per funzionare come dispositivo autonomo o con altre schede. (Immagine per gentile concessione di MikroElektronika)

Scanner per codici a barre 2D: i codici bidimensionali (2D) differiscono dai codici lineari sopra menzionati. La loro popolarità è cresciuta grazie all'elevata densità di informazioni che contengono, al controllo degli errori e alla leggibilità anche se danneggiati. La complessità dei codici a barre 2D significa che non sono adatti all'uso con gli scanner laser e perciò si affidano alle telecamere per la decodifica. Vi sono quattro tipi di codici a barre 2D di uso comune, anche se la maggior parte dei consumatori avrà familiarità con il codice di risposta rapida (QR), che è facilmente leggibile dalla maggior parte degli smartphone.

Quando i costruttori di macchine e gli utenti finali valutano le opzioni per codici a barre e scanner, devono considerare tre aspetti:

1. Dove verrà utilizzato lo scanner? È per l'inventario in un magazzino, la tracciabilità dei pezzi su una linea di produzione o per l'utilizzo in un punto vendita?
2. Quanti dati sono necessari e qual è lo spazio fisico disponibile sull'oggetto per inserire il codice a barre?
3. Su quale superficie sarà stampato il codice a barre - e quale risoluzione di stampa è necessaria su quella superficie?

Una volta data la risposta a queste tre domande, dovrebbe esserci una serie di valide alternative tra cui scegliere.

Figura 5: Lo scanner laser per codici a barre Code Reader 950 (CR950) di Brady Corporation dispone di un sensore immagini ad ampio raggio per una più facile scansione. Il risultato è la lettura omnidirezionale dei codici a barre 1D e 2D - anche quelli su superfici lucide. (Immagine per gentile concessione di Brady Corporation)

Alternative basate su lettori e telecamere: la maggior parte delle varianti di uno scanner per codici a barre è stata trattata sopra. Degno di nota è il fatto che alcuni scanner di codici a barre utilizzeranno una lunga fila di LED per illuminare il codice in combinazione con una fila corrispondente di rilevatori di dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) per rilevare la luce riflessa. Questi sono chiamati lettori LED.

Esistono anche sistemi di telecamere appositamente progettati e configurati per leggere in modo efficace e rapido i codici 2D.

Conclusioni sulle applicazioni degli scanner laser

La proliferazione dei dispositivi e degli usi basati sul laser fin dall'invenzione del laser nel 1960 è sbalorditiva. Anche se il codice a barre è più vecchio del laser di 11 anni, l'uso della scansione a luce coerente per leggere le informazioni è diventato lo standard de facto. Anche la scansione per rilevamento e inseguimento della posizione basata sul laser è diventata una soluzione di facile accesso persino in ambienti industriali. Sia che si tratti di progettare un sistema da zero o di aumentare un processo esistente, ci sono buone probabilità che qualche variante di un approccio di scansione laser abbia merito per la maggior parte delle applicazioni di produzione industriale o di tracciamento. Considerando fino a che punto è arrivata la tecnologia, vi sono buone probabilità che se l'esatta configurazione non sia disponibile già da oggi, ma qualcosa di adatto è all'orizzonte.