激光传感器对运动控制的启示

光学传感器为远程应用提供快速，准确的反馈。

运动控制最重要的方面是闭环反馈，以保证位置精度。要达到预期的性能，就意味着要选择一个传感器，不仅要提供预期的分辨率和重复性，而且要在应用程序的约束下提供信息。运动系统中最常见的反馈装置包括光学编码器、磁编码器和解析器。然而，对于涉及长距离或不连贯物体(如无人推车)的协调运动的材料处理应用，激光传感器可能提供了更有效或更经济的选择。

旋转编码器由一个连接到轴(通常是电机或驱动器)的光学或磁性图案的圆盘，加上一个用于读出的传感器头组成。另一种变型是将编码器盘安装在车轮轴上，车轮随着负载的移动沿着物理轨道运行。在所有情况下，当轴转动时，它移动编码盘，传感器头将其转换为运动。根据设备的类型，这种运动被转换成相对位移或绝对位置。

线性编码器的工作原理类似于旋转编码器，除了光盘基本上是展开的，并变成附在轨道上的线性条。传感器头沿着轨道行驶，通常只有几毫米的距离。对于短距离，这可能是有效的，但对于几十米的位移，或跨越开放空间，是不实际的，无论是物理上还是经济上。在这些情况下，激光距离传感器提供了替代方案。

激光距离传感器大致可分为两类:飞行时间(TOF)和相位相关设计。简单而健壮，TOF系统向被跟踪对象发送波束，并监测返回信号，使用往返时间来计算距离。相位相关系统需要额外的光学元件将激光输出分割成测试光束和参考光束。测试光束从被监视的物体反射回来并与参考光束相干扰。一般来说，相关联设计更容易实现，也更经济。它们提供更快的响应时间和结果。因为TOF系统需要执行一个计算来产生输出，所以它们需要高速且更昂贵的电子设备。

激光距离传感器最常见的应用领域是材料处理环境，如仓库或港口，以起重机、门架和无人引导车辆为特征。通常被跟踪的物体具有某种反射表面，以返回光束。最常用的元件是复古反射器，这是一种光学元件，可以将射入它的光束重定向180度。Retro reflector可以实现作为单个光学元件或作为板材的材料。

例如，在最简单的情况下，激光传感器可以用来确定一个龙门是否是一个运动，以及它与另一个龙门的距离。该系统简单地发送激光束或激光脉冲到它正在跟踪的结构，监测返回，并处理数据提供反馈到控制回路，这样系统就知道是运行还是停止。具体的实现可以是不同的-激光传感器可能是在一个移动的起重机和监测固定的墙壁安装了一个反向反射表面或元素。或者，激光可以保持静止，例如在港口环境中监视集装箱装卸夹具(吊具)的起重机上。吊具靠近容器时需要跟踪，以便适当抓取，一旦吊具附着在容器上，可以在不歪斜或造成损坏的情况下放下。通过在吊具上添加反光装置，起重机制造商可以使用激光传感器跟踪吊具的运动。激光也可以从没有安装光学元件的标准容器中得到返回信号，尽管信号强度会受到一定影响。

波长的选择
激光距离传感器通常包含二极管激光器，紧凑，坚固，经济。这些设备是电动的，可以在板级集成。由于激光传感器利用光学技术，它们在环境条件下很脆弱。雾、灰尘和湿度会使信号衰减，减少传播距离，而雪或盐雾会使光学模糊。

大多数常见的设备工作在红色或红外波长。在所有条件相同的情况下，波长越长，光束越强。例如，当红外线遇到空气中的水分子时，它比红光衍射更小。Dan Bruski，高级产品经理病士（明尼苏达州，明尼苏达州）指向IR激光距离传感器，当与红外源一起使用时提供1.2公里的范围。“我们无法在一个红光版本上得到它，”他说。“我们只能与红灯走了一半。”

即使应用程序实际上以较短的距离运行，也提供了良好的IR提供益处。“1.2公里是规范，但这也意味着如果你要加10米或100米，你有很多超额的收益，”他说。“这允许您在Dusty，肮脏的条件下成功使用该系统。反射器会涂上一些东西吗？只要光线回来，就可以了。你有很多余地。”

传统的光学系统不能很好地承受冲击和振动。然而，激光传感器系统被设计成坚固的工业传感器。“除了传感器在吊具上，吊具掉落的情况下，我还没有在激光无法处理的运动控制起重机上遇到任何震动，”Bruski说。“除此之外，门式起重机、室内或室外轨道车之类的东西没有问题。这些用户看到的任何为这类应用设计的工业传感器都应该没问题。”

应用程序的特性决定了要使用的传感器类型。例如，TOF传感器在信号丢失后能很快恢复，而相位相关的版本则不能。对于某些应用，光束通常在正常的事件过程中保持不间断。在其他情况下，如叉车来回移动的仓库应用程序，中断可能是日常业务的一部分。在这种情况下，TOF传感器可能是最好的选择。如果它经历了中断，它会在检测器需要信号时重新计算位置;系统可以在几毫秒内恢复操作。相位相关传感器需要更多的时间来重新初始化，它更适合需要高速结果但仍然没有中断的应用程序。

有了合适的传感器，系统可以调整到容忍短暂的中断，只要负载速度保持足够低，以避免危及人或物体。系统可以监控运行时间，并在超过安全界限时调用e-stop。

激光或编码器吗?
一般来说，编码器提供更高的分辨率性能，在严格限制、严格同步的应用程序(如包装线)中工作最好。线性编码器在长距离上也能很好地工作，但当行程超过几米时，成本就开始上升。在这一点上，激光解决方案可能提供好处。

激光距离测量的优点之一是该技术提供了高精度的反馈。为轨道车辆，起重机等设定一个典型的编码器可能涉及轨道上的车轮，挂钩到编码器。问题是，如果车轮作为冲击和振动或磨损的结果，则突然相对于负载的运动移位。为了补偿可能的错误，系统可以在行驶结束时包括辅助传感器以减少最终定位的速度。负载爬到到位，直到它触发传感器。此时，系统注册物理位置，甚至可以使用数据重新归属并消除错误。该过程有效，但增加了定位和维护时间。“这让你失望了，”Bruski说。“如果你拍摄激光传感器并在移动的硬件上拍摄它，你就可以确切地知道该硬件始终处于始终的位置。您可以在实时加速并更快地升起并立即更快地降低。您还可以获得非常高效的 - 一些从编码器移动到激光器的人已经看到起重机的能量使用量减少了40％。“

从成本的角度来看，飞行传感器的简单激光时间不会呈现在编码器的极端价格跳跃。相位相关的系统可能更接近几千美元，那么编码器可能会花费几千美元。也就是说，如果应用程序涉及长距离，则线性编码器和激光传感器之间的成本差异开始均衡一旦距离达到几十米。“读头在编码器上没有花费大量的价格，但如果你要开始10米或300米，那么激光的昂贵速度要贵得多，因为你不必支付你之间的空气费用和目标，“Bruski说。此时，福利进入戏剧，支持投资回报（ROI）论点。“我可以更快地定位，我不必重新回家，我可以做更多的运行，”Bruski说。“我实际上可以在同一段时间内移动更多的东西。”

像往常一样运动控制，应用程序驱动服务器的选择。对于长距离，开放空间应用，激光距离测量系统可以提供最及时，准确，经济的选择。