基于激光测距的机械手臂防碰撞自动控制技术研究

曲宏杨

（宝鸡钛业股份有限公司实验中心，陕西 宝鸡 721014）

基于激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统主要是利用激光来进行机械手臂与障碍物之间的距离的简单测算，并与界定的防碰撞的临界值进行比较，根据比较的结果对机械手臂下达不同的指令，从而实现对机械手臂的自动控制。该系统能够高度规避机械手臂发生碰撞事故的概率，实现自动控制和人机交互功能，是保障加工作业安全进行、提高机械手臂工作效率的有力保障。本文主要对采用了脉冲式激光测距方法的机械手臂防碰撞自动控制系统进行探究。

1 激光测距概述

1.1 激光测距的原理

激光测距其实是一种利用激光器作为光源发射光波进行测距的手段，具有精准度高、抗干扰能力强、运转能力强和操作简便的优点，其主要测算方法有三角法、干涉法、脉冲法和相位法，其中以脉冲法和相位法最为常用。激光测距的操作原理是通过利用激光脉冲和激光束从发出到被反射后的时间差来进行测距仪器与被测物体之间的间隔距离。激光测距的计算公式如下：

式中，D代表的是测距仪（设为A）与被测物体（设为B）之间的距离；c代表的是激光脉冲或者激光束在空气中的传播速度；t代表的是激光从测距仪（设为A）到被测物体（设为B），再被测物体（设为B）反射回测距仪所用的时间。

该公式的实际含义就是，当进行激光测距时，由测距器发出激光接触到被测物体，然后，再把被测物体反弹到测距器，激光传输的前后时间被仪器记录了下来，而激光传播速度和前后时间的乘积的一半，就是测距器和被测物体之间的时间间隔距离。通常，激光测距仪的精确度能够达到1mm，可以适应所有要求实现精确测量的行业的需要。需要注意的是，脉冲型激光测量用这种方式测量出的距离的准确度通常在正负10cm左右，并且，测距仪通常还存在1寸以内的测量盲区。

通过对上述公式的实际含义进行分析，可以得出激光传播的时间t是A与B之间的实际间隔距离的决定性因素，通过测算时间的方法以及测算时间的数值不同，可以将激光测距仪分成脉冲型和相位型两个类别。

1.2 激光测距的手段

1.2.1 三角法激光测距

激光位移传感器的测量手段称为三角法激光测距。在激光测距仪的精度得到确定的前提条件下，试验和分析得出同一测距仪在处于测定范围内的不同的测算距离的测算精度相同，因此，三角法激光测距的测算精度与范围相关，三角法激光测算的精度随着测量范围的逐渐增大而逐渐降低。

三角法激光测距的操作原理是通过采取激光三角法和回波分析法对需要测算的物体所在地点以及与测距仪之间相隔的位移进行距离测算。半导体激光器（序号1）发射可以被看见的红色激光经过透镜（序号2）聚焦在被测物体（序号6）的外表面上，再由外表面对激光进行物理反射，反射光经过透镜（序号3）被其收集并且投射到线性CCD相机（序号4）上，由于线性CCD相机（序号4）可以在不同的角度测得光点，因此，测算的间隔距离不同，数字信号处理器（序号5）根据相机的测算角度并运用科学的三角函数数学关系结合线性CCD相机（序号4）上的光点的地点以及激光器与摄像机之间的间隔进行测距仪与被测物体之间的距离的测算。

该距离测算方法常用于成本相对较低的激光测距方案中，例如，三角法激光测距方法常用在搭建钢轨以及测评产品厚度、平整度和尺寸等各种属性方面的数据。

1.2.2 脉冲法激光测距

脉冲法激光测距是通过向脉冲式激光器传达明确的脉冲信号，使得脉冲式激光器瞬间发射出大量的大功率激光光束，同时，对这期间激光光束在脉冲式激光器与被测物体之间的来回运作时间进行数据测量，根据公式测算出脉冲式激光器与被测物体之间的距离的一种激光测距方法。该激光测距方法的精度主要受到脉冲式的上升沿、激光回收通道的带宽、探测器的信噪比以及时间间隔的精度等因素的影响。脉冲法激光测距方法常用于对地形的测绘、对战术前向的测距、对导弹轨道的跟踪以及对卫星、地月进行的测距工作等，有着非常好的发展前景。

通过分析和研究可以得出，脉冲法激光测距的操作原理是通过脉冲信号对激光器下达指令，使激光器瞬间发出的带有脉冲信号的激光经过待测算间隔L并被测目标反射出带有回波信号的激光，然后被激光器接收，同时，计时电路对激光发射和激光接收的前后时间进行计时统计得到时间t，然后运用激光测距的公式进行测距仪和被测物体之间的距离间隔的测算。

1.2.3 相位式激光测距

相位式激光测距是通过射频波段的频率对激光光束进行调制，发射不同频率波长的激光光束到被测物体上并被测物体反射回激光器，测量对比不同频率波长的激光在传播过程中产生的相位延迟，从而测算出激光器与被测物体之间的间隔距离的一种激光测距方法，该测算方法是一种具有高精度的间接测算手段。需要注意的是，测量的相位延迟是测量调制在激光上的信号的相位。

当发射光接触到墙面时，获得的反射光的光波实际上是发射光的光波的镜像，因此，所获的相位差的数值大小与光速无关，只与发射光的发射时间以及发射光与被测物体的接触时间有关。将调制的激光的光波波长利用相位延迟来完成转换并通过相位差进行激光器与被测物体之间的间隔距离的测算。

1.2.4 干涉法激光测距

干涉法激光测距是以光的干涉原理为基础，通过对激光进行干涉，使激光光束产生明暗相间的干涉条纹，利用光电转换元件接收并转换成电信号，通过对其进行记数器计数实现对间隔距离进行测算的一种激光测距技术。

干涉法激光测距的具体操作流程是激光器发射的激光经过分光镜分成两束激光光束，分别经过反射镜M1和可移动反射镜M2形成参考光束和透射光束，两束光束在反射过程中汇合并将其干涉信号叠加在一起，由光电记数器进行回收统计，通过运用式（2）进行距离的测算。

L=Nλ/2 （2）

式中，用激光光波的波长（λ）的一半来表示两束激光的路径差，用N表示光电显微镜发射的记数，用L表示激光器与被测物体之间的间隔距离。

1.3 激光测距的注意事项

一般情况下，激光测距的测算数据为了保证精确度，防止漫反射对测算数据的强干扰性，需要选择全反射棱镜进行配合，当然，也可以用薄塑料板作为反射面来规避严重的漫反射现象发生。为了能够获得足够强度的激光反射，从而获得精确的测算数据，需要采取短距离的垂直光墙反射式测距。

2 机械手臂防碰撞自动控制系统概述

机械手臂防撞击自动控制系统是一个安装在机械臂操作平台的主动防御装置。该管理系统的主要功能是在机械臂和车辆之间出现交叉撞击情况之前，完成对该机械臂的停止或移动控制，并发布警示。

机械手臂防碰撞自动控制系统主要由机械手臂工作环境监测、防碰撞运算以及机械手臂控制3个基础模块组成。起重机械手臂工作环境监测模块和防碰撞运算模块主要是对机械手臂的上机位进行控制，当机械手臂进行正常操作作业时，由机械手臂工作环境监测模块在后台对机械手臂的工作信息进行实时监测，当发现附近有存在一定碰撞概率的其他机械手臂、各种机械设备、人员或墙面时，将这些信息和信号传递给防碰撞运算模块，由该模块结合机械手臂的手臂高度和运转速度进行机械手臂与障碍物体之间的距离测算，并与防碰撞临界距离进行比较，如果发现该距离未触碰临界值，系统则不下达任何指令，一旦发现触碰甚至超出防碰撞临界值，则立即向机械手臂控制模块传达控制指令来实现防碰撞控制；机械手臂控制模块主要是对机械手臂的下机位进行控制，也就是执行上机位发布的控制指令，包括对机械手臂的开度、转向角度以及位移速度等参数进行调节，以此规避和降低发生碰撞事故的风险。

3 激光测距在机械手臂防碰撞自动控制中的应用

3.1 脉冲式激光测距在防碰撞自动控制系统中的应用

由于机械手臂的工作环境往往较为复杂，因此防碰撞的临界值通常较小，这时就需要对机械手臂与障碍物体之间的间隔距离进行高度精准的测量，而激光测距主要通过激光进行测距，具有极强的方向性和相干性，能够快速精准地进行激光的传播，在激光传播过程中不易发生过多的能量损耗，通过激光在障碍物体上的反射形成的反射光的信息进行距离测算，能够有效地节省测距的时间。激光测距与其他测距方法相比具有很强的优势。

随着近年来我国科技的发展，我国机械厂商的芯片和光路元件的集成性能与质量也有了快速稳定的提升，于是，脉冲式的激光测距方法在激光测距方法发展中逐渐突出，其具有的精度优势也越来越明显，深受机械厂商的关注。

脉冲式激光测距的工作流程是控制芯片通过一定周期的脉冲信号的传递来对驱动电路进行控制，从而使脉冲激光器进行初始化并瞬间发出有大功率的脉冲式激光光束，使电路中产生一定的电压，同时，参考时钟开始进行初始化操作，在激光光束经过透镜与干涉波片形成不受背景和环境光干扰的纯净反射激光，反射回机械手臂上，机械手臂接收反射回的激光光束并将其进行光电转换，将反射光信息转换成电信号并进行整流放大，由门电路对其中的有效信息进行选择，并送达参考时钟进行时间计数，经过一系列的测算工作，最终将距离测距结果显示出来。在整个工作过程中，激光器、光电转换电路、整流电路、门电路、显示器、时钟、驱动电路等硬件发挥了至关重要的作用，使得整个脉冲式激光测距工作能够顺利进行。

在理想条件下，激光光束在进行能量传播时，能量损耗几乎为0，这时障碍物体与机械手臂之间的距离如式（3）：

式中，f0表示参考时钟晶振频率，N表示参考时钟收到的激光光束中的脉冲数量（与原始激光光束的脉冲数量相等），c表示激光传播速度，L1表示障碍物体与机械手臂之间的距离间隔。

但是，由于机械制造厂的空气中含有大量的粉尘和颗粒，因此，提供给机械手臂的工作环境通常是非理想状态，这使得激光光束在进行能量传播时存在部分能量衰减。此时，只能用下面的公式进行距离测算：

式中，t1表示脉冲激光器发射出激光光束的时间，t2表示光电转换电路接收反射光束的时间。机械手臂防碰撞自动控制系统通过最终的测量结果与防碰撞临界值进行比较，发布控制指令。

3.2 机械手臂防碰撞自动控制系统中参考时钟的优化

在进行非理想状态下的脉冲式激光测距时，参考时钟的作用至关重要，其计数过程直接关系距离测量的精度，如果参考时钟在进行初始化时，激光光束已经传播了一段距离，导致参考时钟无法直接获取t1，而参考时钟初始化时间与机械手臂防碰撞自动控制系统的资源利用率有关，也不能用计数数据与初始化时间的加减关系获取t1。因此，需要对参考时钟进行优化，要对参考时钟计数误差有准确的认识。

Ta表示脉冲式激光光束的收发端与上升沿之间的时间差，Tb表示脉冲式激光光束的收发端与下降沿之间的时间差，在假设脉冲计数数量为M，脉冲周期的平均时间差为Ts时，脉冲式激光测距在机械手臂防碰撞自动控制系统中的计数误差T0可以表示为：

在激光测距过程中排除参考时钟的计数误差，可以得到在非理想状态下的相对准确的脉冲式激光传播时间t的计算公式，并代替测算公式中的(t2－t1)，即：

用此优化方法可以实现基于脉冲式激光测距的机械手臂防碰撞自动控制系统的优化。

4 结语

本文主要对激光测距的概念、原理和类型进行了详细的阐述和分析，然后对最适合机械手臂防碰撞自动控制系统进行测距工作的脉冲式激光测距方法的工作原理和其在整个防碰撞自动控制系统中的应用进行了研究和分析，证实了脉冲式激光测距方法的可行性。