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Der Mehrstrahl-LED-Scanner kommt nicht nur ohne Lasertechnik, sondern auch ohne mechanische Teile aus. Bild: Pepperl+Fuchs
Entfernungsmessung

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Es geht auch einfacher

Text: Thorsten Schroeder, Pepperl+Fuchs
Herkömmliche zweidimensionale Entfernungsmessung basiert auf mechanisch bewegten Komponenten in Verbindung mit Lasermesstechnik. Um industriellen Anforderungen zu genügen, müssen solche Systeme aufwändig gestaltet werden. Doch gilt dies nicht immer, wie ein baubedingt robuster Mehrstrahl-LED-Scanner ohne bewegliche Teile zeigt.

Die Entfernung zu einem Objekt wird meist nur in einer Dimension gemessen. Bei komplexen Objekten, wenn die Lage des Objektes nicht bekannt ist oder Informationen über das Umfeld benötigt werden, stößt diese Methode jedoch an ihre Grenzen. In solchen Fällen ist eine zweidimensionale Messung erforderlich. Dafür werden heute in der Regel rotierende ­Lasersensoren eingesetzt. Sie benötigen allerdings eine aufwändige Mechanik. Bei Anwendungen, in denen mechanische Erschütterungen oder Vibrationen vorkommen, ist eine entsprechende Dimensionierung der Mechanik unabdingbar. Die in der Entfernungsmessung üblicherweise eingesetzten Halbleiterlaser arbeiten in einem recht engen Temperaturbereich. Insbesondere bei höheren Temperaturen kommt ein Entwickler an Maßnahmen zur aktiven Kühlung kaum vorbei.

Optische Entfernungsmessung

Zur optischen Entfernungsmessung werden in der Regel laufzeitbasierende Verfahren eingesetzt. Pepperl+Fuchs nutzt hier die selbst entwickelte Pulse Ranging Technology (PRT). Sie beruht auf der direkten Laufzeitmessung einzelner Lichtpulse und ermöglicht damit schnelle Messungen. Die PRT hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen optischen Messverfahren. Sie misst auch auf große Distanzen mit hoher Genauigkeit und ist unempfindlich gegen Fremdlicht. Objekte im entfernten Hintergrund werden sicher ausgeblendet, und die Fehldetektion sogenannter Phantomobjekte ist ausgeschlossen. Die PRT arbeitet in der Regel punktuell mit einem einzelnen Lasersender. Um mit PRT größere Flächen zu erfassen, werden Sensoren mit rotierenden Komponenten eingesetzt, wie bereits erläutert.

Im Gegensatz zu Laserdioden sind LEDs als Lichtquelle deutlich kostengünstiger und am Markt weit verbreitet. Pepperl+Fuchs ist es nun gelungen, einen Mehrstrahl-LED-Scanner zu entwickeln, der nicht nur diesen Kostenvorteil nutzt, sondern auch ohne mechanische Teile auskommt. Er misst die Entfernung zu natürlichen Oberflächen in bis zu 8 m mit einer Öffnung von 88 ° und erlaubt somit eine flächige Messung. Aufgrund der eingesetzten PRT kann dieses Prinzip auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.

Konzept für flächige Messung

Der LED-Scanner R2100 besitzt elf nebeneinander angeordnete LED-Sendeeinheiten. Die von ihnen ausgesandten Lichtimpulse sind mit einer Geschwindigkeit von knapp 300 000 Kilometern pro Sekunde unterwegs und werden am Zielobjekt reflektiert. Der Sensor erreicht für die elf Kanäle eine Messrate von 50 Messungen pro Sekunde und kommt dabei ohne aufwendige Mechanik aus.

Die elf LEDs mit versetzten Abstrahlwinkeln geben im R2100 ihre Lichtimpulse fächerförmig ab. Damit schaffen sie einen Scanwinkel von 88 °. Die Sender werden nacheinander angesteuert und die reflektierten Pulse vom Empfänger ausgewertet. Aufgrund dieses Konzepts benötigt der Sensor keine beweglichen Teile und ist dementsprechend robust. Die korrekte Messung ist auch in mechanisch anspruchsvollen Anwendungen sichergestellt, selbst bei starker Schwingungs- oder Schockbelastung. Die großen Lichtflecken der LEDs erlauben zudem eine problemlose Messung auf unregelmäßigen Oberflächen. Das macht den R2100 für vielfältige Anwendungen geeignet, wie etwa im Bereich Mobile Equipment, in der Intralogistik oder im Maschinen- und Anlagenbau.

Der Sensor ist für einen Messbereich zwischen 0,2 und 8 m ausgelegt. Seine LEDs senden infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 850 nm aus. Die flache Bauform erleichtert die Montage an unterschiedlichen Einsatzorten und macht auch den Anbau an fahrerlosen Transportsystemen oder anderen Fahrzeugen im industriellen Umfeld einfach.

Anwendungsbeispiele des Sensors

Eine typische Anwendung für den Sensor ist die sogenannte Fach-Belegt-Kontrolle. Bisher wird diese Anwendung mit punktueller Sensorik gelöst. Sie blickt bei verschlissenen oder beschädigten Europaletten manchmal buchstäblich ins Leere, wenn das Fach zwar belegt, der anvisierte Palettenfuß aber nicht an seinem Platz ist. Eine solche Fehldetektion kann mit dem R2100 nicht passieren. Der Sensor erfasst mit einer Messung die gesamte Fläche des Regalfachs. Größe und Form des dort befindlichen Objekts spielen also keine Rolle. Die großen Lichtflecken und ihre fächerförmige Verteilung sorgen auch bei beschädigten Paletten für das sichere Erkennen eines vorhandenen Objekts und die zuverlässige Unterscheidung zwischen leer und belegt.

Auch in der Intralogistik kann der Mehrstrahl-LED-Scanner seine Stärken ausspielen: So erkennt er zum Beispiel durch die zweidimensionale Messung einen heranfahrenden Gabelstapler, der eine Palette auf einem Fördersystem abstellen will. Dieses muss angehalten werden, damit die Palette sicher platziert werden kann. Geraten andere Objekte in den Erfassungsbereich, oder fahren Stapler in größerer Entfernung vorbei, kann der Sensor sie vom anfahrenden Gabelstapler unterscheiden und lässt das Fördersystem weiterlaufen. Eine punktuell arbeitende Lichtschranke könnte diese Unterscheidung nicht zuverlässig treffen. Nach demselben Prinzip kann der Sensor zum Beispiel, auf einem Mähdrescher montiert, zwischen stehenden Halmen und abgeerntetem Feld unterscheiden und die Mähkante zuverlässig erkennen.

Auch bei der Kollisionsvermeidung ist der R2100 dem einzelnen Laserstrahl überlegen, denn dieser kann auch eine Lücke treffen und erfasst dann das zu erkennende Objekt nicht exakt. Da der Sensor mit einfacher, robuster Technik zudem ein günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis erreicht, stellt er auch in kostensensiblen Anwendungen eine wettbewerbsfähige Option dar, während er zugleich die Qualität der sensorischen Information auf ein neues Niveau hebt.

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