一種基于激光測距的二維區(qū)域掃描保護裝置的設(shè)計.pdf

1、伴隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展以及機械加工業(yè)的不斷壯大，機械運動部件對加工人員造成的各種機械傷害的數(shù)量和嚴(yán)重程度均不斷提高。這個問題在正全力建設(shè)工業(yè)化社會的中國尤其嚴(yán)重，給生產(chǎn)工人造成重大的身體和精神傷害，給企業(yè)和國家造成重大的經(jīng)濟損失，給社會造成嚴(yán)重的不良影響。機械安全已成為影響廣大產(chǎn)業(yè)工人幸福指數(shù)的重要因素。隨著我國工業(yè)化進程的不斷推進，以及國民經(jīng)濟的不斷進步，人的安全也越來越受到國家和社會的普遍重視。各種人身安全保護產(chǎn)品不斷引進和推廣

2、，包括安全光幕、雙手按鈕、安全地毯、激光安全掃描儀（二維區(qū)域掃描保護裝置）等被廣泛應(yīng)用到各種工業(yè)現(xiàn)場用于人身安全防護。由于國內(nèi)安全防護產(chǎn)品研究起步較晚，功能安全技術(shù)的應(yīng)用不成熟以及技術(shù)難度相對較高，國內(nèi)至今沒有一家公司能夠自主生產(chǎn)二維區(qū)域性掃描的保護裝置。而進口同類產(chǎn)品的價格高昂，應(yīng)用成本高昂。
　　二維區(qū)域掃描保護裝置應(yīng)用非常廣泛，除被應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場進行平面范圍內(nèi)的區(qū)域性入侵檢測外，也可豎直安裝用于大面積的非接觸式的安全隔離，同

3、樣該產(chǎn)品也可應(yīng)用于自動送料車的周圍環(huán)境探測，引導(dǎo)送料車按預(yù)設(shè)路線運行。鑒于目前國外產(chǎn)品昂貴，國內(nèi)沒有任何成熟產(chǎn)品提供，本論文研究了一種基于激光測距原理的二維區(qū)域掃描保護裝置。
　　本文研究的保護裝置核心是精確激光測距[18][19]和控制功能的安全完整性。系統(tǒng)包括高精度測距系統(tǒng)（含脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)、精密計時系統(tǒng)）、光學(xué)掃描系統(tǒng)和總體控制系統(tǒng)以及上位機人機界面的開發(fā)設(shè)計。
　　脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)主要研究采用雪崩晶體

4、管作為開關(guān)裝置，配合半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生高功率、窄脈沖寬度、短上升沿的探測脈沖激光束。
　　信號接收系統(tǒng)主要研究采用高靈敏度的APD接收管接收反射信號，設(shè)計高帶寬、寬信號動態(tài)范圍的放大電路對接收信號進行放大處理。
　　精密計時系統(tǒng)是以高精度計時芯片TDC-GP2為核心，對發(fā)射和接收信號的時差進行記錄。
　　光學(xué)掃描系統(tǒng)利用直流無刷電機帶動反射鏡對出射激光束進行偏轉(zhuǎn)，按系統(tǒng)要求對掃描角度范圍內(nèi)的二維空間進行掃描，并接收各

5、個方向反射回來的激光信號。
　　總體控制系統(tǒng)以DSP芯片為核心部件，采用雙回路架構(gòu)，在實現(xiàn)系統(tǒng)各基本功能的同時，重點研究提高系統(tǒng)的功能安全完整性水平。使系統(tǒng)安全等級達到標(biāo)準(zhǔn)IEC61496-1/-3中Type3的要求，系統(tǒng)的安全完整性等級達到SIL2級。
　　人機界面設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計上位機界面，提供操作人員與保護裝置的溝通通道，方便對保護裝置的功能以及保護區(qū)域和告警區(qū)域的設(shè)置。
　　另外，設(shè)計過程也充分地考慮了電磁