Winkelauflösung von 0,1° liefert hochpräzise Abstands- und Positionsinformationen

Kollisionsvermeidung, Navigationsunterstützung und Ladungserkennung – vor allem in der Intralogistik sowie der Robotik finden sich die Zielapplikationen für den 3D-Mehrlagenscanner R2300 von Pepperl+Fuchs. Vier Scanebenen und das Messverfahren der Puls-Ranging-Technologie gewährleisten eine sichere, dreidimensionale Objekterkennung.

Mit seiner kompakten Baugrösse löst der Sensor insbesondere mobile Aufgabenstellungen und solche mit platzkritischen Einbausituationen. Integratoren können die Messwerte, die als Rohdaten per Ethernet ausgegeben werden, direkt in eigene Automatisierungslösungen übernehmen.

3D-LiDAR-Sensor R2300.

Value for Money – der gerade einmal 50 Millimeter hohe Mehrlagenscanner R2300 ist bewusst als wirtschaftlicher Einstieg in die 3D-LiDAR-Welt (Light Detection And Ranging) konzipiert. Ein Erfassungswinkel von 100°, Messbereiche bis vier Meter auf schwarze Oberflächen und bis zehn Meter auf weisse Objekte, eine Messrate von 50 kHz, wählbare Scanraten von 12,5 oder 25 Hz mit 4000 Pixeln pro Scan – der LiDAR-Sensor mit 3D-Funktionalität orientiert sich an den wesentlichen Anforderungen, wie sie Maschinenbauer, Integratoren und Betreiber an Sensoren zur Abstands- und Winkelerfassung stellen.

So meistert der R2300 unter anderem Herausforderungen wie die Fahrweg- und Rückraumüberwachung an Fahrzeugen, die Navigation Fahrerloser Transportsysteme (FTS), Autonomous Mobile Robots (AMR) und Automated Guided Vehicles (AGV) durch ihre Einsatzumgebungen, das Erkennen, Lokalisieren und Klassifizieren von logistischen Objekten oder die Bewegungssteuerung von Robotern. Durch die hochpräzise Winkelauflösung von 0,1° – derzeit wohl unerreicht bei vergleichbaren Sensoren dieser Art auf dem Markt – sowie dem Laser-typischen, kleinen Infrarot-Lichtfleck, der sich unsichtbar, aber scharfkantig auf dem Objekt abbildet, werden auch feine Teile sowie filigrane Strukturen oder Merkmale zuverlässig erkannt.

Besondere optische Performance und Sicherheit

Ob in der Intralogistik oder der Robotik – Vibrationen von Maschinen und Anlagenteilen sind typische Randbedingungen beim Einsatz von Sensoren. Folgerichtig hat Pepperl+Fuchs den R2300 so konzipiert, dass hohe Langlebigkeit und Betriebssicherheit gewährleistet sind. So ist die Elektronik fest und damit vibrationssicher im Sensorkopf verbaut – die vier Scanebenen werden durch einen rotierenden Spiegelwürfel erzeugt, der den Laserstrahl entsprechend auffächert. Dies ist konstruktiv eleganter und von den Kosten her effizienter als eine rotierende Elektronik, wie sie in anderen Sensorlösungen gerne verwendet wird. Der Einfluss von Vibrationen und Stössen auf das Gerät wird so minimiert.

Eine weitere Besonderheit des optischen Sensorkonzeptes des R2300 ist die Möglichkeit zur flexiblen Anpassung des Scan- und Messbereichs an die jeweilige Applikation. Zum einen kann durch gezieltes Ausblenden an den Aussenseiten des Detektionsfeldes ein individuelles Messfenster konfiguriert werden. Nicht relevante Messbereiche liefern somit keine Messdaten, was den Rechenaufwand im Sensor wie auch die Datenausgabelast reduziert und eine performantere Leistung nachgelagerter Applikationen ermöglicht. Zum anderen besteht die Möglichkeit, mit einem zweiten, side-by-side montierten R2300 das Sichtfeld auf 180° zu vergrössern, sollten spezielle Randbedingungen von Applikationen dies erfordern.

Rückraumkontrolle an einem Flurförderzeug mit dem 3D-LiDAR-Sensor R2300.

Distanz- und Geschwindigkeitssteuerung mit Bezug zum vorauslaufenden Werker mittels 3D-LiDAR-Sensor R2300.

Die mechanische Trennung von Sender und Empfänger innerhalb der Optikeinheit ist ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des R2300 im Markt der Mehrlagenscanner. Diese konstruktive Lösung verhindert zuverlässig einen optischen Kurzschluss. Das unerwünschte Phänomen kann entstehen, wenn die Frontscheibe verschmutzt ist und einen Teil des emittierten Lichtes direkt auf das Empfangselement zurückreflektiert wird. In einem solchen Fall «erblindet» ein Roboter – und auch Antikollisions- und Navigationslösungen auf Fahrzeugen verlieren ihr Sehvermögen.

Bei Geräten ohne Sender-Empfänger-Trennung muss daher die Frontscheibe wesentlich häufiger gereinigt werden, um korrekte Messergebnisse sowie eine hohe Detektionssicherheit des Sensors in der Applikation zu erreichen. Der R2300 ist demgegenüber sensorisch deutlich robuster, da mögliche Reflektionen von dem Trennelement im Sensorkopf abgeschirmt werden – mit der positiven Folge minimierter Stillstandszeiten, deutlich längerer Reinigungsintervalle und besserer Verfügbarkeit und Prozesssicherheit.

Überlegene Detektionsleistung und Verfügbarkeit durch Puls-Ranging-Technologie

Die Puls-Ranging-Technologie (PRT), wie sie auch im R2300 zum Einsatz kommt, eröffnet schaltenden und messenden LiDAR-Sensoren von Pepperl+Fuchs präzise Abstands- und Winkelmessung mit hohen Reichweiten, hoher Wiederholgenauigkeit und kurzen Ansprechzeiten. Die in der augensicheren Laserklasse 1 betriebenen Laser-LED sendet kurze, energiereiche Rotlicht- bzw. Infrarotlichtpulse aus, die vom Zielobjekt reflektiert und von einem Empfangselement im Sensor wieder erfasst werden. Aus der Dauer zwischen den Sende- und Empfangszeitpunkten ergibt sich die Entfernung zum Zielobjekt.

Die Besonderheit dieses Verfahrens – und damit die Überlegenheit der PRT gegenüber indirekten Verfahren mit permanent sendenden Lichtquellen – liegt in dem bis zu 1000-mal höheren Energiegehalt der Einzelpulse. Hieraus resultieren auch die grosse Funktionsreserven der Sensoren, die aussergewöhnliche Präzision der Messergebnisse, die weitgehende Unabhängigkeit von Objekt- und Oberflächeneigenschaften sowie die hohe Fremdlichtsicherheit.

Das Portfolio der Pepperl+Fuchs LiDAR-Sensoren (R2100, R2000, R2300 v.l.n.r.).

Stimmiges LiDAR-Portfolio

Innerhalb des LiDAR-Sensor-Portfolios schlägt der 3D-Mehrlagenscanner R2300 die Brücke vom Mehrkanal-LED-Scanner R2100 für Basisapplikationen der zweidimensionalen Objekterkennung und Flächenüberwachung zum Long-Range-Laserscanner R2000 mit noch feinerer Winkelauflösung, einem Arbeitsabstand von bis zu 200 Metern und lückenloser 360°-Rundumsicht. Der R2100 ist ein messender 2D-LiDAR-Sensor, mit dem es möglich ist, in einer Fläche beliebig positionierte Objekte, aber auch Konturen, zu erkennen, deren Abstand und deren Winkel zum Sensor zu ermitteln und diese Informationen an eine Maschinen- oder Fahrzeugsteuerung auszugeben. Innerhalb des Messfeldes mit einem Radius von knapp 90° und einer spezifizierten Detektionstiefe von bis zu acht Metern lassen sich einfache Messaufgaben äusserst kostengünstig realisieren.

Der R2000 kann 360° – denn sein Messmodul ist ein kontinuierlich um die eigene Achse rotierender Sensorkopf mit integriertem Laser-Sender und Empfangselement. Das interaktive Rundumdisplay ermöglicht es zudem, Zahlen, Text, Symbole und Grafikelemente darzustellen. Dies vereinfacht zum einen die Bedienerführung bei der Inbetriebnahme – zum anderen können während des laufenden Betriebs Status- und Diagnoseinformationen direkt über das Display ausgegeben werden.

Die Sensoren der Serie stehen in verschiedenen Varianten zur Verfügung: als schaltender R2000 Detection, als messende R2000 HD (High Density) und als messender, hochauflösender R2000 UHD (Ultra High Density).

Ob R2100, R2300 oder R2000 – alle LiDAR-Sensoren von Pepperl+Fuchs überzeugen durch messtechnische Präzision und anwendungstechnische Performance.

Auf einen Blick:

– Mehrlagenscanner R2300 zur 3D-Objektdetektion in Intralogistik- und Robotikanwendungen

– Feinste Winkelauflösung seiner Klasse, anpassbares Sichtfeld

– Pulse-Ranging-Technologie gewährleistet präzise Messergebnisse

– Platzsparende Bauform besonders geeignet für beengte Einbauverhältnisse

– Integrierter Schutz vor «optischem Kurzschluss» verbessert Verfügbarkeit und senkt Wartungsbedarf

– Applikationsgerechte Adaption durch anpassbares Sichtfeld

– Messwertausgabe als Messdaten über Ethernet-Schnittstelle