レーザースキャナアプリケーションの比較

レーザー（Laser）は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（励起誘導放射による光増幅）の頭字語であり、コヒーレント光の1本以上のビームを放出する電子機器です。ここでのコヒーレントとは、周波数や波形が同じで位相差が一定の電磁波を指します。レーザーは以下のような用途に使用できます。

• 切断、エッチング、溶接、各種スライスアプリケーション - 精密彫刻、穴あけ、半導体の仕上げ、機械的表面処理、レーシック手術（医療分野）など
• イメージングと投影 - ホログラフィー、共焦点顕微鏡、高精細測量（点群作成用）、レーザー分光法など
• データ伝送 - バーコードリーダ、光ファイバ、DVDテクノロジ製品など
• ポジショニング - ワークセル安全システム、3Dプリント、光検出/測距（LiDAR）システムなど

レーザースキャニング（掃引または偏向レーザービームアレイの使用） - は、これらのアプリケーションの多くの中核となっています。この記事では、産業用オートメーションで最も一般的ないくつかのレーザースキャニングアプリケーションについて説明します。

その最も単純な実施形態では、レーザー信号は点光源として生成され、その後、精密に制御された内部ミラーからの反射によってアクティブ角を通って掃引されます。内部の光検出器が反射信号を読み取ります。レーザービームの投影角度と飛行時間（ToF）は既知であるため、スキャナの電子機器は、返された信号を使用して、スキャナの範囲内の構造物の詳細なマップを作成することができます。

コンセプトはシンプルですが、レーザースキャン技術を現実世界で機能させるには、克服しなければならない多くの開発課題がありました。その中でも難しかったのは、周囲光の変化、プラットフォームの動き、安定した出力のための光源のキャリブレーション、そして産業環境で通常見られる埃や汚れへの耐性などでした。

これらの技術的な課題に対する解決策は見つかりました。現在、最も高度なアプリケーションには、360度の範囲で3Dスキャンを採用する無人搬送車（AGV）などのアプリケーションがあります。今日では、建設現場でシートロック（壁板）やフロアレべリングを正確に配置するために使用されるセルフレベリングレーザースキャナよく見かけるようになりました。さらに別のレーザースキャナアプリケーションとしては、土木技師がミリ単位で道路の勾配を設計するのに役立つ、測量機移動があります。これらは、特殊な機能のための専用レーザースキャンデバイスの例ですが、レーザースキャナの真の多様性はと言えば、工場現場にあります。

産業安全のためのレーザースキャナ

自動化に不可欠なレーザースキャナのアプリケーション、つまり危険な作業セルの保護について考えてみましょう。基本的な設置では、レーザースキャナは固定位置に配置され、レーザーは単一の平面をスキャンします。このようなスキャナには、安全監視システムとして機能する光カーテンがあります。光カーテンは、潜在的に危険な機器の特定の部分を保護するように配置されており、光線の遮断を監視します。割り込みに応答して、重要な機器の一部を減速したり、停止したり、あるいはアラーム信号を発したりします。

スキャナの位置とビームの形状は、作業者の潜在的な侵入位置を監視する能力と一致していなければなりません。上述の応答モードで示唆されているように、スキャナは、他の安全装置（ガード、アラーム、シャットオフスイッチ）と組み合わせて使用されることが多く、作業者が装置に近づいても害が及ばないようにします。

光学スキャン技術が存在する前は、危険な作業セルを保護するために機械式インターロックが採用されていました。メンテナンス中は、作業セルへの電力供給が停止され、ロックアウト/タグアウト手順が実行されます。人間は信頼性が低いことで知られており、安全装置を迂回することが知られています。光インターロックの方が信頼性が高く、特にハードリセットや2つの作業者パネルを使用することで、1人の作業者が再起動を開始できないようにすることができます。この件については、DigiKeyの記事「セーフティレーザースキャナを使用し、作業員の安全を確保する」をお読みください。

図1：このSX5 シリーズの安全レーザースキャナを使用すると、OEMやエンドユーザーは、PCを使用して最大6つの安全ゾーンと2つの警告ゾーンを定義することができます。（画像提供：Banner）

飛行時間型（ToF）テクノロジに関する注釈：ToFを使用すると、極座標（光線の角度と観察領域内の物体までの距離）を基にして物体の位置を正確にマッピングすることができます。この情報を利用して、スキャナの観察可能領域をゾーンに分けたマップを作成できます。これは、協働ロボット（コボット）を使用する作業の次のような特別なケースを考えるときに重要です。

コボットは設計上、人間の作業者と協力して共同作業を行うことを目的としています。これには、近接した場所での作業とそれに伴うリスクが発生します。ワークスペースのマップでプログラムされたスキャナは、コボットの位置や同僚の動きに応じて、コボットに許容される動きを制御することができます。これはスキャナ市場だけでなく、ロボット市場でもかなり新しい成長分野であるため、新しいアプリケーションは絶えず進化しています。

無人搬送車と位置特定タスクのためのレーザースキャナ

ここでは、移動するプラットフォーム上でToFを使用するレーザースキャナを基にした、光検出および測距（LiDAR）の利点と欠点を考えてみましょう。自律型地上走行車（無人搬送車、AGV）で使用されるこのようなシステムは、無人搬送車の位置を内部マップに依存するようにし、すべての物体検出がコンテキストを持つ仕組になっています。自己位置推定と環境地図作成を同時に行うこの機能は、SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）と呼ばれています。位置決めの誤差は、障害物やターゲットのマッピング位置に直接影響を与えるため、システムの複雑さが増す原因になります。これは、ローカルトランスポンダ、指導プログラミング、またはフロアに埋め込まれたトラックを使用することで、問題を軽減できます。

図2：これは、産業施設で見かける無人搬送車（AGV）やフォークリフト、ロボットなどの移動機器に使用する270° SEL-H05LPC安全レーザースキャナです。（画像提供：IDEC）

スキャニング技術は、周囲光の変化に応じてS/N比（信号対雑音比）が変化することがあります。最悪のケースは直射日光で、光が走査照明よりも数桁大きくなる可能性があります。ソースの変調、構造化されたスキャニング、フィルタリングを伴うに狭い周波数の使用など、潜在的な解決策はいくつかあります。幸いなことに、無人搬送車（AGV）は多くの場合、これらの対策を必要としない光をコントロールされた倉庫で稼働しています。屋外での作業を目的とした車両については、現在、解決策について研究や実験が熱心に行われています。

レーザースキャナは、定義の上では直視線型のデバイスです。つまり、真正面の眺めに制限されていることを意味します。柱の列に正面から向う場合、スキャナは列の先頭の柱だけを認識することになります。柱が視界圏にあると仮定して、さらに柱を検出するにはスキャナの視点変更が必要になります。

移動車両に搭載されたLiDARは、倉庫環境のリアルタイムな変化に対応するために、他のセンサと組み合わせて使用することで、非常に価値のあるものになります。ここでLiDARは配達率の向上、人員要件の削減、事故の最小化に役立ちます。

LiDARシステムで適切なスキャン機能を選択するということは、これらの測定の線形範囲、角度スキャン窓、そして線形解像度および角度解像度を指定することを意味します。帯域幅や更新レートは、無人搬送車の動作速度を制限することができるため、もう1つの重要な要素です。最後になりますが、消費電力によって、再充電までの時間と、任意の時間に展開できるユニット数が決まります。これは重要です。

現在、市場に出回っている多くの無人搬送車（AGV）は、工場や自動化された倉庫環境を運行するためにLiDARを使用しています。（画像提供：Gettyimages）

無人搬送車（AGV）におけるLiDARの電気的/機械的考慮事項

LiDARは、主に自律走行車市場に牽引されて進化を続けています。その結果、機能や機能、価格帯などが多岐にわたっています。これはまた、実装や接続の標準がまだ出現していないことも意味しています。アプリケーションでの無人搬送車（AGV）の使用を検討する場合、既存の製品をシステム要件に合わせ、そこから物理的な構造を特定するというプロセスになります。複数の企業がシステムエンジニアリングを実施し、完成したLiDARシステムやカスタマイズ可能なLiDARシステムを提供しています。要件によっては、事前に設計されたソリューションが、より最適化されたソリューションへの出発点にすぎない場合があります。

米国標準技術研究所（NIST）では、無人搬送車の安全基準の確立を主導しています。現在、主として次のような衝突問題に焦点を当てています。

• 折りたたみ式バンパー：古いモデルの多くは、バンパーで力を感知して、障害物にぶつかると停止し、接触力を制限するように設計されています。
• 非接触方式：最新の無人搬送車（AGV）は物体を検知して衝突を起こさずに停止することが期待されています。人間の形に近いテスト形状が使われてきましたが、今後のテストではこれまで以上に人体を模した形状や姿勢が提案されています。
• 突発的な障害物：安全地帯内に予期せぬ障害物が出現する場合の対応。無人搬送車は緊急停止することが期待されていますが、衝突回避までは期待されていません。
• 閉塞した障害物の予測：このような障害物には、無人搬送車の走向経路の近くにある機器や人が含まれます。無人搬送車の走向経路からクリアランスが0.5m以下の低速ゾーンの指定などが考えられます。

また、今後の無人搬送車での使用を見越して、ロボット安全基準に基づき、無人搬送車のベースに固定されたロボットアームの使用を含む試験方法の開発が始まっています。

LiDARの主な傾向の1つは、パフォーマンスを犠牲にすることなく、LiDARのサイズ、重量、コストを削減しようとする動きです。過去10年間で進歩があり、これらの属性は桁違いに減少しています。先にも述べた、SLAM（自己位置推定と環境地図作成の同時進行）が注目を集めています。理想的なソリューションとしては、無人搬送車はどこからでもスタートでき、独自の内部地図を作成しながら運行することが可能になります。このような操作は、LiDARと他のセンサタイプ（GPS、車輪スピードセンサ、カメラなど）との統合に左右されます。

データ通信用レーザースキャナ

線形バーコードリーダのコンセプトはシンプルです。ラインとスペースの組み合わせは、直接読み取ることができるモールス信号のようなものを作成します。

• バーコードで反射して戻ってくるスキャナーからの光を測定する
• 反射して戻ってくる周囲光の測定

アプリケーションに応じて、世界中で常用されている線形バーコードは9種類あります。レーザースキャナはバーコードスキャンの標準ですが、以下に示すいくつかの例外を除いて、バーコードは必ずしもレーザー光源の精度を必要としません。ほとんどの場合、バーコードの内容の読み取りと翻訳はすべてスキャナ内で行われます。通常、バーコードスキャナは、デコードされた値をデータベースに直接渡します。

一部の領域には、バーコードレーザーの微細な解像度が要求されます。スペースに制約がある位置では、標準バーコードストライプはよりタイトな物理基準に縛られます。これには高解像度のリーダが必要ですが、レーザースキャナはかなり良好に動作します。バーコードがさらに離れた場所（たとえば倉庫の棚）にある場合にも、同様の状況が存在します。この場合には、コードの角度サイズが効果的に縮小されます。

また、周囲光だけでは、バーとスペースのコントラストが十分ではないこともあります。この場合、レーザーのような既知の光源を用いてコードに光を当て、コードを読みやすくするのが好適です。

頻繁に食料品店を利用する消費者でさえも、今やセルフチェックアウト専用レーンでハンドヘルドスキャナを使いこなしています。バーコードスキャンは無限の方向に表示されるため、このような設定のスキャナは、交差するレーザースキャンラインのタイトなマトリックスを生成する必要があります。これにより、バーコードがどのように表示されていても、スキャンラインの少なくとも1つがコード全体を傍受することが保証されます。

図4：このMIKROE-2913バーコードスキャナボードは、さまざまなプロトコルに準拠した1次元および2次元のバーコードを読み取ることができます。マイクロUSBポートを搭載しており、単体でも他のボードと組み合わせても動作します。（画像提供：MikroElektronika）

バーコード2Dスキャナ：2D（2次元）コードは、上記の線形コードとは異なります。情報密度が高く、エラーチェックがあり、破損した場合でも読めることから人気を博しています。2Dバーコードの複雑さは、レーザースキャナでの使用には適しておらず、デコードはカメラに依存しています。一般的に使われている2Dバーコードは4種類ありますが、ほとんどの消費者はスマートフォンで簡単に読み取れるQRコード（クイックレスポンスコード）に慣れ親しんでいるでしょう。

機械メーカーやエンドユーザーがバーコードやスキャナのオプションを比較検討する際には、考慮すべき3つの主要な側面があります。

1. スキャナはどんな場所で使用されるのか？倉庫での在庫管理、製造ラインでの生産部品の追跡、またはPOS（店頭）での使用か？
2. どのくらいのデータが必要で、バーコードを配置するためにアイテムで利用できる物理的なスペースはどれくらいあるのか？
3. バーコードはどのような表面に印刷され、その表面はどのような印刷解像度を保持することができるか？

この3つの質問に答えられたら、その中に実行可能な選択肢がいくつかあるはずです。

図5：Brady Corporationのバーコードレーザースキャナ「Code Reader 950（CR950）」は、広域イメージセンサを搭載し、スキャンがしやすくなっています。その結果、1Dおよび2Dバーコードの全方位読み取りが可能になりました。光沢のある表面のバーコードでも同様です。（画像提供：Brady Corporation）

その他のリーダとカメラベースの代替手段：バーコードスキャナのほとんどのバリエーションは、上記で説明されています。特筆すべきは、一部のバーコードスキャナは、反射光を検出するためにCCD（電荷結合素子）検出器の対応するする行と組み合わせてコードを照らすために長列のLEDを使用していることです。これらはLEDリーダと呼ばれています。

また、2Dコードを効果的かつ迅速に読み取るために特別に設計・構成されたカメラシステムもあります。

レーザースキャナアプリケーションのまとめ

1960年のレーザーの発明以来、レーザーを用いた装置の普及とその用途には目を見張るものがあります。バーコードはレーザーよりも11年も前からありますが、情報を読み取るためにコヒーレント光スキャンを使用することが究極の標準となりました。レーザーベースの位置追跡と検出スキャンも、産業環境で頼りになるソリューションになっています。ゼロからシステムを設計する場合でも、既存のプロセスを拡張する場合でも、レーザースキャンのアプローチに何らかのバリエーションがあると、ほとんどの産業用製造アプリケーションや追跡アプリケーションにとって価値あるものとなる可能性があると言えます。テクノロジがどこまで進んできたかを考えると、正確な構成が今の時代に利用できないのであれば、何か適切なものが間近に迫っている可能性があります。