Cảm biến quét vùng LiDAR: công nghệ, ứng dụng và các thương hiệu tiêu biểu
Cảm biến quét vùng sử dụng tia laser, thường được gọi là cảm biến LiDAR hoặc cảm biến quét laser, là nhóm thiết bị có khả năng đo khoảng cách và phát hiện vật thể trong một vùng không gian xác định. Khác với cảm biến quang điện thông thường chỉ phát hiện vật thể tại một điểm hoặc trên một tia quang học, cảm biến quét vùng thực hiện nhiều phép đo theo các góc khác nhau để tạo ra thông tin về không gian. Nhờ đó, hệ thống không chỉ xác định được “có vật thể” mà còn có thể xác định vị trí, khoảng cách và trong một số trường hợp là hình dạng hoặc biên dạng của vật thể.
Trong tự động hóa công nghiệp, công nghệ này đặc biệt có giá trị đối với các hệ thống cần khả năng nhận biết môi trường, chẳng hạn xe tự hành trong nhà máy, robot di động, kho tự động, dây chuyền vận chuyển và hệ thống bảo vệ an toàn máy móc.
1. Nguyên lý hoạt động
Về nguyên lý, cảm biến LiDAR thực hiện một chu trình gồm: phát tia laser, nhận tín hiệu phản xạ, xác định khoảng cách, quét theo nhiều hướng và xử lý dữ liệu.
Một phương pháp phổ biến là đo thời gian truyền của ánh sáng (ToF – Time of Flight). Cảm biến xác định khoảng cách dựa trên thời gian tia laser truyền từ cảm biến tới vật thể và phản xạ trở lại:
d ≈ c × Δt / 2
Trong đó, d là khoảng cách từ cảm biến đến vật thể, c là vận tốc ánh sáng và Δt là thời gian truyền đi và phản hồi của tín hiệu.
Ngoài phương pháp đo thời gian truyền, một số thiết bị sử dụng phương pháp đo độ lệch pha hoặc phương pháp tam giác hóa quang học. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào phạm vi đo, độ chính xác, tốc độ đáp ứng và mục đích sử dụng của cảm biến.
Khi tia laser được quét liên tục theo một góc nhất định, chẳng hạn 180°, 270° hoặc 360°, các phép đo riêng lẻ tạo thành tập dữ liệu khoảng cách tương ứng với từng góc. Với cảm biến quét hai chiều, dữ liệu chủ yếu mô tả một mặt phẳng. Với cảm biến LiDAR ba chiều, hệ thống thu thập dữ liệu theo nhiều phương để hình thành đám mây điểm, tức tập hợp các điểm dữ liệu mô tả hình học của môi trường.
Có thể hiểu một cách đơn giản rằng LiDAR là công nghệ chuyển đổi môi trường vật lý thành dữ liệu không gian. Dữ liệu này sau đó được bộ điều khiển hoặc phần mềm sử dụng để phát hiện vật thể, đo lường, định vị, lập bản đồ hoặc đưa ra quyết định điều khiển.
2. Các công nghệ chính
Cảm biến LiDAR hai chiều
LiDAR hai chiều là loại được sử dụng phổ biến trong tự động hóa nhà máy, xe tự hành AGV và robot tự hành AMR. Thiết bị quét trên một mặt phẳng với góc quét có thể lên tới hàng trăm độ tùy thiết kế.
Ứng dụng điển hình gồm phát hiện chướng ngại vật, xác định vị trí tương đối, hỗ trợ định vị robot và xây dựng bản đồ trong môi trường có cấu trúc. Ưu điểm của công nghệ hai chiều là cấu trúc tương đối đơn giản, lượng dữ liệu cần xử lý thấp hơn hệ thống ba chiều và chi phí thường phù hợp hơn đối với nhiều ứng dụng công nghiệp.
Cảm biến LiDAR ba chiều
LiDAR ba chiều mở rộng khả năng nhận biết từ một mặt phẳng thành không gian ba chiều. Công nghệ này phù hợp với những bài toán cần thông tin về chiều cao, hình dạng và vị trí không gian của vật thể.
Các ứng dụng tiêu biểu gồm robot tự hành, lập bản đồ môi trường, nhận biết vật thể, đo thể tích và các hệ thống cần khả năng nhận biết không gian phức tạp.
Tuy nhiên, LiDAR ba chiều không mặc nhiên tốt hơn LiDAR hai chiều. Việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu thực tế. Nếu một bài toán chỉ cần phát hiện vật cản trên mặt phẳng di chuyển của xe tự hành, cảm biến hai chiều có thể đáp ứng tốt với chi phí và độ phức tạp thấp hơn.
Cảm biến đo khoảng cách và đo biên dạng bằng laser
Một nhóm thiết bị khác sử dụng tia laser để đo khoảng cách, chiều cao, kích thước hoặc biên dạng bề mặt. Các cảm biến này thường tập trung vào độ chính xác đo lường thay vì quan sát một vùng không gian lớn.
Chúng có thể được sử dụng để kiểm tra chiều cao sản phẩm, đo khoảng cách, kiểm tra kích thước hoặc xác định biên dạng trong dây chuyền sản xuất.
Cảm biến quét laser an toàn
Cần phân biệt rõ cảm biến quét laser thông thường với cảm biến quét laser an toàn. Cảm biến dùng cho định vị hoặc tránh vật cản của robot không mặc nhiên có chức năng bảo vệ an toàn cho con người.
Cảm biến quét laser an toàn được thiết kế, đánh giá và chứng nhận để thực hiện những chức năng an toàn xác định trong hệ thống máy móc. Tùy thiết bị, có thể thiết lập vùng cảnh báo và vùng bảo vệ; khi phát hiện người hoặc vật thể xâm nhập vùng nguy hiểm, hệ thống có thể đưa ra tín hiệu giảm tốc hoặc dừng máy.
Việc lựa chọn loại cảm biến này phải dựa trên đánh giá rủi ro, yêu cầu về mức độ an toàn của chức năng điều khiển, thời gian dừng máy, khoảng cách an toàn và cấu trúc tổng thể của hệ thống an toàn. Không thể chỉ căn cứ vào phạm vi đo của cảm biến để kết luận thiết bị phù hợp cho chức năng bảo vệ.
3. Các thông số kỹ thuật quan trọng
Khi đánh giá cảm biến quét vùng, phạm vi đo là một thông số quan trọng nhưng không phải yếu tố duy nhất.
Góc quét quyết định phạm vi không gian mà cảm biến có thể quan sát. Góc càng lớn thì vùng quan sát càng rộng, nhưng cần xem xét đồng thời tốc độ quét và mật độ điểm đo.
Độ phân giải góc ảnh hưởng đến khả năng phân biệt những vật thể nhỏ hoặc những vật thể nằm gần nhau. Độ phân giải càng cao thường cho phép thu được thông tin không gian chi tiết hơn.
Tần số quét cho biết số lần cảm biến hoàn thành quá trình quét trong một đơn vị thời gian. Thời gian đáp ứng lại liên quan trực tiếp đến tốc độ hệ thống phản ứng trước sự xuất hiện hoặc thay đổi của vật thể.
Ngoài ra cần xem xét kích thước vật thể nhỏ nhất có thể phát hiện, độ chính xác đo, độ lặp lại, đặc tính phản xạ của bề mặt và ảnh hưởng của môi trường như bụi, hơi nước, ánh sáng mạnh hoặc nhiệt độ.
Đối với môi trường công nghiệp, cấp bảo vệ IP, khả năng chịu rung, chịu va đập và phạm vi nhiệt độ làm việc cũng là những thông số quan trọng.
Ở cấp độ hệ thống, phương thức giao tiếp cũng cần được quan tâm. Tùy từng dòng sản phẩm, dữ liệu có thể được truyền qua mạng Ethernet công nghiệp, các giao thức truyền thông công nghiệp hoặc tín hiệu vào/ra số. Thiết bị có thể kết nối với bộ điều khiển khả trình, bộ điều khiển robot, bộ điều khiển an toàn và các hệ thống quản lý cấp cao hơn.
Đối với xe tự hành và robot di động, khả năng cung cấp dữ liệu quét ổn định và tương thích với thuật toán định vị, tránh vật cản hoặc lập bản đồ thường quan trọng hơn việc chỉ sở hữu phạm vi đo lớn.
4. Ứng dụng trong công nghiệp
Một trong những ứng dụng tiêu biểu của cảm biến quét vùng là xe tự hành AGV và robot tự hành AMR. Cảm biến có thể phát hiện người, xe nâng, pallet hoặc các vật cản trên đường di chuyển. Dữ liệu thu được được sử dụng cho tránh va chạm, xác định vị trí và trong một số hệ thống là xây dựng bản đồ môi trường.
Trong những hệ thống phức tạp, LiDAR chỉ là một thành phần của hệ thống nhận biết môi trường. Nó có thể kết hợp với bộ mã hóa vị trí, cảm biến quán tính, camera và các thuật toán điều hướng để nâng cao độ tin cậy.
Trong kho tự động và hệ thống hậu cần, cảm biến quét vùng có thể được sử dụng để phát hiện pallet, giám sát khu vực, kiểm tra vị trí hàng hóa và theo dõi vật thể trên băng tải. Khi kết hợp với công nghệ mã vạch, nhận dạng bằng sóng vô tuyến hoặc camera, hệ thống có thể thực hiện đồng thời phát hiện, định vị và nhận dạng hàng hóa.
Trong tự động hóa máy móc, cảm biến quét laser có thể kiểm tra sự hiện diện của sản phẩm, giám sát vùng hoạt động của máy, đo khoảng cách hoặc kiểm tra biên dạng. Đối với các máy có nguy cơ gây thương tích cho người vận hành, cảm biến quét laser an toàn có thể là một thành phần trong hệ thống bảo vệ máy.
Trong robot công nghiệp và robot di động, LiDAR cung cấp dữ liệu môi trường để robot nhận biết chướng ngại vật và xác định cấu trúc không gian. Với cảm biến ba chiều, đám mây điểm còn có thể phục vụ nhận biết đối tượng, lập bản đồ ba chiều và các thuật toán điều hướng nâng cao.
5. Một số thương hiệu tiêu biểu
Thị trường cảm biến quét laser công nghiệp có sự tham gia của nhiều nhà sản xuất với định hướng khác nhau. Một số thương hiệu nổi bật gồm Hokuyo, SICK, ifm, Datalogic và Autonics. Tuy nhiên, mỗi hãng có thế mạnh riêng và không phải tất cả sản phẩm trong danh mục đều thuộc nhóm LiDAR quét vùng. Vì vậy, khi lựa chọn cần xem xét đúng loại thiết bị, mục đích sử dụng và thông số của từng model.
Hokuyo – thế mạnh về cảm biến quét laser cho robot di động
Hokuyo của Nhật Bản là một trong những thương hiệu được biết đến rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến quét laser công nghiệp, đặc biệt trong các ứng dụng robot, xe tự hành AGV và robot tự hành AMR.
Một số dòng sản phẩm tiêu biểu gồm UST-10LX, UST-20LX, UST-30LX và UST-40LX. Đây là các dòng cảm biến quét laser hai chiều nhỏ gọn, được sử dụng trong phát hiện vật cản, định vị và nhận biết môi trường của robot di động. Các dòng UST có ưu điểm về kích thước nhỏ, tốc độ quét cao và khả năng cung cấp dữ liệu khoảng cách theo nhiều góc, phù hợp với những hệ thống robot yêu cầu thiết bị cảm biến có kích thước gọn.
Hokuyo cũng có các dòng cảm biến quét với phạm vi và cấu hình khác nhau dành cho tự động hóa công nghiệp. Khi lựa chọn, cần đối chiếu từng model về phạm vi phát hiện, góc quét, độ phân giải góc, tốc độ quét, giao diện truyền thông và điều kiện môi trường.
Thế mạnh nổi bật của Hokuyo có thể khái quát ở khả năng cung cấp cảm biến quét laser chuyên dụng cho robot và hệ thống di động, đặc biệt khi yêu cầu về kích thước, trọng lượng và khả năng tích hợp là những yếu tố quan trọng.
SICK – thế mạnh về quét laser công nghiệp và an toàn máy móc
SICK của Đức có danh mục sản phẩm rất rộng trong lĩnh vực cảm biến công nghiệp, trong đó có các dòng cảm biến quét laser dùng cho đo lường, phát hiện vật thể, robot di động và bảo vệ an toàn máy móc.
Một dòng tiêu biểu là LMS5xx, thuộc nhóm cảm biến quét laser dùng cho phát hiện và đo khoảng cách trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Dòng này phù hợp với các bài toán giám sát khu vực, phát hiện vật thể và thu thập dữ liệu không gian.
Trong lĩnh vực robot di động, SICK có các dòng TiM với thiết kế nhỏ gọn, hướng tới các ứng dụng phát hiện vật thể và nhận biết môi trường. Các dòng NAV được phát triển cho những ứng dụng định vị và điều hướng của phương tiện tự hành.
Đặc biệt, SICK có thế mạnh lớn trong cảm biến quét laser an toàn, tiêu biểu như dòng microScan3. Đây là nhóm thiết bị được thiết kế cho các chức năng bảo vệ con người trong hệ thống máy móc và tự động hóa. Khác với cảm biến quét dùng cho định vị hoặc tránh vật cản thông thường, sản phẩm an toàn phải được xem xét cùng với đánh giá rủi ro, khoảng cách an toàn, thời gian dừng và kiến trúc hệ thống điều khiển an toàn.
Thế mạnh của SICK vì vậy nằm ở khả năng kết hợp cảm biến quét, tự động hóa công nghiệp và an toàn máy móc trong các hệ thống có yêu cầu kỹ thuật cao.
ifm – thế mạnh về cảm biến và tích hợp tự động hóa
ifm của Đức nổi tiếng với danh mục cảm biến và thiết bị tự động hóa công nghiệp đa dạng. Trong lĩnh vực cảm biến khoảng cách và nhận biết không gian, ifm có các dòng sản phẩm laser và cảm biến đo khoảng cách phục vụ tự động hóa máy móc, robot và hậu cần.
Một nhóm sản phẩm đáng chú ý là các cảm biến đo khoảng cách bằng laser, trong đó có những dòng thuộc hệ thống cảm biến của ifm được thiết kế cho đo khoảng cách, phát hiện vật thể và kiểm tra vị trí.
Bên cạnh phần cứng, thế mạnh đáng chú ý của ifm là khả năng tích hợp cảm biến với hệ thống điều khiển thông qua IO-Link. IO-Link cho phép truyền giá trị đo, thông số cấu hình và thông tin chẩn đoán từ cảm biến về hệ thống điều khiển, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và bảo trì thiết bị.
Do đó, ifm đặc biệt phù hợp với những hệ thống mà cảm biến quét hoặc cảm biến đo khoảng cách cần được tích hợp sâu vào kiến trúc tự động hóa của nhà máy, thay vì hoạt động như một thiết bị độc lập.
Datalogic – thế mạnh về tự động hóa và nhận dạng trong logistics
Datalogic của Ý có thế mạnh truyền thống trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, nhận dạng tự động, mã vạch, hậu cần và vận chuyển vật liệu. Bên cạnh các thiết bị nhận dạng, Datalogic cũng cung cấp các giải pháp cảm biến và đo lường phục vụ tự động hóa.
Một dòng tiêu biểu trong lĩnh vực cảm biến quét là LGS-N50, thuộc nhóm cảm biến quét laser được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện và đo lường công nghiệp. Datalogic cũng có các giải pháp cảm biến và đo kích thước phục vụ hệ thống hậu cần, dây chuyền vận chuyển và kho tự động.
Điểm mạnh của Datalogic nằm ở khả năng kết hợp nhiều lớp công nghệ trong cùng một bài toán, chẳng hạn phát hiện vật thể – đo lường – nhận dạng mã – truy xuất hàng hóa. Điều này đặc biệt có giá trị trong các hệ thống kho và trung tâm phân phối, nơi việc biết một vật thể tồn tại chưa đủ mà còn cần xác định chính xác vật thể đó là gì và đang ở đâu trong chuỗi vận chuyển.
Autonics – thế mạnh về cảm biến và tự động hóa công nghiệp
Autonics của Hàn Quốc là thương hiệu có danh mục rộng về cảm biến và thiết bị tự động hóa công nghiệp, bao gồm cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận, cảm biến laser, bộ mã hóa, bộ điều khiển nhiệt độ và các thiết bị đo lường.
Trong nhóm cảm biến laser, Autonics có các dòng cảm biến đo khoảng cách và cảm biến laser phục vụ kiểm tra vị trí, khoảng cách, chiều cao và các đặc tính hình học của sản phẩm. Một số dòng cảm biến laser của Autonics hướng tới các ứng dụng đo chính xác trong dây chuyền sản xuất thay vì quét không gian rộng như LiDAR hai chiều dùng cho AGV.
Do đó, Autonics nên được xem là một lựa chọn đáng chú ý trong hệ thống cảm biến và đo lường tự động hóa, nhưng không nên xếp ngang về chuyên môn LiDAR quét vùng với những dòng sản phẩm chuyên biệt của Hokuyo hoặc các dòng quét laser công nghiệp và an toàn của SICK.
6. Xu hướng phát triển
Xu hướng phát triển của cảm biến quét vùng đang chuyển từ khả năng đơn thuần “đo khoảng cách” sang khả năng nhận biết môi trường. Dữ liệu LiDAR ngày càng được kết hợp với camera, cảm biến quán tính, bộ mã hóa vị trí và các thuật toán trí tuệ nhân tạo nhằm nâng cao khả năng nhận biết của robot.
Một kiến trúc điển hình có thể mô tả như sau:
LiDAR → Đám mây điểm → Phát hiện vật thể → Nhận biết môi trường → Lập kế hoạch → Điều khiển.
Trong đó, LiDAR cung cấp dữ liệu đo đạc; các thuật toán xử lý dữ liệu biến những phép đo này thành thông tin có ý nghĩa đối với hệ thống điều khiển.
Tuy nhiên, trí tuệ nhân tạo không mặc nhiên thay thế các chức năng an toàn đã được chứng nhận. Đối với hệ thống bảo vệ máy móc, phần cứng, phần mềm, bộ điều khiển, thiết bị bảo vệ và quy trình đánh giá rủi ro phải đáp ứng các yêu cầu an toàn tương ứng.
Kết luận
Cảm biến quét vùng LiDAR đang trở thành một thành phần quan trọng trong quá trình tự động hóa công nghiệp. Giá trị của công nghệ không chỉ nằm ở khả năng phát tia laser hoặc đo được khoảng cách xa, mà ở khả năng biến môi trường vật lý thành dữ liệu không gian để hệ thống có thể phát hiện, đo lường, định vị và đưa ra quyết định.
Từ xe tự hành, robot, kho thông minh, dây chuyền vận chuyển đến hệ thống bảo vệ máy móc, mỗi ứng dụng đòi hỏi một cấu hình cảm biến khác nhau. LiDAR hai chiều phù hợp với nhiều bài toán phát hiện và định vị trên mặt phẳng; LiDAR ba chiều phù hợp khi cần thông tin không gian đầy đủ; cảm biến đo biên dạng bằng laser phù hợp với các bài toán đo lường; trong khi cảm biến quét laser an toàn phục vụ những chức năng bảo vệ được xác định trong hệ thống an toàn.
Do đó, không có một loại cảm biến hay một thương hiệu tốt nhất cho mọi ứng dụng. Việc lựa chọn nên bắt đầu từ bài toán thực tế, sau đó xác định yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn công nghệ phù hợp, rồi mới lựa chọn sản phẩm và nhà sản xuất. Đây là cách tiếp cận giúp LiDAR phát huy đúng giá trị trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại.
Bạn đang cân nhắc tìm hiểu và lựa chọn giữa các sản phẩm LiDAR của Hokuyo, SICK, ifm hay Datalogic cho dự án của mình, Hãy liên hệ với đội ngũ kỹ thuật AZCOM để được tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật – Hotline: 0968.40.3138 – Email: sales@azcomvn.com
