SICK LMS111激光雷达的使用

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发布时间 2022.03.08阅读数 6063 评论数 0

LMS111系列是SICK推出的一款用于室外区域防撞、测量及安防的激光扫描器。LMS111同西克其他扫描器一样，采用成熟的ToF原理，非接触式检测，且加入了最新的多次回波检测技术（两次回波），使得LMS111即使在恶劣环境下也能准确测量。LMS111的主要特点为：IP67的防护等级，雾气校正功能及内部集成加热器，保证其能用于户外，大监控范围（270°的扫描角度)，灵活的区域配置（可以根据现场需要，设置各种图形的保护区域，且可以根据现场的需要，随时简单的修改图形）。LMS111还具有自检功能，检测稳定，对低反射率物体不敏感等优点，是室外型防撞/障碍测量或物体外形测量的最佳方案。主要用于港口设备防撞，重型设备室外防撞，高速公路车型分类及超限检测，铁路路轨障碍物检测，室外机器人防撞及导航等。

LMS111有5个电气接口，其中底部有4个M12的螺纹接口（接航空插头），正面还有一个辅助接口：

各个接口的针脚定义如下面几幅图所示。注意供电接口的输入电压有两种：传感器电压为DC 10.8 V~ 30 V ，典型功耗10W；加热电压为DC 24 V ± 20 %，典型功耗40W。如果不需要加热可以只接V_S和GND两根线（在一些高纬度地区冬天气温极低，可能导致激光雷达不能正常工作，所以激光雷达里面就要集成自动加热装置。LMS111的工作环境温度为：–30 °C ~ +50 °C）。

LMS111有多种不同的接口（Ethernet、CAN、RS232）用于配置传感器参数和传输测量数据，其中只有Ethernet接口可以实时输出全部测量数据。RS232的传输速率有限，因此只适用于参数配置而不适合用来实时传输数据。Ethernet接口的出厂设置如下：

IP address: 192.168.0.1
subnet mask: 255.255.255.0
TCP port: 2111 and 2112（Use port 2111 to confgure the device. Use port 2112 to view only measurement data）

Operating principle of the LMS1xx

　　ToF是Time of Flight的缩写，直译为飞行时间，通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。ToF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射，一般采用LED或激光来发射高性能脉冲光，主要采用红外光。

　　被测目标物体表面反射率是关系到激光雷达测量能力的关键参数。而影响物体表面反射率的因素主要有物体表面颜色和表面类型（亚光，高亮，平滑，粗糙等）。我们通常定义柯达白板（Kodak white material）的表面反射率为100%，因此根据这一定义光亮表面的反射率一般会大于100%。The reflection of the laser beam will vary as a function of the surface’s structure and color. Light surfaces reflect the laser beam better than dark surfaces and can be detected by the LMS1xx over larger distances. Bright white plaster reflects approx. 100% of the incident light, black foam rubber approx. 2.4%

　　自然界中常见材料的物体表面反射率如下：

激光雷达的工作距离和物体表面反射率有类线性关系（The better a surface reflects the incident radiation, the greater the scanning range of the LMS1xx ），激光扫描器一般用100%反射率及10%反射率两个参数条件表示工作距离。如下是LMS111系列产品的反射率对应工作距离关系图：

Scanning range as a function of the target remission

　　根据反射原理，反射角等于入射角（incident angle：是入射光线与入射表面法线的夹角）。如果激光束入射角较小，就会造成激光束的反射光束不能返回到接收器。在该点的测量值就会显示为无物体，也就是数据丢失的情况。如：高亮汽车漆、抛光的金属表面类似镜反射。

　　当激光垂直物体表面入射时（入射角为90°），这时返回的激光能量最大（The energy is optimally reflected）。当激光与物体表面成一定入射角，则反射能力会有相应的损失，入射角越小，返回扫描器的光越少，检测距离也就越近。

Reflection of the laser beam at the surface of an object

　　If the reflected energy returned is over 100% (basis: Kodak standard) the incident beam is not reflected diffusely in all directions, but is reflected in a specific direction. As a result a large portion of the energy emitted can be received by the laser distance measurement device.

Degree of reflection

二次回波检测

　　If the LMS1xx hits a rain drop first. This will reflect part of the energy (1st reflected pulse). The other part of the beam continues to propagate and is reflected by the actual object (2nd reflected pulse)

Principle of operation of the measurement of the second reflected pulse

　　The LMS1xx can analyze two echo signals for each measuring beam. This enables it to provide reliable measurement results at all times – even if it is behind glass or exposed to adverse weather and environmental inﬂuences outdoors.

SOPAS Engineering Tool

　　在Windows系统上可以用SOPAS Engineering Tool V3 软件配置传感器参数，或者进行测试。首先需要安装LMS111的SOPAS驱动SDD (SOPAS device driver) ，安装好后将Ethernet网线接口插入电脑，然后配置电脑的IP地址，使其与LMS111处于同一网段中：

　　在SOPAS软件中搜索设备，如果驱动和IP地址设置都没问题，就可以连接上LMS111激光雷达（如下图所示）。注意Port 2111和Port 2112端口都可以使用，通常用Port 2111来配置传感器参数，用Port 2112来观察测量数据。

LMS111默认IP地址为192.168.0.1，在SOPAS软件中也可以根据需要自行修改：

连接上传感器并切换到在线模式后可以打开设备页面查看激光数据，但是要更改传感器参数配置需要以授权用户登陆，否则界面中的所有选项框都为灰色无法选中。

　　选择用户级别为：授权的用户（Authorized Client），密码为：client

LMS111与SOPAS软件之间存取数据的示意图如下，配置参数可以临时写入LMS111的RAM中进行测试，也可以永久写入EEPROM中保存。

Principle of data storage

　　比如可以配置传感器扫描频率和角度分辨率（默认为50Hz/0.5°）：

　　也可以选择要输出的数据和输出角度范围：

　　Filter选项中可以设置各种滤波器：

Echo Filter Active：透过玻璃或雨滴等检测时用到，普通应用不需要。If two pulses are reflected by two objects during a measurement (drops of rain or edges etc.), the filter initially filters out the first reflected pulse (echo).
Particle Filter Active：粉尘等微小颗粒过滤。The particle filter can be used in dusty surroundings or in case of rain or snow to filter out interference due to particles of dust, rain drops, snow flakes etc.
HardWare Gating：设置固定距离的免检测区域
Fog Filter：雾气的过滤。The fog filter suppresses possible glare due to fog
Mean filter：输出平均值（The mean filter acts on the measured value output, not on the field application），勾选后可以在右侧文本框中输入要平均的次数。比如扫描10 次后，输出平均值（同时，输出频率也要除以10 )

区域防护功能的设置

　　LMS111可以用于测量和检测（Detection），在扫描范围内，设置不同形状的检测区域，当检测到有物体进入该区域时，通过开关量信号输出检测结果。通常用于设备防撞、物体检测、区域安防等。

　　SOPAS软件中先设置防护区域（Parameter→Evaluation fields），在这里设定防护区域的大小和形状。点击新建按钮增加防护区域：

　　在跳出的窗口中编辑区域名称，并选择设置方式，如下图：其中 Segmented 是编辑多边形的每一个点；Rectangle 是长方形区域；Dynamic 是变化区域。

　　长方形区域如下图所示，可以拖动控制点来改变长宽尺寸以及长方形的位置和旋转角度。也可以直接在编辑框中输入指定的位置、尺寸。

　　多边形区域可以直接编辑每个点的坐标（可以参考文档Laser Measurement Systems of the LMS100 Product）：

　　以常用的长方形区域为例，设置一个Near区域。然后设置防护条件（Parameter→Evaluation cases），在这里设置区域防护的功能以及执行。点击新建按钮，在跳出新的界面中：Field name选择刚刚创建的Near区域，名字输入Alarm。

　　功能设置如下：

Strategy：Blanking 屏蔽功能
Response Time：响应时间为 200ms，当有物体入侵超过 200ms 时，LMS 会报警
Blanking Size：屏蔽的宽度，当物体宽于 100mm 时，LMS 会报警

　　区域防护对应的输出选择为 Output1，LMS 检测到物体时 Output1会有输出：

　　设置好后可以点击“将全部参数下载到设备”按钮或“永久保存”按钮，将配置保存到LMS111中，接下来就可以进行区域防护功能测试。点击进入 Monitor→Field Evaluation Monitor 页面，可以看到LMS动态的轮廓检测图，并且可以看到1号防护区域。当有符合检测尺寸要求的物体入侵 1号警报区域时，绿色区域会变为黄色：

LMS111-ROS

　　打开终端，输入下面命令安装LMS1xx驱动：

sudo apt-get install ros-indigo-lms1xx

　　如果在虚拟机中运行Ubuntu系统，将虚拟机的网络设为桥接模式：

　　然后手动修改虚拟机中的网络连接，让ubuntu与LMS111处于同一网段中：

　　然后可以使用ping命令检查网络是否连通：

运行roscore启动ros主节点后，输入下面命令启动LMS1xx节点：

rosrun  lms1xx  LMS1xx_node  _host:=192.168.0.1

　　注意LMS1xx包中host参数默认地址为192.168.1.2，因此运行节点时需要给host参数赋予正确的IP地址，另外也可以自行指定激光雷达坐标系的名字（默认为laser）。

host (string, default: 192.168.1.2)：The device hostname or IP address.
frame_id (string, default: laser)：The laser data frame. This frame should be at the optical center of the laser, with the x-axis along the zero degree ray, and the y-axis along the pi/2 degree ray.

　　如果上面的过程没问题，运行LMS1xx_node节点后会提示连接到laser：