Tecnologia para o século XXI: Elevadores

A ciência por trás de um produto que oferece proteção completa da área da porta para passageiros, carga e a própria porta.

Este artigo foi apresentado em  Madrid 2016, Congresso Internacional sobre Tecnologias de Transporte Vertical, e publicado pela primeira vez no livro da IAEE. Tecnologia de elevadores 21, editado por A. Lustig. É uma reimpressão com permissão da Associação Internacional de Engenheiros de Elevadores.   (site: www.elevcon.com).

As cortinas de luz, usadas há décadas para proteger as portas dos elevadores, estão prestes a se tornar obsoletas graças à nova tecnologia de tempo de voo (TOF). Assim, a transição do 2D para o 3D é possibilitada pelo sensor óptico 3D sem contato TOFgard. Este pequeno sensor (40 vezes menor que as cortinas de luz), em conformidade com a norma EN 81-20, oferece proteção nas bordas de fechamento das portas da cabine e do pavimento, além de uma proteção completa da área da porta para passageiros, carga e a própria porta. Ele reduz acidentes e aumenta significativamente a funcionalidade, monitorando de forma inteligente toda a área 3D. A tecnologia 3D também permite a contagem de pessoas, o que é muito útil para o controle de chamadas de destino.

Em 1886, Heinrich Hertz descobriu que ondas eletromagnéticas são refletidas por objetos metálicos. No entanto, foram necessários quase 20 anos (até 1904) para que o engenheiro alemão Christian Hülsmeyer apresentasse o primeiro sistema de radar funcional. Ele conseguiu detectar objetos grandes (como navios) a uma distância de até 3 km. Hülsmeyer utilizou ondas eletromagnéticas com um comprimento de onda de 50 cm e uma frequência portadora de aproximadamente 300 MHz. Desde então, o princípio do radar foi aprimorado, permitindo medir a distância, a velocidade e, de forma geral, o tamanho dos objetos. Contudo, devido ao comprimento de onda relativamente longo, a resolução espacial ainda é muito baixa.

Assim, intensos esforços de P&D foram realizados para reduzir o comprimento de onda e, consequentemente, aumentar a resolução espacial. O limite atual é uma frequência portadora na região de 100 GHz, que representa um comprimento de onda de aproximadamente 1.5 mm. No entanto, a resolução espacial ainda é muito baixa, devido à propagação de ondas eletromagnéticas com comprimento de onda superior a alguns micrômetros, que só podem ser guiadas com antenas muito grandes. Portanto, a pesquisa por sistemas de radar que utilizam comprimentos de onda na faixa de micrômetros ou menores estava em andamento. Ondas eletromagnéticas nessa faixa de comprimento de onda são comumente chamadas de "luz". Assim, a comunidade científica mudou o nome de "radar" para "lidar" ("detecção e alcance por luz"). A propagação da luz no espaço pode ser facilmente controlada por lentes e espelhos, que servem como antenas para esse tipo de onda eletromagnética. O lidar surgiu na década de 1960 e é usado para medir aerossóis (por exemplo, para previsão do tempo). Normalmente, os sistemas lidar são grandes instalações e precisam de scanners para produzir imagens, pois o lidar mede apenas a distância em um ponto específico.

Em 1985, quando o autor iniciou suas pesquisas na área de imagens 3D, o termo "TOF" (tempo de voo) ainda não existia, e a geração de imagens sequer era um tema em discussão. Contudo, sua fascinação era criar algo que pudesse se tornar uma câmera 3D onde cada pixel tivesse a capacidade de medir a distância até o ponto correspondente do objeto. Naquela época, com os conceitos de lidar, uma resolução de distância na faixa de 1 metro era suficiente. Mas o objetivo era alcançar uma resolução centimétrica, o que exigia eletrônica ultrarrápida para medir a propagação da luz no espaço, que é de aproximadamente 300,000 km/s.

Em 1987, o autor deste texto construiu seu primeiro protótipo de um scanner a laser para ser usado como sensor de segurança e abertura automática de portas. Ele era baseado em luz pulsada emitida por um diodo laser rápido e potente. A luz escaneava a área, sendo desviada por um espelho rotativo. A luz refletida era recebida por um fotodiodo rápido e amplificada por um amplificador construído com transistores bipolares de gigahertz. O tempo era medido por um integrador analógico, que era iniciado com o disparo do diodo laser e interrompido com o pulso de luz refletida na saída do amplificador. O resultado foi um scanner que media 10,000 distâncias por segundo com uma precisão de 2 ns. Tal precisão representava uma acurácia de 30 cm no sistema, o que era bastante impressionante na época.

No entanto, as aplicações pretendidas eram sensores que abriam portas automáticas e protegiam pessoas e mercadorias entre as folhas de portas automáticas em processo de fechamento. Tais aplicações exigem uma resolução de distância na faixa de 1 cm. Devido à altíssima velocidade de propagação da luz no espaço, são necessários dispositivos fotoeletrônicos e circuitos eletrônicos ultrarrápidos. A tecnologia lidar da época possuía uma resolução temporal na faixa de alguns nanossegundos, o que permitia a medição de distâncias com uma resolução na faixa de 1 m. Para atingir a resolução de 1 cm, o sistema precisava ser 100 vezes mais rápido para permitir a medição do tempo com uma resolução na ordem de dezenas de picossegundos.

Pesquisa básica para TOF

Projetar uma câmera capaz de medir distâncias com resolução e precisão na faixa de 1 cm ou dezenas de picossegundos em resolução temporal, simultaneamente em dezenas de milhares de pixels e sob luz solar plena, não é algo que se faça da noite para o dia. Mesmo hoje, os desafios são enormes e poucas empresas conseguem superá-los. A CEDES foi uma das primeiras empresas no mundo a atingir a resolução de 1 cm. No entanto, a CEDES não conseguiu fornecer um sistema que funcionasse sob luz solar plena. Para se concentrar exclusivamente nesse objetivo, o autor deste texto fundou uma empresa dedicada, a ESPROS Photonics Corp. Os pilares do desenvolvimento tecnológico da ESPROS foram:

1. Alta sensibilidade no infravermelho próximo (NIR)
2. Dispositivos de carga acoplada (CCD) de alto desempenho
3. Funcionalidade CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) de sinal misto completa

Esses requisitos essenciais pareciam impossíveis de serem combinados em um único chip de silício monolítico, porque CCD e CMOS não se "compatem" e alta sensibilidade ao infravermelho próximo não é possível com CMOS de baixo custo.

Um requisito fundamental para o desenvolvimento foi a maximização da eficiência quântica em uma ampla faixa de comprimentos de onda, alcançando o infravermelho próximo (NIR). As aplicações de imagem atuais não se restringem a um comprimento de onda específico. Desde imagens clássicas para o consumidor e de alto desempenho no espectro visível até a operação em infravermelho em aplicações industriais (e, além disso, imagens multiespectrais e hiperespectrais no espaço), cada aplicação normalmente requer uma faixa específica. Naturalmente, quanto maior a faixa de comprimentos de onda que um processo de imagem consegue abranger, maior o potencial de sucesso. Além disso, como o ruído é sempre um problema em imagens, qualquer aumento na eficiência quântica basicamente melhorará o comportamento em relação ao ruído, mantendo-se todos os outros fatores constantes. Há simplesmente mais carga disponível para gerar um sinal.

O comprimento de absorção da luz no silício determina inerentemente a eficiência quântica. É lógico que a escolha da espessura da área do detector de depleção seja o parâmetro de projeto mais favorável.

A Figura 3 apresenta o parâmetro mais importante em relação à eficiência quântica. Ela mostra a profundidade de penetração da luz no silício até ser totalmente absorvida. Como pode ser observado, a luz na região visível, entre 400 e 750 nm, penetra de 100 nm a apenas alguns micrômetros no silício. Uma fina camada ativa de silício é suficiente para se obter uma boa sensibilidade. No entanto, na região do infravermelho próximo (NIR, na faixa de 800 a 1,100 nm), o silício torna-se cada vez mais transparente à luz. Assim, uma camada ativa espessa, com dezenas de micrômetros, é necessária.

A escolha de um material de substrato adequado contribui, entre outras coisas, para uma espessura de detector totalmente deplecionada de 50 µm nos imageadores epc do CEDES (Figura 4). Esta figura mostra claramente por que a sensibilidade da tecnologia ESPROS é muito superior à que pode ser alcançada com a tecnologia CMOS padrão. No entanto, dominar essa tecnologia não é fácil, e levou quase uma década desde a concepção da ideia até que ela se tornasse realmente funcional. A Figura 5 mostra o longo caminho até o primeiro pixel 3D TOF: Natal de 2009 (esquerda) até a primeira câmera 3D TOF totalmente integrada em um chip em 2012 (centro) e o imageador 3D TOF de alto desempenho com matriz gráfica de vídeo de quarto de escala (QVGA) em 2015. O chip no centro tem um tamanho de 2.5 x 2.5 mm² e contém aproximadamente meio milhão de transistores. O imageador QVGA à direita tem um tamanho de 8 x 9 mm² e contém quatro milhões de transistores.

Pesquisa de 30 anos

Conforme explicado anteriormente, foi necessária uma pesquisa básica completa para atingir o desempenho exigido — a supressão da luz ambiente e a alta sensibilidade foram especialmente importantes.

Hoje, muitos mercados diferentes já estão maduros para a tecnologia 3D TOF. Quando o CEDES iniciou suas pesquisas há 30 anos, poucos de nós pensávamos em drones ou direção autônoma. Quem imaginava aspiradores de pó automáticos ou robôs cuidadores para idosos ou pessoas com deficiência naquela época? Essas aplicações impulsionam soluções economicamente viáveis ​​devido à produção em massa para mercados de massa. Sensores como esses são dispositivos muito complexos, cujo custo de desenvolvimento é enorme. Mas, uma vez disponíveis, são muito econômicos e ideais para serem integrados a dispositivos na Internet das Coisas (IoT) ou na Indústria 4.0.

Implantação no setor de elevadores/escadas rolantes

A primeira aplicação de um sensor com uma câmera 3D TOF é substituir as cortinas de luz atuais. As cortinas de luz foram comercializadas há 25 anos, quando começaram a substituir barreiras de luz simples ou bordas de segurança mecânicas.

Hoje em dia, é padrão proteger a entrada da porta do elevador. No entanto, as cortinas de luz são peças bastante grandes – normalmente, duas hastes, cada uma com 2 m de comprimento, instaladas dinamicamente nos painéis das portas ou estaticamente na cabina. Elas contêm centenas de componentes e todas têm a desvantagem de não protegerem efetivamente os passageiros, pois monitoram apenas a área entre a porta da cabina e a porta do pavimento. As bordas frontais das portas do elevador não são monitoradas, o que pode causar acidentes graves.

Um sensor como o mostrado na Figura 7 protege toda a área da porta com dimensões de apenas 10 x 2 x 2 cm³. Devido ao alto grau de integração, são necessários muito menos componentes, o que resulta em uma confiabilidade muito maior.

Outro exemplo de aplicação para um sensor TOF 3D é a escada rolante. Atualmente, a operação de escadas rolantes com economia de energia exige um controle que reduza a velocidade ou pare completamente o motor quando não houver demanda. No entanto, quando pessoas se aproximam, o motor deve reiniciar imediatamente. O acionamento indevido dos sensores que sinalizam o início da operação da escada rolante é comum hoje em dia, por exemplo, se alguém passa em frente à escada rolante sem intenção de usá-la, ela inicia sua operação.

Ao utilizar um sensor TOF 3D, como mostrado na Figura 8, o fluxo de pessoas em direção à escada rolante aciona o motor. O fluxo de pessoas que cruzam a escada rolante não tem efeito devido às capacidades de processamento de imagem do sensor. Outra aplicação deste sensor é reduzir a velocidade ou parar completamente a escada rolante caso as pessoas no final do percurso não se afastem. Isso pode evitar uma situação muito perigosa, que muitas vezes é a causa principal de acidentes.

Conclusão

A tecnologia de imagem 3D TOF (tempo de voo) atingiu um nível de maturidade que permite sua implementação em diversas aplicações. Essa disponibilidade coincide com a demanda por essa tecnologia, impulsionada pelas megatendências da IoT (Internet das Coisas) e da Indústria 4.0. Aplicações de grande volume, como direção autônoma, drones, eletrodomésticos, etc., reduzem o custo dessa tecnologia, possibilitando sua implantação em elevadores.

Agradecimentos

Durante a trajetória do autor no campo do 3D-TOF desde 1985, diversas pessoas o incentivaram e apoiaram. Sem a contribuição delas, este trabalho não teria sido possível. O autor gostaria de expressar sua profunda gratidão à sua esposa, Brigitte, que sempre esteve ao seu lado, especialmente nos momentos mais difíceis em que foi necessário dar continuidade ao trabalho no âmbito do CEDES e do ESPROS.

Uma das principais inspirações para o trabalho deste autor veio de Peter Seitz, com quem compartilhou grande parte de sua jornada durante a pesquisa e desenvolvimento do pixel lock-in e sua implementação prática. Um trabalho fundamental importante foi realizado por muitos funcionários da ESPROS, mas alguns colaboradores particularmente importantes foram Martin Popp, Bettina Weder, Marcel Rueegg, Dieter Kägi, Gion-Pol Catregn, Hanspeter Keller e Markus Ledergerber, entre muitos outros. Um agradecimento especial àqueles que forneceram conhecimento fundamental com sua pesquisa e desenvolvimento de sistemas 3D-TOF.

Referências
[1] De Coi, B.; Popp, M.; e Marchesi, E. “White paper in imaging: CMOS vs. CCD” (2012).
[2] C. Hülsmeyer. Pedido de patente alemã nº. 165546: “Verfahren, um Entfernte Metallische Gegenstände Mittels Elektrischer Wellen Einem Beobachter zu Melden” (1904).
[3] Wikipédia. “Desenvolvimento de radar” (2016).