21. Asansör Yüzyılı için Teknoloji

Yolcular, yük ve kapının kendisi için tam kapı alanı koruması sağlayan bir ürünün arkasındaki bilim

Bu bildiri şu adreste sunuldu:  Madrid 2016, Uluslararası Dikey Taşıma Teknolojileri Kongresi ve ilk olarak IAEE kitabında yayınlandı Asansör Teknolojisi 21, A. Lustig tarafından düzenlendi. Uluslararası Asansör Mühendisleri Birliği'nin izniyle yeniden basılmıştır.   (İnternet sitesi: www.elevcon.com).

Asansör kapılarını korumak için kullanılan onlarca yıllık ışık perdeleri, yeni uçuş süresi (TOF) teknolojisi sayesinde artık kullanılmamaktadır. Böylece, 2D'den 3D'ye geçiş, optik dokunmasız tam 3D sensör TOFgard tarafından sağlanır. Bu küçük (ışık perdelerinden 40 kat daha küçük), EN 81-20 uyumlu sensör, hem kabin hem de durak kapısı kapanma kenarları boyunca koruma işlevi ve yolcular, yük ve kapının kendisi için gerçek bir tam kapı alanı koruması sunar. Tüm 3B alanı akıllı bir şekilde izleyerek işlevselliği önemli ölçüde artırırken kazaları azaltır. 3D teknolojisi, hedef arama kontrolü ile bağlantılı olarak çok yararlı olan insanları da sayabilir.

1886'da Heinrich Hertz, elektromanyetik dalgaların metalik nesnelerden yansıdığını keşfetti. Ancak Alman mühendis Christian Hülsmeyer'in ilk işlevsel radar sistemini sunması yaklaşık 20 yıl (1904'e kadar) aldı. 3 km mesafeye kadar büyük nesneleri (gemiler gibi) algılayabilir. Hülsmeyer, yaklaşık 50 MHz taşıyıcı frekansına sahip 300 cm dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalar kullanmıştır. O zamandan beri, radar prensibi nesnelerin mesafesi, hızı ve kabaca boyutlarının ölçülebilmesi için geliştirildi. Ancak, nispeten uzun dalga boyundan dolayı uzaysal çözünürlük çok zayıftır.

Böylece dalga boyunu azaltmak ve böylece uzaysal çözünürlüğü artırmak için yoğun bir Ar-Ge gerçekleştirilmiştir. Akım sınırı, yaklaşık 100 mm'lik bir dalga boyunu temsil eden 1.5 GHz bölgesindeki bir taşıyıcı frekansıdır. Bununla birlikte, yalnızca çok büyük antenlerle yönlendirilebilen birkaç mikrometreden daha uzun bir dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaların yayılması nedeniyle uzaysal çözünürlük hala çok zayıftır. Bu nedenle, mikrometre aralığında veya daha düşük dalga boylarını kullanan radar sistemleri için araştırmalar devam ediyordu. Bu dalga boyu bölgesindeki elektromanyetik dalgalara genellikle "ışık" denir. Böylece bilim topluluğu, adını “radar”dan “lidar” (“ışık algılama ve menzil”) olarak değiştirdi. Işığın uzayda yayılması, bu tür elektromanyetik dalgalar için anten görevi gören mercekler ve aynalar tarafından kolaylıkla kontrol edilebilir. Lidar 1960'larda ortaya çıkmıştır ve aerosolleri ölçmek için kullanılır (örneğin, hava tahmini için). Tipik olarak, lidar sistemleri büyük kurulumlardır ve görüntü üretmek için tarayıcılara ihtiyaç duyar, çünkü lidar sadece bir noktadaki mesafeyi ölçer.

1985 yılında, yazarınız 3D görüntüleme alanında araştırma yapmaya başladığında “TOF” terimi yoktu ve görüntüleme konusu bile yoktu. Bununla birlikte, hayranlığı, her pikselin bireysel nesne noktasına olan mesafeyi ölçme yeteneğine sahip olduğu bir 3D kamera haline gelebilecek bir şey sağlamaktı. Ayrıca bu süre zarfında, lidar konseptleri ile 1 m aralığında bir mesafe çözünürlüğü iyiydi. Ancak amaç, yaklaşık 300,000 kps olan ışığın uzayda yayılmasını ölçmek için ultra hızlı elektroniklere ihtiyaç duyan santimetre çözünürlüğü elde etmekti.

1987'de yazarınız, otomatik kapı açma ve güvenlik sensörü olarak kullanılmak üzere ilk lazer tarayıcı prototipini yaptı. Hızlı ve güçlü bir lazer diyotu tarafından yayılan darbeli ışığa dayanıyordu. Işık manzarayı taradı, dönen bir ayna tarafından saptırıldı. Yansıyan ışık, hızlı bir foto diyot tarafından alındı ​​ve gigahertz bipolar transistörlerle oluşturulmuş bir amplifikatör ile güçlendirildi. Zaman, lazer diyotun ateşlenmesiyle başlayan ve amplifikatörün çıkışında yansıyan ışık darbesi ile durdurulan bir analog entegratör tarafından ölçülmüştür. Sonuç, 10,000 ns hassasiyetle saniyede 2 mesafe ölçen bir tarayıcıydı. Böyle bir doğruluk, sistemde o zamanlar oldukça etkileyici olan 30 cm'lik bir doğruluk anlamına gelir.

Ancak amaçlanan uygulamalar, otomatik kapıları açan ve otomatik kapıların kapanan kapı kanatları arasındaki insanları ve malları koruyan sensörlerdi. Bu tür uygulamalar, 1 cm aralığında bir mesafe çözünürlüğü gerektirir. Işığın uzayda çok yüksek yayılma hızı nedeniyle, ultra hızlı fotoelektronik cihazlara ve elektronik devrelere ihtiyaç vardır. O zamanlar lidar teknolojisi, birkaç nanosaniye aralığında bir zamanlama çözünürlüğüne sahipti ve bu, 1 m aralığında bir çözünürlükle mesafelerin ölçülmesine izin verdi. 1 cm çözünürlüğe ulaşmak için, sistemin onlarca pikosaniyelik bir çözünürlükle zaman ölçümüne izin vermek için 100 kat daha hızlı olması gerekiyordu.

TOF için Temel Araştırma

Mesafeleri 1 cm aralığında veya onbinlerce pikosaniyelik zaman çözünürlüğünde, aynı anda on binlerce pikselde ve tam güneş ışığı altında çözünürlük ve doğrulukla ölçebilen bir kamera tasarlamak bir gecede elde edilebilecek bir şey değil. Bugün bile zorluklar çok büyük ve çok az şirket bu zorlukları yönetebiliyor. CEDES, dünya çapında 1 cm çözünürlüğü yönetebilen ilk şirketlerden biriydi. Ancak CEDES, tam güneş ışığı altında çalışan bir sistem sağlayamadı. Yazarınız yalnızca bu hedefe odaklanmak için özel bir şirket olan ESPROS Photonics Corp'u kurdu. ESPROS'taki teknoloji geliştirmenin temel taşları şunlardı:

1. Yüksek yakın kızılötesi hassasiyet (NIR)
2. Yüksek performanslı şarj bağlantılı cihazlar (CCD)
3. Tam karışık sinyal tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) işlevselliği

CCD ve CMOS birbirinden “hoşlanmadığından” ve düşük maliyetli CMOS ile yüksek NIR hassasiyeti mümkün olmadığından, bu temel gereksinimlerin tek bir yekpare silikon çip üzerinde birleştirilmesi imkansız görünüyordu.

Geliştirme için çok önemli bir gereklilik, kuantum verimliliğinin NIR'ye iyi ulaşan geniş bir dalga boyu aralığında maksimize edilmesiydi. Günümüzün görüntüleme uygulamaları belirli bir dalga boyu ile sınırlı değildir. Görünür spektrumda klasik tüketici ve performans görüntülemeden endüstriyel uygulamalarda kızılötesi operasyona (ve ayrıca uzayda multispektral ve hiper-spektral görüntülere) kadar her uygulama tipik olarak belirli bir aralık gerektirir. Doğal olarak, bir görüntüleyici işlemi ne kadar çok şeyi kapsayabilirse, başarı potansiyeli o kadar yüksek olur. Ayrıca, gürültü görüntülemede her zaman bir sorun olduğundan, kuantum verimliliğindeki herhangi bir artış, diğer tüm faktörler eşit olmak üzere temel olarak gürültü davranışını iyileştirecektir. Bir sinyal oluşturmak için sadece daha fazla ücret var.

Işığın silikondaki absorpsiyon uzunluğu, doğası gereği kuantum verimini belirler. Tükenmiş dedektör alanının kalınlığının seçilmesinin uygun tasarım parametresi olması mantıklıdır.

Şekil 3, kuantum verimliliği ile ilgili en önemli parametreyi sunar. Tamamen emilene kadar ışığın silikona ne kadar derin nüfuz ettiğini gösterir. Görülebileceği gibi, 400 ila 750 nm arasındaki görünür alandaki ışık, silikona 100 nm ila birkaç mikrometre kadar nüfuz eder. İnce bir aktif silikon tabakası, iyi bir hassasiyet elde etmek için yeterince iyidir. Bununla birlikte, NIR alanında (800-1,100 nm bölgesinde), silikon ışık için giderek daha şeffaf hale gelir. Bu nedenle, onlarca mikrometrede kalın bir aktif katmana ihtiyaç vardır.

Uygun bir alt tabaka malzemesinin seçimi, diğer şeylerin yanı sıra, CEDES epc görüntüleyicilerde 50 µm'lik tamamen tükenmiş dedektör kalınlığına katkıda bulunur (Şekil 4). Bu rakam, ESPROS teknolojisinin hassasiyetinin neden standart CMOS teknolojisi ile elde edilebilecek olandan çok daha yüksek olduğunu açıkça göstermektedir. Ancak, bunda ustalaşmak kolay değildir ve fikrin başlangıcından gerçekten işe yaramasına kadar neredeyse on yıl sürmüştür. Şekil 5, ilk 3D TOF pikseline giden uzun yolu göstermektedir: Noel 2009'dan (solda) 3'de bir çip üzerindeki ilk tam entegre 2012D TOF kameradan (ortada) yüksek performanslı çeyrek video grafik dizisine (QVGA) 3D TOF görüntüleyiciye 2015. Ortadaki çip 2.5 X 2.5 mm2 boyutunda ve kabaca yarım milyon transistör içeriyor. Sağdaki QVGA görüntüleyici 8 X 9 mm2 boyutundadır ve dört milyon transistör içerir.

30 Yıllık Araştırma

Daha önce açıklandığı gibi, gerekli performansı elde etmek için tam temel araştırma gerekliydi - ortam ışığını bastırma ve yüksek hassasiyet özellikle önemliydi.

Bugün birçok farklı pazar 3D TOF teknolojisi için olgunlaşmış durumda. CEDES 30 yıl önce araştırmalarına başladığında, çoğumuzun aklına dronlar ya da otonom sürüş gelmiyordu. O zamanlar otomatik elektrikli süpürgeler, yaşlılar veya engelliler için bakıcı robotlar kimin aklına geldi? Bu tür uygulamalar, kitlesel pazarlar için seri üretim nedeniyle uygun maliyetli çözümlerin itici gücüdür. Bunun gibi görüntüleyiciler, geliştirme maliyetleri çok yüksek olan çok karmaşık cihazlardır. Ancak, bir kez kullanılabilir olduklarında, çok uygun maliyetlidirler ve Nesnelerin İnterneti (IoT) veya Endüstri 4.0'daki cihazlara entegre edilmek için idealdirler.

Asansör/Yürüyen Merdiven Endüstrisinde Uygulama

3D TOF kamera kullanan bir sensörün ilk kullanımı, günümüzün ışık perdelerini değiştirmektir. Işık perdeleri, 25 yıl önce tek ışık bariyerlerinin veya mekanik güvenlik kenarlarının yerini almaya başladıklarında ticarileştirildi.

Günümüzde asansör kapısı girişini korumak standarttır. Bununla birlikte, ışık perdeleri oldukça büyük parçalardır - tipik olarak, kapı panellerine dinamik olarak veya arabaya statik olarak monte edilen, her biri 2 m uzunluğunda iki çubuk. Yüzlerce bileşen içerirler ve hepsinin dezavantajı, yolcuları gerçekten korumamalarıdır, çünkü bunlar yalnızca kabin kapısı ile durak kapısı arasındaki alanı izler. Asansör kapılarının ön kenarları izlenmez, bu da ciddi kazalara neden olabilir.

Şekil 7'de gösterilene benzer bir sensör, yalnızca 10 X 2 X 2 cm3 boyutunda tüm kapı alanını korur. Çok yüksek derecede entegrasyon nedeniyle, çok daha az bileşene ihtiyaç duyulur ve bu da çok daha yüksek güvenilirliğe yol açar.

3D TOF sensörünün uygulanması için başka bir aday da yürüyen merdivendir. Günümüzde yürüyen merdivenlerin enerji tasarrufu operasyonları, yürüyen merdiven talebi olmadığında yürüyen merdiven motorunu yavaşlatan veya tamamen durduran bir kontrole ihtiyaç duymaktadır. Ancak, insanlar üniteye yaklaştığında hemen yeniden başlatılmalıdır. Yürüyen merdiveni çalıştırma sinyali veren sensörlerin yanlış tetiklenmesi günümüzde yaygındır, örneğin, insanlar bir yürüyen merdivenin önünden onu kullanmaya niyeti olmadan geçerlerse, yürüyen merdiven çalışmaya başlar.

Şekil 3'de gösterildiği gibi bir 8D TOF sensörü kullanarak, yürüyen merdivene doğru giden insanlar sadece motorun çalışmasını tetikler. Sensörün görüntü işleme yetenekleri nedeniyle insan akışını aşmanın bir etkisi yoktur. Bu sensörün bir başka uygulaması, ünitenin sonundaki insanlar uzaklaşmazsa yürüyen merdiveni yavaşlatmak veya tamamen durdurmaktır. Bu, genellikle kazaların temel nedeni olan çok tehlikeli bir durumdan kaçınabilir.

Sonuç

3D TOF görüntüleme birçok uygulamada kullanılabilecek kadar olgunlaştı. Hazırlığı, IoT ve Endüstri 4.0 megatrendinden dolayı bu teknolojiye olan taleple bir araya geliyor. Otonom sürüş, dronlar, ev aletleri vb. gibi yüksek hacimli uygulamalar bu teknolojinin maliyetini düşürüyor ve bu da asansör saha uygulamalarında kullanılmasına olanak sağlıyor.

Teşekkür

Yazarınızın 3'ten beri 1985D-TOF alanındaki yolculuğu sırasında birçok kişi onu cesaretlendirdi ve destekledi. Onların katkıları olmasaydı bu çalışma gerçekleşemezdi. Yazarınız, özellikle CEDES ve ESPROS bünyesinde çalışmaya devam etmenin çok zor olduğu zamanlarda her zaman arkasında duran eşi Brigitte'e sonsuz şükranlarını sunar.

Yazarınızın çalışmasının büyük bir ilham kaynağı, kilitli pikselin Ar-Ge'si ve pratik uygulaması sırasında yolculuğunun çok uzun bir bölümünü paylaştığı Peter Seitz'den geldi. ESPROS'un birçok çalışanı tarafından önemli temel çalışmalar yapıldı, ancak özellikle önemli katkı sağlayanlar arasında Martin Popp, Bettina Weder, Marcel Rueegg, Dieter Kägi, Gion-Pol Catregn, Hanspeter Keller ve Markus Ledergerber vardı. 3D-TOF sistemlerinin Ar-Ge'si ile temel bilgiler sağlayanlara özel teşekkürler.

Referanslar
[1] De Coi, B.; Popp, M.; ve Marchesi, E. “Görüntülemede beyaz kağıt: CMOS vs. CCD” (2012).
[2] C. Hülsmeyer. Alman patent başvurusu no. 165546: “Verfahren, um Entfernte Metallische Gegenstände Mittels Elektrischer Wellen Einem Beobachter zu Melden” (1904).
[3] Vikipedi. “Radar Geliştirme” (2016).