具有平面检测区域的光学电梯门传感器系统

新开发的光学门传感器系统提高了检测性能，提高了安全性并克服了传统门系统的弱点。

作者：Emiko Sano、Masahiro Shikai、Yuki Kawae、Akihide Shiratsuki、Hajime Nakajima 和 Toshio Masuda
日本三菱电机公司

该论文发表于  ELEVCON Lucerne 2010，垂直运输技术国际大会，首次发表于 IAEE 书籍 电梯技术和18 由 A. Lustig 编辑。 经国际电梯工程师协会 IAEE 许可转载（网址： www.elevcon.com)。本文为准确重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。

关键词： 安全、自动门、光学传感器

摘要

电梯中使用的传统光幕传感器在其光束之间存在间隙，这使得它们无法有效地检测到足够小以适合间隙之间的物体。 为了克服传统电梯门传感器的这一弱点和其他弱点，我们开发了一种具有无间隙平面检测区域的新型光学电梯门传感器系统。 该系统有两条长而窄的光源条和两个安装在电梯门柱内的成像传感器。 传感器可以检测乘客的手指和其他小物体，防止他们因开门而被夹住或因关门而被夹住。 作为一项附加的安全功能，红色光源条会闪烁，让乘客知道电梯门何时将打开或关闭。

1。 简介

电梯安全对乘客来说非常重要，是无障碍设计的重要组成部分。 电梯上可能发生三种常见类型的事故 - 手或物体可能被拉入打开的门和门柱之间的间隙（夹伤事故），手或物体可能被夹在关闭的门之间（夹伤事故），并且跑去登上电梯的乘客可能会与关闭的门发生碰撞（碰撞）。 目前使用各种传感器来防止这些事故。

为防止夹伤事故（门打开时），非接触式光学传感器用于检测手或手持物体何时将被拉入。为防止夹伤事故（门关闭时），电梯使用非接触式传感器等传感器接触检测压力的光学光幕和机械安全鞋。 为了防止碰撞，电梯配备了使用超声波或光来检测走廊中接近的乘客或物体的系统。

然而，这些传感器有一定的弱点。 当门附近的物体或人处于易发生事故的位置时，它们无法始终检测到，并且它们无法检测到某些尺寸和材料的乘客或物体。 为了提高电梯的安全性，需要开发一种能够弥补当前传感器缺陷的新型传感器。

为了满足这一需求，我们设计并开发了一种具有平面检测区域的光学电梯门传感器系统。 新系统克服了当前传感器的缺陷，使一组传感器能够防止所有三种常见的电梯事故类型。 我们首先分析了为什么当前使用的传感器有时无法检测到每种类型的常见事故。 本文描述了该分析的结果，并描述了我们为此开发的传感器系统的配置、检测原理和操作。

2. 门事故和传统电梯门传感器

本节介绍电梯门打开或关闭时可能发生的事故类型、当前安全设备和安全传感器用于防止事故的方法及其弱点。

2.1 诱捕事故（开门时）：

图1是电梯门及其周边结构的俯视图。 电梯的设计使得层站门响应轿厢门的操作而操作。 每个轿厢门和层门之间都有空间。 当车门打开时，乘客的手或手持物体可能会被拉入其中一扇门与门柱之间的间隙（图 1 中标记为 A 的点）并被困（夹住）。

目前使用两种主要类型的传感器来防止此类事故。 一种是检测用于驱动门的电机的负载扭矩的传感器。 当附加扭矩超过其阈值时，传感器认为某种类型的物体已被拉入间隙。 为了防止物体被进一步拉入，它停止打开门并开始关闭它们。 这种传感器的弱点是它只能在物体被拉入间隙后才能检测到它们。

另一种为防止夹伤事故而设计的传感器是一种非接触式光学传感器，可检测接近间隙附近的物体。 这些传感器在门和门柱之间的每个间隙附近照射红外光束，并检测穿过任何这些光束的物体作为诱捕事故的潜在原因。 由于这种类型的传感器仅通过其光束被破坏来触发，因此与第一种类型的传感器不同，它具有能够在物体被拉入之前检测到它们的好处。 但它的弱点是它很难检测到手放在红外光束和门柱之间的缝隙中，因为它的红外光束不能覆盖所有可以拉入手的区域。

2.2 夹伤事故（关门时）：

手或手持物体可能会夹在关闭电梯门的边缘（图 1 中标记为 B 的点）。 目前用于防止此类事故的传感器检测门之间的物体，并在检测到物体时重新打开关闭的门。

同样，目前使用两种主要类型的传感器来防止此类事故。 最常见的类型是机械安全鞋。 该传感器检测接触门边缘的物体的压力，并在压力超过预定值时确定存在障碍物。 但是，由于该传感器在施加的压力不超过预定值时不会触发，因此难以检测柔软的织物或细绳。

另一种常见的传感器类型是非接触式光学类型，例如光幕。 这些传感器在门之间发射多个红外光束以检测障碍物，因此可以检测到安全鞋难以使用的柔软织物和绳索。 这些传感器的弱点在于它们的光束之间的间隙使它们无法检测到任何小到足以容纳在间隙之间的物体。

2.3 碰撞（关门时）

除了夹伤事故外，电梯门关闭时可能发生的另一种类型的事故发生在试图登机的乘客没有预料到门即将开始关闭并与正在关闭的门发生碰撞时。 目前用于防止此类事故的传感器使用超声波和红外光束来检测接近电梯的乘客。 但乘客跑上电梯的速度可能太快，传感器触发后门无法及时重新打开，导致乘客与门相撞。

2.4 门事故

如第 2.1 至 2.3 节所述，目前用于防止夹伤事故和夹伤事故的传感器难以检测织物或绳索等柔软材料和小（薄）物体。 目前的传感器也难以防止门与跑上电梯的乘客发生碰撞。 表 1 列出了难以检测的事故场景以及每种情况下难以检测的原因。

为了提高电梯的安全性，我们研究并开发了一种带有平面检测区域的光学电梯门传感器系统，该系统克服了上述弱点，可以防止所有三种常见的事故类型。

3. 具有平面检测区域的光学电梯门传感器系统

以下部分描述了每个系统模块的具体配置。

3.1 系统概述

为了找到一种方法来克服当前使用的传感器的弱点（在第 2 节中讨论）并开发一个系统，只需一组传感器就可以防止所有三种常见的事故类型（夹伤事故、夹伤事故和碰撞），我们设计了一种光学电梯门传感器系统，其平面检测区域覆盖整个门平面。 我们还为系统赋予了基于光的信号功能。 系统功能如下所述。

• 光学传感器可以在事故发生之前检测到柔软的物体。
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  为了实现无需物理接触的检测，我们开发了非接触式光学传感器。 为了防止夹伤事故，我们的传感器可以在事故发生前检测到障碍物——而检测负载扭矩的传感器是不可能的。 为了防止夹伤事故，我们的传感器可以检测到柔软的织物和绳索——安全鞋很难做到。

• 无间隙平面检测区域可检测小（薄）物体
• 
  在目前使用的红外传感器中，即使是使用多个红外光束的类型，如光幕，也难以检测光束之间间隙中的小物体。 为了克服这个弱点，我们开发了原始的新光源条，可以生成没有间隙的平面检测区域。 这些光源可以检测到几乎所有进入该区域的物体，甚至是手指那么小的物体。

• 几乎覆盖整个门平面的检测区域可以防止夹伤和夹伤事故
• 同时
• 
  在目前使用的红外传感器中，即使是使用多个红外光束的类型，如光幕，也难以检测光束之间间隙中的小物体。 为了克服这个弱点，我们开发了原始的新光源条，可以生成没有间隙的平面检测区域。 这些光源可以检测到几乎所有进入该区域的物体，甚至是手指那么小的物体。

• 系统灯可让乘客知道车门何时即将关闭
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  通过让乘客预测门即将开始关闭的时间，该系统可防止奔向电梯的乘客与正在​​关闭的门发生碰撞。

为了整合所有这些功能，我们开发了一个由成像单元和光源条组成的原始光学传感器系统。

3.2 配置及检测原理

以下部分描述了每个系统模块的具体配置。

3.2.1配置

该系统由两个具有三角形检测区域的光源条及其相应的成像单元组成。 两条光源条共同作用形成一个矩形平面检测区域。 光源条沿门柱垂直安装。 成像单元由镜头和成像元件组成。 每个都安装在门柱上，与相应的光源条相对，倾斜以将其所有光源放置在其视野内。 成像单元对长而窄的光源条进行成像，并通过检测光源图像中的中断来检测进入它们与每个光源条之间的任何物体。

图 2 的左侧显示了传感器配置。 图2（a）显示了没有物体进入检测区域时的光源图像。 图 2 (b) 显示了当物体进入该区域时的光源图像示例。 光源条和成像单元光学器件需要克服各种技术困难，以实现第 3.1 节中描述的功能，并使系统能够安装在各种门尺寸的电梯中。 下面描述光源条和成像单元的特征。

• 光源条
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  除了作为光学检测光源的主要功能外，该系统的光源还具有让它们充当显示灯向乘客发出信号的功能。 实现它们的主要功能需要创建不间断的光源条，以创建一个无间隙的平面检测区域。 为此，我们优化了每个条带中红色 LED 的放置间隔，并安装了光扩散板，以实现均匀强度的连续发光。 这种设计产生的光源产生了一个平面检测区域，没有传统线形检测区域的间隙。

• 成像单元
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  为了检测整个前平面中几乎任何点的小物体并能够在许多不同类型的电梯中使用，成像单元需要很小并且支持各种门宽度而无需重新聚焦。 虽然克服这两个问题很困难，但优化非球面镜头设计可实现大景深（2,200 毫米）和广角（66 度），同时保持镜头单元总长度低于 10 毫米。

3.2.2 检测原理

如图2（a）所示，当检测区域内没有物体时，每个成像单元检测到其光源条产生的完整图像。 当一个物体进入检测区域时，它会干扰从其光源条照射到任一成像单元上的部分光线，并在图像中产生一个中断，如图所示
图2（b）。 传感器系统使用这些来检测检测区域中的物体。

3.3 系统规格

表 2 显示了我们传感器系统的主要规格。 其平面检测区域支持 1,800 毫米高和 800 至 1,200 毫米之间任何宽度的门。 它可以在该区域的任何点检测到所有直径大于9毫米的非透明物体。 它可以在某些位置检测到较薄的物体，并且可以在门洞中心检测到直径为3毫米的物体。 由于光源也用于提醒乘客，因此我们选择红色作为光源颜色，因为它通常用作警告颜色。 光源从接近地板高度到约 1,800 毫米的高度发光，使视线范围广泛的乘客很容易看到它们，从儿童到成人再到老年人。 图 2 显示了安装在电梯轿厢中的传感器系统的外观和检测区域。

3.4 传感器和门操作

为了防止夹伤事故（打开门）和夹伤事故或碰撞（关闭门），传感器系统需要做的不仅仅是检测障碍物——它们还需要在电梯运行时在适当的时间打开和关闭电梯门. 我们系统的传感器模块检测障碍物，其光源与门的打开和关闭操作一起闪烁。 电梯控制模块控制开门/关门操作并播放根据检测状态选择的录制语音消息。 这些传感器和电梯控制操作旨在保持电梯的日常运行效率。 以下部分描述了为防止每种类型的事故而执行的操作。

3.4.1 防止诱捕事故

当电梯轿厢移动时，系统关闭传感器检测和光源。 在轿厢到达目的地楼层之前，系统开始闪烁光源并开始传感器检测。 在这个时间点开始闪烁光源使车内的乘客能够预测车门何时开始打开，并提醒他们。 如果此时传感器检测到障碍物，则在打开车门之前，系统会播放一段录制的语音消息，提醒乘客车门即将打开，并提示他们远离车门。 延迟开门操作的开始，让乘客有时间离开车门。 开门动作开始时，光源停止闪烁，检测动作停止。 检测停止以防止由于不必要地检测试图通过打开的门之间的间隙离开的乘客而降低日常操作效率。 本节中描述的操作有助于防止夹伤事故。

3.4.2 防止夹伤事故

当系统在门开始关闭之前检测到障碍物时，它会关闭光源并延长完全打开等待时间。 如果未检测到障碍物，则开始关闭门，使光源闪烁并继续检测操作。 如果系统在关门时检测到障碍物，它会关闭光源并再次开始开门。 如果它没有检测到障碍物，它会继续检测操作，直到门关闭。

3.4.3 防止碰撞

当门打开时，系统会关闭光源。 然后从门开始关闭前大约一秒开始，它会闪烁光源并开始检测操作。 在门关闭之前闪烁光源可以让进入的乘客预测门何时将关闭，从而防止与他们发生碰撞。

4。 结论

为了提高电梯乘客的安全性，我们开发了一种新型非接触式光学传感器系统，具有无间隙平面检测区域。 该系统只需一组传感器即可防止所有三种常见类型的电梯事故（夹伤事故、夹伤事故和碰撞事故）。 它可以检测到小到可以在传统传感器的光束间隙之间滑动的软材料和物体，同时它的光源兼作显示灯以防止碰撞。 该传感器系统已作为产品发布。