Система защиты дверей

Интеллектуальная система защиты дверей с использованием 3D-камеры

Данная статья была представлена на международном конгрессе по технологиям вертикальной транспортировки Elevcon 2008 в Фессалониках и впервые опубликована в книге Международной ассоциации инженеров по лифтам IAEE «Elevator Tecnology 17» под редакцией Э. Ластига. Статья перепечатана без изменений с разрешения ассоциации IAEE (сайт: www.elevcon.com). Это репринтная публикация без редакторской правки журнала ELEVATOR WORLD.

-

Резюме

Наблюдается растущая потребность в защите не только самих дверей лифта, но и непосредственно прилегающего к ним участка. На конгрессе Elevcon 2006 мы описывали систему cegard/3D, в которую входил отражающий инфракрасный датчик, соединенный с контроллером. Эта система позволяет модернизировать практически любую обычную световую завесу, превращая ее в надежную и мощную систему наблюдения. В данной статье мы знакомим вас с новейшим датчиком на основе трехмерной камеры, который превосходит своих предшественников по компактности (идеален для установки на задней стенке кабины), удобству установки (не требует отдельного выключателя, шунтирующего датчик) и функциональности (обеспечивает ограниченную защиту дверей даже при отсутствии световой завесы).

-

Введение

Всем хорошо известна неприятная ситуация, когда двери лифта закрываются прямо перед носом, поскольку руки заняты багажом и не могут больше прерывать лучи световой завесы. Дополнительный датчик, контролирующий участок перед входом в лифт, не только повышает комфортность. Он предотвращает травмы и повреждения, когда кажется, что машина (например, автопогрузчик) или каталка (в больнице) врежутся в закрывающиеся двери грузового лифта.

Таким образом, нет ничего удивительного в том, что все большее число лифтов оборудуется усовершенствованными системами, защищающими вход в лифт. В Материалах [Pne2006] нами описаны несколько существующих и появляющихся концепций таких «трехмерных световых завес».

Непосредственным решением служит световая завеса, в которую входят дополнительные отражающие инфракрасные датчики. С одной стороны, оно позволяет получить полную трехмерную защиту в одной системе. С другой стороны, такую световую завесу необходимо устанавливать на дверных кромках, чтобы «трехмерные датчики» видели участок перед входом. В результате соответствующая область обнаружения постоянно уменьшается по мере закрытия дверей.

Другое решение, рассматриваемое в Материалах [Pne2006], - это простая модернизация обычной «двухмерной световой завесы». Центральным элементом такой модернизации служит контроллер с датчиком, соединенный с выходом световой завесы и с отдельным отражающим инфракрасным датчиком, установленным на верхней горизонтальной обвязке кабины лифта. Такой датчик сохраняет свою область обнаружения, пока его не закроет шунтирующий выключатель, когда расстояние между дверными кромками будет менее 10 см. Контроллер датчика может закрыть «трехмерный датчик» через определенный промежуток времени при открытых дверях кабины (то есть происходит «блокировка по превышению лимита времени для трехмерной системы»), чтобы не блокировать без необходимости работу лифта.

Последняя концепция превосходит предыдущую с точки зрения функциональности, поскольку «трехмерный датчик» обеспечивает постоянную и четко определенную область обнаружения во время (почти полного) закрытия дверей. Кроме того, существующие «двухмерные световые завесы» можно легко модернизировать в «трехмерную систему».

Однако совершенно очевидно, что могут возникнуть проблемы, связанные с условиями установки. Например, шарообразный «трехмерный датчик» невозможно установить на слишком узкой горизонтальной обвязке задней стенки. Кроме того, усилия, необходимые для установки «трехмерного датчика», правильно расположенного шунтирующего выключателя и контроллера датчика на крыше кабины, могут оказаться более серьезными, чем для установки интегрированной «трехмерной световой завесы».

В Материалах [Pne2006] мы пришли к выводу, что интеллектуальный компактный датчик с интеллектуальной маскировкой дверей и «блокировкой по превышению лимита времени для трехмерной системы» (см. Раздел 0) компенсируют указанные выше недостатки. В данной статье мы рассматриваем новый датчик на основе камеры, обладающий такими характеристиками. Используя так называемую технологию «времени пролета» (TOF) (см. Раздел 0), чип с камерой эффективно измеряет расстояние для каждого из 2 400 элементов изображения. Таким образом, датчик TOF - это настоящий трехмерный датчик. (Во избежание путаницы с термином трехмерный, мы поставили его в кавычки, если он относится к третьему измерению [то есть, к площади перед входом в лифт] системы защиты дверей. Мы не ставили кавычки, говоря об эффективном измерении расстояния с помощью технологии TOF).

Функциональное описание полной «трехмерной защитной системы» на основе технологии TOF дано в Разделе 2. Выборочное описание оборудования, а также иллюстрированное объяснение технологии ТОF дано в Разделе 3. В Разделе 4 рассмотрены некоторые важные аспекты обработки сигнала о расстоянии до и во время действия системы.

-

Описание системы

Датчик ТОF сам по себе является существенным элементом полной «трехмерной защитной системы». Его область обнаружения представляет собой наклонный под 30° выступ, дающий проекцию размером 0,2 Ч 0,9 м2 на расстоянии 1 м от входа в двери лифта. (Эти геометрические размеры верны при предположении, что высота двери составляет 2,1 м, а двери открываются по центру. Если двери открываются сбоку, область обнаружения на полу, соответственно, уменьшается вдвое относительно указанных значений).

Таким образом, в систему входят традиционная «двухмерная световая завеса» и сам датчик ТОF. Очевидно, что оба датчика являются частью кабины (а не установлены со стороны площадки перед лифтом). Если система управления лифтом не предусматривает второго входа, следует установить внешнее устройство, которое соединяет двоичные входные сигналы от световой завесы и датчика ТОF через логическую функцию «ИЛИ».

Наш датчик способен различать объекты (которые нужно обнаружить) от дверей лифта (которые должны быть замаскированы). Кроме того, он маскирует объекты, не входящие в лифт и/или находящиеся в области обнаружения более заданного времени (то есть «блокировка по превышению лимита времени для трехмерной системы»).

Обратите внимание на то, что датчик ТОF увеличивает задержку прерывания для закрытия дверей. Для повышения комфортности с использованием «трехмерной модернизации», таким образом, уменьшается общая пропускная способность лифта, если параметры задержки в устройстве управления лифтом оставить без изменения. Как мы вскоре увидим при обсуждении Раздела 0, не традиционно регулируемое устройство управления лифтом, а датчик ТОF может полностью взять на себя ответственность за блокировки по превышению лимита времени и гарантировать, что пропускная способность лифта не будет снижаться без необходимости.

-

Концепция оборудования

Механика

Серийный вариант будет оборудован экраном, пропускающим только инфракрасный свет. Устройство имеет чрезвычайно малую высоту и ширину, что позволяет установить его буквально на любой горизонтальной обвязке кабины. По соображениям стабильности и термодинамики, нижняя часть корпуса датчика, соответствующего нормативам IР65, сделана из алюминия.

Выбранная концепция позволяет повернуть датчик на 30 , чтобы получить наклонный выступ.

Функциональная схема датчика ТОF удивительно проста и состоит всего из нескольких ключевых модулей. Микропроцессор вырабатывает возбуждающие сигналы для инфракрасного освещения и управляет работой датчика TOF. Чип ТОF на основе комплементарной МОП-структуры - сердце датчика - содержит 2 400 (24 Ч 100) светочувствительных элементов изображения, благодаря которым можно получить индивидуальные значения расстояния. В следующем разделе будет дано иллюстрированное объяснение принципа ТОF.

Для гарантии того, что на элементы изображения ТОF попадает только свет от модулированного освещения, а не из окружающей среды, необходим оптический полосовой фильтр (с центральной длиной волны 850 нм).

Для более высоких температур длина волны полосы пропускания имеет тенденцию к уменьшению, в то время как длина волны инфракрасных светодиодов имеет тенденцию к увеличению. Без соответствующих измерений это может привести к значительному влиянию на рабочие характеристики, поскольку принимаемый сигнал освещения напрасно ослабляется неправильно настроенным полосовым фильтром. Для компенсации такого физического явления рабочие температуры должны контролироваться и поддерживаться на постоянном уровне. Поскольку инфракрасные светодиоды испускают основную часть термической энергии, на температуру можно косвенно влиять, изменяя рабочий цикл инфракрасного освещения.

-

Принцип TOF

Сокращение ТОF (время пролета) предполагает измерение эффективного времени между передачей импульса и его приемом. Поскольку свет распространяется с невероятной скоростью в 300 000 км/с, отражаемая картина участка перед входом в лифт должна измеряться в течение нескольких наносекунд - трудно себе представить! Если быть точным, каждый элемент изображения чипа ТОF измеряет фазовый сдвиг модулированного света, а не измеряет непосредственно время прохождения света.

Если эмиттер испускает свет постоянной интенсивности, то каждый элемент изображения приемного устройства будет также получать свет постоянной интенсивности в зависимости от отражательной способности цели. Таким образом, на приемном устройстве невозможно получить никаких значений расстояния.

Однако если интенсивность испускаемого света изменяется заданным образом, его можно также распознать на каждом элементе изображения - в ослабленном (в зависимости от отражательной способности цели) виде и со сдвигом во времени (в зависимости от расстояния до цели). Таким образом, мы понимаем, что при модулированной интенсивности испускаемого света каждый элемент изображения может использовать информацию от шкалы яркости (в соответствии с ослаблением модулированного образа), а также информацию о расстоянии (в соответствии со сдвигом по фазе модулированного образа).

В защитных системах дверей лифта используется частота модуляции 20 МГц, что соответствует длине волны 15 м. Поскольку свет должен пройти до объекта, а затем вернуться к приемному устройству, максимальное однократно измеряемое расстояние составит 7,5 м. Например, в области обнаружения находятся две цели, реальное расстояние до которых составляет 3,75 м и 11,25 м. Соответственно, обе цели дадут сдвиг по фазе 180 , что приведет к определению одинакового расстояния, а именно, 3,75 м.

-

Некоторые вопросы программного обеспечения

В Разделе 0 мы показали, что информация о расстоянии получается не по абсолютному значению интенсивности света, измеренному в приемном устройстве, а по ее изменению. Хотя темные объекты отражают лишь небольшое количество света, тем не менее, вариационный сдвиг может быть измерен. Следовательно, идеальный датчик не должен реагировать на разную отражательную способность целевых объектов. Хотя данное утверждение не совсем верно по отношению к реальным системам, мы ограничимся анализом измерений расстояния и опустим оценку дополнительно получаемых измерений интенсивности.

-

Обнаружение объекта и маскировка

Основное назначение датчика ТОF заключается в обнаружении соответствующих объектов, находящихся в области обнаружения. Очевидно, что двери лифта не являются такими объектами и должны быть замаскированы, чтобы избежать нежелательного повторного открытия дверей. Следующие задачи обработки сигналов дают основу для нашей цели.

Измерение опорного расстояния: Из-за физической неточности каждый элемент изображения ТОF дает некоторое произвольное отклонение в измерении. Чтобы получить точное изображение расстояний при работе датчика, каждое измерение необходимо откорректировать с помощью матрицы отклонений. Обратите внимание, что данная концепция исправляет только абсолютное, а не относительное значение расстояния.

Измерение абсолютного расстояния: Абсолютные значения расстояния до объекта сравниваются с постоянными пороговыми значениями. В нашем случае они служат двойной цели:

- во-первых, необходима калибровка области наблюдения. После открытия дверей на каждом этаже необходимо выполнить абсолютное измерение, чтобы решить, соответствует ли наблюдаемая область постоянному опорному фону без объекта;

- во-вторых, абсолютные значения необходимы для различения объектов в области наблюдения от (закрывающихся) дверей лифта. Почти невозможно, чтобы какие-нибудь объекты, кроме дверей лифта, так близко подходили к датчику TOF.

Измерение относительного расстояния: Относительные значения расстояния до объекта сравниваются в другими измеренными пороговыми значениями, полученными от предыдущих изображений или других участков того же изображения.

• При временном измерении относительного расстояния сравниваются мгновенные значения с предыдущими изображениями. Для принятия решения о присутствии объекта играют роль изменения значений, а не абсолютные значения. Наблюдение за такими изменениями позволяет также отслеживать объекты, например, кромки закрывающихся дверей.

• При пространственном измерении относительного расстояния сравниваются различные значения расстояния для одного и того же изображения. Соответствующее разрешение определяет, насколько близко объект можно подвести к фону, чтобы он оставался различим. Здесь абсолютные значения играют меньшую роль по сравнению с разницей в расстоянии между фоном и объектом.

Концепция блокировки по превышению лимита времени для трехмерной системы

В контроллере датчика «трехмерной системы», представленной в материалах [Pne2006], заложена концепция «блокировки по превышению лимита времени для трехмерной системы», основанная на следующих данных:

1) двоичной информации диффузно отражающего «трехмерного датчика»;

2) двоичной информации от световой завесы;

3) двоичной информации от шунтирующего выключателя «трехмерного датчика» (чтобы знать состояние дверей).

Параметрами «блокировки по превышению лимита времени для трехмерной системы» служат t1 и t2, где t1 > t2. «Трехмерный датчик» маскируется или через t1 секунд, если световая завеса ни разу не была нарушена во время остановки на этаже, или он маскируется через t2 секунд после последнего нарушения световой завесы. Такая концепция оптимально соответствует статистически ожидаемому преимуществу от «трехмерной защиты дверей». Представленная в данной статье «трехмерная система» на основе ТОF должна работать без необходимости в контроллере датчика, то есть «трехмерный датчик» должен быть достаточно интеллектуален для выполнения необходимых задач обработки сигналов, в том числе «блокировки по превышению лимита времени для трехмерной системы».

В отношении ранее перечисленных источников информации следует отметить:

1) «трехмерный датчик» обеспечивает последовательность изображений, а не двоичную информацию;

2) двоичная информация от световой завесы не поступает;

3) состояние дверей должно определяться путем измерения расстояния.

Хотя информации от световой завесы уже нет, новая концепция «блокировки по превышению лимита времени для трехмерной системы» является более совершенной по сравнению с предыдущей, поскольку «трехмерный датчик» эффективно получает информацию о том, что происходит перед дверьми лифта. Идея, лежащая в основе данной концепции, заключается в том, что конкретное значение задержки отключения зависит от происходящего в области наблюдения.

После задержки «блокировки по превышению лимита времени для трехмерной системы» устройство управления лифтом может дать сигнал к дверям, чтобы они закрывались медленно (если такая функция предусмотрена в устройстве управления лифтом). В ходе этой операции работает второй выход состояния «трехмерного датчика», позволяющий устройству управления лифтом делать различие в «отпуске трехмерной системы» по причине отсутствия объектов (то есть уровень 0) или по причине замаскированных объектов (то есть уровни 1-4).

При наличии такой точной информации о происходящем перед входом в лифт рационально будет уменьшить заданные с большим запасом значения задержки в устройстве управления лифтом. Если «трехмерный датчик» не обнаружил никаких объектов, нет необходимости в реализации другой задержки, мотивируемой статистической моделью ожидаемой активности перед входом в лифт. Отсюда берется утверждение, приведенное в конце Раздела 0.

-

Выводы

В Материалах [Pne2006] мы сравнивали две наиболее часто используемые концепции «трехмерной защиты дверей», с точки зрения функциональности, общего применения и удобства установки. По первым двум параметрам концепция «трехмерной модернизации» (заключающаяся в установке дополнительного датчика к обычной световой завесе) явно превосходит компактную «трехмерную световую завесу». Однако, с точки зрения удобства установки, первая концепция имеет больше недостатков, чем последняя.

В данной статье мы познакомили вас с новым «трехмерным датчиком», который входит в «систему трехмерной защиты дверей» и в котором устранены эти недостатки. Этот датчик представляет собой интеллектуальную и очень компактную трехмерную камеру, обеспечивающую точное и реалистичное наблюдение за входом в лифт и идеально подходящую для механической установки на горизонтальной обвязке с очень узким пространством.

Ту же основу с незначительным изменением программного обеспечения можно использовать и для других способов использования, например, для защиты открывающихся сбоку раздвижных дверей (особенно в лифтах со стеклянными дверями) или для остановки в зазоре петли дверей, открывающихся в обе стороны.

-

Библиография

Материалы [Pne2006]. Небикер Петер, Липпунер Даниэль, де Куа Бо. Концепция датчиков, обеспечивающих повышенную комфортность при работе дверей лифта // Материалы конгресса Elevcon 2006. - Хельсинки.

Материалы [Dec2002]. де Куа Бо. Предотвращение несчастных случаев при стеклянных дверях // Материалы конгресса Elevcon 2002. - Милан.

Материалы [Dec2005]. де Куа Бо, Небикер Петер, Липпунер Даниэль. Пропускная способность и комфортность лифтов // Материалы конгресса Elevcon 2005. - Пекин.

Материалы [Int2005]. Выставка Interlift в Аугсбурге (октябрь 2005 года) - функциональность датчика TOF демонстрировалась на примере стеклянной двери, установленной в киоске компании CEDES.

Звоните!
8(926)353-03-60