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Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von
Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Dr. Daniel Lippuner CEDES AG Landquart, Schweiz III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Inhalt ¾ Einleitung Problemstellung und Lösung ¾ Funktionsprinzip “Time-of-Flight” (TOF) Technologie ¾ Realisierung Entstehungsgeschichte 3D-Kamera ¾ CEDES-Sensoren Übersicht über bestehende Produkte ¾ Anwendungen Einsatzgebiete für 3D-Kamera ¾ Schluss Zusammenfassung CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Problemstellung Einleitung Funktionsprinzip Realisierung Tiefeninformation wesentliche Grösse bei vielen Sensorik-Anwendungen ¾ Detektion von Personen, Objekten, Hindernissen ¾ Messung von Positionen, Distanzen und Dimensionen CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss Konventionelle Kamera-Bilder: ¾ 2D-Projektion der ¾ 3D-Welt. CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Lösung Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Miniaturisierte 3D-Kamera mit folgenden Eigenschaften ¾ Bildaufnahme anstelle von Einzelpunkt-Detektion ¾ Echtzeit-Verarbeitung von Distanz und Intensität ¾ Messung anstelle von Software-Interpretation ¾ Realisierung zu erschwinglichem Preis Anwendungen Schluss CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Optische Distanz-Messung Einleitung Eigenschaften: Berührungslos, nicht-destruktiv, Hohe Auflösung Verfahren: Triangulation, Interferometrie, Time of Flight (TOF) Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss [Schwarte] CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Time-Of-Flight Einleitung ¾ hoher Intensität Funktionsprinzip Realisierung Aussendung eines kurzen optischen Pulses mit ¾ Ermittlung der Hin-und-Zurück-”Reisezeit” ¾ Berechnung der Distanz CEDES-Sensoren d = Anwendungen c ⋅ ∆t 2 Schluss ∆t t CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Abtastung des Empfangssignals Einleitung CW-Modulation und homodyne Detektion (“Lock-in-Amplifier”) Funktionsprinzip d = Realisierung c ∆ϕ ∆ϕ ⋅ = L⋅ 2 f m 2π 2π wobei L = c 2 fm CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss ∆ϕ CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Berechnung der Distanz Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Distanz ist (näherungsweise)... ¾ …proportional zur Phasenverzögerung ¾ …unabhängig von der Hintergrundbeleuchtung ¾ …unabhängig von der Objekt-Reflexion Anwendungen Schluss ∆ϕ ∆ϕ c ⋅ = L⋅ d = 2 f m 2π 2π c wobei L = 2 fm A0 − A2 ∆ϕ = atan A3 − A1 CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Berechnung der Intensität Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Intensität ist ... ¾ …schwarz-weiss Bild basierend auf der IR-Beleuchtung ¾ …simultan mit der Distanz messbar Schluss A0 + A1 + A2 + A3 B= 4 CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Custom Sensor für 3D TOF Imaging Einleitung Funktionsprinzip Realisierung ¾ Technologie: kombiniert CMOS / CCD ¾ Chip-Kosten: bei Massenproduktion wenige € ¾ Räuml. Auflösung: typ. < 100 x 100 Pixel ¾ Weitere Schlüssel-Parameter: CEDES-Sensoren hohe Dynamik hohe Sensitivität Anwendungen Schluss CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Beispiel-Bilder Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Grenzen der Distanzauflösung Einleitung 7 6 Physikalische Grenze (Photonen-Schrotrauschen) Anwendungen Schluss dis tance res olution [cm] Realisierung CEDES-Sensoren Me a s ure m e nt phys ic a l lim it Messung Funktionsprinzip 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 e le c trons pe r s a m ple 6 7 8 x 10 5 CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Entstehungsgeschichte Einleitung Funktionsprinzip 1985: 1989: Realisierung 1993: CEDES-Sensoren Anwendungen 1999: Schluss 2003: 2004: Funktionsprinzip der TOF-Technologie bewiesen Prototyp eines Laser-Puls 3D-Sensors (Grösse: 50cm x 50cm x 20cm) Hoch auflösende 3D-Bildverarbeitung für nichtkooperative Ziele und industrielle Anwendungen (“SPP OPTIQUE I”) Erste Demonstration einer 3D TOF Kamera (Grösse: 15cm x 10cm x 10cm) KTI-Projekt mit CSEM und CEDES “Solid-State Time-Of-Flight Range Camera” Erster Industrie-Prototyp einer 3D TOF Kamera (Grösse: 5cm x 10cm x 3cm) CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Auszeichnungen & Einleitung Funktionsprinzip ¾ Oktober 2003 Euro-CASE IST Grand Prize winner 2004 Realisierung “The European IST Prize is an award for groundbreaking products that represent the best of European innovation in information technology. It provides public recognition and a highly visible profile to entrepreneurial teams that excel in generating novel ideas and R&D and converting them into marketable products” CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss ¾ Februar 2004 CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Produkte für Automatische Türen Einleitung Referenzen (Auszug): Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss ELS263 TLS300 TLS250 CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Produkte im Aufzugsbereich Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren GLS SMS Anwendungen Schluss cegard/Max CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren TOF-Einsatz im Aufzugsbereich Einleitung Funktionsprinzip Kabine Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Lichtvorhang 1 Schluss 2 Kab.Türe 1 Schachttüre CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren TOF-Einsatz für Automatische Türen Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Zusammenfassung 3D TOF Kamera Einleitung ¾ Funktionsprinzip Realisierung mit hoher Distanzauflösung ¾ Technologie geeignet für Produktion in grossen Stückzahlen zu erschwinglichem Preis CEDES-Sensoren ¾ Anwendungen Vorstellung einer Echtzeit 3D TOF Kamera-Technologie Grosses Potential für verschiedene Anwendungen (auch ausserhalb der Aufzugsindustrie) Schluss CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Einleitung Funktionsprinzip Realisierung CEDES-Sensoren Anwendungen Schluss CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Firmenprofil von CEDES Core CoreBusiness Business Optoelectronic Optoelectronicsensors sensorsfor for - -Elevators Elevators - -Doors Doors&&Gates Gates - -Machine MachineSafety Safety&&Automation Automation Established Established 1986 1986 Employees Employees 200 200(156 (156ininSwitzerland) Switzerland) Activities Activities - -R&D R&D(Electronics, (Electronics,optics, optics,software, software,mechanical mechanicaldesign, design, manufacturing processes) manufacturing processes) - -Manufacturing Manufacturingand andlogistics logistics - -Sales Sales Export Export 85 85% % Legal Legalentity entity Privately Privatelyhold holdshare sharecompany company More Moreinformation information www.cedes.com www.cedes.com CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug Moderne 3D-Kameratechnik zur Absicherung von Aufzugstüren Anhang: Genauigkeit der Distanzmessung Annahmen ¾ Auflösung nicht durch thermisches Rauschen der Detektions-Elektronik limitiert. ¾ Photonen Schrotrauschen entspricht physikalischer Grenze L B ∆d = ⋅ , wobei A = 8 2⋅ A [A3 − A1 ]2 + [A0 − A2 ]2 2 Messgenauigkeit ∆d ¾ Abhängig von Hintergrundbeleuchtung und Rauschquellen ¾ Abhängig von Objektreflexionen und Objektdistanz CEDES III. Schwelmer Symposium für Moderne Technik im Aufzug
