施科益 鄭 薇 張逍云

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315000)

基于MPU6050的便捷式電梯振動(dòng)測(cè)試裝置研究

施科益 鄭 薇 張逍云

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315000)

電梯振動(dòng)與電梯乘用舒適性息息相關(guān)，EVA是電梯振動(dòng)測(cè)試的常用工具，但EVA價(jià)格昂貴、體積笨重、不方便攜帶。針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了基于MPU6050的便攜式電梯振動(dòng)測(cè)試裝置。該裝置以MPU6050作為三軸加速度傳感器，以Arduino作為數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理器，大大簡(jiǎn)化了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置。將測(cè)試數(shù)據(jù)與EVA采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，本裝置測(cè)得的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)與EVA測(cè)得的數(shù)據(jù)非常接近，能夠準(zhǔn)確反映電梯的運(yùn)行狀態(tài)，保證測(cè)試的精度。該裝置可以方便電梯振動(dòng)測(cè)試人員的隨身攜帶，有利于電梯定期檢驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

MPU6050 Arduino 電梯振動(dòng) 振動(dòng)測(cè)試

電梯是高層建筑中最為主要的乘用工具,其安全性是人們最為關(guān)注的要點(diǎn)。通常作為普通乘用者對(duì)電梯并不了解,往往直接將電梯的安全性與舒適性相關(guān)聯(lián)。如電梯運(yùn)行中的大幅度振動(dòng)、運(yùn)行速度的突然變化等情況被認(rèn)為是電梯處于危險(xiǎn)狀態(tài)中。因此,電梯運(yùn)行的舒適性與穩(wěn)定性越來越受到電梯廠家及檢驗(yàn)部門的重視。

對(duì)于電梯乘用的舒適性,標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24474—2009《電梯乘用質(zhì)量測(cè)量》[1]中采用電梯乘用質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)?！半娞莩擞觅|(zhì)量”的定義是,“與乘客感覺和電梯運(yùn)行有關(guān)的轎內(nèi)聲級(jí)和轎廂地板的振動(dòng)”。加速度、速度、A95、振動(dòng)峰峰值等指標(biāo)可以有效地描述電梯乘用質(zhì)量。并且,標(biāo)準(zhǔn)中指出了電梯乘用質(zhì)量的測(cè)量?jī)x器,要求由五部分組成:a)分別測(cè)量三個(gè)正交坐標(biāo)軸加速度的傳感器;b)測(cè)量聲壓級(jí)的傳感器;c)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);d)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng);e)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。目前,各電梯相關(guān)單位多應(yīng)用EVA-625電梯綜合分析儀對(duì)電梯乘用質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量[2-3]。該儀器可以檢測(cè)電梯的振動(dòng)、速度、運(yùn)行距離、噪聲、加(減)速度、振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù),并可以通過數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析,診斷電梯故障。EVA性能優(yōu)越,但價(jià)格昂貴、體積笨重,不方便攜帶。

在電梯定期檢驗(yàn)中,盡管檢規(guī)對(duì)電梯乘用質(zhì)量未要求檢驗(yàn),但在定期檢驗(yàn)及安全評(píng)估時(shí)經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)電梯額定速度被更改、啟動(dòng)倒拉、轎廂晃動(dòng)大等缺陷。普通乘用人員對(duì)于這些缺陷心理上存在著很大的恐慌。檢驗(yàn)人員在定期檢驗(yàn)中通過人體感受提出質(zhì)疑,不夠規(guī)范和科學(xué),攜帶EVA測(cè)量又極不方便。

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試裝置的不足,設(shè)計(jì)了基于MPU6050的便攜式電梯振動(dòng)測(cè)試裝置。該裝置以MPU6050作為三軸加速度傳感器,以Arduino作為數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理器,大大簡(jiǎn)化了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu),而測(cè)試數(shù)據(jù)精度滿足電梯測(cè)試的需求。該裝置可以方便電梯振動(dòng)測(cè)試人員的隨身攜帶,應(yīng)用于電梯振動(dòng)測(cè)試中方便便捷,有利于電梯定期檢驗(yàn)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

1 測(cè)試裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 MPU6050簡(jiǎn)介

MPU6050是全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件,相較于多組件方案,免除了組合陀螺儀與加速度軸之間時(shí)間差的問題,減少了大量的包裝空間。MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速度器,并可由I2C端口連接其他傳感器。另外,它提供的運(yùn)動(dòng)處理資料庫,可處理運(yùn)動(dòng)感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù),降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷,并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API[4]。

MPU6050的角速度測(cè)量范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps),加速度器測(cè)量范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。在電梯振動(dòng)測(cè)試中,其量程已完全足夠用。MPU6050測(cè)得的加速度不僅能夠進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,而且融合加速度數(shù)據(jù)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)測(cè)量,實(shí)時(shí)得到運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。MPU6050價(jià)格低,廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)的各種智能產(chǎn)品中,如在四旋翼飛行器、自平衡小車等產(chǎn)品中應(yīng)用非常成熟,有大量的實(shí)例可以參考[5]。因此,將它應(yīng)用于電梯振動(dòng)測(cè)試中,具有成本低、研發(fā)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。

1.2 測(cè)試裝置硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)開發(fā)基于MPU6050的電梯振動(dòng)測(cè)試裝置目的在于便捷,裝置在硬件上采用了開發(fā)方便、體積小的Arduino作為數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及處理模塊[6]。Arduino是一個(gè)開源的單芯片微控制器,使用了Atmel AVR單片機(jī),具有開放的軟硬件平臺(tái),簡(jiǎn)易輸入/輸出端口和類似于Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境,非常適合簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[7]。本裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

MPU6050測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)被采集進(jìn)入Arduino中,在Arduino中完成所有的運(yùn)算,并且把數(shù)據(jù)保存在SD卡中。測(cè)試結(jié)束后,Arduino將測(cè)試結(jié)果通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī);或者可以將SD卡取出,讀入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

本裝置的工作邏輯圖如圖2所示,其中Arduino既作為數(shù)據(jù)處理器,又作為系統(tǒng)控制器。裝置控制邏輯如下:上位機(jī)(如手機(jī))發(fā)送測(cè)試信號(hào),Arduino控制MPU6050采集加速度,讀入Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者傳輸。裝置的數(shù)據(jù)流動(dòng)邏輯如下:采集得到的加速度數(shù)據(jù)在Arduino中進(jìn)行信號(hào)處理,包括去噪、積分運(yùn)算、FFT等,處理后數(shù)據(jù)保存入SD卡或者傳輸至上位機(jī)。

圖2 工作邏輯圖

2 測(cè)試裝置算法設(shè)計(jì)

2.1 速度位移計(jì)算

基于MPU6050的電梯振動(dòng)測(cè)試裝置以Arduino作為數(shù)據(jù)采集處理核心,裝置控制算法及數(shù)據(jù)處理算法用類Java語言寫入Arduino中,其算法流程圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試算法流程圖

測(cè)試開始和結(jié)束由按鈕控制,所有測(cè)試原始數(shù)據(jù)以文本格式放置于SD卡中,如需要測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)查看,再將數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙連接的手機(jī)中,以圖表的形式顯示。如需后期進(jìn)一步分析,則可將SD卡中數(shù)據(jù)導(dǎo)出,應(yīng)用更專業(yè)軟件進(jìn)行分析。

MPU6050采集得到的是加速度信號(hào),將加速度一次積分即可得到速度,二次積分得到位移,如圖4～圖6所示。

2.2 濾波算法

由于MPU6050的靜態(tài)噪聲較大,實(shí)際測(cè)得的加速度往往包含了由MPU6050自身產(chǎn)生的大量噪聲,因此必須對(duì)原始加速度值進(jìn)行濾波處理,才可以得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的加速度數(shù)據(jù)。

卡爾曼濾波是一種高效率的遞歸濾波器,它能夠在測(cè)量方差已知的情況下從一系列存在測(cè)量噪聲的數(shù)據(jù)中,估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)[8-9]。它便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn),并能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新和處理。卡爾曼濾波是目前應(yīng)用最為廣泛的濾波方法,在通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等多領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用?？柭鼮V波在保證數(shù)據(jù)精度的前提下大大減小對(duì)裝置硬件的要求,非常適合在本裝置中應(yīng)用。

對(duì)卡爾曼濾波算法進(jìn)行仿真研究,結(jié)果如圖7所示。圖中對(duì)比了測(cè)量值、真實(shí)值與經(jīng)卡爾曼濾波后的值,可以看到測(cè)量值中因包含了噪聲,與真實(shí)值偏差較大,經(jīng)卡爾曼濾波后數(shù)據(jù)與真實(shí)值較為接近,大大提高了信號(hào)的信噪比。

圖4 電梯Z軸加速度曲線

圖5 電梯Z軸速度曲線

圖6 電梯Z軸位移曲線

圖7 卡爾曼濾波前后數(shù)據(jù)對(duì)比

3 測(cè)試結(jié)果分析

將本裝置與EVA同時(shí)置于電梯測(cè)試電梯內(nèi),測(cè)試同一段運(yùn)行過程中電梯的振動(dòng)狀況,測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置示意圖如圖8所示。

圖8 測(cè)試示意圖

將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,兩者測(cè)得的垂直加速度數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 測(cè)試垂直加速度數(shù)據(jù)對(duì)比圖

在時(shí)域上,兩者波形基本一致,將兩個(gè)加速度數(shù)據(jù)值求差,結(jié)果如圖10所示,兩個(gè)加速度的最大差值為0.375m/s2,兩組加速度數(shù)據(jù)的差值最大值較大。將兩個(gè)加速度曲線進(jìn)行互相關(guān)分析,結(jié)果如圖11所示,在0.28s處兩者相關(guān)系數(shù)接近于1.0。可以看到,兩組加速度數(shù)據(jù)高度相關(guān),但正是由于存在0.28s的相位差,造成兩組加速度數(shù)據(jù)的最大差值較大。

圖10 測(cè)試垂直加速度差值圖

圖11 兩組加速度數(shù)據(jù)互相關(guān)圖

此外,計(jì)算兩組加速度的最大最小值指標(biāo),其結(jié)果見表1,垂直加速度的A95值和峰峰值指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表2。從表1中可以看出,最大加速度與最小加速度值兩者較為相近。

表1 垂直加速度測(cè)試最大最小值結(jié)果

表2 垂直加速度A95和峰峰值結(jié)果

由此可見本裝置測(cè)得的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)與EVA測(cè)得的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)不僅在時(shí)域波形上高度相關(guān),且兩者的運(yùn)行狀態(tài)振動(dòng)指標(biāo)也非常接近,能夠基本反映電梯的運(yùn)行狀態(tài)。本裝置采集得到的是加速度數(shù)據(jù),將加速度進(jìn)行一次積分可得到速度值,二次積分即可得到位移值。結(jié)果表明本裝置得到加速度經(jīng)積分得到的速度值和位移值也均與EVA所得值非常接近,此處不再另外敘述。

4 總結(jié)

電梯振動(dòng)測(cè)試是電梯日常檢驗(yàn)中重要的檢測(cè)手段,常用的EVA雖能夠有效測(cè)試電梯振動(dòng),但其價(jià)格昂貴、體積笨重、不方便攜帶。在電梯的定期檢驗(yàn)中,檢驗(yàn)人員不會(huì)隨身攜帶,使得一些電梯問題無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

本文提出了基于MPU6050的便攜式電梯振動(dòng)測(cè)試裝置,將MPU6050作為三軸加速度計(jì),以Arduino作為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制器,大大簡(jiǎn)化了振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置的結(jié)構(gòu),便于檢驗(yàn)人員的攜帶。將基于MPU6050的便攜式電梯振動(dòng)測(cè)試裝置與EVA的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,本裝置測(cè)得的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)與EVA測(cè)得的數(shù)據(jù)非常接近,能夠準(zhǔn)確反映電梯的運(yùn)行狀態(tài),保證測(cè)試的精度。

[1] GB/T 24474—2009 電梯乘用質(zhì)量測(cè)量[S]．

[2] 陳建宇．EAV-625測(cè)試儀在檢測(cè)電梯垂直振動(dòng)源的應(yīng)用[J]．福建農(nóng)機(jī)，2010(03)：55-58．

[3] 劉方亭，張清鵬．EVA-625在電梯檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．中國(guó)儀器儀表，2009(11)：46-48．

[4] 賴義漢，王凱．基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，26(03)：53-57．

[5] 康海，趙坤，劉書林．基于MPU6050模塊的飛行姿態(tài)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2015，23(10)：188-190．

[6] 吳義滿． Arduino開源設(shè)計(jì)[J]．電子測(cè)試， 2016(21)：37-39+88．

[7] 胡珂．基于Arduino的智能小車測(cè)距安全行駛系統(tǒng)的研究[D]．長(zhǎng)安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015．

[8] 楊丹．卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[D]．湘潭：湘潭大學(xué)，2014．

[9] 彭丁聰．卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用[J]．軟件導(dǎo)刊，2009，8(11)：32-34．

Research on Portable Elevator Vibration Testing Device Based on MPU6050

Shi Keyi Zheng Wei Zhang Xiaoyun
(Ningbo Special Equipment Inspection Institute Ningbo 315000)

Elevator vibration and elevator ride comfort are closely related. EVA is a common tool for elevator vibration testing. But EVA is expensive, bulky and inconvenient to carry. Aiming at the shortcomings of the existing test device, a portable elevator vibration test device based on MPU6050 was designed. In the device, a MPU6050 was used as the three-axis acceleration sensor. An arduino was used as the data collector and data processor, that greatly simpli fi ed the vibration data acquisition device. Comparing the test data of this equipment with the EVA data, the result showed that the vibration acceleration data measured by this device are very close to the measured data of EVA, which could accurately re fl ect the running status of the elevator and ensure the accuracy of the test. The device could facilitate the elevator vibration test personnel to carry, is conducive to regular inspection of the elevator to fi nd the problem in time.

MPU6050 Arduino Elevator vibration Vibration test

X924

B

1673-257X(2017)11-0011-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.004

施科益（1985～)，男，碩士，工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

施科益，E-mail： shikeyi627@163．com。

2017-04-18）