（福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福州 350008）

電梯導(dǎo)軌支架，作為電梯導(dǎo)向系統(tǒng)重要的組成部分之一，用作支撐和固定導(dǎo)軌，直接關(guān)系著電梯的安全性和舒適性。GB 7588—2003《電梯制造與安裝規(guī)范》對電梯“T”型導(dǎo)軌的許用擾度給出了嚴(yán)格的控制，導(dǎo)軌的變形除了自身的材質(zhì)外，與導(dǎo)致支架的間距有著直接聯(lián)系。電梯檢規(guī)TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則—曳引與強制驅(qū)動電梯》對支架間距有著明確的規(guī)定：每根導(dǎo)軌應(yīng)當(dāng)至少有2個導(dǎo)軌支架，一般其間距≯2.50 m（如果間距>2.50 m，應(yīng)當(dāng)有計算依據(jù)），安裝于井道上、下端部的非標(biāo)準(zhǔn)長度導(dǎo)軌的支架數(shù)量應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計要求[1-2]。支架間距的測量一直是電梯監(jiān)督檢驗過程的重點，傳統(tǒng)的檢驗方法都是通過在轎頂檢修逐個手動測量，費時費力，且容易造成安全事故。國內(nèi)電梯導(dǎo)軌支架間距專用自動測量儀多采用接近開關(guān)或者類似的開關(guān)作為檢測支架位置的方案[1-2]，接觸式傳感器在安裝上必然會受制于現(xiàn)場的設(shè)備環(huán)境，檢驗效率低下，通用性不強。因此，研制一種高效、方便、精準(zhǔn)的支架間距測量儀就顯得特別有意義。

針對上述問題，本文提出了一種基于32位高性能微控制器STM32F405和多傳感器融合的導(dǎo)軌支架間距自動測量解決方案。

1 測量原理

電梯導(dǎo)軌支架間距自動測量的原理如圖1所示。當(dāng)轎廂在位置1時，放置好磁力固定座6，調(diào)整好支架間距測量單元7，使紅外激光正好打在導(dǎo)軌支架3上，支架間距測量單元7上的微控制單元MCU（microcontroller unit）取得測量值 L1。 當(dāng)轎廂向上運行直到紅外光束2脫離導(dǎo)軌支架3瞬時，此時MCU取得的測量值為L2，必然L2>L1，且數(shù)值上產(chǎn)生較大的突變，通過設(shè)計的自適應(yīng)算法可獲得導(dǎo)軌支架的邊緣位置。與此同時，支架間距測量單元7上的加速度測量模塊實時計算轎廂垂直方向上的運行距離，通過MCU獲得的2個支架邊緣位置即可求得導(dǎo)軌支架的間距。

圖1 測量原理Fig.1 Measurement principle

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

測量儀的核心模塊支架間距測量單元系統(tǒng)，可分為距離和加速度采集計算、存儲、電源，以及供用戶參數(shù)輸入、校正、顯示的OLED模塊和用于輸出采集計算數(shù)據(jù)到上位機的藍(lán)牙模塊。其硬件原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of system hardware

2.1 主控MCU

該系統(tǒng)主控 采用 公司的高性能微控MCUST制器STM32F405。該MCU內(nèi)部構(gòu)架為Cortex-M4，采用32位精簡指令集，工作頻率高達168 MHz；內(nèi)部設(shè)有看門狗，有效地降低外部干擾因素造成的不良影響；內(nèi)部嵌入多個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，如SPI，UART，I2C，在降低功耗的同時也降低了外圍電路的復(fù)雜程度[3]。

2.2 紅外激光測距模塊

該系統(tǒng)采用TFmini Plus紅外激光測距作為導(dǎo)軌支架的定位模塊。該傳感器的測量原理是基于飛行時間TOF（time of flight），與主控MCU采用串口UART數(shù)據(jù)通信[4]。為提高測量的效率，系統(tǒng)要求電梯在正常運行模式下全程上行或者下行一次，即可獲得井道內(nèi)除頂層及底層部分導(dǎo)軌支架外的全部數(shù)據(jù)。TFmini Plus測距最高輸出頻率1000 Hz，以額定速度3.5 m/s的電梯為例，TFmini Plus測量一次轎廂移動距離僅為3.5 mm。一般電梯導(dǎo)軌支架在井道垂直方向上的寬度約為50 mm，TFmini Plus輸出頻率足以滿足系統(tǒng)要求。電梯的導(dǎo)軌通常有4根，即轎廂運行的2根主軌和對重運行的2根副軌。故在此設(shè)計支持4個TFmini Plus，同時測距并采集數(shù)據(jù)。

2.3 加速度測距模塊

該系統(tǒng)的加速度傳感器的主要作用是，提供轎廂轎廂垂直方向上的加速度原始數(shù)據(jù)，進而通過二次積分計算出位移距離。系統(tǒng)采用ADI公司的基于MEMS結(jié)構(gòu)的三軸加速度計ADXL355。ADXL355輸出量程支持±2g到±8g；具有低失調(diào)漂移、低噪聲密度特性；典型功耗低至200 μA，待機模式下更是低至20 μA，輸出動態(tài)響應(yīng)頻率高達1000 Hz[5]。此外，數(shù)字輸出特性支持?jǐn)?shù)字串行外設(shè)接口SPI，I2C，且內(nèi)置20位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可大大降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，其原理圖如圖3所示。

圖3 ADXL355加速度計電路原理Fig.3 Schematic of ADXL355 accelerometer circuit

2.4 電源模塊

該系統(tǒng)離線采用單節(jié)鋰電池供電，片上需要用到的電壓有3.3，5 V。其中，3.3 V用于主控MCU，ADXL355及其它IC，通過穩(wěn)壓芯片XC6206P332獲得；5 V用于TFmini Plus測距單元，通過升壓芯片SX1308實現(xiàn)。

電源充電模塊采用具有恒定電流/電壓線性充電器TP4054，鋰電池保護電路主要有控制芯片DW01，MOS開關(guān)管F8205構(gòu)成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

3.1 導(dǎo)軌支架位置的檢出

從紅外激光測距傳感器采集到數(shù)據(jù)是一串離散的數(shù)據(jù)流，其數(shù)據(jù)量的大小與傳感器的輸出頻率有關(guān)。很明顯，該數(shù)據(jù)流模型為時序模型，即數(shù)據(jù)流中的單個數(shù)據(jù)項只與時間有關(guān)系，而支架的邊緣位置體現(xiàn)在數(shù)據(jù)流上的突變點。數(shù)據(jù)流的突變點檢測依據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，有HWKS算法、動態(tài)遷移閾值的引入、引入滑動窗口模型等[6-9]。與這些數(shù)據(jù)流突變檢測不同，在此測距數(shù)據(jù)流部分?jǐn)?shù)據(jù)呈現(xiàn)出一定的重復(fù)性。

由圖1可見，導(dǎo)軌支架距傳感器的深度位置幾乎一致，井道壁表面距傳感器的深度值也在較小的范圍內(nèi)浮動，除極少數(shù)井道壁上不可預(yù)見的深度不一的凹凸區(qū)域外。顯而易見的是，整串?dāng)?shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)項的較小值且占據(jù)數(shù)據(jù)流極少數(shù)的應(yīng)該是導(dǎo)軌支架位置，數(shù)據(jù)項的較大值且占據(jù)數(shù)據(jù)流絕大多數(shù)的應(yīng)該是井道壁。

因此，支架位置的檢出按照以下步驟實現(xiàn)：數(shù)據(jù)流從小到大進行排序，考慮到導(dǎo)軌支架間距不超過2.5 m，選取前2 h點（h為提升高度，m）求均值k；分別選取排列第20%，21%，22%，23%，…，80%的數(shù)據(jù)求均值L，考慮到傳感器的測量誤差以及支架位置與井道壁的距離突變量大，選取0.75（L-k）作為基準(zhǔn)線，判斷數(shù)據(jù)的突變點求得導(dǎo)軌支架的邊緣位置。測距數(shù)據(jù)流波浪線如圖4所示，圖中的細(xì)線即為基準(zhǔn)線。

圖4 測距數(shù)據(jù)流Fig.4 Ranging data flow

3.2 通信機制

由于該系統(tǒng)主要用于測量導(dǎo)軌支架的間距，任務(wù)單一，因此采用前后臺傳統(tǒng)模式的實時調(diào)度系統(tǒng)。即前臺為中斷處理程序，用于響應(yīng)4個TFmini Plus測距數(shù)據(jù)幀的UART中斷，定時中斷響應(yīng)ADXL355加速度數(shù)據(jù)，UART中斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀經(jīng)藍(lán)牙到上位機；后臺則為主循環(huán)，設(shè)定輪詢定時信息或事件發(fā)生標(biāo)志，調(diào)用響應(yīng)的事件處理函數(shù)[10]。主要程序流程如圖5所示。

圖5 主要程序流程Fig.5 Main procedure flow chart

測量儀與用于計算并顯示結(jié)果的上位機之間的通信機采用UART串口發(fā)送給藍(lán)牙，波特率為230.4 kb/s，用于傳輸測量儀采集計算出來的數(shù)據(jù)，如轎廂位移值、TFmini Plus測距值等。與上位機通信使用自定義通信協(xié)議，協(xié)議使用基本數(shù)據(jù)幀格式。系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)幀格式Fig.6 Data frame format

每一幀數(shù)據(jù)的起始數(shù)據(jù)均以0x59為標(biāo)志，上位機接收到的首字節(jié)如果不是0x59，則退出通信機制；CHAN為4個TFmini Plus測距模塊的通道，典型值1～4；傳輸數(shù)據(jù)則為2 B的TFmini Plus測距數(shù)值，2 B的算出來的轎廂位移值；Checksum為前6字節(jié)數(shù)據(jù)的累加和，取累加和的低8位；結(jié)束0XBB作為結(jié)束標(biāo)記，與起始字節(jié)一樣，如果收到的第8個字節(jié)不符，則放棄之前收到的數(shù)據(jù)幀。

4 試驗結(jié)果

試驗用電梯的主要參數(shù)如下：額定速度1.75 m/s，提升高度28.2 m，11層/11站/11門，轎廂主軌2根，副軌2根。測試儀放置在轎頂橫梁，同時對4根軌道的導(dǎo)軌支架采集計算，其中一根主軌的測試結(jié)果如圖7所示。圖中虛線為基準(zhǔn)線。

圖7 導(dǎo)軌支架間距測量結(jié)果Fig.7 Guide rail bracket spacing measurement results

圖中，距離值為TFmini Plus測距模塊采集到的距離數(shù)據(jù)；圓點為依據(jù)文中算法求得的支架邊緣點信息。按照電梯檢規(guī)要求，對測得導(dǎo)軌支架間距超過2.5 m的用實心點標(biāo)記，手動點擊這些點則可見該支架與上一檔支架的間距值。由圖可見，其中一個標(biāo)記為實心的超標(biāo)點支架距離H＝2.56 m，現(xiàn)場驗證實測間距為2.55 m，精度符合要求。

5 結(jié)語

針對電梯導(dǎo)軌支架間距的傳統(tǒng)檢驗方法的不足，提出了一種基于多傳感器融合的嵌入式導(dǎo)軌支架間距自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高性能主控器、高頻率輸出的測距和加速度傳感器組成，引入了導(dǎo)軌支架位置檢出的自適應(yīng)算法，完成了正常運行模式下的電梯導(dǎo)軌支架間距的自動測量。試驗表明，該系統(tǒng)的測量精度符合檢驗規(guī)范要求；對于提升高度大的電梯，可以極大地提高其檢驗效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。