基于嵌入式系统的电梯导轨支架间距自动测量仪

（福建省特种设备检验研究院，福州 350008）

电梯导轨支架，作为电梯导向系统重要的组成部分之一，用作支撑和固定导轨，直接关系着电梯的安全性和舒适性。GB 7588—2003《电梯制造与安装规范》对电梯“T”型导轨的许用扰度给出了严格的控制，导轨的变形除了自身的材质外，与导致支架的间距有着直接联系。电梯检规TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》对支架间距有着明确的规定：每根导轨应当至少有2个导轨支架，一般其间距≯2.50 m（如果间距>2.50 m，应当有计算依据），安装于井道上、下端部的非标准长度导轨的支架数量应当满足设计要求[1-2]。支架间距的测量一直是电梯监督检验过程的重点，传统的检验方法都是通过在轿顶检修逐个手动测量，费时费力，且容易造成安全事故。国内电梯导轨支架间距专用自动测量仪多采用接近开关或者类似的开关作为检测支架位置的方案[1-2]，接触式传感器在安装上必然会受制于现场的设备环境，检验效率低下，通用性不强。因此，研制一种高效、方便、精准的支架间距测量仪就显得特别有意义。

针对上述问题，本文提出了一种基于32位高性能微控制器STM32F405和多传感器融合的导轨支架间距自动测量解决方案。

1 测量原理

电梯导轨支架间距自动测量的原理如图1所示。当轿厢在位置1时，放置好磁力固定座6，调整好支架间距测量单元7，使红外激光正好打在导轨支架3上，支架间距测量单元7上的微控制单元MCU（microcontroller unit）取得测量值 L1。 当轿厢向上运行直到红外光束2脱离导轨支架3瞬时，此时MCU取得的测量值为L2，必然L2>L1，且数值上产生较大的突变，通过设计的自适应算法可获得导轨支架的边缘位置。与此同时，支架间距测量单元7上的加速度测量模块实时计算轿厢垂直方向上的运行距离，通过MCU获得的2个支架边缘位置即可求得导轨支架的间距。

图1 测量原理Fig.1 Measurement principle

2 系统硬件设计方案

测量仪的核心模块支架间距测量单元系统，可分为距离和加速度采集计算、存储、电源，以及供用户参数输入、校正、显示的OLED模块和用于输出采集计算数据到上位机的蓝牙模块。其硬件原理如图2所示。

图2 系统硬件原理框图Fig.2 Schematic diagram of system hardware

2.1 主控MCU

该系统主控 采用 公司的高性能微控MCUST制器STM32F405。该MCU内部构架为Cortex-M4，采用32位精简指令集，工作频率高达168 MHz；内部设有看门狗，有效地降低外部干扰因素造成的不良影响；内部嵌入多个标准数据接口，如SPI，UART，I2C，在降低功耗的同时也降低了外围电路的复杂程度[3]。

2.2 红外激光测距模块

该系统采用TFmini Plus红外激光测距作为导轨支架的定位模块。该传感器的测量原理是基于飞行时间TOF（time of flight），与主控MCU采用串口UART数据通信[4]。为提高测量的效率，系统要求电梯在正常运行模式下全程上行或者下行一次，即可获得井道内除顶层及底层部分导轨支架外的全部数据。TFmini Plus测距最高输出频率1000 Hz，以额定速度3.5 m/s的电梯为例，TFmini Plus测量一次轿厢移动距离仅为3.5 mm。一般电梯导轨支架在井道垂直方向上的宽度约为50 mm，TFmini Plus输出频率足以满足系统要求。电梯的导轨通常有4根，即轿厢运行的2根主轨和对重运行的2根副轨。故在此设计支持4个TFmini Plus，同时测距并采集数据。

2.3 加速度测距模块

该系统的加速度传感器的主要作用是，提供轿厢轿厢垂直方向上的加速度原始数据，进而通过二次积分计算出位移距离。系统采用ADI公司的基于MEMS结构的三轴加速度计ADXL355。ADXL355输出量程支持±2g到±8g；具有低失调漂移、低噪声密度特性；典型功耗低至200 μA，待机模式下更是低至20 μA，输出动态响应频率高达1000 Hz[5]。此外，数字输出特性支持数字串行外设接口SPI，I2C，且内置20位模数转换器，可大大降低系统的开发难度，其原理图如图3所示。

图3 ADXL355加速度计电路原理Fig.3 Schematic of ADXL355 accelerometer circuit

2.4 电源模块

该系统离线采用单节锂电池供电，片上需要用到的电压有3.3，5 V。其中，3.3 V用于主控MCU，ADXL355及其它IC，通过稳压芯片XC6206P332获得；5 V用于TFmini Plus测距单元，通过升压芯片SX1308实现。

电源充电模块采用具有恒定电流/电压线性充电器TP4054，锂电池保护电路主要有控制芯片DW01，MOS开关管F8205构成。

3 系统软件设计方案

3.1 导轨支架位置的检出

从红外激光测距传感器采集到数据是一串离散的数据流，其数据量的大小与传感器的输出频率有关。很明显，该数据流模型为时序模型，即数据流中的单个数据项只与时间有关系，而支架的边缘位置体现在数据流上的突变点。数据流的突变点检测依据数据类型的不同，有HWKS算法、动态迁移阈值的引入、引入滑动窗口模型等[6-9]。与这些数据流突变检测不同，在此测距数据流部分数据呈现出一定的重复性。

由图1可见，导轨支架距传感器的深度位置几乎一致，井道壁表面距传感器的深度值也在较小的范围内浮动，除极少数井道壁上不可预见的深度不一的凹凸区域外。显而易见的是，整串数据流中数据项的较小值且占据数据流极少数的应该是导轨支架位置，数据项的较大值且占据数据流绝大多数的应该是井道壁。

因此，支架位置的检出按照以下步骤实现：数据流从小到大进行排序，考虑到导轨支架间距不超过2.5 m，选取前2 h点（h为提升高度，m）求均值k；分别选取排列第20%，21%，22%，23%，…，80%的数据求均值L，考虑到传感器的测量误差以及支架位置与井道壁的距离突变量大，选取0.75（L-k）作为基准线，判断数据的突变点求得导轨支架的边缘位置。测距数据流波浪线如图4所示，图中的细线即为基准线。

图4 测距数据流Fig.4 Ranging data flow

3.2 通信机制

由于该系统主要用于测量导轨支架的间距，任务单一，因此采用前后台传统模式的实时调度系统。即前台为中断处理程序，用于响应4个TFmini Plus测距数据帧的UART中断，定时中断响应ADXL355加速度数据，UART中断发送数据帧经蓝牙到上位机；后台则为主循环，设定轮询定时信息或事件发生标志，调用响应的事件处理函数[10]。主要程序流程如图5所示。

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

测量仪与用于计算并显示结果的上位机之间的通信机采用UART串口发送给蓝牙，波特率为230.4 kb/s，用于传输测量仪采集计算出来的数据，如轿厢位移值、TFmini Plus测距值等。与上位机通信使用自定义通信协议，协议使用基本数据帧格式。系统所使用的数据帧格式如图6所示。

图6 数据帧格式Fig.6 Data frame format

每一帧数据的起始数据均以0x59为标志，上位机接收到的首字节如果不是0x59，则退出通信机制；CHAN为4个TFmini Plus测距模块的通道，典型值1～4；传输数据则为2 B的TFmini Plus测距数值，2 B的算出来的轿厢位移值；Checksum为前6字节数据的累加和，取累加和的低8位；结束0XBB作为结束标记，与起始字节一样，如果收到的第8个字节不符，则放弃之前收到的数据帧。

4 试验结果

试验用电梯的主要参数如下：额定速度1.75 m/s，提升高度28.2 m，11层/11站/11门，轿厢主轨2根，副轨2根。测试仪放置在轿顶横梁，同时对4根轨道的导轨支架采集计算，其中一根主轨的测试结果如图7所示。图中虚线为基准线。

图7 导轨支架间距测量结果Fig.7 Guide rail bracket spacing measurement results

图中，距离值为TFmini Plus测距模块采集到的距离数据；圆点为依据文中算法求得的支架边缘点信息。按照电梯检规要求，对测得导轨支架间距超过2.5 m的用实心点标记，手动点击这些点则可见该支架与上一档支架的间距值。由图可见，其中一个标记为实心的超标点支架距离H＝2.56 m，现场验证实测间距为2.55 m，精度符合要求。

5 结语

针对电梯导轨支架间距的传统检验方法的不足，提出了一种基于多传感器融合的嵌入式导轨支架间距自动测量系统。该系统由高性能主控器、高频率输出的测距和加速度传感器组成，引入了导轨支架位置检出的自适应算法，完成了正常运行模式下的电梯导轨支架间距的自动测量。试验表明，该系统的测量精度符合检验规范要求；对于提升高度大的电梯，可以极大地提高其检验效率，具有广泛的应用前景。