【模拟量接近开关】电梯导轨高精度自动巡检机器人测控系统设计

杨敏健1李大林2黄永健11广东省特种设备检测研究院珠海检测院珠海5190022吉林大学珠海学院珠海519002摘要：电梯导轨在制造、安装和使用过程中会带来变形和位移，形成导轨垂直度误差和导轨顶部间隙偏差，有损电梯安全使用，影响电梯寿命。

关键词：电梯; 导轨; 多参数检测; 测控系统

中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）12-0124-05

0 概述
电梯设备检测属于国家特种设备检验范畴，GBJ310—1988《电梯安装工程质量检验评定标准》中对电梯系统的各项参数要求有明确的规定。电梯导轨垂直度是保证电梯正常运行的一项重要性能指标。电梯导轨在制造和安装过程中会带来偏差，而且在电梯的使用过程中，由于电梯井混凝结构的收缩变形，地基沉降，轿厢振动摩擦等因素的影响，导轨可能发生位移变形，形成新的导轨垂直度误差和导轨顶面间距偏差。导轨垂直度偏差过大会造成电梯运行摆动颠簸，导轨顶面间距偏差过大会引起轿厢水平晃动，过小会使轿厢垂直振动，最终影响电梯的安全运行和使用寿命。因此, 每隔一定时间也需要对使用中的导轨进行测量，对有问题的导轨及时调整以保证电梯安全运行。

TSG7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》要求每列导轨工作面每5m 铅垂线测量值间最大偏差：轿厢导轨和设安全钳的T 型对重导轨不大于1.2 mm，不设安全钳的T 型对重导轨不大于2 mm；两列导轨顶面距离（轨距）偏差：轿厢导轨为0 ～ 2 mm，对重导轨为0 ～ 3 mm；每根导轨至少有2 个导轨支架，两个支架之间距离一般不超过2.5 m（超过2.5 m，要有计算依据）。

目前常用的电梯轨道垂直度测试方法包括：传统吊线法、激光垂准测量法、测量仪随轿厢运行检测法、测量仪独立运行检测法。针对导轨顶面距离的测量，目前则采用手工测量法，检测人员用卷尺或激光测距仪进行多点测量，并人工记录。但上述方法存在需要脚手架人工操作，轿厢运行过程中的振动传递给测量仪导致测量误差，导轨垂直度和导轨顶面距离不能一次性测量等问题。
针对上述问题，设计了一款具有电梯导轨垂直度偏差检测、轨距偏差检测、导轨接头和支架位置检测功能，不依赖于脚手架或轿厢，并且弥补了一些现有同类系统不足的自动巡检机器人。实验表明，该机器人及其所采用的测量原理完全能够达到TSG7001—2009 的精度要求。

1 电梯导轨巡检机器人
巡检机器人工作原理如图1 所示，机器人通过强力磁轮吸附于电梯导轨，通过CAN 总线接收上位机指令，在下位机控制器和直流电机的驱动下进行上下运动。其上的二维位置敏感探测器，能探测到从底坑发射的铅锤激光束的光斑中心，最终计算得到电梯导轨直线度误差；激光位移传感器对导轨距离进行测量；随着机器人的爬行，安装在机器人上数字光纤传感器和接近传感器分别测得导轨接头位置和固定支架位置；控制器把当前检测点的各种参数封装成信息帧，发送给上位机数据处理后得到检测结果。

图1 巡检机器人工作原理图

2 测控系统设计
巡检机器人的测控系统需要完成与上位机通，信接收控制命令和反馈控制状态，根据上位机命令控制机器人运行并且完成传感器数据采集的任务，最重将采集结果反馈给上位机的任务，是机器人的测控核心。巡检机器人测控系统功能图如图2 所示。

图 2 巡检机器人测控系统功能图

控制系统整体采用24 V 直流供电，为保证可靠供电，采用线缆供电，机器人本体上带有备用电源，可在异常情况下支持机器人运行50 m 距离。

2.1 下位机控制器选择
控制器是机器人控制部分的核心器件，需要工作稳定可靠，具备足够的数据处理能力、输入输出驱动能力和通信能力，另外，由于作为机器人控制器的特殊工作场景，控制器还必须满足体积小、重量轻和低功耗。综合以上需求和对比目前主流的控制方案，该系统采用意法半导体公司的STM32f103c8t6 型芯片作为控制器。该芯片内核为ARM-M3，主频为72 MHz，程序存储器容量为64k×8，输入/ 输出数为37，片内集成相关外围设备为UART、CAN、AD、PWM，工作电压为3.3 V，最大功耗为0.33 W。

2.2 电机控制模块
电机模块是机器人的动力系统，电机输出的扭矩通过传动机构为机器人提供动力。因此，电机模块要满足低功率大扭矩、转速连续可调、质量轻等几个指标。目前类似的电梯垂直度检测系统中，为了实现电机的转速和机器人的位置控制，一般采用自动化设备中常用的步进电机或者伺服电机，这两类电机虽然能够精确控制转速和位置，但是由于其外壳较重且要配置专门的控制器，使得电机模块整体质量较重且体积大，降低了机器人的有效载荷。并且，由于长期使用的电梯轨道表面有油污、灰尘等问题，机器人在运行过程中驱动轮与导轨表面出现滑动摩擦，使得通过在电机侧和驱动轮轴侧测得转速进而换算成位移的方法存在误差。因此，本系统采用了从瑞士进口的Maxon RE25 大扭矩空心杯减速电机。电机工作电压为12 ～ 24V，功率为20 W，输出最大转速为166r/min，输出扭矩为2.5N·m，电机总长为110 mm，电机直径为25 mm，带减速器总质量为230 g。

电机驱动器选择了国产L298N 宽电压电机驱动集成电路，该芯片在24 V 电压下，最大可以输出48 W 功率，且外围电路简单，无需专门购买模块，可以集成在机器人的电路板上，减小了电机模块重量和空间占用。控制器可以直接通过PWM 信号来控制L298N 进行电机调速。实验表明，本文所设计的电机控制模块完全满足巡检机器人在扭矩和转速方面的需求。

2.3 数据采集模块
数据采集模块主要负责通过传感器采集相应数据。电梯巡检机器人主要采集4 类数据：导轨接头位置，固定支架位置，电梯导轨直线度误差和导轨顶面距离偏差。
2.3.1 导轨直线度检测
导轨垂直度检测上，本系统采用位置敏感探测器（PSD）+ 激光铅锤仪器方案[5]。如图1 所示，放在底坑地面的自动安平激光铅垂仪发出一束激光铅垂线，垂直射入二维位置敏感探测器，探测器会感应到光斑中心并计算出X、Y 二维坐标（参考基准点出记为X0、Y0），下一个检测点光斑坐标记为X1、Y1，因此, 可计算出当前测量点与基准点X、Y 坐标偏差（X1-X0，Y1-Y0），随着机器人的一边爬行一边检测，上位机会描绘出两条垂直度偏差曲线，如图所示。PSD 传感器采用OTRON 公司的PSD-100 型传感器，该传感器分辨率可以达到1μm。传感器输出端为±12 V 模拟信号输出。

（a）X 轴导轨垂直度偏差曲线
（b）Y 轴导轨垂直度偏差曲线
图3 导轨垂直度偏差曲线

2.3.2 导轨顶面距离偏差
假设导轨顶面距离的图纸设计值为A0, 激光测距传感器的度数为B1，激光传感器发射面至当前轨道顶面距离为B2，如图4 所示，两列导轨顶面间距偏差为B1+B2-A0。本系统采用某公司的LR-TB5000 激光传感器，该传感器最大测量范围5 m，精度可达0.1 mm。

图4 导轨顶面距离测量原理图

2.3.3 模拟传感器数据采集（AD）模块
PSD-100 和LR-TB5000 传感器的输出都为模拟电压信号，为了达到传感器所能实现的最大测量精度，为传感器进行模拟量—数字量转换的AD 转换芯片至少要有14 位精度，STM32f103c8t6 芯片集成了一个12 位、10 通道、100k 采样率的AD 转换器，无法达到采集要求PSD-100 有4 路模拟输出，LR-TB5000 有1 路模拟输出，因此，AD 采集共需要5 路采集通道。经过对比，本系统选择美国AD 公司的AD7606 独立AD 转换芯片来完成模拟数据采集，AD7606 有16 位、8 通道、200k的转换能力。

在滤波算法上，为了提高测量精度，通常采用对同一点多次采集求平均值的方法消除随机误差，但由于巡检机器人在电梯轨道上测量时可能出现对轨道的滑动引起的位置变化以及环境引起的轨道振动等问题，如果多次测量的指令由控制器下发，两次测量之间的时间间隔中机器人可能会有位置变化，从而导致新的测量误差引入。AD7606 支持最大深度为8 过采样，即AD 芯片的最终输出为连续n 次（n ≤ 8）采样电压的平均值。因此可以利用这一特性在AD 芯片测完成连续测量，提高测量精度。

2.3.4 导轨接头和固定支架位置检测
通过检测导轨接头和固定支架位置，可以发现电梯连接和安装件是否发生松动或者脱落，避免电梯运行隐患。 根据导轨结构和固定支架的材料和结构特点，本系统采用数字光纤传感器采集导轨接头位置，采用接近传感器采集固定支架位置，并以数字量形式输入控制器。两个传感器可分别感应出导轨接头和固定支架位置沿导轨高度分布情况，在检测结果显示时，为了区分两个感应器的脉冲信号，可用不同高度脉冲表示，如图5，从图中可直观反映每根导轨是否至少有两个固定支架，间距是否大于2.5 m。

图5 导轨接头及支架沿导轨分布图

2.4 通信模块
同类方案中，下位机与上位机的通信一般采用无线通信，但由于实际测试环境下存在通信距离远，电梯井内电磁环境复杂，干扰强等原因，使得实际使用中无线通信可靠性较差。因此，本系统采用工业现场CAN 总线来实现上位机与下位机通信。CAN 总线非常可靠，最大通信距离1 000 m。实验证明，CAN 总线在通信过程中，在延时，准确率等方面都能达到系统要求。缺点是由于必须采用有线传输，因此必须有自动卷线装置随机器人的运动控制传输线在电梯井中的长度，以免引起绕线事故。

2.5 电梯巡检测控系统的软件设计
由于巡检机器人工作环境的特殊性（最大爬升高度100m， 频繁启停，往复运动），一旦出现运动控制失效，甚至机器人脱轨掉落，将会对电梯导轨及电梯井造成损坏，影响电梯的正常运行。因此，控制系统需要在完成数据采集任务的同时，对机器人的安全运行上提供可靠保障。为实现上述目标，本系统在控制器软件系统设计上采用以下策略：
1）电机运行控制采用STM32f103c8t6 芯片集成的PWM 模块输出PWM 信号，PWM 模块在参数设置好之后会自主持续输出PWM 信号，不需要CPU 干预。
2）与上位机的通信采用CAN 中断，仅当系统收到上位机下发的命令时才执行相应的改变电机运行状态和数据采集任务。
3）打开STM32f103c8t6 的看门口中断，系统异常中断这两个高优先级中断，当检测到系统异常时，在中断响应中锁死电机，同时出发报警灯。在控制命令上，下位机只实现几个基本命令，包括：电机正传、反转、停转；上报系统状态；数据采集（5个模拟通道+2 个数字通道）；采集结果上报。具体业务流程由上位机根据实际需要编程下发。这样可以简化下位机软件结构，提高下位机软件鲁棒性。下位机软件流程如图6 所示。

3 实验验证
本次设计的电梯轨道巡检机器人设计完成后在某办公楼电梯井进行了测试。测试环境如表3 所示。

图6 下位机软件流程

试验中，按照表3 所示实验环境进行了多次测量，实验结果表明本文所设计的测控系统工作稳定，数据采集精度达到系统设计要求。数据采集之后，上传至上位机实时绘制测试数据曲线。

4 结论
在电梯轨道巡检机器人结构基础上设计了测量控制系统，该系统主要完成机器人运动控制、数据采集和与上位机通信任务。系统采用STM32f103c8t6 作为控制芯片，AD7606 独立AD 芯片采集PSD-100 和LR-TB5000传感器输出的模拟信号，数字光纤传感器和电容接近传感器的输出信号以数字量的形式输入。采用Maxon 直流空心杯电机为机器人提供动力，利用PWM 信号驱动L298N 集成电路完成电机驱动和调速。试验结果表明，该控制系统在运动控制精度和数据采集精度上完全满足系统设计规格要求。

参考文献
[1] 孙明．电梯导轨垂直度检测机器人设计与实现[D]．上海：上海交通大学．2007.
[2] Shyh-Tsong, Lin. A laser interferometer for measuring straightness. Optics&Technology,33(2001):195-199.
[3] 郭丽峰, 张国雄, 李醒飞, 等. 基于PSD 的电梯导轨动态测量系统. 起重运输机，2004(6): 20-22.
[4] 潘静. 电梯导轨自动校直机控制系统的设计与开发[D]. 南京：南京理工大学，2010.
[5] Yin Ziqiang, Li Shengqi. High accuracy error separation technique for on-machine measuring straightness[J]. Precision Engineering,2006,30: 192-200.