CN113120717A - 基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统 - Google Patents

基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统 Download PDF

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罗彬彬
余晓毅
吴德操
巫涛江
赵明富
柳朋
刘恩华
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Chongqing University of Technology
Chongqing Energy College
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Chongqing University of Technology
Chongqing Energy College
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Abstract

本发明涉及电梯管理技术领域，具体涉及基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，包括：运动监测模块，用于获取对应电梯轿厢的运动状态数据；运动状态数据包括位置、速度和加速度；网络通信模块，与各个运动监测模块网络通信连接，用于接收并转发各个运动监测模块获取的对应电梯轿厢的运动状态数据；服务器，与网络通信模块网络通信连接，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据，并根据电梯轿厢的运动状态数据判断各个电梯轿厢的运行状态是否正常。本发明中的电梯轿厢运行状态监测系统能够对监测区域的电梯轿厢运行状态进行全局管理，从而能够提升电梯轿厢运行状态的监测效率并保证电梯的运行安全性。

Description

基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统
技术领域
本发明涉及电梯管理技术领域，具体涉及基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统。
背景技术
随着我国城镇化进程的加快，高层建筑的数量不断攀升，电梯作为高层建筑的必备设施，其需求量也与日俱增。根据国家质检总局统计，我国当前已登记注册的电梯数量占全球电梯总量的三分之一，其中，曳引式轿厢电梯是当前最常用的电梯之一。电梯轿厢运行状态(是否故障)的监测是电梯智能运维过程中最重要的环节之一，因此电梯轿厢运行状态的监测方法和技术是电梯智能运维的关键。梯轿厢运行状态的监测需要获取电梯轿厢的位置(距离、高度)、速度和加速度等运动状态数据。
传统的电梯轿厢监测系统与控制系统相连接，当监测系统出现故障时，会影响电梯的正常运行，无法有效反馈电梯轿厢的运行状态，使得位置、速度、加速度等参量不能及时的评估电梯存在的潜在风险，对电梯运行安全引入了不稳定因素。为此，公开号为CN108946368A的中国专利公开了一种《电梯综合分析测量仪》，其在电梯通道的底面中心固定安装有激光测距仪，激光测距仪的激光发射端的激光发射方向为竖直向上，电梯通道顶面的前端固定安装有并排的反射板，反射板的工作面方向为竖直向下，电梯通道内部后面的两侧分别固定安装有一个肋板，肋板的安装方向为电梯的运行方向，两个肋板上从底部到顶部，依次安装有若干个均匀分布的光敏晶体管，电梯的底面中心位置固定安装有反射板。
上述现有方案中的电梯综合分析测量仪也是一种电梯轿厢运行状态监测系统，其通过多组激光测距仪和多组光电效应式速度传感器采集运行数据，并能够结合激光测距传感技术实现电梯轿厢位置及速度等运动状态数据的监测。然而，申请人发现，现有电梯轿厢运行状态监测系统是针对单个电梯而设置的，其仅能用于监测单个电梯的电梯轿厢运行状态，使得在管理某一监测区域的所有电梯时，需要逐个核查各个电梯的电梯轿厢运动状态数据并判断其是否存在运行故障，这不仅降低了电梯轿厢运行状态的监测效率，还存在难以及时发现电梯运行故障的问题，导致电梯的运行安全性低。因此，如何设计一种能够对监测区域的电梯轿厢运行状态进行全局管理的电梯轿厢运行状态监测系统是急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够对监测区域的电梯轿厢运行状态进行全局管理的电梯轿厢运行状态监测系统，从而能够提升电梯轿厢运行状态的监测效率并保证电梯的运行安全性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，包括：
运动监测模块，用于获取对应电梯轿厢的运动状态数据；运动状态数据包括位置、速度和加速度；
网络通信模块，与各个运动监测模块网络通信连接，用于接收并转发各个运动监测模块获取的对应电梯轿厢的运动状态数据；
服务器，与网络通信模块网络通信连接，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据，并根据电梯轿厢的运动状态数据判断各个电梯轿厢的运行状态是否正常。
优选的，所述运动监测模块包括：
漫反射板，设置于电梯轿厢上；
激光调制单元，用于向漫反射板发射携带有发射信号的测试激光；
光电采集单元，用于接收经漫反射板反射的反射信号；
微处理器，用于根据发射信号和反射信号计算对应的测量相位差，并根据测量相位差计算电梯轿厢的位置、速度和加速度。
优选的，所述运动监测模块还包括锁相频率合成单元；所述锁相频率合成单元用于生成具有频率差的发射信号和本振信号，并将发射信号与本振信号进行混频处理得到参考信号；
所述激光调制单元通过设置的调制频率对发射信号进行信号调制以生成携带有发射信号的测试激光，然后将测试激光发射至电梯轿厢上的漫反射板；
所述光电采集单元接收经漫反射板反射的反射信号，然后将反射信号与本振信号进行混频处理得到对应的同相位低频信号，并基于同相位低频信号获取对应的测量信号；
所述微处理器计算参考信号和测量信号之间的相位差作为对应的测量相位差。
优选的，所述光电采集单元通过对同相位低频信号进行放大处理和滤波处理的方式获取对应的测量信号。
优选的，所述微处理器通过模数转换和傅里叶鉴相运算的方式计算参考信号和测量信号之间的相位差。
优选的，所述微处理器通过如下公式计算电梯轿厢的位置：
Figure BDA0003027658330000021
式中：D表示电梯轿厢的位置；c表示激光在环境中的传播速度；
Figure BDA0003027658330000022
表示测量相位差；f表示设置的调制频率。
优选的，所述微处理器通过如下公式计算电梯轿厢的速度：
V＝(D2-D1)/(T2-T1)；式中：V表示电梯轿厢的速度；T1和T2分别表示设置的两个时刻；D1和D2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢位置。
优选的，所述微处理器通过如下公式计算电梯轿厢的加速度：
Figure BDA0003027658330000031
式中：a表示电梯轿厢的加速度；D1和D2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢位置；V1和V2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢速度。
优选的，所述运动监测模块还包括Lora收发模块；所述网络通信模块包括与各个运动监测模块的Lora收发模块网络通信连接的Lora传感网络，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据并转换成对应格式的中转处理单元，以及与服务器网络通信连接且用于将各个电梯轿厢的运动状态数据转发至服务器的数据转发单元。
优选的，所述服务器将电梯轿厢的运动状态数据与设置的危险阈值作比较：若运动状态数据中的任意一个数据超过其对应的危险阈值，则电梯轿厢存在运行故障；否则，电梯轿厢的运行状态正常。
本发明中的电梯轿厢运行状态监测系统与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明中，通过运动监测模块获取各个电梯的电梯轿厢运动状态数据，并通过网络通信模块将电梯轿厢运动状态数据转发至服务器，使得服务器能够根据电梯轿厢的运动状态数据判断各个电梯轿厢的运行状态是否正常，即能够对监测区域的电梯轿厢运行状态进行全局管理，从而能够提升电梯轿厢运行状态的监测效率并保证电梯运行的安全性。
2、本发明中，根据发射信号和反射信号之间的位置相位差计算电梯轿厢的位置、速度和加速度，一方面，计算位置相位差时只需要设置一组监测设备，即仅需要对电梯的原有结构做极小的改造；另一方面，申请人发现电梯轿厢的位置与其速度和加速度是有着相应的对应关系的，因此基于位置相位差计算得到电梯轿厢的位置后，能够进一步根据电梯轿厢的位置计算其速度和加速度，即能够通过一组监测设备实现电梯轿厢位置、速度和加速度的监测，从而能够更好的提升电梯轿厢运行状态的监测效率和效果。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例中电梯轿厢运行状态监测系统的逻辑框图；
图2为实施例中运动监测模块的逻辑框图；
图3为实施例中相位法测距的逻辑框图；
图4为实施例中相位法测距的原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
本实施例中公开了一种基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统。
如图1所示，基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，包括：
运动监测模块，用于获取对应电梯轿厢的运动状态数据；运动状态数据包括位置、速度和加速度。
网络通信模块，与各个运动监测模块网络通信连接，用于接收并转发各个运动监测模块获取的对应电梯轿厢的运动状态数据。
服务器，与网络通信模块网络通信连接，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据，并根据电梯轿厢的运动状态数据判断各个电梯轿厢的运行状态是否正常。具体的，服务器将电梯轿厢的运动状态数据与设置的危险阈值作比较：若运动状态数据中的任意一个数据超过其对应的危险阈值，则电梯轿厢存在运行故障；否则，电梯轿厢的运行状态正常。设置危险阈值是现有技术中的成熟手段，而危险阈值可根据电梯自身的相关参数和相关规定合理设置。
本发明中，通过运动监测模块获取各个电梯的电梯轿厢运动状态数据，并通过网络通信模块将电梯轿厢运动状态数据转发至服务器，使得服务器能够根据电梯轿厢的运动状态数据判断各个电梯轿厢的运行状态是否正常，即能够对监测区域的电梯轿厢运行状态进行全局管理，从而能够提升电梯轿厢运行状态的监测效率并保证电梯运行的安全性。
具体实施过程中，结合图2所示，运动监测模块包括：
漫反射板，设置于电梯轿厢上；
激光调制单元，用于向漫反射板发射携带有发射信号的测试激光；
光电采集单元，用于接收经漫反射板反射的反射信号；
微处理器，用于根据发射信号和反射信号计算对应的测量相位差，并根据测量相位差计算电梯轿厢的位置、速度和加速度。
本实施例中，通过相位法计算电梯轿厢的位置、速度和加速度。相位法的原理如图3所示：采用数十兆赫兹的正弦波作为调制信号，通过激光调制单元对发射信号进行调制后输出对应的测试激光，通过光电采集单元采集反射信号，在微处理器中计算调制后的激光在运动监测模块和电梯轿厢之间往返所产生的位置相位差，最后根据位置相位差计算出电梯轿厢的位置(距离)。计算原理如图4所示：发射器(激光调制单元)A与接收器(光电采集单元)A′近似重合，将二者以目标B为对称点分开表示。AB为发射器到目标的间距，BA′为目标到接收器的间距，A处为发射信号，A′处为反射信号，位置相位差为
Figure BDA0003027658330000051
实际监测过程中，现有运行状态监测系统需要设置多组激光测距仪和速度传感器来分别监测电梯轿厢的位置和速度，并且对于电梯轿厢加速度的检测还需要设置相应的设备，即需要设置多组监测设备，使得需要在电梯的原有结构上做过多的改造，导致电梯的正常运行受到影响。所以，本发明根据发射信号和反射信号之间的位置相位差计算电梯轿厢的位置、速度和加速度，一方面，计算位置相位差时只需要设置一组监测设备，即仅需要对电梯的原有结构做极小的改造；另一方面，申请人发现电梯轿厢的位置与其速度和加速度是有着相应的对应关系的，因此基于位置相位差计算得到电梯轿厢的位置后，能够进一步根据电梯轿厢的位置计算其速度和加速度，即能够通过一组监测设备实现电梯轿厢位置、速度和加速度的监测，从而能够更好的提升电梯轿厢运行状态的监测效率和效果。
具体实施过程中，结合图2所示，运动监测模块还包括锁相频率合成单元；锁相频率合成单元用于生成具有频率差的发射信号(主振信号)和本振信号，并将发射信号与本振信号进行混频处理得到参考信号。
激光调制单元通过设置的调制频率对发射信号进行信号调制以生成携带有发射信号的测试激光，然后将测试激光发射至电梯轿厢上的漫反射板。具体的，激光调制单元设置于电梯轿厢下方，其激光发射端朝向电梯轿厢底部的漫反射板。
光电采集单元接收经漫反射板反射的反射信号，然后将反射信号与本振信号进行混频处理得到对应的同相位低频信号，并基于同相位低频信号获取对应的测量信号。具体的，光电采集单元设置于电梯轿厢下方，其激光接收端朝向电梯轿厢底部的漫反射板。光电采集单元通过对同相位低频信号进行放大处理和滤波处理的方式获取对应的测量信号。
微处理器计算参考信号和测量信号之间的相位差作为对应的测量相位差。具体的，微处理器通过模数转换和傅里叶鉴相运算的方式计算参考信号和测量信号之间的相位差。
实际监测过程中，发射信号和反射信号的信号频率很高，会达到25MHz-50MHz，使得普通的模数转换器(ADC)难以采集该种“高频”的信号，此时就需要选用其他价格更高的模数转换器来完成信号的采集，导致电梯轿厢运行状态的监测成本很高。所以，本发明通过锁相频率合成单元生成了具有微小频率差的发射信号和本振信号，并在采集到发射信号后通过混频处理的方式对发射信号和反射信号进行降频，以得到“低频”的参考信号和测量信号(例如发射信号(主振信号)的频率为50MHz，本振信号的频率为49.999MHz；那么混频后参考信号的频率就是1kHz，测量信号的频率在1kHz左右)，此时“低频”的参考信号和测量信号能够被普通的模数转换器采集，从而能够降低电梯轿厢运行状态的监测成本。其次，通过信号调制的方式生成携带有发射信号的测试激光，能够保证发射信号的发射效果，从而能够更好的计算位置相位差和电梯轿厢的运动状态数据；同时，通过对同相位低频信号进行放大处理和滤波处理的方式能够很好的获取测量信号，同样能够更好的计算位置相位差和电梯轿厢的运动状态数据。
具体的，通过公式
Figure BDA0003027658330000061
计算电梯轿厢的位置；式中：D表示电梯轿厢的位置；c表示激光在环境中的传播速度；
Figure BDA0003027658330000062
表示相位差；f表示调制频率。
通过公式V＝(D2-D1)/(T2-T1)计算电梯轿厢的速度；式中：V表示电梯轿厢的速度；T1和T2分别表示设置的两个时刻；D1和D2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢位置。
通过公式
Figure BDA0003027658330000063
计算电梯轿厢的加速度；式中：a表示电梯轿厢的加速度；D1和D2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢位置；V1和V2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢速度。
具体实施过程中，运动监测模块还包括Lora收发模块；
网络通信模块包括与各个运动监测模块的Lora收发模块网络通信连接的Lora传感网络，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据并转换成对应格式的中转处理单元，以及与服务器网络通信连接且用于将各个电梯轿厢的运动状态数据转发至服务器的数据转发单元。具体的，中转处理单元和数据转发单元的相关功能可由现有的单片机完成。Lora传感网络基于470MHz频段构建，其覆盖面积可达数千米，能有效接收来自整个监测区域的各个电梯的监测信号(电梯轿厢运动状态数据)并转发至服务器，这不仅能够保证数据的传输效果，还能够有效降低租用4G/5G网络带来的运营成本。
为了验证本发明电梯轿厢运行状态监测系统获取电梯轿厢运动状态数据(位置、速度和加速度)的准确性，本实施例中还设计了以下的测试：
设置一个全结构曳引式升降电梯模型，然后通过变频器控制曳引机改变电梯轿厢加速度，实现速度可调。将本发明电梯轿厢运行状态监测系统设置在曳引式升降电梯模型上，获取对应的测量值；同时通过现有的测量仪器记录曳引式升降电梯模型的曳引机运转情况，作为对应的参考值。
具体的，电梯轿厢位置测试结果、速度测试结果和加速度测试结果分别如表1、表2和表3所示。其中，针对电梯轿厢的加速度，通过菲康AETE-06电梯加速度测试仪获取电梯轿厢底部的实时加速度作为参考值。
表1
Figure BDA0003027658330000071
表2
Figure BDA0003027658330000072
表3
Figure BDA0003027658330000073
根表1、表2和表3的测试结果可知：
本发明中的电梯轿厢运行状态监测系统能够有效获取轿厢的实际位置、速度和加速度，且能够达到成熟的传统测量方式测量精度，并满足国家标准GB/T24474-2009的测量标准。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于，包括：
运动监测模块，用于获取对应电梯轿厢的运动状态数据；运动状态数据包括位置、速度和加速度；
网络通信模块，与各个运动监测模块网络通信连接，用于接收并转发各个运动监测模块获取的对应电梯轿厢的运动状态数据；
服务器，与网络通信模块网络通信连接，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据，并根据电梯轿厢的运动状态数据判断各个电梯轿厢的运行状态是否正常。
2.如权利要求1所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于，所述运动监测模块包括：
漫反射板，设置于电梯轿厢上；
激光调制单元，用于向漫反射板发射携带有发射信号的测试激光；
光电采集单元，用于接收经漫反射板反射的反射信号；
微处理器，用于根据发射信号和反射信号计算对应的测量相位差，并根据测量相位差计算电梯轿厢的位置、速度和加速度。
3.如权利要求2所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于：所述运动监测模块还包括锁相频率合成单元；所述锁相频率合成单元用于生成具有频率差的发射信号和本振信号，并将发射信号与本振信号进行混频处理得到参考信号；
所述激光调制单元通过设置的调制频率对发射信号进行信号调制以生成携带有发射信号的测试激光，然后将测试激光发射至电梯轿厢上的漫反射板；
所述光电采集单元接收经漫反射板反射的反射信号，然后将反射信号与本振信号进行混频处理得到对应的同相位低频信号，并基于同相位低频信号获取对应的测量信号；
所述微处理器计算参考信号和测量信号之间的相位差作为对应的测量相位差。
4.如权利要求3所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于：所述光电采集单元通过对同相位低频信号进行放大处理和滤波处理的方式获取对应的测量信号。
5.如权利要求2所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于：所述微处理器通过模数转换和傅里叶鉴相运算的方式计算参考信号和测量信号之间的相位差。
6.如权利要求3所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于，所述微处理器通过如下公式计算电梯轿厢的位置：
Figure FDA0003027658320000011
式中：D表示电梯轿厢的位置；c表示激光在环境中的传播速度；
Figure FDA0003027658320000012
表示测量相位差；f表示设置的调制频率。
7.如权利要求6所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于，所述微处理器通过如下公式计算电梯轿厢的速度：
V＝(D2-D1)/(T2-T1)；式中：V表示电梯轿厢的速度；T1和T2分别表示设置的两个时刻；D1和D2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢位置。
8.如权利要求7所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于，所述微处理器通过如下公式计算电梯轿厢的加速度：
Figure FDA0003027658320000021
式中：a表示电梯轿厢的加速度；D1和D2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢位置；V1和V2分别表示时刻T1和T2对应的电梯轿厢速度。
9.如权利要求3所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于：所述运动监测模块还包括Lora收发模块；
所述网络通信模块包括与各个运动监测模块的Lora收发模块网络通信连接的Lora传感网络，用于接收各个电梯轿厢的运动状态数据并转换成对应格式的中转处理单元，以及与服务器网络通信连接且用于将各个电梯轿厢的运动状态数据转发至服务器的数据转发单元。
10.如权利要求2所述的基于激光测距的电梯轿厢运行状态监测系统，其特征在于：所述服务器将电梯轿厢的运动状态数据与设置的危险阈值作比较：若运动状态数据中的任意一个数据超过其对应的危险阈值，则电梯轿厢存在运行故障；否则，电梯轿厢的运行状态正常。
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