基于MEMS加速度傳感器的自動扶梯制動參數(shù)檢測

陳建勛，王 璐，邰勝林，楊寧祥

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519002；2.珠海市安粵科技有限公司，珠海 519000）

自動扶梯是人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ撸诖笮蜕虉?、車站、機(jī)場、旅游景點(diǎn)等公共場所得到大量應(yīng)用，作為一類機(jī)電類特種設(shè)備，帶來便捷出行的同時其運(yùn)行安全性也得到越來越多的關(guān)注。制動性能是自動扶梯的重要安全性能，當(dāng)運(yùn)行過程中急停開關(guān)被人為按下或自動扶梯自監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到速度異常、梯級下陷、梳齒板卡阻等突發(fā)故障時都將觸發(fā)制動器斷電，實施緊急制動，使設(shè)備停止運(yùn)行，以確保乘客生命財產(chǎn)安全。制動性能失效可能導(dǎo)致人員摔倒、擠壓、踩踏等傷亡事故[1-2]，該項目一直是扶梯檢驗過程中的重點(diǎn)關(guān)注項目。

一般通過測量制動減速度和制停距離對制動性能進(jìn)行定量評估，傳統(tǒng)測試方法主要包括記號法[3]和旋轉(zhuǎn)編碼測試法[4]，前者使用卷尺和記號筆進(jìn)行測試，測試效率高，但操作者主觀因素對測試結(jié)果影響大，數(shù)據(jù)精度低；后者應(yīng)用較廣泛，采用旋轉(zhuǎn)編碼測速滾輪對梳齒板后一個梯級運(yùn)行方向位移進(jìn)行測量，測試結(jié)果受測速滾輪安裝方式及滾輪與梯級表面接觸狀況影響大，測量裝置由測速模塊和制動觸發(fā)模塊組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。利用三軸加速度傳感器可直接獲取扶梯梯級傾斜段的運(yùn)行減速度，且可對水平方向和豎直方向制動參數(shù)進(jìn)行分解獨(dú)立分析，相對于傳統(tǒng)測試方法，操作更為便捷、數(shù)據(jù)更精細(xì)，由于采用單一測試模塊，其儀器結(jié)構(gòu)也更簡單。

MEMS 加速度傳感器采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造，是一種高度集成的芯片級傳感器，相對于傳統(tǒng)傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢。該傳感器已廣泛應(yīng)用于姿態(tài)識別[5-6]、工程振動檢測[7-8]、自然災(zāi)害監(jiān)測[9-10]、慣性導(dǎo)航[11]等場合，也成功用于垂直電梯運(yùn)行加速度、速度、加加速度、位移等參數(shù)的高效便捷檢測[12]。本文基于MEMS 加速度傳感器研發(fā)了扶梯制動性能檢測加速度測量模塊，研究了制動性能檢測方法和數(shù)據(jù)處理方法并進(jìn)行了現(xiàn)場檢測。

1 測試要求

GB 16899—2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》5.4.2.1.3.2 規(guī)定了不同名義速度自動扶梯在空載和有載向下運(yùn)行時應(yīng)滿足的制停距離范圍[13]，如表1所示。若速度在表1中名義速度之間，則對應(yīng)的制停距離范圍采用插值法計算。制動器制動過程中沿運(yùn)行方向上的減速度（原始減速度信號經(jīng)過4.0 Hz 二階Butterworth 濾波器濾波）不應(yīng)大于1 m/s2。

表1 自動扶梯應(yīng)滿足的制停距離Tab.1 Braking distance for escalators

2 測試裝置

2.1 硬件

加速度測量模塊采用Anolog Devices 公司的ADXL 序列三軸MEMS 傳感器和意法半導(dǎo)體公司的STM407 系列單片機(jī)為核心芯片，配合板載高速WiFi模塊進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)與手持式Android 終端雙向通訊。自動扶梯制動性能檢測時三軸加速度測量模塊采樣率均設(shè)置為500 組/s，量程為±2 g。加速度測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，電路板、可充電鋰離子電池、配重塊和磁鐵封裝于殼體和蓋板內(nèi)。模塊底部開設(shè)2 個滑槽，2 個碳鋼活動支腳可吸附于殼體底部磁鐵上并在滑槽中調(diào)節(jié)相對位置?；顒又_和固定支腳為錐形回轉(zhuǎn)體形狀，呈三角形分布，以便穩(wěn)定放置于扶梯梯級上，參考GB/T 24474.2—2020《乘運(yùn)質(zhì)量測量 第2 部分：自動扶梯和自動人行道》，支腳對扶梯梯級接觸面產(chǎn)生的壓強(qiáng)應(yīng)不低于50 kPa[14]，可確保測試時模塊不因意外晃動而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。使用前對加速度測量模塊進(jìn)行準(zhǔn)確性校正，三軸測量相對誤差為±2%以內(nèi)。

圖1 加速度測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of acceleration measurement module

2.2 軟件

APP 采用JAVA 語言基于Android 系統(tǒng)開發(fā)，可實現(xiàn)加速度測量模塊量程設(shè)置、采樣頻率設(shè)置、數(shù)據(jù)采集過程控制、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)送、模塊電量監(jiān)測、硬件編號和校準(zhǔn)參數(shù)上傳等功能，并可計算出制動參數(shù)。APP 可安裝于智能手機(jī)、平板電腦等Android 終端。

3 測試方法

自動扶梯制動性能檢測示意圖如圖2所示。扶梯起動前將加速度測量模塊放置于離上出入口較近的梯級上，調(diào)節(jié)好2 個活動支腳相對位置，確保3個支腳可穩(wěn)定卡入梯級踏面齒槽中，使模塊X 軸指向梯級水平運(yùn)行方向，Y 軸指向梯級左右方向，Z 軸垂直梯級表面向上。實現(xiàn)模塊與Android 終端WiFi組網(wǎng)后起動自動扶梯下行，通過APP 控制模塊獲取和發(fā)送三軸加速度數(shù)據(jù)，并實時顯示和存儲數(shù)據(jù)，梯級速度穩(wěn)定后按自動扶梯急停開關(guān)觸發(fā)緊急制停，扶梯完全停止后至少延遲3 s 結(jié)束數(shù)據(jù)采集，隨后由APP 分析數(shù)據(jù)，計算出制動參數(shù)。

圖2 制動性能檢測示意圖Fig.2 Schematic diagram of braking performance test

4 數(shù)據(jù)分析方法

4.1 加速度濾波

為排除數(shù)據(jù)隨機(jī)波動對結(jié)果分析的影響，根據(jù)GB 16899—2011 第5.4.2.1.3.2，對原始三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二階Butterworth 低通濾波，濾波截止頻率為4 Hz，對應(yīng)的數(shù)字濾波器Z 變換傳遞函數(shù)為

4.2 去除重力加速度分量

三軸MEMS 加速度傳感器輸出的數(shù)據(jù)中已包含重力加速度分量，大小約為9.8 m/s2，其值與測試現(xiàn)場所處經(jīng)緯度有關(guān)，根據(jù)圖2，自動扶梯制動測試時重力加速度主要體現(xiàn)在對Z 軸數(shù)據(jù)的影響。為反映梯級在Z 軸實際運(yùn)行加速度，需減去重力加速度偏量，計算時取制動結(jié)束后、停止數(shù)據(jù)采集前的3 s內(nèi)Z 軸加速度數(shù)據(jù)的平均值為重力加速度偏量。

4.3 數(shù)值積分

采用復(fù)化1/3Simpson 數(shù)值積分方法[12]對X 軸和Z 軸運(yùn)行加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值積分，得到制動過程中梯級沿X 方向和Z 方向的速度序列，進(jìn)一步進(jìn)行同樣數(shù)值積分操作，可得到兩方向的位移序列，數(shù)值積分公式為

式中：當(dāng)計算速度時X（t）為t 時刻加速度，Y（t）為t時刻速度；當(dāng)計算位移時X（t）為t 時刻速度，Y（t）為t 時刻位移，h 為數(shù)據(jù)采樣時間間隔，即0.002 s，N 為數(shù)據(jù)總個數(shù)。分別繪制制動過程X 軸和Z 軸加速度、速度、位移曲線，綜合分析曲線特征值可對自動扶梯水平和豎直方向制動參數(shù)進(jìn)行計算。

4.4 矢量和

制動過程自動扶梯梯級實際運(yùn)行方向為傾斜下行，X 方向和Z 方向速度矢量和即為梯級實際運(yùn)行速度，位移矢量和即為梯級位移。綜合分析梯級速度矢量和曲線及位移矢量和曲線可對平均制動減速度、總制停距離進(jìn)行求解。

5 測試實例

如圖3所示，定期檢驗時利用電扶梯乘運(yùn)質(zhì)量測量儀對某大型商場自動扶梯進(jìn)行了空載下行制動性能檢測。該扶梯名義速度為0.5 m/s，傾斜角為30°，提升高度為5.20 m，運(yùn)行方向為上行。扶梯起動前將加速度模塊放置于傾斜段上端梯級上，操作者手持裝有APP 的智能手機(jī)站立于上出入口處對測試過程進(jìn)行控制。

圖3 加速度測量模塊放置于自動扶梯梯級上Fig.3 Acceleration measurement module placed on the escalator step

6 結(jié)果與分析

6.1 數(shù)據(jù)濾波

原始三軸加速度數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波后曲線如圖4所示，X 軸和Y 軸加速度基線為零，Z 軸數(shù)據(jù)包含重力加速度分量，扶梯從約5.5 s 開始起動到達(dá)到勻速運(yùn)行過程中X 軸、Z 軸加速度先向負(fù)方向變大后變小，勻速運(yùn)行時曲線在基線附近上下波動。勻速運(yùn)行約9 s 后開始減速制停，此過程X 軸和Z 軸加速度向正方向變大，經(jīng)過近似勻減速過程后回到加速度基線位置。Y 軸垂直于扶梯運(yùn)行平面，受梯級振動影響，Y 軸加速度主要在±0.03 m/s2范圍內(nèi)上下波動，表現(xiàn)為振動加速度，該方向上不體現(xiàn)運(yùn)行加速度。

圖4 低通濾波后三軸加速度曲線Fig.4 Three-axis acceleration curves after low-pass filtering

6.2 確定制動開始時間

制動過程X 軸和Z 軸加速度經(jīng)低通濾波、去除重力加速度偏量后曲線如圖5所示。受傾斜角影響，X 軸和Z 軸加速度曲線輪廓相似，僅大小不同，加速度曲線穿過零點(diǎn)并開始急劇變大的時刻為制動開始時間，即16.5 s。制動過程中X 軸最大減速度為0.670 m/s2，Z 軸最大減速度為0.388 m/s2，出現(xiàn)于16.6 s 處，求解加速度矢量和得到梯級運(yùn)行方向最大減速度為0.774 m/s2，小于1 m/s2，符合GB 16899—2011 第5.4.2.1.3.2 項要求。

圖5 制動過程X 軸和Z 軸低通濾波后運(yùn)行加速度曲線Fig.5 Running acceleration curves of X-axis and Z-axis after low-pass filtering during braking process

6.3 數(shù)值積分求速度

以測試結(jié)束時間點(diǎn)為數(shù)值積分開始點(diǎn)，對濾波后X 軸和Z 軸運(yùn)行加速度數(shù)據(jù)向前逆向進(jìn)行數(shù)值積分，得到制動過程中X 軸和Z 軸速度曲線，計算速度矢量和得到梯級運(yùn)行方向速度曲線，如圖6所示。制動開始時刻X 軸速度為0.42 m/s，Z 軸速度為0.24 m/s，運(yùn)行方向速度為0.48 m/s。從速度曲線可知制動結(jié)束時間為17.4 s，制停時間為0.90 s，進(jìn)一步計算出水平方向平均制停減速度為0.467 m/s2，豎直方向平均制停減速度為0.267 m/s2，運(yùn)行方向平均制停減速度為0.533 m/s2。

圖6 制動過程速度曲線Fig.6 Velocity curves during braking process

6.4 數(shù)值積分求位移

以測試結(jié)束時間點(diǎn)為數(shù)值積分計算開始點(diǎn)和參考位移零點(diǎn)，對X 軸和Z 軸速度數(shù)據(jù)向前逆向進(jìn)行數(shù)值積分，得到制動過程中X 軸和Z 軸位移曲線，計算位移矢量和得到梯級運(yùn)行方向位移曲線，如圖7所示。開始制動時水平方向位移為0.195 m，豎直方向位移為0.112 m，運(yùn)行方向位移為0.225 m，即為制停距離，符合表1要求。

圖7 制動過程位移曲線Fig.7 Displacement curves during braking process

6.5 制動參數(shù)綜合結(jié)果

根據(jù)上述分析，得到扶梯制動性能綜合測試結(jié)果，如表2所示。該扶梯制停距離、最大制停減速度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。制動開始前2 s 內(nèi)平均速度為0.48 m/s，與名義速度相對偏差為-4%，TSG T7005—2012《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——自動扶梯和自動人行道》第10.1 規(guī)定[15]，在額定頻率和額定電壓下，梯級、踏板或者膠帶沿運(yùn)行方向空載時所測的速度與名義速度之間的最大允許偏差為±5%，該扶梯運(yùn)行速度符合要求。

表2 制動性能綜合結(jié)果Tab.2 Overall results of braking performance

7 結(jié)語

本文通過MEMS 三軸加速度傳感器、STM32 高性能單片機(jī)可開發(fā)出三軸加速度測量模塊。根據(jù)自動扶梯制動性能檢測方法設(shè)計出加速度數(shù)據(jù)低通濾波、數(shù)值積分求解速度和位移、矢量和計算算法，進(jìn)而開發(fā)出與硬件配合的Android 端自動扶梯制動性能檢測APP。利用開發(fā)的測試裝置對自動扶梯進(jìn)行空載下行制動測試，通過測得的制停時間、總制停距離、平均制停減速度等參數(shù)，可快速判斷自動扶梯制動性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)和特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范要求。