基于MPU6050的便捷式电梯振动测试装置研究

施科益 郑 薇 张逍云

(宁波市特种设备检验研究院 宁波 315000)

基于MPU6050的便捷式电梯振动测试装置研究

施科益 郑 薇 张逍云

(宁波市特种设备检验研究院 宁波 315000)

电梯振动与电梯乘用舒适性息息相关，EVA是电梯振动测试的常用工具，但EVA价格昂贵、体积笨重、不方便携带。针对现有测试装置的不足，本文设计了基于MPU6050的便携式电梯振动测试装置。该装置以MPU6050作为三轴加速度传感器，以Arduino作为数据采集器和数据处理器，大大简化了振动数据采集装置。将测试数据与EVA采集数据进行对比，结果表明，本装置测得的振动加速度数据与EVA测得的数据非常接近，能够准确反映电梯的运行状态，保证测试的精度。该装置可以方便电梯振动测试人员的随身携带，有利于电梯定期检验中及时发现问题。

MPU6050 Arduino 电梯振动 振动测试

电梯是高层建筑中最为主要的乘用工具,其安全性是人们最为关注的要点。通常作为普通乘用者对电梯并不了解,往往直接将电梯的安全性与舒适性相关联。如电梯运行中的大幅度振动、运行速度的突然变化等情况被认为是电梯处于危险状态中。因此,电梯运行的舒适性与稳定性越来越受到电梯厂家及检验部门的重视。

对于电梯乘用的舒适性,标准GB/T 24474—2009《电梯乘用质量测量》[1]中采用电梯乘用质量进行评价。“电梯乘用质量”的定义是,“与乘客感觉和电梯运行有关的轿内声级和轿厢地板的振动”。加速度、速度、A95、振动峰峰值等指标可以有效地描述电梯乘用质量。并且,标准中指出了电梯乘用质量的测量仪器,要求由五部分组成:a)分别测量三个正交坐标轴加速度的传感器;b)测量声压级的传感器;c)数据采集系统;d)数据存储系统;e)数据处理系统。目前,各电梯相关单位多应用EVA-625电梯综合分析仪对电梯乘用质量进行测量[2-3]。该仪器可以检测电梯的振动、速度、运行距离、噪声、加(减)速度、振动频率等数据,并可以通过数据处理软件对各项性能指标进行分析,诊断电梯故障。EVA性能优越,但价格昂贵、体积笨重,不方便携带。

在电梯定期检验中,尽管检规对电梯乘用质量未要求检验,但在定期检验及安全评估时经常能发现电梯额定速度被更改、启动倒拉、轿厢晃动大等缺陷。普通乘用人员对于这些缺陷心理上存在着很大的恐慌。检验人员在定期检验中通过人体感受提出质疑,不够规范和科学,携带EVA测量又极不方便。

针对现有测试装置的不足,设计了基于MPU6050的便携式电梯振动测试装置。该装置以MPU6050作为三轴加速度传感器,以Arduino作为数据采集器和数据处理器,大大简化了振动数据采集装置的结构,而测试数据精度满足电梯测试的需求。该装置可以方便电梯振动测试人员的随身携带,应用于电梯振动测试中方便便捷,有利于电梯定期检验中及时发现问题。

1 测试装置硬件设计

1.1 MPU6050简介

MPU6050是全球首例整合性6轴运动处理组件,相较于多组件方案,免除了组合陀螺仪与加速度轴之间时间差的问题,减少了大量的包装空间。MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速度器,并可由I2C端口连接其他传感器。另外,它提供的运动处理资料库,可处理运动感测的复杂数据,降低了运动处理运算对操作系统的负荷,并为应用开发提供架构化的API[4]。

MPU6050的角速度测量范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps),加速度器测量范围为±2g、±4g、±8g与±16g。在电梯振动测试中,其量程已完全足够用。MPU6050测得的加速度不仅能够进行振动测试,而且融合加速度数据可以进行运动物体的姿态测量,实时得到运动姿态和运动轨迹。MPU6050价格低,广泛应用于生活生产的各种智能产品中,如在四旋翼飞行器、自平衡小车等产品中应用非常成熟,有大量的实例可以参考[5]。因此,将它应用于电梯振动测试中,具有成本低、研发速度快、性能稳定等优势。

1.2 测试装置硬件结构

设计开发基于MPU6050的电梯振动测试装置目的在于便捷,装置在硬件上采用了开发方便、体积小的Arduino作为数据采集、存储及处理模块[6]。Arduino是一个开源的单芯片微控制器,使用了Atmel AVR单片机,具有开放的软硬件平台,简易输入/输出端口和类似于Java、C语言的Processing/Wiring开发环境,非常适合简单控制系统、数据采集系统的开发[7]。本装置的硬件结构图如图1所示。

图1 硬件结构图

MPU6050测得的加速度数据被采集进入Arduino中,在Arduino中完成所有的运算,并且把数据保存在SD卡中。测试结束后,Arduino将测试结果通过蓝牙模块发送至手机;或者可以将SD卡取出,读入电脑进行数据分析。

本装置的工作逻辑图如图2所示,其中Arduino既作为数据处理器,又作为系统控制器。装置控制逻辑如下:上位机(如手机)发送测试信号,Arduino控制MPU6050采集加速度,读入Arduino进行数据处理,将处理后的数据存储或者传输。装置的数据流动逻辑如下:采集得到的加速度数据在Arduino中进行信号处理,包括去噪、积分运算、FFT等,处理后数据保存入SD卡或者传输至上位机。

图2 工作逻辑图

2 测试装置算法设计

2.1 速度位移计算

基于MPU6050的电梯振动测试装置以Arduino作为数据采集处理核心,装置控制算法及数据处理算法用类Java语言写入Arduino中,其算法流程图如图3所示。

图3 测试算法流程图

测试开始和结束由按钮控制,所有测试原始数据以文本格式放置于SD卡中,如需要测试现场查看,再将数据发送到蓝牙连接的手机中,以图表的形式显示。如需后期进一步分析,则可将SD卡中数据导出,应用更专业软件进行分析。

MPU6050采集得到的是加速度信号,将加速度一次积分即可得到速度,二次积分得到位移,如图4～图6所示。

2.2 滤波算法

由于MPU6050的静态噪声较大,实际测得的加速度往往包含了由MPU6050自身产生的大量噪声,因此必须对原始加速度值进行滤波处理,才可以得到准确稳定的加速度数据。

卡尔曼滤波是一种高效率的递归滤波器,它能够在测量方差已知的情况下从一系列存在测量噪声的数据中,估计动态系统的状态[8-9]。它便于计算机编程实现,并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理。卡尔曼滤波是目前应用最为广泛的滤波方法,在通信、导航、制导与控制等多领域得到了较好的应用。卡尔曼滤波在保证数据精度的前提下大大减小对装置硬件的要求,非常适合在本装置中应用。

对卡尔曼滤波算法进行仿真研究,结果如图7所示。图中对比了测量值、真实值与经卡尔曼滤波后的值,可以看到测量值中因包含了噪声,与真实值偏差较大,经卡尔曼滤波后数据与真实值较为接近,大大提高了信号的信噪比。

图4 电梯Z轴加速度曲线

图5 电梯Z轴速度曲线

图6 电梯Z轴位移曲线

图7 卡尔曼滤波前后数据对比

3 测试结果分析

将本装置与EVA同时置于电梯测试电梯内,测试同一段运行过程中电梯的振动状况,测试现场设备布置示意图如图8所示。

图8 测试示意图

将测得的数据进行对比分析,两者测得的垂直加速度数据如图9所示。

图9 测试垂直加速度数据对比图

在时域上,两者波形基本一致,将两个加速度数据值求差,结果如图10所示,两个加速度的最大差值为0.375m/s2,两组加速度数据的差值最大值较大。将两个加速度曲线进行互相关分析,结果如图11所示,在0.28s处两者相关系数接近于1.0。可以看到,两组加速度数据高度相关,但正是由于存在0.28s的相位差,造成两组加速度数据的最大差值较大。

图10 测试垂直加速度差值图

图11 两组加速度数据互相关图

此外,计算两组加速度的最大最小值指标,其结果见表1,垂直加速度的A95值和峰峰值指标计算结果见表2。从表1中可以看出,最大加速度与最小加速度值两者较为相近。

表1 垂直加速度测试最大最小值结果

表2 垂直加速度A95和峰峰值结果

由此可见本装置测得的振动加速度数据与EVA测得的振动加速度数据不仅在时域波形上高度相关,且两者的运行状态振动指标也非常接近,能够基本反映电梯的运行状态。本装置采集得到的是加速度数据,将加速度进行一次积分可得到速度值,二次积分即可得到位移值。结果表明本装置得到加速度经积分得到的速度值和位移值也均与EVA所得值非常接近,此处不再另外叙述。

4 总结

电梯振动测试是电梯日常检验中重要的检测手段,常用的EVA虽能够有效测试电梯振动,但其价格昂贵、体积笨重、不方便携带。在电梯的定期检验中,检验人员不会随身携带,使得一些电梯问题无法及时发现。

本文提出了基于MPU6050的便携式电梯振动测试装置,将MPU6050作为三轴加速度计,以Arduino作为数据运算处理控制器,大大简化了振动数据采集装置的结构,便于检验人员的携带。将基于MPU6050的便携式电梯振动测试装置与EVA的测试数据进行对比分析,结果表明,本装置测得的振动加速度数据与EVA测得的数据非常接近,能够准确反映电梯的运行状态,保证测试的精度。

[1] GB/T 24474—2009 电梯乘用质量测量[S]．

[2] 陈建宇．EAV-625测试仪在检测电梯垂直振动源的应用[J]．福建农机，2010(03)：55-58．

[3] 刘方亭，张清鹏．EVA-625在电梯检验中的应用[J]．中国仪器仪表，2009(11)：46-48．

[4] 赖义汉，王凯．基于MPU6050的双轮平衡车控制系统设计[J]．河南工程学院学报(自然科学版)，2014，26(03)：53-57．

[5] 康海，赵坤，刘书林．基于MPU6050模块的飞行姿态记录系统设计[J]．电子设计工程，2015，23(10)：188-190．

[6] 吴义满． Arduino开源设计[J]．电子测试， 2016(21)：37-39+88．

[7] 胡珂．基于Arduino的智能小车测距安全行驶系统的研究[D]．长安：长安大学，2015．

[8] 杨丹．卡尔曼滤波器设计及其应用研究[D]．湘潭：湘潭大学，2014．

[9] 彭丁聪．卡尔曼滤波的基本原理及应用[J]．软件导刊，2009，8(11)：32-34．

Research on Portable Elevator Vibration Testing Device Based on MPU6050

Shi Keyi Zheng Wei Zhang Xiaoyun
(Ningbo Special Equipment Inspection Institute Ningbo 315000)

Elevator vibration and elevator ride comfort are closely related. EVA is a common tool for elevator vibration testing. But EVA is expensive, bulky and inconvenient to carry. Aiming at the shortcomings of the existing test device, a portable elevator vibration test device based on MPU6050 was designed. In the device, a MPU6050 was used as the three-axis acceleration sensor. An arduino was used as the data collector and data processor, that greatly simpli fi ed the vibration data acquisition device. Comparing the test data of this equipment with the EVA data, the result showed that the vibration acceleration data measured by this device are very close to the measured data of EVA, which could accurately re fl ect the running status of the elevator and ensure the accuracy of the test. The device could facilitate the elevator vibration test personnel to carry, is conducive to regular inspection of the elevator to fi nd the problem in time.

MPU6050 Arduino Elevator vibration Vibration test

X924

B

1673-257X(2017)11-0011-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.004

施科益（1985～)，男，硕士，工程师，从事特种设备检验工作。

施科益，E-mail： shikeyi627@163．com。

2017-04-18）