一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法及系统与流程

本发明属于电梯实时检测技术领域，尤其涉及一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法，同时本发明还提供一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统。

背景技术：

随着电梯在生活中越来越普及，人们对电梯的安全型和舒适型更加关注起来，电梯在运行中，起动和制动很频繁，伴随有一个加速度或者减速的过程，若加速度变化过快则会引起不适，另外，电梯运行过程的速度具有一定的变化规律，此外通过计算电梯的运行位移也可以反应电梯运行是否正常，综上所述，为了更精确的描述电梯的运行特性，从加速度，速度，位移三个角度来检测，现有技术存在还不具备同时检测电梯加速度、速度、位移等参数的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法及系统，以解决上述背景技术中提出了现有技术存在还不具备同时检测电梯加速度、速度、位移等参数的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法，所述方法包括：

通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度；

通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度；

所述一次积分算法为：

velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[1]-accelerationz[0])÷2)

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述accelerationz[0]为上一个采样周期的实时加速度；

所述accelerationx[1]为当前采样周期的实时加速度；

通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移；

positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])÷2)

所述positionz[1]为当前采样周期的实时位移；

所述positionz[0]为上一个采样周期的实时位移；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度。

进一步，所述卡尔曼滤波算法包括：

x(k|k-1)=ax(k-1|k-1)+bu(k)；

p(k|k-1)=ap(k-1|k-1)a’+q；

kg(k)=p(k|k-1)h’/(hp(k|k-1)h’+r)；

x(k|k)=x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))；

p(k|k)=(i-kg(k)h)p(k|k-1)；

所述x(k|k-1)是根据上一时刻估计出这一时刻的加速度状态向量；

所述x(k|k)是当前时刻的最优值加速度状态向量；

所述x(k-1|k-1)是上一时刻的最优值加速度状态向量；

所述u(k)是控制量；

所述a是上一时刻状态转移到这一时刻状态的状态转移矩阵；

所述a’是a的转置矩阵；

所述b是控制量矩阵；

所述q是系统噪声协方差矩阵；

所述r是测量噪声协方差矩阵；

所述h是测量系统的参数矩阵；

所述h’是h的转置矩阵；

所述p(k|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述p(k|k)是x(k|k)对应的协方差矩阵；

所述p(k-1|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述kg(k)是卡尔曼增益矩阵；

所述z(k)是当前时刻的测量值；

进一步，所述实时加速度、速度和位置检测的方法还包括承运质量评价方法，所述承运质量评价方法包括通过判断实时加速度是否超过承运质量阈值，若超过承运质量阈值，则评价承运质量为不合格，否则评价承运质量为合格。

进一步，所述承运质量阈值的设定根据国家电梯相应标准中规定的符合安全要求的电梯起动，制动，振动加速度限制值。

本发明还提供一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，包括实时加速度拟合模块、实时速度估算模块、实时位移估算模块；

所述实时加速度拟合模块用于通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度；

所述实时速度估算模块用于通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度；

所述一次积分算法为：

velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[1]-accelerationz[0])÷2)

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述accelerationz[0]为上一个采样周期的实时加速度；

所述accelerationx[1]为当前采样周期的实时加速度；

所述实时位移估算模块用于通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移；

positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])÷2)

所述positionz[1]为当前采样周期的实时位移；

所述positionz[0]为上一个采样周期的实时位移；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度。

进一步，所述卡尔曼滤波算法包括：

x(k|k-1)=ax(k-1|k-1)+bu(k)；

p(k|k-1)=ap(k-1|k-1)a’+q；

kg(k)=p(k|k-1)h’/(hp(k|k-1)h’+r)；

x(k|k)=x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))；

p(k|k)=(i-kg(k)h)p(k|k-1)；

所述x(k|k-1)是根据上一时刻估计出这一时刻的加速度状态向量；

所述x(k|k)是当前时刻的最优值加速度状态向量；

所述x(k-1|k-1)是上一时刻的最优值加速度状态向量；

所述u(k)是控制量；

所述a是上一时刻状态转移到这一时刻状态的状态转移矩阵；

所述a’是a的转置矩阵；

所述b是控制量矩阵；

所述q是系统噪声协方差矩阵；

所述r是测量噪声协方差矩阵；

所述h是测量系统的参数矩阵；

所述h’是h的转置矩阵；

所述p(k|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述p(k|k)是x(k|k)对应的协方差矩阵；

所述p(k-1|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述kg(k)是卡尔曼增益矩阵；

所述z(k)是当前时刻的测量值；

进一步，所述实时加速度、速度和位置检测的方法还包括承运质量评价模块，所述承运质量评价模块用于通过判断实时加速度是否超过承运质量阈值，若超过承运质量阈值，则评价承运质量为不合格，否则评价承运质量为合格。

进一步，所述承运质量阈值的设定根据国家电梯相应标准中规定的符合安全要求的电梯起动，制动，振动加速度限制值。

进一步，所述实时加速度拟合模块还包括加速度采集模块，所述加速度采集模块用于采集加速度传感器输出的加速度信号。

进一步，所述检测的系统还包括曲线绘制模块，所述曲线绘制模块用于将实时加速度、实时速度、实时位移输出绘制于曲线表示模块。

有益技术效果：

1、本专利采用通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度，通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度，通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移，由于通过对加速度的一次积分求速度，对加速度的二次积分，即对速度的一次积分，即求位移，如果所使用积分的方式是对每次采样值直接进行累加的话，即:第n次积分值=第(n-1)次积分值+第n次采样滤波值，则会出现较大的误差，因此，采用以下改进的积分算法：第n次积分值=第(n-1)次积分值+第(n-1)次采样滤波值+[(第n次采样滤波值-第(n-1)次采样滤波值)/2]*t，其中t为采样周期，具体应用在速度和位移上表现为下列式子，一次积分得到速度，velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[z]-accelerationz[0])>>1)，其中velocityz[1]代表此刻速度，velocityz[0]代表上一采样时刻速度，二次积分得到位移：positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])>>1)，其中positionz[1]代表此刻位移，positionz[0]代表上一采样时刻位移，通过使用改进的积分算法能减小计算本身带来的误差，使结果更为精确。

2、本专利由于传感器本身测量的数据可能受许多干扰因素影响，比如零点漂移，噪声等等，为了检测数据的稳定性和准确性，首先采用卡尔曼滤波对传感器采样的原始数据进行卡尔曼滤波，卡尔曼滤波基本公式如下：

x(k|k-1)=ax(k-1|k-1)+bu(k)(1)

p(k|k-1)=ap(k-1|k-1)a’+q(2)

kg(k)=p(k|k-1)h’/(hp(k|k-1)h’+r)(3)

x(k|k)=x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))(4)

p(k|k)=(i-kg(k)h)p(k|k-1)(5)

得到z轴滤波后的采样数据之后，再对z轴进行速度和位移的计算，通过卡尔曼滤波后的加速度数据，稳定性和准确性提高。

3、本专利采用所述实时加速度、速度和位置检测的方法还包括承运质量评价方法，所述承运质量评价方法包括通过判断实时加速度是否超过承运质量阈值，若超过承运质量阈值，则评价承运质量为不合格，否则评价承运质量为合格，由于电梯乘运质量的简单判断主要是通过对加速度的比较来实现，因为电梯标准中规定了符合安全要求的电梯起动，制动，振动加速度限制值，通过在程序中设置合理阈值来与采样加速度进行比较，如果超出限制值，就说明电梯乘运质量差；如果在限制值之内，则说明电梯乘运质量好，符合了电梯起动、制动、振动加速度限制值的国家标准。

4、本专利还提供一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，由于加速度传感器为三轴数字加速度传感器，可实时检测加速度，通过iic接口与mcu连接在一起，传送加速度信号给mcu，mcu在接收加速度传感器发送的数字加速度信号后，对其进行卡尔曼滤波，以便得到较为精确的信号，并在此基础上通过一次积分运算和两次积分运算分别得到速度信号和位移信号，再通过其带有的蓝牙接口发送出去，手机app在接收到mcu发送出来的加速度信号，速度信号，位移信号后，实时显示出它们的曲线，便于实时分析判断电梯运行的正常与否。

附图说明

图1是本发明一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法的流程图；

图2是本发明一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统的模块图；

图3是本发明一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统的电原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

图中：

s1-通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度；

s2-通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度；

s3-通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移；

s4-承运质量评价方法；

1-加速度采集模块，2-加速度拟合模块，3-实时速度估算模块，4-实时位移估算模块，5-承运质量评价模块，6-曲线绘制模块，7-曲线表达模块

实施例：

本实施例：如图1所示，1、一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度s1；

通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度s2；

所述一次积分算法为：

velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[1]-accelerationz[0])÷2)

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述accelerationz[0]为上一个采样周期的实时加速度；

所述accelerationx[1]为当前采样周期的实时加速度；

通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移s3；

positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])÷2)

所述positionz[1]为当前采样周期的实时位移；

所述positionz[0]为上一个采样周期的实时位移；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度。

由于采用通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度，通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度，通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移，由于通过对加速度的一次积分求速度，对加速度的二次积分，即对速度的一次积分，即求位移，如果所使用积分的方式是对每次采样值直接进行累加的话，即:第n次积分值=第(n-1)次积分值+第n次采样滤波值，则会出现较大的误差，因此，采用以下改进的积分算法：第n次积分值=第(n-1)次积分值+第(n-1)次采样滤波值+[(第n次采样滤波值-第(n-1)次采样滤波值)/2]*t，其中t为采样周期，具体应用在速度和位移上表现为下列式子，一次积分得到速度，velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[z]-accelerationz[0])>>1)，其中velocityz[1]代表此刻速度，velocityz[0]代表上一采样时刻速度，二次积分得到位移：positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])>>1)，其中positionz[1]代表此刻位移，positionz[0]代表上一采样时刻位移，通过使用改进的积分算法能减小计算本身带来的误差，使结果更为精确。

2、根据权利要求1所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波算法包括：

x(k|k-1)=ax(k-1|k-1)+bu(k)；

p(k|k-1)=ap(k-1|k-1)a’+q；

kg(k)=p(k|k-1)h’/(hp(k|k-1)h’+r)；

x(k|k)=x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))；

p(k|k)=(i-kg(k)h)p(k|k-1)；

所述x(k|k-1)是根据上一时刻估计出这一时刻的加速度状态向量；

所述x(k|k)是当前时刻的最优值加速度状态向量；

所述x(k-1|k-1)是上一时刻的最优值加速度状态向量；

所述u(k)是控制量；

所述a是上一时刻状态转移到这一时刻状态的状态转移矩阵；

所述a’是a的转置矩阵；

所述b是控制量矩阵；

所述q是系统噪声协方差矩阵；

所述r是测量噪声协方差矩阵；

所述h是测量系统的参数矩阵；

所述h’是h的转置矩阵；

所述p(k|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述p(k|k)是x(k|k)对应的协方差矩阵；

所述p(k-1|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述kg(k)是卡尔曼增益矩阵；

所述z(k)是当前时刻的测量值；由于传感器本身测量的数据可能受许多干扰因素影响，比如零点漂移，噪声等等，为了检测数据的稳定性和准确性，首先采用卡尔曼滤波对传感器采样的原始数据进行卡尔曼滤波，卡尔曼滤波基本公式如下：

x(k|k-1)=ax(k-1|k-1)+bu(k)(1)

p(k|k-1)=ap(k-1|k-1)a’+q(2)

kg(k)=p(k|k-1)h’/(hp(k|k-1)h’+r)(3)

x(k|k)=x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))(4)

p(k|k)=(i-kg(k)h)p(k|k-1)(5)

得到z轴滤波后的采样数据之后，再对z轴进行速度和位移的计算，通过卡尔曼滤波后的加速度数据，稳定性和准确性提高。

3、根据权利要求1所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法，其特征在于，所述实时加速度、速度和位置检测的方法还包括承运质量评价方法s4，所述承运质量评价方法s4包括通过判断实时加速度是否超过承运质量阈值，若超过承运质量阈值，则评价承运质量为不合格，否则评价承运质量为合格。

由于采用所述实时加速度、速度和位置检测的方法还包括承运质量评价方法，所述承运质量评价方法包括通过判断实时加速度是否超过承运质量阈值，若超过承运质量阈值，则评价承运质量为不合格，否则评价承运质量为合格，由于电梯乘运质量的简单判断主要是通过对加速度的比较来实现，因为电梯标准中规定了符合安全要求的电梯起动，制动，振动加速度限制值，通过在程序中设置合理阈值来与采样加速度进行比较，如果超出限制值，就说明电梯乘运质量差；如果在限制值之内，则说明电梯乘运质量好，符合了电梯起动、制动、振动加速度限制值的国家标准。

4、根据权利要求3所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的方法，其特征在于，所述承运质量阈值的设定根据国家电梯相应标准中规定的符合安全要求的电梯起动，制动，振动加速度限制值。

5、一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，其特征在于，包括实时加速度拟合模块2、实时速度估算模块3、实时位移估算模块4；

所述实时加速度拟合模块2用于通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度s1；

所述实时速度估算模块3用于通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度s2；

所述一次积分算法为：

velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[1]-accelerationz[0])÷2)

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述accelerationz[0]为上一个采样周期的实时加速度；

所述accelerationx[1]为当前采样周期的实时加速度；

所述实时位移估算模块4用于通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移s3；

positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])÷2)

所述positionz[1]为当前采样周期的实时位移；

所述positionz[0]为上一个采样周期的实时位移；

所述velocityz[0]为上一个采样周期的实时速度；

所述velocityz[1]为当前采样周期的实时速度。

6、根据权利要求5所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，其特征在于，所述卡尔曼滤波算法包括：

x(k|k-1)=ax(k-1|k-1)+bu(k)；

p(k|k-1)=ap(k-1|k-1)a’+q；

kg(k)=p(k|k-1)h’/(hp(k|k-1)h’+r)；

x(k|k)=x(k|k-1)+kg(k)(z(k)-hx(k|k-1))；

p(k|k)=(i-kg(k)h)p(k|k-1)；

所述x(k|k-1)是根据上一时刻估计出这一时刻的加速度状态向量；

所述x(k|k)是当前时刻的最优值加速度状态向量；

所述x(k-1|k-1)是上一时刻的最优值加速度状态向量；

所述u(k)是控制量；

所述a是上一时刻状态转移到这一时刻状态的状态转移矩阵；

所述a’是a的转置矩阵；

所述b是控制量矩阵；

所述q是系统噪声协方差矩阵；

所述r是测量噪声协方差矩阵；

所述h是测量系统的参数矩阵；

所述h’是h的转置矩阵；

所述p(k|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述p(k|k)是x(k|k)对应的协方差矩阵；

所述p(k-1|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差矩阵；

所述kg(k)是卡尔曼增益矩阵；

所述z(k)是当前时刻的测量值；

7、根据权利要求5所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，其特征在于，所述实时加速度、速度和位置检测的方法还包括承运质量评价模块5，所述承运质量评价模块5用于通过判断实时加速度是否超过承运质量阈值，若超过承运质量阈值，则评价承运质量为不合格，否则评价承运质量为合格。

8、根据权利要求7所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，其特征在于，所述承运质量阈值的设定根据国家电梯相应标准中规定的符合安全要求的电梯起动，制动，振动加速度限制值。

9、根据权利要求5所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，其特征在于，所述实时加速度拟合模块2还包括加速度采集模块1，所述加速度采集模块1用于采集加速度传感器输出的加速度信号。

10、根据权利要求5所述的一种用于电梯实时加速度和速度以及位置检测的系统，其特征在于，所述检测的系统还包括曲线绘制模块6，所述曲线绘制模块6用于将实时加速度、实时速度、实时位移输出绘制于曲线表示模块。

由于加速度传感器为三轴数字加速度传感器，可实时检测加速度，通过iic接口与mcu连接在一起，传送加速度信号给mcu，mcu在接收加速度传感器发送的数字加速度信号后，对其进行卡尔曼滤波，以便得到较为精确的信号，并在此基础上通过一次积分运算和两次积分运算分别得到速度信号和位移信号，再通过其带有的蓝牙接口发送出去，手机app在接收到mcu发送出来的加速度信号，速度信号，位移信号后，实时显示出它们的曲线，便于实时分析判断电梯运行的正常与否。

工作原理：

本专利通过卡尔曼滤波算法将采集的加速度信号滤波并拟合成实时加速度，通过一次积分算法将实时加速度计算为实时速度，通过二次积分算法将实时速度计算为实时位移，由于通过对加速度的一次积分求速度，对加速度的二次积分，即对速度的一次积分，即求位移，如果所使用积分的方式是对每次采样值直接进行累加的话，即:第n次积分值=第(n-1)次积分值+第n次采样滤波值，则会出现较大的误差，因此，采用以下改进的积分算法：第n次积分值=第(n-1)次积分值+第(n-1)次采样滤波值+[(第n次采样滤波值-第(n-1)次采样滤波值)/2]*t，其中t为采样周期，具体应用在速度和位移上表现为下列式子，一次积分得到速度，velocityz[1]=velocityz[0]+accelerationz[0]+((accelerationx[z]-accelerationz[0])>>1)，其中velocityz[1]代表此刻速度，velocityz[0]代表上一采样时刻速度，二次积分得到位移：positionz[1]=positionz[0]+velocityz[0]+((velocityz[1]-velocityz[0])>>1)，其中positionz[1]代表此刻位移，positionz[0]代表上一采样时刻位移，本发明解决了现有技术存在还不具备同时检测电梯加速度、速度、位移等参数的问题，具有减小计算本身带来的误差，使结果更为精确、稳定性和准确性高、符合国家标准、实时分析判断的有益技术效果。

利用本发明的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。