用于电梯的基于辐射的非接触式 位置参照系统和方法 本发明涉及电梯领域，特别是与确定移动电梯轿厢的绝对位置和速度有关。
为了平稳地停下电梯并与平层对齐，系统必须知道何时开始停下、何时进入平层模式，以及何时开始开启电梯轿厢门。为实现这些功能，必须了解轿厢在所有时刻的准确位置。为了监测轿厢在电梯井道中的运行，在安装时特别是在高层建筑物中安装时，通常使用一种称为初始位置传感器(PPT)的数字编码器。PPT装在机械室中，其位置允许带齿钢带(“选择器带”)直接钩到轿厢机架上。随着轿厢在井道中上下移动，选择器带驱动链轮或带轮，依次驱动PPT转子，以得出轿厢位置在64分之一英寸内的恒定的数字读数。
选择器带的安装，要求机械室中的滑轮和电梯凹槽中的张紧滑轮保持带不颤动。该带靠在井道中电梯轿厢的侧面，因此要求额外的安装空间。目前，设计上着重于整个电梯系统的“轨迹”尽可能小，以便建筑物中可使用空间最大，无论建筑物自身处于何目的。为此，希望有另外一种确定轿厢位置的方法。
简言之，电梯轿厢用的位置参照系统包括激光器，其发射的光束被镜子反射。激光或镜子中一个处于非移动位置，而另一个固定在电梯轿厢上并随着电梯轿厢移动。
激光束调制成两种频率，频率之一提供电梯轿厢的一个粗略位置，而另一频率提供电梯轿厢的一个精细位置。当电梯轿厢静止时，产生位置校准。当电梯轿厢开始移动时，粗略位置被跟踪，同时精细位置由两个调制频率中较高频率确定。这样，根据较高的调制频率，移动地电梯轿厢的绝对位置的准确程度总能知道。
按照本发明的一个实施例，电梯轿厢用的位置参照系统包括发射和响应装置，用于从动力源发射电磁辐射，以及在电磁辐射投射到响应装置时，使响应装置响应；将电磁辐射调制成两个不同频率的调制装置；确定电梯轿厢是否处于静止状态的装置；当电梯轿厢静止并对调制装置起反应时，用于在电梯轿厢静止时对系统校准以确定电梯轿厢初始位置的校准装置；响应于电梯轿厢和调制装置的初始位置的粗略位置装置，以在电梯轿厢移动时确定电梯轿厢粗略位置；响应于调制装置，以在轿厢移动时确定电梯轿厢精细位置的精细位置装置；以及基于粗略位置和精细位置，以在电梯轿厢移动时确定电梯轿厢绝对位置的装置。
按照本发明的一个实施例，确定电梯轿厢的绝对位置的方法包括从动力源发射电磁辐射以及在电磁辐射投射到响应装置时，使响应装置响应的步骤；将电磁辐射调制成两个不同频率的步骤；确定电梯轿厢是否处于静止状态的步骤；响应调制步骤和确定步骤，在电梯轿厢静止时系统以确定电梯轿厢初始位置的校准步骤；响应于电梯轿厢初始位置和调制步骤，以在电梯轿厢移动时确定电梯轿厢粗略位置的步骤；响应于调制步骤，以在轿厢移动时确定电梯轿厢精细位置的步骤；以及基于粗略位置和精细位置，以在电梯轿厢移动时确定电梯轿厢绝对位置的步骤。
图1为本发明一实施例的激光位置参照系统，
图2为一个图表，示出作为精细位置和粗略位置测量的函数的位置。
通过测量辐射脉冲的传送时间，可用光在空气(真空)中的恒定速度来获得量程信息。该原理首次应用于雷达中。不是使用脉冲，而是可使用连续波(CW)幅度调制(AM)辐射。将发送和回波的包线的相位进行比较，可以确定量程。调制频率越高，系统的分辨能力越高。然而，相位不模糊仅仅能测量到360度。这将限制系统的量程。在目前商业系统中，通过使用两个或更多个调制频率的度量来克服这种限制。这需要两个或更多相同系统(不能真正实现)或调制频率的时间多路传送系统。使用多个频率的系统解决了模糊的问题，但允许控制传统乘客电梯位置的每个循环所需的时间太多。
采用Otis新式初始位置转换器(SPPT)，一旦启动该转换器，不会产生模糊。该SPPT由美国专利US5,274,203加以公开，在此，该文献被引用参考。该SPPT是一种测量粗略区域中位置的准绝对编码器。使用区域以及在每个区域中测量的概念，基于相位测量的激光量程探测器的模糊可以消除，同时，获得最快可能的移动目标位置的最新值。
下面说明基于辐射的、电梯用无接触式位置参照系统。该系统基本上是一种激光-SPPT。该系统用于低层电梯是非常经济的，同时也适用于高层电梯，因为该系统的量程范围为500m或更多。
参照图1，传感器10位于顶部(电梯井道的顶部)，并发射光束12到位于电梯轿厢30顶上的反射器20上。光束12反射到传感器10中的探测器中。交替放置的传感器10和反射器20包括将反射器20置于顶部而传感器10位于轿厢30上，将传感器10置于凹槽(电梯轿厢的底部)和反射器20位于位于轿厢30底部，以及传感器10位于轿厢30的底部，而反射器20位于凹槽的布置方式。随着轿厢30沿着导轨40上下运行，光束12长度改变，光束12离开传感器10以及返回的时间与光束12长度成正比。
光束12最好是电磁辐射，其传送速度为c＝3*108m/s。尽管因工业用激光量程探测器的可利用性的提高，激光系统是较佳的，但任何电磁辐射频率也是可行的，除了不能提供适当的速度或分辨能力的低频外。利用反射器或转发器任一，均可实现使用微波辐射的系统。该转发器重发接受到的信号，并帮助消除与多路反射有关的问题。
事实上辐射速度在真空中为常数这一点，可用于发现传感器至反射器X的距离。该距离称作量程。该量程可由传送时间测定结果T确定。这样，
2*X＝c*T。
对T所要求的分辨能力由2*X/c限定。如X＝1mm，则时间增量为6.6710-12秒。这种测量是非常困难的，除非可获得多次测量结果并平均之。
测量量程的另一种方式是使用Fizeau的变更方法，Fizeau方法是在1849年用于测量光速的(Greene，J.R.，通过电磁相位比较技术进行的短量程距离测量，Geophysical Prospecting，v.25，pp.269-279；1977)。Fizeau使用一个带有许多缺口的转盘，以调制传送到6km远的反射器的光。通过该盘上的用于割截传送光束的缺口可见该返回的光束。Fizeau调节盘速，直到他看见光不返回为止。这意味着相位偏移2π弧度。
Fizeau试验的新形式中，使用了发射源和能够工作至几百兆赫的电子调制器。在传送和返回光束之间相位的弧度偏移易由下式示出，
2*X*f/c*2π，
其中，f＝调制频率，当f＝100MHZ，相位偏移2π时，X＝1.5m。
该例刚好示出测量到的相位为2π弧度，则可测量到量程为0到1.5m。由上式获得的相位可增加到任意的较大值。然而，相位仅仅可直接在2π范围内测量。这样，
phase_meas(相位_测量)＝phase(相位)-2π(n-1)，
其中，n＝区域号。已知通过选择第二个调制频率，可确定区域。对于调制频率为1.0MHZ，清楚的范围可能在150m内。这样对于使用调制频率为100和1MHZ的系统来说，可考虑150m的清楚的量程在100区域中。使用低调制频率，可发现该区域。使用较高的调制频率，可发现在该区域中的位置。然而，尽管该技术用于建立位置需要许多时间的静止电梯中，但是当电梯处于运行和平层时该技术太慢而不能测量电梯的位置。
参照图2，图示出了一种方法。分别示出了使用100MHZ和1MHZ调制制成的测量结果，分成精细和粗略部。区域可用粗略测量实现。然而，在电梯移动期间的电梯系统中使用该方法，事实上并不够快。因此，本发明中，一旦已知初始区域，所发现的区域完全来自精细测量。随着电梯轿厢30的移动，以及测量在精细位置进行，注意到突然的变化。当这些变化发生时，能够预料到，这是因为区域长度被准确地知道的缘故。下面描述出确定位置的可能代码。参数区域-长度是已知的。
-->12.then13.zone＝zone＋114.end if15.position(位置)＝zone*zone_length(区域_长度)＋fine_pos16.if stop(停止)＝所希望的17.then measure＝018.end while]]>
上述代码示出如何仅仅从精细位置测量而连续获得位置的思路。只仅仅示出基本技术，但可有许多变化。也可使用有效码进行数据试验以保证一致性和数码以解决辐射瞬时中断，等。
长距离范围内准确度量用的多个频率的使用取决于相位测量设备中的限制。通常，在中等成本的系统中，相位准确率可相当于1000分之一。再次回到例子，使用100MHZ的调制频率，可准确到1500/1000＝1.5mm。使用1MHZ调制频率时，可在150mm内确定区域。所描述的操作原理包括在各种形式的工业用相位为基础的度量仪器中。包括由瑞士(Switzerland)的Scottsdale，AZ的相位激光系统(PLS)和Heerbrugg和Leica Geosystem(Leica)制成的度量传感器。这些仪器最初用于一般目的的度量如陆地测量、液面测量等。所以在这些仪器的一些例中，获得量程的时间为几秒。如此长的时间不适用于跟踪电梯。目前OtisE411系统在利用SPPT信息工作时，大约有40ms延迟。这样，具有40ms或更少的跟踪延迟的激光-SPPT可直接用于E411系统。模拟研究表明，跟踪延迟直到150ms均可允许运动控制的微小重调。
对激光-SPPT的要求限定于下面的、从激光位置传感器用功能描述的选择上。原理装置想象为一对专门的单-激光量程探测器，该探测器机械连接并且与每个量程探测器供给的外侧速度-检测回路相结合。对于初始位置测量，下面的描述是最佳的：100m的量程，20位编码(1，048，576)，0.5mm的标准分辨率，2mm的再现性，以及在40ms恒定速度下移动的目标的最大跟踪延迟。对于第二位置测量的要求最好与初始位置测量的相同。
位置增量由SPPT中使用的滑轮直径限定。滑轮直径D为mm，位置增量为δx。SPPT刻度为每转4096读数。这样，
δx＝πD/4096
对于通常使用的SPPT滑轮直径D为508mm时，δx值为0.3896mm。对于δx＝0.5000mm时，D有效数值为651.899mm。发送位置最好是δx增量的读数。
激光-传感器组件基本作用是确定从组件到目标的距离的度量模式。与SPPT的可混用性，要求位置基准在凹槽中为0点，而向上为增加的位置。使用下述的限定：
R＝从传感器到位于初始通道上目标的量程(mm)
H＝从传感器到基准点的距离(mm)
从而控制电梯的位置为
X＝H－R
通常轿厢停靠在第一平层时，X＝10,000mm。参数D和H最好能够预先设置于位置传感器中，从而比照已设置在控制器中的楼层表。
第二通道必须在20mm的范围内对准初始通道。
在传感器组件中的激光传感器存储体在操作期间最好是自校准。这要求目标是静止的。目标(电梯轿厢)的运动状态对于控制器的运动状态是已知的，传感器组件连接到控制器上，这样，允许产生逻辑信号显示何时可执行动态校准。当动态校准允许时，硬件最好提供一个逻辑高(标准为5.0V)。逻辑零(标准为0.0V)最好意味着不知道目标是否静止。允许动态校准的最长时间为1.0秒。实际上，允许传感器在所有的电梯系统中操作。如需要的时间越多，获得更多时间的可能性就越大，但每个情况下需要分另审查。
对于初始和第二通道两者，速度是由位置和时间信息计算的。计算最好不要牺牲数字的准确性。最好的方法是，计算大约每10ms的速度，以及保持8次计算的运行平均值。11位和符号位是最好的输出值。标度(scaling)最好由SPPT滑轮直径D限定。对于滑轮直径D的每个读数，基本标度为0.25rpm。对于D＝508mm时，标度相等于6.65mm/s/count。“1”符号位最好意味着负的速度。
尽管不够准确，但计算速度的另一种方法包括使用
vel(速度)＝(x2－x1)/δt
其中，δt为大约50ms的时间增量，x1和x2为时间增量开始和结束时确定的位置。当对速度有要求时，最后可获得的计算值为输出值。这意味着速度可具有75ms长的停滞。在最大加速度为1200mm/s^2时，导致可适应电梯系统控制器中的速度检测公差的90mm/s的速度差错。
在SPPT中的速度定标在0.25rpm/count。对于滑轮直径D，要求新传感器的标度为
vel_scaling(速度_标度)＝πD/240
D＝508mm时，vel_scaling＝(6.65mm/s)/count。
初始化最好是加电时自动出现，最好在2秒内完成。转换器最好通过发送，在初始和第二通道两者的二进制位置为零来通知其没有初始化。
初始和第二位置通道必须是独立的。无论是初始通道还是第二通道的破损最好均不能影响另一通道。这样的目的是通过与第二通道相比来检测初始通道的破损情况。这种比较最好在接受来自传感器的信息的控制器中进行。
数据的传送速度最好不低于9.6k波特(kBaud)。希望采用较快速度。循环时间最好足够快以在至少每10ms允许更新位置和速度信息。为了防止电梯在减速期间振动，轿厢位置最好是刚好在响应控制器之前以最新的位置/速度更新。
除了位置，激光度量系统还能够确定电梯轿厢30的速度。因此，最好提供一种不连续的速度检测信号，以显示低于规定的阈值(速度检测)的速度。
利用激光-SPPT以控制电梯位置的实施例如下所述。首先，电梯在启动时为静止状态，传感器在1.0秒内初始化。接着，电梯轿厢30使用单-频率最新值运行，这是因为已知区域转换是连续的缘故。电梯速度不希望超过15m/s(大多数电梯的最高速度小于4m/s)。每40ms更新位置，并且使用15m/s的速度，电梯最大移动量为0.6m。由于在本实施例中，区域被限定为1.5m远，所以，区域总能被单-频率测量装置确定。进一步有助于了解位置的是，电梯总是在限定的运送方向运行。这意味着，除了希望在运行的最后几毫米，轿厢位置单调地变化。
电梯轿厢用的位置参考系统存在2个基本目的：(1)使电梯轿厢准确地和迅速地停靠平层，(2)为了安全起见监测大约位置。除了提供终端保护用的过剩位置信号外，激光-SPPT还可完成这两个功能。电梯轿厢速度的确定如上所述。该速度信息最好用于安全检测目的，正如用于向前的门开启的门区域速度检测。当轿厢处于静止状态时，类似于上述校准方式，检测电梯轿厢的绝对位置。
SPPT使用一个备用电池，以在动力中断后需要提供轿厢位置时使用，而不必移动轿厢。在激光-SPPT中不需备用电池，因为当动力重新供给时，绝对位置作为起始的增加动力消耗校准的部分，被自动地确定。激光-SPPT最好提供一个当没有建筑物动力时，是否带有备用电池和读数装置的轿厢位置读出装置。
本发明已参照专门的实施例和附图进行了说明，对于本领域的普通技术人员应当理解到，本发明并不限于该较佳实施例，在不超出本发明所附的权利要求书所限定的范围内，可作出各种变更和变化。