基于機器視覺的智能電梯仿真設計及測控技術

黃振HUANG Zhen

（廣州匯古建設有限公司，廣州 510663）

0 引言

在高層民用建筑、大型商業建筑中，群控電梯具有減少乘客候梯時間、合理分配電梯資源、提高電梯響應速度等一系列優勢，因此得到了推廣使用。但是群控電梯在實際應用中也不可避免出現空載等無效調度，浪費了能源。將機器視覺檢測技術、人工智能技術等應用到群控電梯中，通過采集現場圖像信號，避免了候梯廳有呼叫但無人、轎廂內有呼叫卻空載的無效調度情況，從而進一步優化電梯調度，使運行效率提升，運行能耗下降。為驗證基于機器視覺的智能電梯調度功能實現情況，本文通過構建仿真模型的形式進行了驗證。

1 電梯仿真模型的工作原理

電梯仿真模型主要由PC 上位機、電動機、滾珠絲杠副、轎廂、光軸導軌、圖像采集系統等組成，如圖1 所示。利用PC 機軟件界面分別模擬轎廂A 和轎廂B 內的呼叫按鈕，以及候梯廳的呼叫按鈕。圖像采集系統采集到的前端圖像信息傳輸至PC 機，用于判斷轎廂與候梯廳的現場情況，例如候梯廳有人或無人，轎廂滿載或空載等。接收到前端呼叫信號后，PC 機根據既定程序發出調度信號，電信號進步進電動機轉化成脈沖信號，帶動滾珠絲杠轉動。然后利用光軸導軌帶動圓法蘭上下移動，固定在圓法蘭上的轎廂隨之上行或下行。

圖1 電梯仿真模型的結構組成

2 基于機器視覺的智能電梯仿真設計

智能電梯仿真模型共計6 層，設有2 個轎廂，分為硬件和軟件兩部分。硬件部分又包括由光軸導軌、圓法蘭等組成的機械系統，由控制中心、顯示器等組成的電氣系統，以及由CCD 相機等組成圖像采集系統。軟件部分又分為由圖像處理、通訊校驗等組成的上位機，由升降電機、門控電機等組成的下位機。

2.1 電梯仿真模型的硬件設計

2.1.1 機械系統設計

仿真模型中利用同步帶傳動機構控制門的開關，用小型減速步進電機提供開關門的驅動力。利用滾動絲杠螺母副控制轎廂的升降，其傳動效率更高（＞95%）、摩擦阻力矩小，可保障轎廂上行、下行時的安全。設計中使用絲桿長度800mm，公稱直徑15mm，精度等級為7 級；滾道硬度60HRC；螺母最大上升速度6mm/s。光軸導軌的作用是保持轎廂運行的平穩性，本設計中采用光軸法蘭式導軌，使光軸和絲桿平行放置，將法蘭套在光軸上，再將轎廂和螺母、法蘭連接起來，保證轎廂能夠在絲桿轉動下穩定上升、下降。光軸材質為45 鋼，光軸支架采用鋁材。轎廂尺寸240mm×120mm×120mm，材質為有機玻璃。

2.1.2 電氣系統設計

電氣系統主要由空氣開關、步進電機驅動器、門控電機等組成，整體結構如圖2 所示。

圖2 電氣系統框架圖

本設計中使用變壓器將220V 交流電降壓成20V 和40V 的交流電，分別為步進電機驅動器1 和2 供電。步進電機驅動器可以將脈沖信號進行合理分配，在接收脈沖信號后，根據脈沖數量以及驅動器設置，實現對電機角位移量的控制，做到了精準定位。空氣開關發揮了對電氣系統的保護作用，在電梯仿真系統的電路或電氣設備出現故障（如短路、過載等）后，空氣開關立即斷開，保護整個系統的安全。直流穩壓電源為單片機、門控電機等供電。單片機、升降電機、門控電機等，均屬于下位機的硬件部分，除此之外還包括上位機與下位機之間的通信裝置，也是智能電梯仿真模型電氣系統的重要組成部分。在仿真設計中，還要重點考慮設備選型問題，保證所選設備能夠滿足電梯仿真模型的運行需要。以步進電機為例，其功能是帶動絲桿轉動，進而實現轎廂的上升或下降。已知絲桿質量（ms）為0.686kg，公稱直徑（d）為15mm，導程（Ph）為5mm，轎廂自重（mj）為10kg，則絲桿轉動慣量（Js）為：

轎廂折算到絲桿上的轉動慣量（Jj）為：

根據上述計算結果，仿真設計中所用步進電機的轉子轉動慣量不應低于0.772kg·cm2。本設計中選用86BYG250B 型步進電機，轉動慣量為3kg·cm2，可以滿足設計要求。

2.1.3 圖像采集系統設計

攝像機用于采集候梯廳和轎廂內的圖像，考慮到電梯仿真模型的空間有限，不可能在每層均安裝攝像機，因此本設計中使用一臺工業相機采集各層候梯廳的圖像，在后期圖像處理中再進行分區、分層。候梯廳有效圖像采集區域為0.8m×0.6m，轎廂內有效圖像采集區域為0.12m×0.08m。相機使用焦距為8mm 的鏡頭，搭配尺寸為4.8mm×3.6mm 的1/3″CCD。參照候悌廳內有效區域長度，可以計算出鏡頭到被攝物體的最短距離（D）：

根據式（3）可知，相機安裝在距離電梯仿真模型正對候梯廳的1.4m（取整）處較為合適。按照同樣的方法，計算出相機安裝在轎廂上方距離轎廂頂部0.2m 處較為合適。

2.2 電梯仿真模型的硬軟件設計

2.2.1 上位機軟件設計

上位機程序使用VC++8.0 編寫，主要包括通訊校驗模塊、圖像處理模塊、需求判斷與響應模塊等，上位機的運行流程如圖3 所示。

圖3 仿真電梯模型上位機流程圖

在程序開始后，首先執行通訊校驗，如果校驗未成功，則直接結束程序，由技術人員檢查存在的故障。等到校驗成功后，各功能按鈕上電，圖像處理模塊的相機以及通訊模塊的通信裝置正常運行。判斷電梯是否被需求，并處于待機狀態。當電梯被需求時，圖像處理模塊將現場圖像信息上傳至PC 機，根據圖像分析結果判斷該需求是否需要被響應。如果需要，則啟動需求響應模塊，通信模塊工作；如果不需要，則返回電梯待機狀態。通信模塊運行后，PC機接收下位機反饋的狀態標志位信號，狀態判斷模塊、圖像處理模塊投入運行，完成電梯調度。

圖像處理模塊中應用了機器視覺檢測技術，在候梯廳和轎廂內沒有人時采集現場圖像，將其作為“背景圖”；在有人的情況下采集現場圖像，將其作為“前景圖”。基于機器視覺的檢測技術，應用目標提取法，提取出在前景圖中有、背景圖中沒有的圖像特征，以此判斷候梯廳內有人或無人，以及轎廂內空載或滿載。為了保證判斷結果的精確性，還運用了拉普拉斯銳化進行圖像增強處理，以便于圖像分割，增強判斷結果的可靠性。圖像模塊的軟件處理流程如圖4 所示。

圖4 圖像處理模塊軟件流程圖

基于機器視覺的目標提取方法主要有光流法、減背景法兩種。本設計中使用減背景法，可以提高圖像快速處理效率，并且具有較強的抗噪性能。

2.2.2 下位機軟件設計

該部分內容主要是設計單片機的控制程序。單片機執行程序前，需要根據主機程序中串口通信參數進行串口的初始化設置。然后進入待機狀態，每隔一定時間執行一次“接收到對本機指令？”的判斷程序，如果未接收到指令，則繼續等待，并重復該判斷程序，直到確認接收到指令，開始進行通訊校驗。若校驗為成功，則自動終止本次程序，并由技術人員檢查故障。若校驗成功，則向上位機發送校驗成功的信號。之后再根據上位機發送的調度指令做出相應的動作，并且在指令執行完畢后向上位機發送該指令執行完畢的信號，之后等待下一次指令。主要流程如圖5 所示。

圖5 仿真電梯模型下位機流程圖

下位機軟件中，除了下位機通訊模塊外，還包括通訊校驗、升降電機控制數碼管顯示等模塊。以數碼管顯示為例，借助于下位機通訊模塊將候梯廳的數碼管顯示信息發送給上位機。當上位機接收指令后，將轎廂內數碼管相連的單片機I/O 口置為O，并顯示當前樓層。與候梯廳當前樓層數碼管相連的單片機I/O 口置為O，轎廂所在樓層數碼管工作，顯示當前樓層。

3 基于機器視覺的智能電梯測控試驗

利用設計好的智能電梯仿真模型，分別進行了以下3次調度測控實驗：①兩轎廂均處于靜止狀態，分別在距離A 轎廂較近、距離B 轎廂較近、距離A 和B 轎廂一樣近的候梯廳進行呼叫，觀察電梯運行情況；②使A 轎廂禁止，對應樓層為X 樓，使B 轎廂運動，對應樓層為Y 時，在樓層Z 進行實驗，觀察轎廂運動方向、候梯廳呼叫方向和電梯調度情況；③使A 和B 兩個轎廂都處于運動狀態，進行呼叫。實驗結果顯示，在實驗①中，距離A 轎廂近時，調用A 電梯；距離B 轎廂近時，調用B 電梯，距離A 和B 一樣近時，調用A 電梯。在實驗②中，實驗結果如表1 所示。可以發現該電梯滿足響應模塊要求。在實驗③中，呼叫發出后，電梯繼續原有運動，等到電梯完成該方向運動的所有呼叫之后再進行需求判斷并回應呼叫。

表1 智能電梯調度測試統計表

綜上，本次測控實驗中智能電梯仿真模型的調度合理，呼叫需求回應及時，符合設計預期。

4 結語

將機器視覺技術應用到智能電梯中，通過采集分析候梯廳與轎廂的圖像信息，可以精準判斷呼叫是否有效、轎廂是否空載，并根據判斷結果合理調度電梯，從而提高了電梯運行效率，減少了無效調度，降低了電梯運行能耗，應用效果良好。