基于機(jī)器視覺的電梯曳引輪滑動檢測方法研究

李雨風(fēng)，唐力方，李發(fā)潛

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530299）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)繁榮，高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，電梯也因此成為現(xiàn)代建筑中的關(guān)鍵組成部分。在這一領(lǐng)域中，曳引電梯憑借其卓越的性能和廣泛的適用性，已成為使用最為普遍的電梯類型之一[1]。曳引電梯的運(yùn)行依賴于曳引輪作為其動力源，這種動力傳遞是通過曳引輪與鋼絲繩間產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的，從而使電梯廂能夠順暢地上下移動。然而，隨著電梯使用時(shí)間的不斷增長，曳引輪和鋼絲繩都會不可避免地出現(xiàn)一定程度的磨損現(xiàn)象。這種異常滑動會影響電梯的安全，造成電梯事故[2]。然而，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范中并未具體闡述一種明確的滑動定量檢測手段或失效的判定準(zhǔn)則，因此對電梯曳引輪滑移進(jìn)行定量評價(jià)成為電梯安全研究的熱點(diǎn)問題。

馮子朔等[3]從鋼絲繩與曳引輪槽的匹配、輪槽磨損、曳引輪與鋼絲繩夾角三個角度確定牽引變化的原因；在設(shè)計(jì)值符合國家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，因安裝、操作、維護(hù)不當(dāng)而增加牽引系數(shù)，并提出相關(guān)改進(jìn)建議。基于此，本文提出基于機(jī)器視覺的電梯曳引輪打滑檢測非接觸式測量方法。在曳引輪邊緣和鋼絲繩上同一位置做一個白線標(biāo)記，當(dāng)電梯往返一圈后發(fā)生曳引輪打滑時(shí)，兩個白線標(biāo)記不匹配。然后，通過圖像處理算法對原始圖像的位錯信息進(jìn)行處理，得到電梯曳引輪的滑動，且通過系統(tǒng)測試研究滑點(diǎn)圖像檢測方法的誤差。

1 曳引輪滑動檢測檢測方案

1.1 滑移檢測方法

曳引輪與鋼絲繩之間的位移發(fā)生在電梯往返運(yùn)行過程中，基于機(jī)器視覺的電梯曳引輪滑移檢測方法是通過標(biāo)記獲得曳引輪與鋼絲繩在圓周方向上的位錯圖像，利用圖像非線性幾何變換和質(zhì)心可以得到曳引輪與鋼絲繩之間的滑移方法。（1）在曳引輪邊沿與鋼絲繩相對應(yīng)的地方分別施以白色標(biāo)記[4-5]。（2）為了獲取滑點(diǎn)的圖像，采用了圖像處理算法，可以精確地計(jì)算出兩個白色標(biāo)記在圓周方向△y上的相對偏移距離。如果計(jì)算出的△值小于預(yù)先設(shè)定的最小偏移距離ε，那么可以認(rèn)為這個標(biāo)記是滿足要求的；反之，如果△值大于或等于ε，那么這個標(biāo)記就不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需要重新進(jìn)行標(biāo)記[6]。（3）在電梯的往返運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，那么曳引輪邊沿和鋼絲繩上的白色標(biāo)記就會發(fā)生錯位。這時(shí)會使用位于曳引輪正上方的CCD 相機(jī)來收集這些標(biāo)記的原始圖像。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

攝像機(jī)通過鋁型材支架直接放置在電梯曳引輪上方，調(diào)節(jié)攝像機(jī)的中心線，使其與曳引輪的中心軸線重合。需要攝像機(jī)收集在電梯往返后在曳引輪和鋼絲繩上的白色標(biāo)記之間檢測到的打滑圖像[7]。利用圖像算法分析曳引輪的打滑情況。

實(shí)驗(yàn)硬件平臺包括CCD 相機(jī)、鏡頭、白光LED光源、連接工業(yè)相機(jī)的30 mm 范圍移動平臺，以及電梯測試室，包括曳引輪、鋼絲繩等配件。實(shí)驗(yàn)測試軟件是在LabView8.5 中開發(fā)的，并結(jié)合Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 滑移檢測算法

2.1 圖像的非線性幾何變換

為了降低圖像的冗余度，首先從原始圖像中選定ROI（感興趣區(qū)域）來獲取ROI 圖像，這樣做能夠有效減少算法的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而提高處理速度。在選定ROI 的過程中，X軸方向上的范圍應(yīng)確保完整涵蓋鋼絲繩和曳引輪的邊緣部分；而在Y軸方向上，選擇應(yīng)基于攝像機(jī)的主光軸作為對稱中心，以確保圖像的均衡性和準(zhǔn)確性，并包括兩個白色標(biāo)記[8]。

圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)由原先的圖像左上角遷移至圖像的中心點(diǎn)，從而定義了新的ROI（感興趣區(qū)域）圖像坐標(biāo)系。利用公式（1），將坐標(biāo)系的原點(diǎn)移至點(diǎn)，Hc代表的是ROI（感興趣區(qū)域）圖像在X軸方向上的長度，Lc為Y軸方向的長度。（xa，ya）是ROI 圖像中的坐標(biāo)，（xb，yb）是是平移后的坐標(biāo)。

當(dāng)圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)被調(diào)整至中心位置時(shí)，圖像轉(zhuǎn)換成為必要的步驟。圖1 為非線性幾何變換的基本原理。圖中圓形代表曳引輪的正視投影，參照位置M為攝像機(jī)的主光軸所處的直線和ROI圖像Y軸之間的交叉。對象圖象JK、M在一個平面上，并與照相機(jī)透鏡平行。通過攝像機(jī)的投射，將實(shí)際圖象的圓弧HI轉(zhuǎn)化成原圖象FG。C點(diǎn)為原圖上任一點(diǎn)，點(diǎn)D為原圖的對應(yīng)點(diǎn)，點(diǎn)E為原圖的對應(yīng)點(diǎn)。

圖1 非線性幾何變換示意圖

線段EM的計(jì)算方法如式（2）所示，然后通過式（3）對整個ROI 圖像進(jìn)行變換。則可以得到目標(biāo)圖像的坐標(biāo)（xc，yc）。

式中，R為曳引輪的半徑。

（xb，yb）為平移后的像素坐標(biāo)，（xc，yc）為目標(biāo)圖像中的像素坐標(biāo)。y0是圖像非線性幾何變換反變換后ROI 圖像中像素點(diǎn)對應(yīng)的y坐標(biāo)，y1和y2是與y0相鄰整數(shù)部分的坐標(biāo)，因此利用f（y0）填充灰度值。則利用式（4）和（5）可用來計(jì)算f（y0）。

式（4）可以簡化為：

在經(jīng)過線性插值法對灰度進(jìn)行填充后，采用滑移檢測的圖像處理算法來對目標(biāo)圖像進(jìn)行處理，需要通過式（6）將目標(biāo)圖像的坐標(biāo)系原點(diǎn)調(diào)整到左上角的位置，用Hc和Lc來分別代表目標(biāo)圖像在X軸和Y軸上的長度。

2.2 滑動檢測的圖像處理算法

在對圖像進(jìn)行非線性幾何變換后，ROI 圖像已轉(zhuǎn)化為等距離圖像，其像素等效值也是一個固定值。兩個標(biāo)記之間的像素級距離可以通過圖像處理算法獲得。

由于環(huán)境和硬件因素的影響，采集到的圖像含有高斯噪聲。因此，利用非線性平滑濾波器中的中值濾波器去除噪聲，可以很好地保留圖像的細(xì)節(jié)信息。在測試中，白色被用作標(biāo)記的顏色，主要因?yàn)榘咨秃谏g有明顯的對比。因此，標(biāo)記與背景之間的灰度值差異很大，可以使用固定閾值法對圖像進(jìn)行二值化處理。二值化圖像如圖2（a）所示。

圖2 處理后的圖像

由于鋼絲繩由絞合股組成，二值化后鋼絲繩的亮部也會被處理成白色，但由于技術(shù)原因，區(qū)域較小，且相互之間不相連，兩個白色標(biāo)記的邊緣毛刺較多。因此，本文選擇形態(tài)學(xué)操作中的開放式方式來解決上述問題。采用5 × 10 結(jié)構(gòu)元素的矩形結(jié)構(gòu)來去除毛刺并隔離點(diǎn)。形態(tài)學(xué)操作后的圖像如圖2（b）所示。如圖2（c）所示，面積最大的兩個連接區(qū)域?yàn)闃?biāo)記區(qū)域。然后提取面積最大的兩個連接區(qū)域，記為兩個標(biāo)記區(qū)域。

3 測試結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場測試

為了驗(yàn)證基于機(jī)器視覺的電梯曳引輪打滑檢測方法的可行性和檢測算法的性能，在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了電梯曳引輪打滑現(xiàn)場測試。測試選擇的電梯參數(shù)如下：額定速度為95.5 r/min，曳引輪半徑R為400 mm，吊籠重量為373 kg，最大運(yùn)行高度為2400 mm。測試過程中，電梯空載運(yùn)行一個來回作為一組測試實(shí)驗(yàn)記錄，連續(xù)不間斷地進(jìn)行九組實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)收集三幅原始圖像，共27 幅圖像。對于每張?jiān)紙D像，采用本文的檢測方法得出滑移量。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)像素當(dāng)量k=0.86 mm，標(biāo)記的初始偏差距離△y=1.2 mm 時(shí)，每組實(shí)驗(yàn)的滑移量由每組實(shí)驗(yàn)的三個檢測結(jié)果的平均值得出。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Excel 軟件處理。

表1 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，在電梯技術(shù)人員的配合下，通過對電梯控制柜的數(shù)據(jù)采集，獲得了曳引輪驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)角信息；將電動機(jī)參數(shù)與曳引輪半徑相結(jié)合，得到了曳引輪的實(shí)際位移。因?yàn)樯禉C(jī)在經(jīng)過一次回轉(zhuǎn)之后，已經(jīng)恢復(fù)到了原來的位置，所以鋼索的移動位移是0，所以，在這個時(shí)候，曳引機(jī)的移動量就是滑動。電梯控制柜獲得的滑移精度可達(dá)0.1 mm。但是，如果從電梯控制柜中獲取曳引輪的滑移量，可能會造成電梯運(yùn)行不安全的風(fēng)險(xiǎn)，不適合電梯維護(hù)人員現(xiàn)場檢測。本文采用該方法獲得了電梯滑移的真實(shí)值，為測試誤差分析提供了基礎(chǔ)。從表1 可看出，電梯每次往返產(chǎn)生的真實(shí)滑移量是不同的，平均值為33.06 mm，最大試驗(yàn)誤差為8.8%，最小試驗(yàn)誤差為0.1%。九組實(shí)驗(yàn)檢測到的平均滑移值為33.8 mm。與實(shí)際滑移值相比，絕對誤差約為0.74 mm，小于1 mm，相對誤差為2%。

3.2 誤差分析

設(shè)定測試次數(shù)重復(fù)n=9 次。采用格拉布斯標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分誤差。由表1 可知，9 次測量的平均值為xˉ=33.8 mm。由公式（7）得出標(biāo)準(zhǔn)偏差S=1.1 mm。根據(jù)公式（8），可以得到每個觀測值的殘差值。殘差值的最大絕對值為1.8 mm，相應(yīng)的觀測值x=35.6 mm 即為可疑值xd。

取t分布公式中的p=99%=0.99，即α=1 -0.99=0.01，n=9，由t分布表可得G（0.01，9）=2.32，因?yàn)?.64 ＜2.32。因此，xd=35.6 mm 并非異常點(diǎn)，可以得出九組實(shí)驗(yàn)結(jié)果不存在嚴(yán)重誤差。

4 結(jié)論

機(jī)器視覺技術(shù)檢測電梯曳引輪打滑的新方法，是一種完全獨(dú)立于電梯系統(tǒng)的非接觸式測量。在曳引輪的邊緣和鋼絲繩的相同位置做了一個白色標(biāo)記，原始圖像由CCD 相機(jī)獲取。對圖像進(jìn)行非線性幾何變換后，對圖像進(jìn)行預(yù)處理。主要結(jié)論：電梯每次往返產(chǎn)生的真實(shí)滑移量是不同的，平均值為33.06 mm，最大試驗(yàn)誤差為8.8%，最小試驗(yàn)誤差為0.1%。九組實(shí)驗(yàn)檢測到的平均滑移值為33.8 mm .與實(shí)際滑移值相比，絕對誤差約為0.74 mm。