基于圖像識別的電梯限速器校驗方法*

馮雙昌 陳 杰

上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院 上海 200062

0 引言

限速器作為電梯必備的安全保護裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)測電梯實際運行速度。在電梯失速或者超速達到預定速度時，限速器動作，進而觸發(fā)安全鉗動作，將轎廂卡在導軌上，能夠有效制停轎廂[1]。為確保限速器達到預定速度時能有效動作，電梯維護保養(yǎng)和檢驗中需對電梯限速器的動作速度進行校驗。近年來，隨著電梯安全監(jiān)管力度的加強和檢驗內(nèi)容的更新，對限速器的校驗質(zhì)量和技術要求也在提高。尤其是特種設備安全技術規(guī)范TSG T 7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——曳引與強制驅(qū)動電梯》（含第1 號、第2 號修改單）實施以來，限速器由受檢電梯的維護保養(yǎng)單位按規(guī)定進行校驗，對校驗結果的準確性、校驗方法的高效性、校驗過程的可追溯性提出了更高要求。

1 傳統(tǒng)校驗方法的缺陷

傳統(tǒng)的電梯限速器校驗方法主要有2 種。一是將驅(qū)動裝置、磁敏傳感器、電氣接收裝置通過數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)處理裝置上，把磁鐵放在限速器繩輪節(jié)圓處，采用磁敏傳感器采集磁鐵轉(zhuǎn)速測定限速器的動作速度，將機械鎖緊裝置動作后采集的速度作為機械動作速度；二是將驅(qū)動裝置、數(shù)據(jù)處理裝置集成一起，將驅(qū)動裝置的驅(qū)動速度作為限速器的運轉(zhuǎn)速度，當機械鎖緊裝置動作時會產(chǎn)生一個制停沖擊，以此作為機械動作速度。

然而，上述2 種校驗方法在提取限速器的動作速度時都存在缺陷[2]。第1 種校驗方法中，由于測速原理的局限性導致動作速度的校驗值和實際值存在較大偏差，并且需要將限速器的節(jié)圓半徑或周長輸入到校驗儀器中用于計算[3]。第2 種校驗方法中，由于驅(qū)動裝置和限速器存在相對滑動，簡單地將驅(qū)動裝置的驅(qū)動速度作為限速器的運轉(zhuǎn)速度是不嚴謹?shù)?。另外，傳統(tǒng)的校驗方法至少需要3 名校驗人員配合進行。由于安裝限速器的空間一般比較狹小，尤其是在無機房電梯和小機房電梯中，存在頂層高度低、井道狹小、空間緊湊等不利因素，多名校驗人員手持笨重的校驗儀器同時進入如上述的空間進行限速器校驗時存在很大的安全隱患[4]。并且，傳統(tǒng)的校驗方法只能記錄最終結果，無法記錄校驗全過程，過程無法追溯。

2 新型校驗方法

新型校驗方法利用工業(yè)相機拍攝限速器校驗的全過程，基于圖像識別技術自動識別限速器節(jié)圓直徑、運轉(zhuǎn)時間、運轉(zhuǎn)速度，進而獲得限速器的電氣動作速度和機械動作速度，并自動判斷校驗結果是否符合規(guī)定。

圖1 所示為常見限速器實物圖，圖2 為限速器簡圖。驅(qū)動裝置提供驅(qū)動力使限速器以A 為圓心作加速轉(zhuǎn)動。工業(yè)相機光軸與限速器中心軸盡量在同一條直線上。工業(yè)相機通過實時監(jiān)測特征1的運動軌跡來計算限速器的運轉(zhuǎn)速度，生成一條速度曲線，直至機械鎖緊裝置被觸發(fā)，隨后限速器運轉(zhuǎn)速度為零。當限速器運轉(zhuǎn)速度達到一定值時，電氣安全裝置4 被觸發(fā)，此時特征2 動作。捕捉特征2的動作狀態(tài)，以特征2 動作時限速器的運轉(zhuǎn)速度作為電氣動作速度。當限速器機械鎖緊裝置被觸發(fā)時，限速器運轉(zhuǎn)速度達到最大值，即速度曲線的最高點，以此作為限速器機械動作速度。將所獲得的電氣動作速度、機械動作速度和標準中規(guī)定值進行比較即可判斷該限速器的動作速度是否符合要求。

圖1 常見限速器實物圖

圖2 限速器簡圖

3 新型校驗裝置

圖3 為校驗裝置整體方案。校驗裝置主要由驅(qū)動裝置、采集裝置、控制處理裝置組成。

圖3 校驗裝置整體方案

驅(qū)動裝置主要由驅(qū)動機構、調(diào)節(jié)機構、夾緊元件、無線傳輸單元等組成。采用電動機作為驅(qū)動機構，驅(qū)動限速器輪盤轉(zhuǎn)動。調(diào)節(jié)機構可調(diào)節(jié)電動機和限速器之間的壓力，以此來提高驅(qū)動效果。當電動機和限速器輪盤之間的壓力過大、接觸過緊時，電動機在驅(qū)動輪盤轉(zhuǎn)動的過程中會出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。當電動機和限速器輪盤之間的壓力過小、接觸過松時，電動機在驅(qū)動限速器輪盤轉(zhuǎn)動的過程中會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。因此，需要通過調(diào)節(jié)機構來調(diào)節(jié)電動機與限速器之間的壓力，使二者之間的壓力達到平衡狀態(tài)，保證檢測過程中的穩(wěn)定性。電動機和調(diào)節(jié)機構通過夾緊元件固定于限速器旁的金屬架上。

采集裝置主要由工業(yè)相機、旋轉(zhuǎn)機構、磁吸座、光源、無線傳輸單元組成。在限速器校驗過程中，工業(yè)相機實時拍攝記錄限速器運動的視頻。旋轉(zhuǎn)機構可調(diào)節(jié)工業(yè)相機的拍攝角度，以獲得最佳的拍攝角度。工業(yè)相機和旋轉(zhuǎn)機構通過磁吸座固定于限速器或附近的金屬架上。光源用于提供工業(yè)相機所需的光照，以使工業(yè)相機能夠拍攝較為清晰的視頻。

控制處理裝置主要由控制單元、處理單元、顯示單元、打印單元、無線傳輸單元組成。限速器檢測過程中，環(huán)境一般比較惡劣，檢測空間較小，安全隱患大，故控制處理裝置通過無線方式實現(xiàn)與驅(qū)動裝置、采集裝置的通訊?？刂茊卧ㄟ^無線通訊方式控制電動機和工業(yè)相機的開啟、關閉等動作；工業(yè)相機采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳輸至處理單元，并進行后續(xù)處理。顯示單元和打印單元可對工業(yè)相機獲取的數(shù)據(jù)進行存儲和展示。可利用顯示屏將校驗視頻進行播放或者利用打印機將校驗報告打印出來。

4 圖像識別算法

4.1 輪盤圓心識別

輪盤圓心的識別主要包括輪盤邊緣提取、圓輪廓識別、圓篩選3 個過程。首先，進行輪盤邊緣提取。對每幀原圖像進行高斯模糊去除噪聲,采用Sobel 算子對每幀原圖像進行梯度過濾，得到限速器輪盤的邊緣二值圖。該圖包含原圖像中梯度較大的點，且包含輪盤邊緣上的所有點。其次，進行圓輪廓識別。對邊緣二值圖進行Hough 變換，得到多個圓方程[5]。最后，進行圓篩選。工業(yè)相機所拍攝的圖片中可能包含不止一處圓對象。限速器如果包含其他的小圓零件，也可能會被識別到。因此，需要進行圓篩選以剔除干擾信息，即僅保留Hough 變換中匹配點數(shù)最多的圓[6]。通過對應的圓方程，計算出輪盤圓心坐標（xo，yo）和半徑r。圖4 為識別到的圓和圓心，其中淺藍色的線為圓，中間黃色的點為圓心。

圖4 識別到的圓和圓心

4.2 特征識別

特征識別需要識別3 處特征：特征1（見圖2）、特征2（見圖2）和機械鎖緊裝置制動臂（以下記為特征3）。

特征1 是手動標記的特征，該特征是吸附在靠近限速器邊緣處的與周圍背景不同顏色的磁鐵[7]。可根據(jù)顏色過濾，獲取特征1的位置坐標（x1，y1）。通過計算向量（x1-xo，y1-yo）的夾角，即可獲得當前幀限速器輪盤所處的角度位置。因此，每一幀所對應的限速器輪盤的角速度可通過角度變化計算得到，進而求得限速器的瞬時線速度v。大多數(shù)限速器由于結構件的遮擋無法獲得整個輪盤的圖像，因此需要在輪盤圓周上等間距設置3 個不同顏色的磁鐵，以保證任意時刻至少能識別到1個以上的磁鐵標記。

特征2 是限速器的電氣開關撥桿。由于要以電氣開關撥桿動作時限速器的運轉(zhuǎn)速度作為電氣動作速度，故需要識別電氣開關撥桿動作的一瞬間并記錄當前時間te。考慮到電氣開關撥桿較小不易標記，可通過對比相鄰兩幀輪盤邊緣變化來識別電氣開關撥桿是否動作。如圖5 所示，電氣開關撥桿動作前該撥桿擋住了部分輪盤邊緣，電氣開關撥桿動作后遮擋取消了。故可根據(jù)輪盤邊緣顏色的變換來識別電氣開關撥桿是否動作。

圖5 電氣開關撥桿動作前后實物對比結果

對限速器進行顏色濾波，提取輪盤邊緣的顏色[8]。如圖6 所示，電氣開關撥桿動作前提取到的輪盤邊緣顏色在圖中箭頭處有一個缺口，而電氣開關撥桿動作后提取到的輪盤邊緣顏色在同樣的位置沒有缺口。

圖6 電氣開關撥桿動作前后圖像對比結果

取一個很小的距離Δr，使以（xo，yo）為圓心、(γ-Δr)為半徑的圓正好處于輪盤邊緣涂色區(qū)中間。然后從最左端開始，按逆時針方向取1/4 圓弧上100 個點（即圖7中所示圓?。?/p>

圖7 按黃線所示圓弧逆時針方向取100 個點

對每個點周圍19×19 個像素區(qū)域大小，統(tǒng)計顏色過濾二值圖Bhls中的白點個數(shù)sum。然后以旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標，以sum為縱坐標繪制折線圖。圖8 為電氣撥桿動作前后折線圖對比結果，可以看到電氣開關撥桿動作前比電氣開關撥桿動作后的折線圖多1 個波谷，通過識別此波谷，就能判斷電氣開關撥桿是否發(fā)生動作。

圖8 電氣撥桿動作前后折線圖對比結果

可選限速器整個制動臂的任意1 個聯(lián)動部位為特征3。不同的限速器由于結構不同所選的聯(lián)動部位也不同。為使本方法更具有通用性，不以該聯(lián)動部位的特征為特征3，而是通過在該部位表面吸附第4 塊顏色不同的磁鐵作為特征3。如圖9 所示，為限速器特征3 位置選擇示例。

圖9 限速器特征3 位置選擇示例

4.3 速度計算

速度計算需要根據(jù)任意相鄰兩幀計算電梯限速器輪盤當前時刻的角速度，工業(yè)相機的幀率應保證限速器在最大轉(zhuǎn)速時相鄰幀之間轉(zhuǎn)角不大于120°。因此，每幀圖像都至少包含1～2 個標記，且兩幀之間至少包含1 對顏色相同、位置不同的標記。

設限速器節(jié)圓半徑為r、相機的幀率為f、前后相鄰兩幀夾角為θk，則當前電梯瞬時速度為

利用工業(yè)相機拍攝限速器校驗的全過程，當識別到特征2 電氣開關撥桿動作時所得速度即為限速器的電氣動作速度v1；當識別到特征3 制動臂動作時所得速度即為限速器的機械動作速度v2。

5 校驗結果判斷

GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中規(guī)定，當限速器的電氣動作速度和機械動作速度均滿足以下要求時，限速器校驗結論為合格；否則，校驗結論為不合格。

電氣動作速度的要求為

式中：v1為電氣動作速度，v2為機械動作速度，v為電梯的額定速度。

機械動作速度的要求為

式中：當所述電梯使用瞬時式安全鉗，且為不可脫落滾柱式時，v3=1 m/s；當所述電梯使用瞬時式安全鉗且不為不可脫落滾柱式時，v3=0.8 m/s；當所述電梯使用漸進式安全鉗且v≤1 m/s 時，v3=1.5 m/s；當所述電梯使用漸進式安全鉗且v＞1 m/s 時。v3=1.25v+0.25/v。

6 結語

采用工業(yè)相機拍攝的方式獲取限速器校驗的運動視頻，并利用圖像識別和處理技術對獲取的視頻進行分析處理，以獲得限速器的電氣動作速度和機械動作速度，從而實現(xiàn)限速器的自動化校驗。該方法不僅可提高校驗效率、準確性、安全性，還可確保整個校驗過程具有可追溯性。