一種電梯導(dǎo)軌參數(shù)的檢測(cè)方法研究

鄭海濱

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建泉州 362000）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和發(fā)展，電梯已經(jīng)成為每棟高層建筑物的標(biāo)配，而電梯導(dǎo)軌作為電梯運(yùn)輸系統(tǒng)的重要一個(gè)組成部分，直接地關(guān)系到了電梯的穩(wěn)定性和安全性。電梯導(dǎo)軌在電梯運(yùn)行中起重要的導(dǎo)向作用，其軌距偏差、安裝質(zhì)量直接影響著電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和乘梯人員的舒適感。電梯導(dǎo)軌在進(jìn)行設(shè)計(jì)制造及安裝的過(guò)程中會(huì)因?yàn)橹圃旃に?、材料或者人為因素產(chǎn)生尺寸上的偏差，若這些偏差超出了規(guī)定的范圍，可能就會(huì)給電梯的正常運(yùn)行帶來(lái)一些安全威脅，甚至可能引起嚴(yán)重的安全事故，如圖1所示。在安裝和檢驗(yàn)過(guò)程中，電梯導(dǎo)軌的軌距偏差、垂直度偏差是衡量電梯安裝質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在對(duì)電梯導(dǎo)軌進(jìn)行安裝工作完成之后，如何針對(duì)其軌距偏差、垂直度偏差進(jìn)行測(cè)量是電梯安裝檢驗(yàn)工作中的一個(gè)重要技術(shù)性難題。

圖1 電梯導(dǎo)軌

在電梯安裝和驗(yàn)收過(guò)程中，電梯導(dǎo)軌的軌跡偏差等檢測(cè)是確保電梯安裝以及電梯安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。目前在安裝檢驗(yàn)工作中主要采用傳統(tǒng)的鉛垂線測(cè)量方法，以鉛垂線作為垂直基準(zhǔn)，每隔5 m進(jìn)行一段測(cè)量，受人工因素影響較大。除了采用傳統(tǒng)的鉛垂線測(cè)量方式外，還有一種使用激光標(biāo)靶垂準(zhǔn)儀代替鉛垂線，將激光標(biāo)靶固定在導(dǎo)軌的基準(zhǔn)零點(diǎn)上，激光射在標(biāo)靶上得到的X、Y兩個(gè)值即為該測(cè)量點(diǎn)所在位置處于基準(zhǔn)零點(diǎn)之間的導(dǎo)軌垂直偏差值。該方法的測(cè)量精度已顯著提高，并在不斷發(fā)展和提高，但仍需要手動(dòng)測(cè)量，工作量大。

近年來(lái)，電梯導(dǎo)軌在自動(dòng)化測(cè)量領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，研發(fā)了一些新的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，但是大多是簡(jiǎn)易、自制的儀器，測(cè)量效率低、測(cè)量精度低，因此研究一種能方便、簡(jiǎn)單、安全、自動(dòng)化程度高、設(shè)備成本較低的電梯導(dǎo)軌參數(shù)測(cè)量方法具有較大的實(shí)用意義。本項(xiàng)目主要采用基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌三維重建測(cè)量方法對(duì)電梯導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)量進(jìn)行研究。

1 檢驗(yàn)依據(jù)

《TSGT7001-2009電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則-曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》[1]（含2號(hào)修改單）規(guī)定如下：

（1）每列導(dǎo)軌工作面每5 m鉛垂線測(cè)量值間的相對(duì)最大偏差，轎廂導(dǎo)軌和設(shè)有安全鉗的T型對(duì)重導(dǎo)軌不大于1.2 mm，不設(shè)安全鉗的T型對(duì)重導(dǎo)軌不大于2.0 mm；

（2）兩列導(dǎo)軌頂面的距離偏差，轎廂導(dǎo)軌為0～+2 mm，對(duì)重導(dǎo)軌為0～+3 mm。

2 電梯導(dǎo)軌參數(shù)測(cè)量的傳統(tǒng)測(cè)量方法

電梯導(dǎo)軌參數(shù)常見(jiàn)的傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)主要有鉛垂線測(cè)量法、調(diào)道尺測(cè)量法以及直尺測(cè)量法等。但在進(jìn)行鉛垂線安裝和檢驗(yàn)時(shí)需要配合調(diào)道尺、游標(biāo)卡尺或者鋼直尺等進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，測(cè)量效率低，測(cè)量的精度也會(huì)受到一些人為原因、環(huán)境因素以及單擺效應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差；在電梯的測(cè)試和保養(yǎng)階段，腳手架已經(jīng)拆除，此時(shí)測(cè)量基難以固定，測(cè)量誤差明顯增大。所以傳統(tǒng)的電梯導(dǎo)軌參數(shù)測(cè)量方法存在測(cè)量操作繁瑣、精度低、難度大等缺點(diǎn)[2]。

3 電梯導(dǎo)軌參數(shù)測(cè)量的現(xiàn)代測(cè)量方法

電梯導(dǎo)軌參數(shù)常見(jiàn)的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)主要有激光準(zhǔn)直技術(shù)以及傳感器技術(shù)等。激光標(biāo)靶準(zhǔn)直測(cè)量方法利用鉛直激光發(fā)射機(jī)具有的受環(huán)境影響小、亮度高、方向性好等優(yōu)勢(shì)，以鉛直激光發(fā)射中心為檢測(cè)基準(zhǔn)，在不同的位置安裝了激光標(biāo)靶檢測(cè)導(dǎo)軌參數(shù)。在電梯導(dǎo)軌垂直度的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中，除了激光準(zhǔn)直測(cè)量方法外，還出現(xiàn)了一些其他形式的導(dǎo)軌測(cè)量技術(shù)，由于這些技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中都采用了與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)手段不同的傳感器自動(dòng)讀取方式。但是不管是目前的激光準(zhǔn)直技術(shù)或者傳感器技術(shù)都存在標(biāo)靶光斑不穩(wěn)定、漂移、儀器零位誤差易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，只能對(duì)電梯導(dǎo)軌的垂直度偏差進(jìn)行測(cè)量等缺點(diǎn)。

4 基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌參數(shù)檢測(cè)方法

4.1 基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌參數(shù)測(cè)量的總體方案

基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌參數(shù)檢測(cè)方法主要是運(yùn)用快速準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、可重復(fù)性強(qiáng)的無(wú)人機(jī)對(duì)已安裝導(dǎo)軌的井道進(jìn)行拍照，對(duì)無(wú)人機(jī)所拍的軌道照片進(jìn)行三維重建技術(shù)處理并在基礎(chǔ)上進(jìn)行三維重建，對(duì)所獲取的電梯導(dǎo)軌三維實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理和分析獲得的導(dǎo)軌軌距偏差、平行度偏差、垂直度偏差等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電梯導(dǎo)軌參數(shù)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化[3]，其流程如圖2所示：

圖2 基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌參數(shù)檢測(cè)方法流程

（1）以攝像裝置對(duì)電梯導(dǎo)軌拍攝圖像，使航拍無(wú)人機(jī)在井道中垂直運(yùn)動(dòng)，對(duì)電梯導(dǎo)軌通過(guò)不同位置的定點(diǎn)懸停進(jìn)行拍攝；

（2）讀取步驟（1）中的攝像裝置所采集到的導(dǎo)軌圖像；

（3）對(duì)步驟（2）中的導(dǎo)軌圖像進(jìn)行處理，通過(guò)序列圖像的三維重建算法實(shí)現(xiàn)電梯導(dǎo)軌的三維重建；

（4）獲取電梯導(dǎo)軌的三維實(shí)體數(shù)據(jù)并進(jìn)行測(cè)量，獲得電梯導(dǎo)軌的軌距、垂直度、平行度數(shù)據(jù)，并判斷該電梯導(dǎo)軌是否合格。

4.2 基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌三維重建的原理及技術(shù)途徑

無(wú)人機(jī)在井道拍攝的序列圖像在時(shí)間和空間上有較大的重疊性，適合于通過(guò)復(fù)雜的多視圖幾何結(jié)構(gòu)處理技術(shù)來(lái)快速實(shí)現(xiàn)高效的場(chǎng)景三維重建。無(wú)人機(jī)拍攝的圖像通過(guò)三維重建來(lái)恢復(fù)電梯井道包含導(dǎo)軌的場(chǎng)景模型[4]，將無(wú)人機(jī)拍攝獲取的井道包含導(dǎo)軌的具有重疊區(qū)域的序列圖像作為處理對(duì)象，通過(guò)算法分析和估計(jì)來(lái)得到待重建區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)信息。無(wú)人機(jī)對(duì)井道進(jìn)行圖像拍攝的工作流程如圖3所示，具體可以分為3個(gè)部分[5]。

圖3 無(wú)人機(jī)拍攝圖像系統(tǒng)的工作流程

（1）任務(wù)規(guī)劃階段。該階段包括無(wú)人機(jī)拍攝設(shè)備的檢測(cè)調(diào)試，拍攝井道的確認(rèn)，拍攝航線的規(guī)劃。

（2）井道拍攝任務(wù)執(zhí)行階段。通過(guò)預(yù)先設(shè)置的井道飛行路線和航道對(duì)既定目標(biāo)井道進(jìn)行拍攝，在實(shí)時(shí)拍攝的過(guò)程中經(jīng)由地面控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)拍攝傳輸回來(lái)的圖像調(diào)整無(wú)人機(jī)的航線或者拍攝設(shè)備。

（3）拍攝導(dǎo)軌圖像的信息處理。在對(duì)井道的所有導(dǎo)軌拍攝完成之后，對(duì)所有拍攝的圖形進(jìn)行包括圖像的預(yù)處理、二位圖像分析和三維的圖像理解目標(biāo)定位等數(shù)據(jù)的處理。

其中為了實(shí)現(xiàn)電梯導(dǎo)軌的三維重建任務(wù)，無(wú)人機(jī)對(duì)井道進(jìn)行拍攝及三維重建需要解決的問(wèn)題如下。

（1）拍攝圖像的預(yù)處理：根據(jù)不同性能的無(wú)人機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量不同，需要對(duì)其所拍攝的導(dǎo)軌圖片進(jìn)行關(guān)鍵幀的篩選，并有效消除畸變和模糊等各種復(fù)雜因素的干擾，以提升井道導(dǎo)軌重建的效率及精度[6]。

（2）特征提取，配與跟蹤：對(duì)無(wú)人機(jī)所拍攝的電梯導(dǎo)軌圖像進(jìn)行三維重建的過(guò)程中，需要依照所拍攝的圖像自身特征以及待重建井道導(dǎo)軌特點(diǎn)選擇和優(yōu)化相關(guān)特征提取匹配算法。

（3）電梯導(dǎo)軌三維結(jié)構(gòu)魯棒性解算：包括稀疏結(jié)構(gòu)重建和稠密結(jié)構(gòu)重建，運(yùn)用多視圖方式組成數(shù)據(jù)集合的原理，對(duì)無(wú)人機(jī)的相機(jī)參數(shù)和所處空間點(diǎn)進(jìn)行還原。

4.3 基于無(wú)人機(jī)的電梯導(dǎo)軌三維重建算法

電梯導(dǎo)軌圖像的三維重建算法[7]：（1）用Canny算子對(duì)所拍攝的電梯目標(biāo)導(dǎo)軌圖像內(nèi)部進(jìn)行邊緣分割檢測(cè)，再通過(guò)算子利用電梯導(dǎo)軌的型號(hào)、尺寸等信息分析來(lái)精確剔除被算子分割后所得出的導(dǎo)軌虛假目標(biāo)圖像邊緣；（2）通過(guò)曲線計(jì)算邊緣誤差點(diǎn)的方法和曲線在導(dǎo)軌方向上的誤差梯度及其加權(quán)值應(yīng)用來(lái)計(jì)算作為導(dǎo)軌的一個(gè)初始化精度輪廓，根據(jù)左右兩點(diǎn)之間的精度一致性計(jì)算原理通過(guò)甄選像素得出粗精度匹配值和點(diǎn)參數(shù)對(duì)，在各個(gè)精度匹配好的點(diǎn)中對(duì)鄰域附近所有的需要進(jìn)行使用的亞優(yōu)化像素精度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了精細(xì)的精度搜索，利用針對(duì)相鄰像素區(qū)間進(jìn)行距離誤差最小化的精度準(zhǔn)則數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行估算可以得出當(dāng)前最佳亞優(yōu)化像素的精度匹配值和點(diǎn)參數(shù)對(duì)，并將其廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌外形和導(dǎo)軌尺寸上的測(cè)量，總體計(jì)算精度最高的值可以做到達(dá)0.1 mm。該計(jì)算方法有效地大大降低了邊緣輪廓結(jié)構(gòu)重建定位算法對(duì)整體邊緣輪廓定位精度的嚴(yán)重依賴，同時(shí)也大大提高了整體輪廓結(jié)構(gòu)重建的計(jì)算精度［8］。

首先三維重建需要計(jì)算的是導(dǎo)軌輪廓上當(dāng)前點(diǎn)的法線方向，對(duì)于直線、圓、矩形、圓角矩形而言，導(dǎo)軌局部的輪廓都是直線或圓弧，因而可采用在輪廓上尋找當(dāng)前點(diǎn)依照順時(shí)針?lè)较蚯昂蠊潭ㄩg隔點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)，分別將其命名為點(diǎn)P1、P2、P3，則法線方向定義為點(diǎn)P1和點(diǎn)P3所連直線中垂線的方向。當(dāng)P1與P3所連直線與X軸平行時(shí)，法線方向平行于Y軸，否則為[8]：

其中k為法線斜率。

計(jì)算結(jié)果定義當(dāng)前點(diǎn)輪廓法線方向后，還需要同時(shí)計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)在法線方向上的一條延長(zhǎng)線，將這條延長(zhǎng)的法線在一個(gè)目標(biāo)直線上的方向加權(quán)定義平均法線梯度公式定義其值為一個(gè)帶有目標(biāo)法線輪廓的亞整數(shù)像素當(dāng)前點(diǎn)[9]，具體過(guò)程如下。

（1）計(jì)算法線上距離當(dāng)前點(diǎn)為固定距離的兩個(gè)點(diǎn)，定義當(dāng)前的點(diǎn)P2與順時(shí)針?lè)较虻狞c(diǎn)P1之間的測(cè)量距離。

（2）通過(guò)算法計(jì)算點(diǎn)P1與P2之間的連線段，將在該線段中的垂線與導(dǎo)軌初始輪廓交點(diǎn)設(shè)為P，沿著法線方向分別取等間距的點(diǎn)連成一個(gè)線段，計(jì)算連接線段上的坐標(biāo)點(diǎn)（x，y）均值作為最終的亞像素坐標(biāo)位置[10]。

根據(jù)鄰域最小距離準(zhǔn)則進(jìn)行亞像素精確匹配過(guò)程如下[11]：對(duì)當(dāng)前行號(hào)為i的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Pi(x1,y1)、Qi(x1,y1)，固定y坐標(biāo)，將橫坐標(biāo)x1從x1-2遍歷到x1+2，間隔為0.2；將橫坐標(biāo)x2從x2-2遍歷到x2+2，間隔為0.2，生成亞像素對(duì)應(yīng)點(diǎn)集合；對(duì)第i+1行重復(fù)以上步驟，生成對(duì)應(yīng)點(diǎn)序列；使用三角測(cè)量原理重建出第i行、第i+1行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)集合為Di、Di+1，計(jì)算集合Di與集合Di+1任意兩元素之間的歐式距離，取歐式距離最小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)集合Di中的三維點(diǎn)作為當(dāng)前點(diǎn)重建結(jié)果。重復(fù)上述步驟可獲得Pi(x2,y2)、Qi(x2,y2)點(diǎn)云，遍歷整個(gè)圖像即可獲得完整的點(diǎn)云重建結(jié)果[12]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，高層建筑的增加，電梯的速度也在逐漸加快，同時(shí)也對(duì)電梯乘坐的舒適性以及安全性都有了非常高的要求。該檢測(cè)方法的投入使用將能夠很大程度地減少電梯安裝檢驗(yàn)人員的時(shí)間，提高了檢測(cè)工作效率，并且大大降低了檢驗(yàn)工作人員的勞動(dòng)力強(qiáng)度，具備了廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會(huì)效益。通過(guò)基于無(wú)人機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行三維重建，獲取電梯導(dǎo)軌的三維實(shí)體數(shù)據(jù)并進(jìn)行測(cè)量，獲得電梯導(dǎo)軌的軌距、垂直度、平行度數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)對(duì)比具有較高的一致性，符合安全生產(chǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)范。