一種機器視覺電梯制動力檢測方法

丁建新，葛 陽

（東南電梯股份有限公司，江蘇蘇州215200）

0 引言

電梯作為一種特種設備，可以快捷地進行垂直運送，為運輸提供了極大的便利。電梯的安全問題不容小視，電梯制動器是電梯安全系統的重要裝置［1］。它能有效防控電梯發生溜車、墜落等事故的發生，很大程度上提升了電梯運行的安全性，使電梯能夠準確地按程序設定的位置?？?。

但是作為制動器的重要技術指標——制動力的現場檢測工作基本依靠人工測量，一般做法是給轎廂加載一定載荷，在電梯平穩運行后，切斷曳引機電源，此時制動器開始制動，直至電梯完全停止時轎廂所運行的距離即為制動距離［2］。人工測量程序煩瑣，精度差。本文提出一種機器視覺電梯制動力檢測方法，可以自動計算電梯制動距離，簡化制動檢測流程，提高檢測精度。

1 基本理論

本文采用的視覺處理基本原理是傅里葉變換，實質就是檢測旋轉圖像的旋轉角度。

1.1 二維離散傅里葉變換

假設空間域圖像用f（x，y）表示，其像素大小為M×N，利用傅里葉變換處理該圖像，f（u，v）表示處理結果，具體如式（1）。

式中：u=0，1，…，M-1；v=0，1，…，N-1。利用式（2）和（3）可以得到其相位譜Φ和功率譜P。

式中，Re[?]和Im[?]分別表示取函數的實部和虛部運算。

1.2 圖像的傅里葉頻譜分析

按照圖像空間域和頻率域的對應關系，頻譜圖的中心亮度部分對應整幅圖像的低頻能量，亮的直線反映的則是整幅圖像的主要紋理方向［3］。

當圖像發生旋轉時，根據傅里葉變換，f1（x，y）=f（x，y）ej（mx+ny），對應的傅里葉變換為：F1（u，v）=f（u-m，v-n），功率譜P（u，v）也將發生變化。因此，傅里葉變換對旋轉敏感，如圖1所示，4幅圖分別為原始圖像及其傅里葉頻譜圖，以及原始圖像逆時針旋轉30°后的圖像及其傅里葉頻譜圖?？梢钥闯?，每個頻譜圖中都有亮度較高且過中心的兩條直線，這兩條直線所指示的方向即為圖像的紋理圖像［4］。由圖1可以看出，傅里葉變換對旋轉敏感，空間域的圖像旋轉會直接反映在傅里葉變換后的頻譜圖中，所以可以利用圖像傅里葉變換后的頻譜圖來檢測圖像的實際旋轉角度。

圖1 圖像及其傅里葉頻譜

1.3 旋轉角的計算

通過觀察圖1中的頻譜圖可以發現，圖像經傅里葉變換后頻譜圖中會出現一條或多條明亮的直線，本文將頻譜圖中亮度疊加之后最高的一條直線的方向定位圖像的主方向，從而可以計算出兩幅圖像之間的旋轉角度。

以頻譜圖中心（M/2，N/2）為圓心，以R=min（M/2，N/2）為半徑，以此確定一個圓形區域，如圖2所示。

圖2 圓形區域的確定

假設水平向右半徑對應的角度為0°，經過圓心的半徑對應的角度記作θ′，θ′∈[- π,π]，疊加圓形區域內過此半徑的像素點的像素值，取最大的疊加結果所對應的半徑方向確定為圖像的主方向。

半徑上任意一點與圖像坐標（x，y）的關系，可以用式（4）表示：

其中，r表示半徑上的點距離圓心的距離，r∈[0,R]。因此，在計算半徑上像素點的疊加像素值時，可通過窮舉法，離散化θ′和r，計算出相應的坐標點，計算結果為小數時需要取整，然后將這些坐標點的像素值疊加起來，最大結果對應的值即為圖像的主方向。

當分別確定兩幅圖像的主方向θ1和θ2之后，通過式（5）即可計算出兩幅圖像之間的旋轉角度。

利用上述方法計算圖2中的旋轉角度為30.275 5°，實際旋轉角度為30°，可以看出本文所提出的機器視覺計算圖像旋轉角度的方法誤差很小，可以滿足一些工程計算的需求。

2 試驗及結果分析

如圖3所示，為電梯制動器試驗開始到電梯完全停止視頻第一幀和最后一幀圖片，篇幅關系，本文沒有將其中所有幀圖片全部列出，僅計算第一幀到最后一幀圖片之間的旋轉角度。需要說明的是，曳引輪在此期間旋轉角度小于一周。為了便于實際測量曳引輪旋轉角度以及圖片主方向的確定，在試壓過程中在曳引輪上貼了黑色反光條。

圖3 制動器制動力試驗

為了減少圖片背景影響，提高旋轉角度的計算精度，僅截取圖片中心部分如圖4所示。

圖4 裁剪處理后的圖片

利用本文提出的方法，進行圖像傅里葉變換，并匯出頻譜圖，如圖5所示。

圖5 制動器檢測圖片及其傅里葉頻譜

由圖5可以看出，過圖像中心有一條亮度較高的直線，即表示該圖片的主方向。經過旋轉角計算，可得曳引輪旋轉角度為48.219 7°，實際測量曳引輪的旋轉角度為47.5°，誤差0.719 7°在已知曳引輪直徑的情況下，可以利用式（6）計算出制動距離。

式中：L表示制動距離；D表示曳引輪直徑。已知曳引輪直徑為600 mm，代入式（6）計算可得電梯的制動距離為252.477 8 mm。

3 結語

本文提出了一種基于機器視覺的電梯制動檢測方法，利用傅里葉變換理論將圖像從空間域轉換成頻率域，然后計算圖像的功率譜，確定圖像的主方向，最后計算出兩幅圖像的旋轉角。本文提出的方法可以減少電梯制動力檢測的工作量，提高檢測精度。