一種電梯導軌參數的檢測方法研究

鄭海濱

（福建省特種設備檢驗研究院泉州分院，福建泉州 362000）

0 引言

隨著我國社會和經濟的進步和發展，電梯已經成為每棟高層建筑物的標配，而電梯導軌作為電梯運輸系統的重要一個組成部分，直接地關系到了電梯的穩定性和安全性。電梯導軌在電梯運行中起重要的導向作用，其軌距偏差、安裝質量直接影響著電梯運行的穩定性、安全性和乘梯人員的舒適感。電梯導軌在進行設計制造及安裝的過程中會因為制造工藝、材料或者人為因素產生尺寸上的偏差，若這些偏差超出了規定的范圍，可能就會給電梯的正常運行帶來一些安全威脅，甚至可能引起嚴重的安全事故，如圖1所示。在安裝和檢驗過程中，電梯導軌的軌距偏差、垂直度偏差是衡量電梯安裝質量的一項重要指標。在對電梯導軌進行安裝工作完成之后，如何針對其軌距偏差、垂直度偏差進行測量是電梯安裝檢驗工作中的一個重要技術性難題。

圖1 電梯導軌

在電梯安裝和驗收過程中，電梯導軌的軌跡偏差等檢測是確保電梯安裝以及電梯安全運行的重要環節。目前在安裝檢驗工作中主要采用傳統的鉛垂線測量方法，以鉛垂線作為垂直基準，每隔5 m進行一段測量，受人工因素影響較大。除了采用傳統的鉛垂線測量方式外，還有一種使用激光標靶垂準儀代替鉛垂線，將激光標靶固定在導軌的基準零點上，激光射在標靶上得到的X、Y兩個值即為該測量點所在位置處于基準零點之間的導軌垂直偏差值。該方法的測量精度已顯著提高，并在不斷發展和提高，但仍需要手動測量，工作量大。

近年來，電梯導軌在自動化測量領域取得了一些進展，研發了一些新的自動檢測技術，但是大多是簡易、自制的儀器，測量效率低、測量精度低，因此研究一種能方便、簡單、安全、自動化程度高、設備成本較低的電梯導軌參數測量方法具有較大的實用意義。本項目主要采用基于無人機的電梯導軌三維重建測量方法對電梯導軌實現導軌參數的自動化測量進行研究。

1 檢驗依據

《TSGT7001-2009電梯監督檢驗和定期檢驗規則-曳引與強制驅動電梯》[1]（含2號修改單）規定如下：

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

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

2 電梯導軌參數測量的傳統測量方法

電梯導軌參數常見的傳統測量技術主要有鉛垂線測量法、調道尺測量法以及直尺測量法等。但在進行鉛垂線安裝和檢驗時需要配合調道尺、游標卡尺或者鋼直尺等進行手動測量，測量效率低，測量的精度也會受到一些人為原因、環境因素以及單擺效應等因素的影響，導致測量結果出現較大的誤差；在電梯的測試和保養階段，腳手架已經拆除，此時測量基難以固定，測量誤差明顯增大。所以傳統的電梯導軌參數測量方法存在測量操作繁瑣、精度低、難度大等缺點[2]。

3 電梯導軌參數測量的現代測量方法

電梯導軌參數常見的現代測量技術主要有激光準直技術以及傳感器技術等。激光標靶準直測量方法利用鉛直激光發射機具有的受環境影響小、亮度高、方向性好等優勢，以鉛直激光發射中心為檢測基準，在不同的位置安裝了激光標靶檢測導軌參數。在電梯導軌垂直度的現代測量技術中，除了激光準直測量方法外，還出現了一些其他形式的導軌測量技術，由于這些技術在測量過程中都采用了與傳統測量技術手段不同的傳感器自動讀取方式。但是不管是目前的激光準直技術或者傳感器技術都存在標靶光斑不穩定、漂移、儀器零位誤差易產生系統誤差，只能對電梯導軌的垂直度偏差進行測量等缺點。

4 基于無人機的電梯導軌參數檢測方法

4.1 基于無人機的電梯導軌參數測量的總體方案

基于無人機的電梯導軌參數檢測方法主要是運用快速準確、自動化程度高、可重復性強的無人機對已安裝導軌的井道進行拍照，對無人機所拍的軌道照片進行三維重建技術處理并在基礎上進行三維重建，對所獲取的電梯導軌三維實體數據進行算法處理和分析獲得的導軌軌距偏差、平行度偏差、垂直度偏差等數據，實現整個電梯導軌參數測量過程的自動化[3]，其流程如圖2所示：

圖2 基于無人機的電梯導軌參數檢測方法流程

（1）以攝像裝置對電梯導軌拍攝圖像，使航拍無人機在井道中垂直運動，對電梯導軌通過不同位置的定點懸停進行拍攝；

（2）讀取步驟（1）中的攝像裝置所采集到的導軌圖像；

（3）對步驟（2）中的導軌圖像進行處理，通過序列圖像的三維重建算法實現電梯導軌的三維重建；

（4）獲取電梯導軌的三維實體數據并進行測量，獲得電梯導軌的軌距、垂直度、平行度數據，并判斷該電梯導軌是否合格。

4.2 基于無人機的電梯導軌三維重建的原理及技術途徑

無人機在井道拍攝的序列圖像在時間和空間上有較大的重疊性，適合于通過復雜的多視圖幾何結構處理技術來快速實現高效的場景三維重建。無人機拍攝的圖像通過三維重建來恢復電梯井道包含導軌的場景模型[4]，將無人機拍攝獲取的井道包含導軌的具有重疊區域的序列圖像作為處理對象，通過算法分析和估計來得到待重建區域的三維結構信息。無人機對井道進行圖像拍攝的工作流程如圖3所示，具體可以分為3個部分[5]。

圖3 無人機拍攝圖像系統的工作流程

（1）任務規劃階段。該階段包括無人機拍攝設備的檢測調試，拍攝井道的確認，拍攝航線的規劃。

（2）井道拍攝任務執行階段。通過預先設置的井道飛行路線和航道對既定目標井道進行拍攝，在實時拍攝的過程中經由地面控制系統根據實時拍攝傳輸回來的圖像調整無人機的航線或者拍攝設備。

（3）拍攝導軌圖像的信息處理。在對井道的所有導軌拍攝完成之后，對所有拍攝的圖形進行包括圖像的預處理、二位圖像分析和三維的圖像理解目標定位等數據的處理。

其中為了實現電梯導軌的三維重建任務，無人機對井道進行拍攝及三維重建需要解決的問題如下。

（1）拍攝圖像的預處理：根據不同性能的無人機拍攝的圖像質量不同，需要對其所拍攝的導軌圖片進行關鍵幀的篩選，并有效消除畸變和模糊等各種復雜因素的干擾，以提升井道導軌重建的效率及精度[6]。

（2）特征提取，配與跟蹤：對無人機所拍攝的電梯導軌圖像進行三維重建的過程中，需要依照所拍攝的圖像自身特征以及待重建井道導軌特點選擇和優化相關特征提取匹配算法。

（3）電梯導軌三維結構魯棒性解算：包括稀疏結構重建和稠密結構重建，運用多視圖方式組成數據集合的原理，對無人機的相機參數和所處空間點進行還原。

4.3 基于無人機的電梯導軌三維重建算法

電梯導軌圖像的三維重建算法[7]：（1）用Canny算子對所拍攝的電梯目標導軌圖像內部進行邊緣分割檢測，再通過算子利用電梯導軌的型號、尺寸等信息分析來精確剔除被算子分割后所得出的導軌虛假目標圖像邊緣；（2）通過曲線計算邊緣誤差點的方法和曲線在導軌方向上的誤差梯度及其加權值應用來計算作為導軌的一個初始化精度輪廓，根據左右兩點之間的精度一致性計算原理通過甄選像素得出粗精度匹配值和點參數對，在各個精度匹配好的點中對鄰域附近所有的需要進行使用的亞優化像素精度數據分別進行了精細的精度搜索，利用針對相鄰像素區間進行距離誤差最小化的精度準則數據來進行估算可以得出當前最佳亞優化像素的精度匹配值和點參數對，并將其廣泛應用于導軌外形和導軌尺寸上的測量，總體計算精度最高的值可以做到達0.1 mm。該計算方法有效地大大降低了邊緣輪廓結構重建定位算法對整體邊緣輪廓定位精度的嚴重依賴，同時也大大提高了整體輪廓結構重建的計算精度［8］。

首先三維重建需要計算的是導軌輪廓上當前點的法線方向，對于直線、圓、矩形、圓角矩形而言，導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前點依照順時針方向前后固定間隔點的方式實現，分別將其命名為點P1、P2、P3，則法線方向定義為點P1和點P3所連直線中垂線的方向。當P1與P3所連直線與X軸平行時，法線方向平行于Y軸，否則為[8]：

其中k為法線斜率。

計算結果定義當前點輪廓法線方向后，還需要同時計算當前點在法線方向上的一條延長線，將這條延長的法線在一個目標直線上的方向加權定義平均法線梯度公式定義其值為一個帶有目標法線輪廓的亞整數像素當前點[9]，具體過程如下。

（1）計算法線上距離當前點為固定距離的兩個點，定義當前的點P2與順時針方向的點P1之間的測量距離。

（2）通過算法計算點P1與P2之間的連線段，將在該線段中的垂線與導軌初始輪廓交點設為P，沿著法線方向分別取等間距的點連成一個線段，計算連接線段上的坐標點（x，y）均值作為最終的亞像素坐標位置[10]。

根據鄰域最小距離準則進行亞像素精確匹配過程如下[11]：對當前行號為i的對應點Pi(x1,y1)、Qi(x1,y1)，固定y坐標，將橫坐標x1從x1-2遍歷到x1+2，間隔為0.2；將橫坐標x2從x2-2遍歷到x2+2，間隔為0.2，生成亞像素對應點集合；對第i+1行重復以上步驟，生成對應點序列；使用三角測量原理重建出第i行、第i+1行對應點的三維坐標集合為Di、Di+1，計算集合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對應集合Di中的三維點作為當前點重建結果。重復上述步驟可獲得Pi(x2,y2)、Qi(x2,y2)點云，遍歷整個圖像即可獲得完整的點云重建結果[12]。

5 結束語

隨著科技的發展，高層建筑的增加，電梯的速度也在逐漸加快，同時也對電梯乘坐的舒適性以及安全性都有了非常高的要求。該檢測方法的投入使用將能夠很大程度地減少電梯安裝檢驗人員的時間，提高了檢測工作效率，并且大大降低了檢驗工作人員的勞動力強度，具備了廣闊的應用前景和良好的社會效益。通過基于無人機拍攝的圖像進行三維重建，獲取電梯導軌的三維實體數據并進行測量，獲得電梯導軌的軌距、垂直度、平行度數據，與現場檢驗對比具有較高的一致性，符合安全生產的設計規范。