CN102607467A - 基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置和检测方法，利用电梯导轨垂直度检测机器人携带一个垂直安装在其上的发光圆环在导轨上面行走，在导轨的底端安装一个摄像机对准圆环进行摄像输入计算机；经计算机的图像处理，精确地计算出发光圆环的圆心坐标和相应的发光圆环的高度，然后描绘出待测电梯的垂直度的变化曲线并实时的显示在计算机显示屏上。本发明能全自动智能检测，避免了激光成像带来的误差，减少了人工介入引起的误差。操作方便，检测精度高，运算速度快。本发明能够适用于多种场合，不但可以应用于电梯安装与维护阶段时的垂直度检测，也可以对导轨的扭曲度进行检测，以及其他工业方面如铁轨检测及圆形零件检测等。

Description

基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及电梯导轨垂直度视觉测量技术领域，特别是一种基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置和检测方法。

背景技术

随着电梯行业的发展，电梯使用越来越多，电梯安全事故时有发生，对电梯的安全提出了更高的要求。而电梯导轨垂直度是电梯安全、可靠和稳定运行的重要保障。对电梯安装和运行过程中的垂直度检测一直以来是一个技术难题。传统的方法是吊垂线法，需要人工干预，而且每测量一个位置都要重新固定基准，测量效率低，误差很大。尤其在电梯维护过程中，由于缺少脚手架，更加无法操作。近些年，工业上对电梯导轨垂直度检测的主要方法是基于激光垂准仪的方法，该仪器用激光束代替传统的拉线，该法实现简单，提高了测量精度。但是每测量一个位置都需要人工安放接收光靶，没有脚手架使得作业很不安全，因此限制了其应用。天津大学的研究团队提出了一种基于PSD(位置敏感器件)的电梯导轨动态测量系统，在底部安装激光发射器，通过拉杆使测量仪随着轿厢在导轨上面运行，安装在测量仪上面的PSD和CCD相机分别记录导轨位置和接收激光光斑。这种方法虽然简单，不要人工干预，测量快速。可是轿厢的振动对测量误差有影响，并且在安装阶段没有轿厢，不适合进行导轨矫正。

经对现有技术的公开文献检索发现，中国专利申请号：200410067147.9，发明专利名称：电梯导轨垂直度检测机器人，其特点是机器人通过两个导向磁在导轨是自动运行，将激光垂直仪安装在电梯导轨一端，CCD摄像模块安装在机器人上，单片机控制系统控制机器人的运行速度和运行高度。上述方案实现了对激光光斑的自动采集、存储、处理，同时能避免由轿厢带动检测设备上下移动而引起的振动干扰，也适应在电梯安装阶段，没有安装轿厢时的检测。可是随着楼层高度的增加，激光束形成的圆光斑发散变大且因光束干涉而抖动，很难确定准确的光斑中心，使得测量误差增加。对激光垂准仪的安装矫直也费时费力，不能算是完全的自动化操作。且此法对光斑图像的处理采用单片机系统，效率比较低。

中国专利申请号200510027723.1，发明专利名称：电梯导轨横向位移测量装置，其特点是使用自动调整垂直的激光发光器，消除了安装误差，通过固定CCD模块在轿厢底端，同时采用计算机视频图像采集处理系统，能够实现准确，高效实时的显示垂直度误差，提高了测量精度。但是轿厢的振动带来的误差以及激光光斑的发散使得光斑的中心位置不准确，而且CCD模块的校正必须通过手工调节来完成，不能实现完全自动化。

发明内容

本发明的目的是在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置和检测方法，实现快速自动测量电梯导轨垂直度，测量过程简单准确可靠。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置，其特点在于该装置包括垂直度检测机器人、载物台、发光圆环、摄像机和计算机，所述的垂直度检测机器人置于待测电梯导轨上，携带垂直于电梯导轨安装的载物台上的发光圆环沿着导轨自主运行，在所述的发光圆环的正下方安装所述的摄像机，该摄像机竖直向上对准所述的发光圆环，该摄像机的输出端与所述的计算机相连。

利用上述检测装置对电梯导轨垂直度的检测方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将所述的垂直度检测机器人、载物台、发光圆环安装在待测的电梯导轨上，保障所述的发光圆环水平，在所述的发光圆环的正下方安装所述的摄像机，该摄像机竖直向上对准所述的发光圆环，所述的摄像机的输出端与所述的计算机相连；

②对摄像机(5)进行标定，确定摄像机内部参数和一阶径向畸变参数，建立发光圆环的成像模型，得到发光圆环圆心的坐标(x₀ y₀)和成像椭圆中心坐标(m₀ n₀)之间的关系式为： $\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_0}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_0\\ n_0\\ 1\end{array}\right)$

其中：z₀为发光圆环的高度，f为摄像机的有效焦距，(m₀ n₀)为发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标；(x₀、y₀)为发光圆环的圆心坐标；d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，f为摄像机的有效焦距；

③所述的垂直度检测机器人(2)在接收单片机控制系统的指令后开始运行，并使发光圆环(4)通电发光，在单片机控制系统的控制下，所述的垂直度检测机器人(2)沿待测电梯由下而上平稳地运行时，所述的摄像机(5)采集一系列发光圆环的图像并存入所述的计算机(6)；

④计算机首先对所述的一系列发光圆环的图像进行预处理，获得第i个发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标(m_i n_i)；

⑤计算机根据机器人的运行速度和图像帧频率获取第i个发光圆环的高度z_i，根据所述的第i个发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标(m_i n_i)利用下式计算相应的发光圆环圆心坐标(x_i、y_i)的数值：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_i}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_i\\ n_i\\ 1\end{array}\right);$

其中：(m_i n_i)为发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标；(x_i、y_i)为第i个发光圆环圆心坐标的数值；d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，z_i为发光圆环的高度，f为摄像机的有效焦距，I为一系列发光圆环图像的序号；

⑥x_i、y_i的值分别反映电梯导轨在z_i的横向和轴向垂直度误差，然后计算机描绘出待测电梯的垂直度的变化曲线并实时的显示在计算机显示屏上。

所述的计算机图像处理系统包括图像读取模块、图像灰度化子模块、图像滤波子模块和图像二值化子模块，对图像进行相应的预处理(请参见Rafael C Gonzalez，Richard E Woods.数字图像处理，电子工业出版社，2008)，图像畸变校正模块对图像进行校正、Canny变换子模块提取图像边缘，边缘细化子模块进行边缘细化，利用提取的单像素边缘点坐标采用最小二乘法拟合椭圆，得到椭圆中心坐标(m₀ n₀)，长轴长a、短轴长b，以及长轴在图像平面坐标系横轴夹角θ等5个参数。

所述的计算机采用内存512M以上，显示器分辨率为1024*768即可，该部分实现主要功能是图像处理、数据分析和实时显示。计算机根据机器人的运行速度和图像帧频率获取发光圆环的位置。通过计算机参数处理模块求解，得到发光圆环的圆心坐标和法向向量，然后实时的显示出导轨垂直度。

在测量过程中，机器人通过电机驱动，单片机系统控制其达到平稳运行时，圆环开始通电发光，摄像机采集发光圆环的图像，通过视频连接线传输到计算机中进行处理，计算机存储好标定的摄像机内部参数。程序启动进行采集图像信息，图像预处理，图像畸变校正等操作，然后对图像进行Canny变换寻找图像轮廓，通过图像腐蚀和膨胀得到更为清晰的椭圆单像素边缘，由最小二乘法拟合得到最佳椭圆。此时调用显示程序，对参数进行处理，显示出发光圆环圆心的位置变化。

本发明的技术效果：

与现有检测方法相比，本发明能全自动智能检测，避免了激光成像带来的误差，减少了人工介入引起的误差。操作方便，检测精度高，运算速度快。

本发明能够适用于多种场合。不但可以应用于电梯安装与维护阶段时的垂直度检测，也可以对导轨的扭曲度进行检测，以及其他工业方面如铁轨检测及圆形零件检测等。

附图说明

图1为本发明基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置的结构示意图。

图2为本发明基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置的各部分组成框图。

图3为本发明的发光圆环成像模型图。

图4为本发明图像处理系统结构框图。

图5为本发明图像处理算法流程图。

其中：电梯导轨1、垂直度检测机器人2、载物台3、发光圆环4、摄像机5、计算机6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置的结构示意图，由图可见，一种基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置，包括垂直度检测机器人2、载物台3、发光圆环4、摄像机5和计算机6，所述的垂直度检测机器人2竖直在待测电梯导轨上，所述的垂直度检测机器人2携带垂直于电梯导轨1安装的载物台3上的发光圆环4沿着导轨1自主运行，在所述的发光圆环4的正下方安装所述的摄像机5，该摄像机5竖直向上对准所述的发光圆环4，所述的摄像机5的输出端与所述的计算机6相连。

利用所述的基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置对电梯导轨垂直度进行检测的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将所述的垂直度检测机器人2、载物台3、发光圆环4安装在待测的电梯导轨1上，保障所述的发光圆环4水平，在所述的发光圆环4的正下方安装所述的摄像机5，竖直向上对准所述的发光圆环4，所述的摄像机5的输出端与所述的计算机6相连；

②对摄像机5进行标定，确定摄像机内部参数和一阶径向畸变参数，建立发光圆环的成像模型，得到圆环几何参数与成像椭圆的参数之间的关系式存入所述的计算机5：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_i}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_i\\ n_i\\ 1\end{array}\right)$

其中：(m_i n_i)为发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标；发光圆环圆心坐标(x_i、y_i)的数值；d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，z_i为发光圆环的高度，f为摄像机的有效焦距；

④计算机首先对所述的一系列发光圆环的图像进行预处理，获得第i个发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标(m_i n_i)；

⑤计算机根据机器人的运行速度和图像帧频率获取第i个发光圆环的高度z_i，根据所述的第i个发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标(m_i n_i)利用下式计算相应的发光圆环圆心坐标(x_i、y_i)的数值：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_i}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_i\\ n_i\\ 1\end{array}\right);$

其中：(m_i n_i)为发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标；(x_i、y_i)为第i个发光圆环圆心坐标的数值；d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，f为摄像机的有效焦距，i为一系列发光圆环的图像的序号；

⑥x_i、y_i的值分别反映电梯导轨在z_i的横向和轴向垂直度误差，然后计算机描绘出待测电梯的垂直度的变化曲线并实时的显示在计算机显示屏上。

图2所示的是整个系统中涉及的各个部分组成，其中摄像机标定系统与发光圆环成像模型是预先处理好得到相关参数存储到计算机中，然后在计算机中处理其他部分。图3所示的是发光圆环的成像模型，对于发光圆环在摄像机的成像过程可以简化为空间圆的透视投影变换过程，可以建立如图示的几个坐标系：1、世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，2、摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c，3、成像平面坐标系o-uv，4、图像平面坐标系o-xy。经过空间圆成像过程的变换关系式，得到圆心在摄像机坐标系中坐标和在图像平面坐标系下椭圆中心的关系式，以及椭圆长短轴、长轴方向信息与空间圆的法向向量之间的关系。图4为图像处理系统的子模块构成。图5是图像处理算法的流程，通过该算法流程实现成像椭圆参数的拟合。经过成像椭圆参数与发光圆环空间几何参数的求解关系式：

发光圆环的法向向量为m＝(-sinα cosαsinβ cosαcosβ)^T，其中α和β可以通过下面两式解出。

b/a＝cosαcosβ，tanθ＝tanα/sinβ，a、b为椭圆长短轴长，θ为椭圆长轴与图像平面坐标系横轴的夹角。

发光圆环的圆心坐标求解式为 $\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_0}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_0\\ n_0\\ 1\end{array}\right),$ 由发光圆环圆心坐标(x₀ y₀)的值得到导轨垂直度的变化。

具体的操作步骤是：

第一步，采用单摄像机标定方法(参见Zhengyou Zhang.Flexible CameraCalibration By Viewing a Plane From Unknown Orientations，Proceedings of the FifthInternational Conference on Computer Vision，1999，vol.1：666-673)，确定出摄像机的内部参数矩阵M。其中内部参数矩阵的形式为： $M=\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& s& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right),$ 其中d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，s为一阶径向畸变系数。然后将摄像机的内部参数值存储到计算机中；

第二步，固定好系统中各设备的位置，启动系统，待机器人运行平稳以后，利用摄像机对准发光圆环进行摄像，采集发光圆环的椭圆影像的视频图像。传输到计算机系统中，提取出视频图像的帧频率以及图像的分辨率信息，通过帧频率和机器人运行速度得到发光圆环的位置高度；

第三步，根据发光圆环的成像模型，得到发光圆环圆心的坐标(x₀ y₀)和成像椭圆中心坐标(m₀ n₀)之间的关系式为： $\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_0}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_0\\ n_0\\ 1\end{array}\right),$ 其中z₀为发光圆环的高度，f为摄像机的有效焦距；

第四步，每隔一段时间读取一帧图像，首先对图像进行预处理，包括灰度化，高斯滤波，二值化等步骤，然后根据摄像机的一阶畸变系数s对图像进行校正，得到不含畸变的图像，然后用Canny算子提取图像轮廓，用图像膨胀和腐蚀处理提取清晰准确的椭圆边缘轮廓，最后通过最小二乘法拟合出最佳椭圆。

第五步，根据拟合椭圆的中心坐标(m₀ n₀)的值，z₀的值可以通过机器人的运行速度以及图像的帧频率得到，f的值可以通过摄像机内部参数值计算得出，α、β及(u₀，v₀)的值由摄像机标定得出。所以由上面的公式能够得到发光圆环圆心坐标(x₀ y₀)的数值。调用垂直度显示程序将圆心坐标(x₀ y₀)的值变化情况实时显示出来，其中x₀、y₀的值分别反映电梯导轨的横向和轴向垂直度误差。

实验表明，本发明能全自动智能检测，避免了激光成像带来的误差，减少了人工介入引起的误差。操作方便，检测精度高，运算速度快。本发明能够适用于多种场合。不但可以应用于电梯安装与维护阶段时的垂直度检测，也可以对导轨的扭曲度进行检测，以及其他工业方面如铁轨检测及圆形零件检测等。

Claims (3)

1.一种基于视觉测量的电梯导轨垂直度检测装置，其特征在于该装置包括垂直度检测机器人(2)、载物台(3)、发光圆环(4)、摄像机(5)和计算机(6)，所述的垂直度检测机器人(2)设置在待测电梯导轨(1)上，携带垂直于电梯导轨(1)安装的载物台(3)上的发光圆环(4)沿着导轨(1)自主运行，在所述的发光圆环(4)的正下方安装所述的摄像机(5)，该摄像机(5)竖直向上对准所述的发光圆环(4)，所述的摄像机(5)的输出端与所述的计算机(6)相连。

2.利用权利要求1所述的检测装置对电梯导轨垂直度的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将所述的垂直度检测机器人(2)、载物台(3)、发光圆环(4)安装在待测的电梯导轨(1)上，保障所述的发光圆环(4)水平，在所述的发光圆环(4)的正下方安装所述的摄像机(5)，竖直向上对准所述的发光圆环(4)，所述的摄像机(5)的输出端与所述的计算机(6)相连；

②对摄像机(5)进行标定，确定摄像机内部参数和一阶径向畸变参数，建立发光圆环的成像模型，得到发光圆环圆心的坐标(x₀ y₀)和成像椭圆中心坐标(m₀ n₀)之间的关系式为： $\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_0}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_0\\ n_0\\ 1\end{array}\right)$

其中：z₀为发光圆环的高度，f为摄像机的有效焦距，(m₀ n₀)为发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标；(x₀、y₀)为发光圆环的圆心坐标；d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，f为摄像机的有效焦距；

③所述的垂直度检测机器人(2)在接收单片机控制系统的指令后开始运行，并使发光圆环(4)通电发光，在单片机控制系统的控制下，所述的垂直度检测机器人(2)沿待测电梯由下而上平稳地运行时，所述的摄像机(5)采集一系列发光圆环的图像并存入所述的计算机(6)；

④计算机首先对所述的一系列发光圆环的图像进行预处理，获得第i个发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标(m_i n_i)；

⑤计算机根据机器人的运行速度和图像帧频率获取第i个发光圆环的高度z_i，根据所述的第i个发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标(m_i n_i)利用下式计算相应的发光圆环圆心坐标(x_i、y_i)的数值：

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ 1\end{array}\right)=\frac{z_i}{f}{\left(\begin{array}{ccc}{d}_x& 0& u_0\\ 0& d_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{m}_i\\ n_i\\ 1\end{array}\right);$

其中：(m_i n_i)为发光圆环的图像拟合椭圆的中心坐标；(x_i、y_i)为第i个发光圆环圆心坐标的数值；d_x和d_y为图像平面上单位距离上的像素数，(u₀，v₀)为摄像机光轴与图像平面的交点，即光心在图像坐标系中的坐标，z_i为发光圆环的高度，f为摄像机的有效焦距，I为一系列发光圆环图像的序号；

⑥x_i、y_i的值分别反映电梯导轨在z_i的横向和轴向垂直度误差，然后计算机描绘出待测电梯的垂直度的变化曲线并实时的显示在计算机显示屏上。

3.根据权利要求2所述的电梯导轨垂直度的检测方法，其特征在于，所述的图像预处理，包括图像灰度化，平滑，二值化等操作，然后利用摄像机的一阶径向畸变参数对图像进行畸变校正，得到不含畸变信息的图像，然后通过Canny变换检测出图像边缘，为了提取更加清晰的单边缘，加入腐蚀膨胀等操作进行边缘细化，最后由最小二乘法拟合出发光圆环的图像椭圆的中心坐标(m_i n_i)。

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