CN107314807A - 一种钢丝绳横向空间振动测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢丝绳横向空间振动测量的方法，通过两部相互垂直的高速摄像机采集钢丝绳振动图像后经计算机钢丝绳振动检测程序在图像上选定相同的区域，对选定区域进行二值化处理得到该区域图像的01矩阵，通过计算得出钢丝绳形心在宽度方向上像素坐标值，根据图像与背景的比例尺和在宽度方向上的像素坐标，求出选定区域内钢丝绳形心在背景屏平面内的实际位移，在一个时间段内选定多个不同区域中的钢丝绳形心振动轨迹，通过连接选定的不同区域的同一时刻钢丝绳形心空间位置的坐标，得到t时刻钢丝绳空间振动形态，本发明以非接触的测量方式，静止的测量终端，可调的大检测量程，满足所有以钢丝绳为传动方式的系统的钢丝绳横向空间振动检测。

Description

一种钢丝绳横向空间振动测量的方法

技术领域

本发明涉及一种钢丝绳横向空间振动测量的方法，特别是基于高速摄像机图像采集及计算机图像处理原理测定钢丝绳横向空间振动的方法。

背景技术

矿井提升机作为矿山运输的关键设备，承担着煤炭和矿石的提升、人员的升降、材料和设备的运送任务，是联系井下与地面的重要设备。钢丝绳作为提升系统的主要传动方式，其横向振动直接影响到提升过程的稳定性和钢丝绳的疲劳寿命，当钢丝绳横向振动位移过大时可能会与周围物体发生接触性干涉，严重威胁到提升过程的安全性。

现有技术中对钢丝绳的横向振动的检测大多是在某一平面内的振动的测量，即钢丝绳上某一截面上的质心在垂直于钢丝绳轴向平面内的振动测量，目前还没有一种钢丝绳横向振动测量方法是针对钢丝绳空间振动形态设计的，钢丝绳的空间振动形态不仅真实反映钢丝绳的振动特性，而且还可以反映出钢丝绳横向振动沿钢丝绳传播的历程，这对钢丝绳横向振动特性的研究来说意义重大。现有技术中对钢丝绳的横向振动的检测大多是接触式测量，即将传感器安装在钢丝绳上，如此测量会带来附加干扰，申请号为201410577225.3的中国专利公开看一种轴向移动绳横向振动测系统的方法，该方法采用了将激光式位移传感器安装在移动绳的上方，并与移动绳同步运行，具体实施难度大且运行过程中激光位移传感器自身是否振动难以保证，从而无法保证测量的准确性，还有申请号为201510562399.7的中国专利，以光幕式激光位移传感器测量钢丝绳的横向振动，但光幕式激光位移传感器若要检测钢丝绳较大位移(如提升机卷筒附近钢丝绳平行于卷筒轴线方向的位移)，不得不增加激光传感器的数量，因此测量成本将大幅提升，目前研究学者已经提出了多种数值计算方法来求解钢丝绳的振动问题，但并没有提出可以用于验证这些数值计算算法求解钢丝绳振动问题正确性的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于高速摄像机图像采集及计算机图像处理原理测定钢丝绳横向空间振动的方法，采用本技术方案，减少了振动测量的准备工作，降低了成本，且方便、准确地测出钢丝绳的空间振动轨迹以及空间振动形态，进而得出一段时间内钢丝绳在空间内振动形态变化规律。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：一种钢丝绳横向空间振动测量的方法，具体包括以下步骤：

(a)、设置图像采集系统，图像采集系统由相互垂直设置的两部高速摄像机和与两部高速摄像机相对应设置的两部背景屏组成，钢丝绳竖直设置在两部高速摄像机与两部背景屏之间且与两部背景屏平行；

(b)、在两部背景屏上各设定出两部高速摄像机拍摄区域的实际高度和实际宽度；

(c)、通过计算机钢丝绳横向振动检测程序加载两部高速摄像机同步同频率拍摄出的两组图像，将其中一组图像宽度设为X轴、高度设为Z轴，并在图像上选定区域M，将另一组图像的宽度设为Y轴，图像高度设为Z轴，在图像上选定出一个区域K，选取的区域M和区域K在图像高度Z轴上位置相同；

(d)、以区域M的高度m像素和宽度n像素定义一个m×n的矩阵A，在计算机中开辟一个m×n矩阵A内存，通过自适应阈值分割算法设定全局阈值将区域M进行二值化处理，并得到区域M图像的01矩阵A，同理以区域K的高度q像素和宽度p像素定义一个q×p的矩阵B，通过自适应阈值分割算法设定全局阈值，将区域K进行二值化处理，并得到区域K图像的01矩阵B；

(e)、利用公式

得出钢丝绳形心位置在宽度X轴方向上区域M内的像素坐标值式中i、j分别为矩阵A的行标和列标，a_(i,j)表示矩阵A中的元素；

同理可利用公式

得出钢丝绳形心位置在宽度Y轴方向上区域K内的像素坐标值

式中i、j分别为矩阵B的行标和列标，b_(i,j)表示矩阵B中的元素；

(f)、根据图像宽度与拍摄区域的实际宽度之间的比例尺H，计算区域M内钢丝绳形心位置在背景屏平面内的实际位置坐标值减去初始时刻的位置坐标值L₀，得到振动位移S_t＝L_t-L₀，t表示时刻，设图像数目为n，高速摄像机的拍摄频率为f，单位为fps，则时刻t＝n/f，根据钢丝绳的实际振动位移S_t和相对应的时刻t得到钢丝绳X轴方向的振动时域波形(S_t-t)，同理可得出区域K内钢丝绳形心位置在背景屏平面内的实际位置坐标和钢丝绳Y轴方向的振动时域波形(S_t1-t₁)；

(g)、多次重复步骤(c)到(f)可得到钢丝绳在相同的一个时间段内选定的多个不同区域中的钢丝绳形心振动轨迹，通过连接选定的不同区域的同一时刻钢丝绳形心空间位置的坐标，可得到t时刻钢丝绳空间振动形态。

本发明的有益效果是：(1)本发明通过高速摄像机图像采集及计算机图像处理原理测定钢丝绳横向空间振动的方法，以非接触的测量方式，静止的测量终端，可调的大检测量程，简便的操作方式，通过高速摄像机图像采集系统满足所有以钢丝绳(轴向移动绳)为传动方式的系统的钢丝绳横向空间振动检测；(2)该方法无附加干扰，不改变测试对象的振动特性，旨在方便、准确地测出钢丝绳的空间振动轨迹以及空间振动形态，对高速摄像机拍摄视场内多根钢丝绳的振动图像可以同时采集，取得多根钢丝绳的空间振动形态，用于验证钢丝绳振动问题的数值计算方法或仿真分析的正确性；(3)本发明无需复杂的传感器布置工作，不仅可以用于试验验证理论研究，还可以用于系统的健康监测。

附图说明

图1为高速摄像机与钢丝绳位置示意图；

图2为钢丝绳X轴方向的振动时域波形图；

图3为钢丝绳Y轴方向的振动时域波形图；

图4为缠绕式提升机钢丝绳振动测量系统结构示意图。

图1中1高速摄像机、2背景屏、3钢丝绳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4所示：以缠绕式提升机卷筒与天轮间的钢丝绳横向空间振动检测为例，如图4所示，1为提升机卷筒，2为提升卷筒与提升天轮间的钢丝绳，3为天轮，4为提升负载，那么需要检测的就是提升机卷筒1与天轮3之间的横向空间振动，在与钢丝绳相交处建立空间坐标，提升机卷筒1与天轮3间的钢丝绳轴向为Z轴，X轴垂直于提升卷筒轴线与钢丝绳轴线，Y轴垂直于X轴与Z轴，那么钢丝绳的横向空间振动可看作是沿X-Z平面方向的振动和沿Y-Z平面的振动，且设定的检测区域能够覆盖振动的全部幅值范围。

对于缠绕式提升机卷筒与天轮间的钢丝绳横向空间振动测量的方法，具体包括以下步骤：

(a)、设置图像采集系统，图像采集系统由相互垂直设置的两部高速摄像机1和与两部高速摄像机1相对应设置的两部背景屏2组成，钢丝绳3竖直设置在两部高速摄像机1与两部背景屏2之间且与两部背景屏2平行；

(b)、在两部背景屏2上各设定出两部高速摄像机1拍摄区域的实际高度和实际宽度；

(c)、通过C++Builder XE集成开发平台，利用C++编程语言开发基于单目机器视觉的钢丝绳横向振动检测程序加载高速摄像机1拍摄出的图像，利用C++Builder的TBitmap类读取高速摄像机1同步同频率拍摄出的两组图像位图文件，将其中一组图像宽度设为X轴、高度设为Z轴，并在图像上选定矩形的区域M，区域M图像的宽度为m个像素(测量单根钢丝绳横向振动时m等于原图宽度，测量多根钢丝绳2横向振动时应以钢丝绳横向振动最大幅值所占原图的大小具体分析设定)，高度为n个像素(研究区域M内钢丝绳的轴向轮廓线近似为直线段)；同理将另一组图像的宽度设为Y轴，图像高度设为Z轴，在图像上选定出一个矩形的区域K，选取的区域M和区域K在图像高度Z轴上位置相同；

(d)、通过TBitmap类中的scanline函数选定区域M图像的开始行ii和总行数n，以区域M的高度m像素和宽度n像素定义一个m×n的矩阵A，在计算机中开辟一个m×n矩阵A内存，通过自适应阈值分割算法设定全局阈值将区域M进行二值化处理，将区域M内图像的像素分为钢丝绳像素群和背景屏像素群两个像素群，然后按照钢丝绳像素群在区域M图像中的位置(即每个像素所在的行和列)将矩阵A中相同位置的数值全设为1，然后将矩阵A中其他位置的数值全设为0，由此就得到了一个与区域M图像相同维度的01矩阵A；同理以区域K的高度q个像素和宽度p个像素定义一个q×p的矩阵B，通过自适应阈值分割算法设定全局阈值，将区域K进行二值化处理，将区域K内图像的像素分为钢丝绳像素群和背景屏像素群两个像素群，然后按照钢丝绳像素群在区域K图像中的位置(即每个像素所在的行和列)将矩阵B中相同位置的数值全设为1，然后将矩阵B中其他位置的数值全设为0，由此就得到了一个与区域K图像相同维度的01矩阵B；

(e)、利用公式

得出钢丝绳形心位置在宽度X轴方向上区域M内的像素坐标值式中i、j分别为矩阵A的行标和列标，a_(i,j)表示矩阵A中的元素；

同理可利用公式

得出钢丝绳形心位置在宽度Y轴方向上区域K内的像素坐标值式中i、j分别为矩阵B的行标和列标，b_(i,j)表示矩阵中B的元素；

当区域M和区域K选定时，钢丝绳在其轴向分布均匀，钢丝绳在选取的区域内从微分角度可近似看作两条平行的直线，其钢丝绳形心在Z轴上的坐标不随钢丝绳的横向振动而改变，由于选取的区域M和区域K在图像高度方向Z轴上的位置相同，可得到式中中为钢丝绳形心在高度Z轴方向上区域M内的像素坐标值，为钢丝绳形心在高度Z轴方向上区域K内的像素坐标值，为区域M和区域K内的钢丝绳形心在图像高度Z轴方向上的像素坐标值；

(f)、根据图像宽度与拍摄区域的实际宽度之间的比例尺H，计算区域M内钢丝绳形心位置在背景屏平面内的实际位置坐标值减去初始时刻的位置坐标值L₀，得到振动位移S_t＝L_t-L₀，t表示时刻，设图像数目为n，高速摄像机的拍摄频率为f，单位为fps，则时刻t＝n/f，根据钢丝绳的实际振动位移S_t和相对应的时刻t得到钢丝绳X轴方向的振动时域波形(S_t-t)，同理可得出区域K内钢丝绳形心位置在背景屏平面内的实际位置坐标和钢丝绳Y轴方向的振动时域波形(S_t1-t₁)；

(g)、多次重复步骤(c)到(f)可得到钢丝绳2在相同的一个时间段内选定的多个不同区域中的钢丝绳形心振动轨迹，通过连接选定的不同区域的同一时刻钢丝绳形心空间位置的坐标，可得到t时刻钢丝绳空间振动形态；

本方法中，通过分割图像界限，对高速摄像机拍摄视场内多根钢丝绳的振动图像可以同时采集，根据上述的测量方法，取得多根钢丝绳的空间振动形态，随着时间的改变可得到该段钢丝绳在空间内振动形态的变化规律。

本实施例中上述方法用于矿井中，作为其他实施方式，也可以用于其他垂吊重物的场合，如电梯、起重机、吊船、塔吊等。

Claims (1)

1.一种钢丝绳横向空间振动测量的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(a)、设置图像采集系统，图像采集系统由相互垂直设置的两部高速摄像机(1)和与两部高速摄像机(1)相对应设置的两部背景屏(2)组成，钢丝绳(3)竖直设置在两部高速摄像机(1)与两部背景屏(2)之间且与两部背景屏(2)平行；

(b)、在两部背景屏(2)上各设定出两部高速摄像机(1)拍摄区域的实际高度和实际宽度；

(c)、通过计算机钢丝绳横向振动检测程序加载两部高速摄像机(1)同步同频率拍摄出的两组图像，将其中一组图像宽度设为X轴、高度设为Z轴，并在图像上选定区域M，将另一组图像的宽度设为Y轴，图像高度设为Z轴，在图像上选定出一个区域K，选取的区域M和区域K在图像高度Z轴上位置相同；

(d)、以区域M的高度m像素和宽度n像素定义一个m×n的矩阵A，在计算机中开辟一个m×n矩阵A内存，通过自适应阈值分割算法设定全局阈值将区域M进行二值化处理，并得到区域M图像的01矩阵，同理以区域K的高度q像素和宽度p像素定义一个q×p的矩阵B，通过自适应阈值分割算法设定全局阈值，将区域K进行二值化处理，并得到区域K图像的01矩阵B；

(e)、利用公式

得出钢丝绳形心位置在宽度X轴方向上区域M内的像素坐标值式中i、j分别为矩阵A的行标和列标，a_(i,j)表示矩阵A中的元素；同理可利用公式

可得出钢丝绳形心位置在宽度Y轴方向上区域K内的像素坐标值式中i、j分别为矩阵B的行标和列标，b_(i,j)表示矩阵B中的元素；(f)、根据图像宽度与拍摄区域的实际宽度之间的比例尺H，计算区域M内钢丝绳形心位置在背景屏平面内的实际位置坐标值减去初始时刻的位置坐标值L₀，得到振动位移S_t＝L_t-L₀，t表示时刻，设图像数目为n，高速摄像机的拍摄频率为f，单位为fps，则时刻t＝n/f，根据钢丝绳的实际振动位移S_t和相对应的时刻t得到钢丝绳X轴方向的振动时域波形(S_t-t)，同理可得出区域K内钢丝绳形心位置在背景屏(2)平面内的实际位置坐标和钢丝绳Y轴方向的振动时域波形(S_t1-t₁)；

(g)、多次重复步骤(c)到(f)可得到钢丝绳(3)在相同的一个时间段内选定的多个不同区域中的钢丝绳形心振动轨迹，通过连接选定的不同区域的同一时刻钢丝绳形心空间位置的坐标，可得到t时刻钢丝绳空间振动形态。