CN114104894B - 一种电梯导轨质量多参数检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电梯导轨质量多参数检测方法，该方法利用激光铅锤仪产生高垂直度的激光光束，投射到由电梯导轨检测机器人携带的反光板上，利用安装在电梯导轨检测机器人上的摄像头对反光板上图像进行采集并将其传输到系统处理器中；经图像处理后，精准得到激光光斑的像素坐标(u，v)，通过对不同帧图像中光斑像素值在四象限上的变化情况确定电梯两侧导轨的垂直度、共面性和导轨间距多种参数，并生成报表。本发明操作性强、检测效率高、检测结果直观、准确。

Description

一种电梯导轨质量多参数检测方法
技术领域
本发明属于电梯导轨质量检测技术领域，涉及电梯导轨质量多参数检测方法。
背景技术
电梯作为高层、超高层建筑内部结构的垂直交通运输工具，成为日常生活中不可或缺的一部分，电梯导轨是供电轿厢运行的导向部件，电梯的安全运行与电梯导轨的质量情况息息相关。电梯导轨的质量检测直接影响电梯运行的舒适度和安全性能，在电梯系统中占有举足轻重的地位。
电梯导轨的垂直度直接影响安装和运行的稳定性，垂直度误差过大会造成电梯运行摆动颠簸，危及人身安全，因此导轨垂直度检测是电梯安装和运行以及维护过程中一项重要的工作。与此同时，电梯导轨的间距、共面性也是质量检测中的重要指标，电梯导轨间距偏差过大会引起轿厢水平晃动，过小会使轿厢垂直振动，电梯共面性对桥厢滑动导靴的受力情况有一定影响，易引发导轨的松动以及轿厢滑动导靴的磨损。
然而，由于电梯导轨质量的现场测量基准难以建立，目前常用的测量方法存在繁琐、测量时间长、测量精度低等缺陷，使得导轨的安装和调试工作需要大量的人力物力才能完成。为了提高检测精度和自动化程度，申请人在先研发了一种电梯导轨爬行机器人(CN111186749B)和一种电梯导轨质量检测装置 (CN111170121B)，为导轨质量检测提供了高性能的爬行装置。再此基础上，申请人为了解决现有技术中电梯导轨质量多个参数难以同时高效检测的难题，提出了本申请所述的检测方法。
现有技术中，CN110371816A、CN102607467A和CN106152976A均公开了电梯导轨单一参数垂直度的检测方法。CN108387189A采用激光检测法实现了对导轨平整度的检测；CN113310458A将两检测辊所受压力关于电梯长度变化的曲线绘制在坐标系上，得到电梯导轨各位置的变形量，汇总得到电梯导轨三维变形模型。
CN107416627A提出了一种电梯T型导轨多参数检测系统及方法，包括电梯导轨攀爬机器人、无线传输模块、激光铅垂仪、便携式工控机以及由攀爬机器人进行搭载的多种检测模块，分别对电梯导轨长度、电梯导轨支架及压板位置、电梯导轨轨距和电梯导轨垂直度进行检测；利用二维位置敏感探测器对激光点的光斑进行检测，激光测距仪对导轨间距进行检测。二维位置敏感探测器属于对激光点的被动检测，无法对干扰条件进行筛选与补偿，易受到外部光束与探测器内部电流噪声的干扰、影响检测的准确性。
CN110500983A公开一种电梯导轨综合参数检测评价方法及检测系统，包括，采用“互联网+”及人工智能技术，对导轨台阶、导轨间距、导轨垂直度进行检测。利用倾角传感器对检测点进行分段式检测，当前位置导轨垂直度受机器人前后轮位置上导轨状态的影响，无法连续对导轨进行垂直度检测。且现有技术中并未实现对导轨的共面性进行同时检测。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电梯导轨质量多参数检测方法，能够同时实现对两侧导轨简洁、高效地检测；可同时体现两侧导轨的垂直度、共面性和导轨间距多种质量参数；可对导轨质量信息进行连续采集、更直观地显示出整个导轨各位置参数信息的情况；且操作性强、检测效率高、检测结果直观、准确。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种电梯导轨质量多参数检测方法，包括以下步骤：
A，确定电梯导轨两侧相机分别与反光板距离S1、S2，调节相机焦距得到清晰图像；
B，对电梯导轨两侧相机的参数分别进行标定得到相机的内部参数、外部参数、径向畸变参数；
C，启动控制器，控制电梯导轨两侧相机分别对激光点投射在反光板上的图像进行采集；
D，采集到的图像信息直接由控制器进行图像处理，得到激光点中心的像素坐标(u，v)；
E，采集电梯导轨爬行机器人攀爬运行过程中的一系列图像，进行步骤D得到连续变化的像素坐标(Ui,Vi),i为图像帧数的编号；
F，对电梯导轨两侧相机处理所得到的像素坐标(Ui,Vi)进行处理得到导轨的导轨间距、垂直度、共面性参数信息；
G，将参数信息进行汇总并生成报表。
本发明中，所述步骤D中，图像处理的具体步骤如下：
D1,使用ROI算法对图像进行分割，提取激光点附近区域图像；
D2,利用畸变系数对分割后包含激光点的图像进行畸变校正；
D3,对D2获得的图像进行自适应阈值与形态学膨胀滤波处理，得到较为完整的光斑信息；
D4,利用Marr-Hildreth算子对D3得到的二值图像像素点处理，提取连通域的轮廓从而得到激光光斑的边缘信息；
D5,对D4检测到的边缘点集进行最小二乘法进行圆拟合得到激光光斑的中心坐标(u，v)。
本发明中，所述步骤F中，获取导轨参数的具体步骤如下：
F1,设对左侧相机采集的图像信息经过步骤E得到的像素坐标为(ui,vi)；对右侧相机采集的图像信息经过步骤E得到的像素坐标为(mi,ni)；
F2,旋转编码器获取当前电梯导轨爬行机器人所处位置；
F3,获取需检测位置的系统时间ti；
F4,由时间对像素坐标数据进行筛选，得到与位置相匹配的(ui,vi)、(mi,ni) 值；
F5,对F4中得到激光点中心在图像中的像素坐标(ui，vi)，(mi,ni)进行处理得到与之所对应的激光点在反光板上的位置坐标(Xw,Yw),两者关系式为：
其中：s为相机与反光板中心之间的距离、(u，v)为图像中激光点中心的像素坐标；(Xw,Yw)为激光点在反光板上的位置坐标，1/d x、1/d y表示在图像X、Y轴上单位距离中像素的个数，f为相机的有效焦距；
F6，由不同帧图像中激光点中心像素坐标(u,v)相对于初始状态的偏差 (Δu，Δv)进行上述步骤F5，得到激光点在反光板上位置的变化量(ΔX,ΔY)，由两侧导轨对应的变化量，可得到导轨间距、垂直度、共面性参数；
F7,由同一位置时两侧激光点位置在X轴方向上相对于初始坐标的偏移量ΔXu、ΔXm，得到电梯导轨在该位置的间距为(ΔXu+ΔXm+l0)，l0为初始时电梯两侧导轨间距；
由对不同位置，两侧激光点位置在X轴方向上分别相对于初始坐标的偏移量ΔXi，连续反映出两侧电梯导轨在不同位置的垂直度变化；
其中对不同帧图像对应的激光点位置在Y轴方向上相对于初始坐标的偏移量ΔYi，ΔYi＝ΔYu+ΔYm，显示出电梯导轨的共面性变化。
本发明中，所述步骤G中，通过对相机采集到的连续图像进行图像、数据处理后得到导轨的各参数，将各参数整合生成检测报表，报表中由连续变化的参数所作出的图表，可直观显示出电梯导轨的状态。
本发明中，所述电梯导轨爬行机器人紧贴电梯两个轨道并沿导轨爬行；所述反光板和相机共有两组，分别固定在电梯导轨爬行机器人左右两侧所设计的支撑装置上，相机镜头朝向反光板，保证其与反光板之间角度位置相对固定且成像清晰，两个独立的铅垂激光器固定在地面上，产生竖直向上的激光分别射向反光板的中心附近位置。
本发明中，所述电梯导轨爬行机器人上设置有中控箱，所述中控箱将控制器、电源、驱动器、传感器集中在一起；所述电梯导轨爬行机器人可实现开环与闭环控制，保证机器人自主在电梯导轨上进行平稳攀爬检测。
本发明中，所述相机采用分辨率为1920*1080的USB高清摄像头，直接连接到控制系统的处理器，处理器采用基于linux的单片机电脑树莓派(Raspberry Pi)4B，可较快完成对对图像进行处理和数据处理。
本发明中，相机内部参数反应相机关于所成像之间相对固定参数，外部参数为物体与所成像之间的存在的旋转与平移关系，畸变系数为相机所成图像发生的畸变程度；由内部参数和外部参数可得到物体上某点的位置与在所成图像中位置之间的对应关系。
本发明中，所述中控箱对机器人运动状态进行控制，利用倾角传感器实时反馈机器人运行时的平衡度，传送到控制器，由控制器实时调整电梯导轨爬行机器人整体保持自身与导轨相对垂直及整体运动方向与地面相对垂直。
本发明中，所述电梯导轨质量多参数检测方法均在控制器中实现，在图像与数据处理过程中对信息进行逐层筛选从而减少运算量、提高运算速度。
本发明首次提出同时实现两侧电梯导轨质量的多参数一步检测的方法，电梯导轨爬行机器人携带相机对激光铅锤仪产生的激光光束在反光板上成像进行检测，反光板与相机的相对位置固定使得相机所采集的图像信息相对单一，且坐标转换关系中s相对固定，使得坐标转化处理更加简洁、高效；高分辨率的相机和图像处理模块结合使得对图像中激光光斑进行中心检测的结果更为精确，且具有一定的抗光干扰能力；高性能的处理器-树莓派可实现对图像和数据的快速处理，一般情况下可实现每秒对15帧图像的实时处理；数据处理模块将激光点位置与电梯导轨各参数之间建立对应关系，准确显示出导轨状态；对数据处理后可生成检测报告，使整个检测系统更加自动化、智能化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所述方法同时实现对两侧导轨简洁、高效地检测且检测结果直观、准确；所述方法中两侧相机同时检测到的关于激光点光斑位置的信息中可同时体现两侧导轨的垂直度、共面性和导轨间距多种质量参数；所述方法利用相机对双导轨同时检测，提高了检测效率，对图像的处理速度达到每秒15帧，可对导轨质量信息进行连续采集、更直观地显示出整个导轨各位置参数信息的情况；利用相机对激光光斑信息进行获取的方法，操作性强、可对信息进行优化处理，在图像处理阶段可利用算法对干扰信息进行筛选、补偿，提高检测精度。
附图说明
图1是本发明检测装置控制系统图；
图2是本发明检测方法系统流程图；
图3是检测方法中图像处理流程图；
图4是垂直度检测原理图；
图5是共面性检测原理图；
图6是导轨间距检测原理图；
图7是本发明垂直度检测变化曲线图；
图8是共面性检测变化曲线图；
图9是导轨间距检测变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明所述中控箱的控制系统，利用主控制器树莓派对各传感器的控制和信息的读取，与用户端进行通讯以及对电机运动状态的控制，传感器主要包括姿态传感器、位置传感器、激光开关传感器、相机。用户端部分由pc机、上位机控制软件组成。机器人中控箱的运动控制系统需要完成的任务，包括机器人与上位机软件的实时通讯、图像采集以及在自动模式下控制机器人进行自平衡调整。用户端通过上位机交互界面对机器人的运动参数进行设定，姿态控制在机器人自主运行过程中进行姿态调整，包括机器人悬停、前进、后退以及整体平衡度等控制。图像控制主要是对于图像的采集，包括拍照、录像等操作。
本发明所述的电梯导轨质量检测方法需要借助电梯导轨爬行机器人来实现，所述电梯导轨爬行机器人紧贴电梯两个轨道并沿导轨爬行；所述反光板和相机共有两组，分别固定在电梯导轨爬行机器人左右两侧所设计的支撑装置上，相机镜头朝向反光板，保证其与反光板之间角度位置相对固定且成像清晰，两个独立的铅垂激光器固定在地面上，产生竖直向上的激光分别射向反光板的中心附近位置。
作为具体的实施方式，本发明中所述电梯导轨爬行机器人为专利CN2020100122786中公开的电梯导轨爬行机器人。
本发明中，所述电梯导轨爬行机器人上还设置有中控箱，所述中控箱将控制器、电源、驱动器、传感器集中在一起；所述电梯导轨爬行机器人可实现开环与闭环控制，保证机器人自主在电梯导轨上进行平稳攀爬检测。
本发明中，所述相机采用分辨率为1920*1080的USB高清摄像头，直接连接到控制系统的处理器，处理器采用基于linux的单片机电脑树莓派(Raspberry Pi)4B，可较快完成对对图像进行处理和数据处理。
本发明中，相机内部参数反应相机关于所成像之间相对固定参数，外部参数为物体与所成像之间的存在的旋转与平移关系，畸变系数为相机所成图像发生的畸变程度；由内部参数和外部参数可得到物体上某点的位置与在所成图像中位置之间的对应关系。
本发明中，所述中控箱对机器人运动状态进行控制，利用倾角传感器实时反馈机器人运行时的平衡度，传送到控制器，由控制器实时调整电梯导轨爬行机器人整体保持自身与导轨相对垂直及整体运动方向与地面相对垂直。
本发明中，所述电梯导轨质量多参数检测方法均在控制器中实现，在图像与数据处理过程中对信息进行逐层筛选从而减少运算量、提高运算速度。
实施例1
本实施例提供了一种电梯导轨质量多参数检测的方法，该方法包括下列步骤：
步骤1，确定电梯导轨两侧相机分别与反光板距离S1、S2，调节相机焦距得到清晰图像；
步骤2，对电梯导轨两侧相机的参数分别进行标定得到相机的内部参数、外部参数、径向畸变参数；
步骤3，启动控制器，如图1所示的控制系统中，树莓派启动对系统和各传感器进行初始化，清除残留数据，保证传感器正常运行；在进行信息采集之前对控制系统进行轮讯，等待控制系统的控制信号，接收到控制系统信号后各传感器开始工作；控制信号通过wifi由上位机传送到控制器；
将系统调整到闭环控制下，系统时刻接收来自倾角传感器的偏移角度信息，并反馈给控制系统，保证装置平稳运行；
控制电梯导轨两侧相机分别对激光点投射在反光板上的图像进行采集；
步骤4：采集到的图像进行处理，处理过程包括；如图2所示对图像进行ROI 算法分割，获取激光点位置附近图像信息，减少不必要的干扰信息，提高处理速度；利用畸变系数对分割后包含激光点的图像进行畸变校正；利用自适应阈值算法得到较为合适的阈值并进行二值化，对图像亮度和对比度等干扰信息具有良好的抗干扰能力，可对重要的图像信息进行较好的保留；加入形态学滤波算法得到更加清晰的光斑形状，对连通域的轮廓进行检测得到激光光斑的边缘，最后通过圆拟合得到激光光斑圆心的像素坐标(u，v)。
步骤5，采集电梯导轨爬行机器人攀爬运行过程中的一系列图像，进行步骤 3得到连续变化的像素坐标(Ui,Vi),i为图像帧数的编号；
步骤6，将连续变化的像素坐标(Ui,Vi)进行处理转化为在反光板上的位置坐标，具体步骤如下：设对左侧相机采集的图像信息经过步骤5得到的像素坐标为(ui,vi)；对右侧相机采集的图像信息经过步骤5得到的像素坐标为(mi,ni)；旋转编码器获取当前电梯导轨爬行机器人所处位置；获取需检测位置的时间ti；由时间对像素坐标数据进行筛选，得到与位置相匹配的(ui,vi)、(mi,ni)值；对激光点中心在图像中的像素坐标(ui，vi)，(mi,ni)进行处理得到与之所对应的激光点在反光板上的位置坐标(Xw,Yw),两者关系式为：
其中：s为相机与反光板中心之间距离、(u，v)为图像中激光点中心的像素坐标；(XW,YW)为激光点在反光板上的位置坐标，1/d x、1/d y表示在图像 X、Y轴上单位距离中像素的个数，f为相机的有效焦距；
由不同帧图像中激光点中心像素坐标(u,v)相对于初始状态的偏差 (Δu，Δv)进行上述步骤F5，得到激光点在反光板上位置的变化量(ΔX,ΔY)；
步骤7，由旋转编码器对位置信息进行提取，将上述信息保存在指定文件中；读取数据，由同一位置时两侧激光点位置在X轴方向上相对于初始坐标的偏移量ΔXu、ΔXm，得到电梯导轨在该位置间距为(ΔXu+ΔXm+l0)，l0为初始时电梯两侧导轨间距，如图6所示；由对不同位置，两侧激光点位置在X轴方向上分别相对于初始坐标的偏移量ΔXi，可连续反映出两侧电梯导轨在不同位置的垂直度变化，如图4所示；其中对不同帧图像对应的激光点位置在Y轴方向上相对与初始坐标的偏移量ΔYi，ΔYi＝ΔYu+ΔYm，可显示出电梯导轨的共面性变化，如图5所示；其中上升高度由电机上携带的旋转编码器获得。
步骤8，通过对相机采集到的连续图像进行图像、数据处理后得到导轨的各参数，将各参数整合生成检测报表，报表中由连续变化的参数所作出的图表，图7是本发明垂直度检测变化曲线图；图8是共面性检测变化曲线图；图9是导轨间距检测变化曲线图；
如图7所示，在第5个检测点处左侧导轨偏移量为-0.25mm、右侧导轨偏移量为-0.22mm，检测方法对各检测点偏移量的检测精度可达到0.01mm。如图8 所示，检测方法对两侧导轨共面性具有良好的检测效果，检测得到的变化曲线图可直观显示出两侧电梯导轨的状态。如图9所示，左右导轨距中线的初始距离l0/2为911.20mm，根据两侧导轨垂直度偏移量可得出左侧导轨距中线距离为 911.45mm、右侧导轨距中线距离为910.98mm，因此在第5个检测点处导轨间距为1822.43mm。

Claims (6)

1.一种电梯导轨质量多参数检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A，确定电梯导轨两侧相机分别与反光板距离S1、S2，调节相机焦距得到清晰图像；
B，对电梯导轨两侧相机的参数分别进行标定得到相机的内部参数、外部参数、径向畸变参数；
C，启动控制器，控制电梯导轨两侧相机分别对激光点投射在反光板上的图像进行采集；
D，采集到的图像信息直接由控制器进行图像处理，得到激光点中心的像素坐标(u,v)；
E，采集电梯导轨爬行机器人攀爬运行过程中的一系列图像，进行步骤D得到连续变化的像素坐标(Ui,Vi)，i为图像帧数的编号；
F，对电梯导轨两侧相机处理所得到的像素坐标(Ui,Vi)进行处理得到导轨的导轨间距、垂直度、共面性参数信息；具体步骤如下：
F1,设对左侧相机采集的图像信息经过步骤E得到的像素坐标为(ui,vi)；对右侧相机采集的图像信息经过步骤E得到的像素坐标为(mi,ni)；
F2,旋转编码器获取当前电梯导轨爬行机器人所处位置；
F3,获取需检测位置的时间ti；
F4,由时间对像素坐标数据进行筛选，得到与位置相匹配的(ui,vi)、(mi,ni)值；
F5,对F4中得到激光点中心在图像中的像素坐标(ui,vi)、(mi,ni)进行处理得到与之所对应的激光点在反光板上的位置坐标(Xw,Yw),两者关系式为：
Figure FDA0004099478310000011
其中：s为相机与反光板中心之间的距离，(u,v)为图像中激光点中心的像素坐标；(Xw,Yw)为激光点在反光板上的位置坐标，1/dx、1/dy表示在图像X、Y轴上单位距离中像素的个数，f为相机的有效焦距；
F6,由不同帧图像中激光点中心像素坐标(u,v)相对于初始状态的偏差(Δu，Δv)进行上述步骤F5，得到激光点在反光板上位置的变化量(ΔX,ΔY)，由两侧导轨对应的变化量，可得到导轨间距、垂直度、共面性参数；
G，将参数信息进行汇总并生成报表。
2.根据权利要求1所述的一种电梯导轨质量多参数检测方法，其特征在于，所述步骤D中，图像处理的具体步骤如下：
D1,使用ROI算法对图像进行分割，提取激光点附近区域图像；
D2,利用畸变系数对分割后包含激光点的图像进行畸变校正；
D3,对D2获得的图像进行阈值、滤波处理；
D4,对连通域的轮廓进行检测得到激光光斑的边缘；
D5,由圆拟合得到激光光斑的中心坐标(u,v)。
3.根据权利要求1所述的一种电梯导轨质量多参数检测方法，其特征在于，所述步骤F6中，由同一位置时两侧激光点位置在X轴方向上相对于初始坐标的偏移量ΔXu、ΔXm，得到电梯导轨在该位置的间距为(ΔXu+ΔXm+l0)，l0为初始时电梯两侧导轨间距；
由对不同位置，两侧激光点位置在X轴方向上分别相对于初始坐标的偏移量ΔXi，连续反映出两侧电梯导轨在不同位置的垂直度变化；
其中对不同帧图像对应的激光点位置在Y轴方向上相对于初始坐标的偏移量ΔYi，ΔYi＝ΔYu+ΔYm，显示出电梯导轨的共面性变化。
4.根据权利要求1所述的一种电梯导轨质量多参数检测方法，其特征在于，所述电梯导轨爬行机器人紧贴电梯两个轨道并沿导轨爬行；所述反光板和相机共有两组，分别固定在电梯导轨爬行机器人左右两侧所设计的支撑装置上，相机镜头朝向反光板，保证其与反光板之间角度位置相对固定且成像清晰，两个独立的铅垂激光器固定在地面上，产生竖直向上的激光分别射向反光板的中心附近位置。
5.根据权利要求1所述的一种电梯导轨质量多参数检测方法，其特征在于，所述电梯导轨爬行机器人上设置有中控箱，所述中控箱将控制器、电源、驱动器、传感器集中在一起；所述电梯导轨爬行机器人实现开环与闭环控制，保证机器人自主在电梯导轨上进行平稳攀爬检测。
6.根据权利要求1所述的一种电梯导轨质量多参数检测方法，其特征在于，所述相机采用分辨率为1920*1080的USB高清摄像头，直接连接到控制系统的处理器，处理器采用基于linux的单片机电脑树莓派(Raspberry Pi)4B，较快完成图像处理和数据处理。
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