鄭海濱

（福建省特種設(shè)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(jīng)濟的進步和發(fā)展，電梯已經(jīng)成為每棟高層建筑物的標(biāo)配，而電梯導(dǎo)軌作為電梯運輸系統(tǒng)的重要一個組成部分，直接地關(guān)系到了電梯的穩(wěn)定性和安全性。電梯導(dǎo)軌在電梯運行中起重要的導(dǎo)向作用，其軌距偏差、安裝質(zhì)量直接影響著電梯運行的穩(wěn)定性、安全性和乘梯人員的舒適感。電梯導(dǎo)軌在進行設(shè)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(chǎn)生尺寸上的偏差，若這些偏差超出了規(guī)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(yán)重的安全事故，如圖1所示。在安裝和檢驗過程中，電梯導(dǎo)軌的軌距偏差、垂直度偏差是衡量電梯安裝質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。在對電梯導(dǎo)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(shù)性難題。

圖1 電梯導(dǎo)軌

在電梯安裝和驗收過程中，電梯導(dǎo)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(huán)節(jié)。目前在安裝檢驗工作中主要采用傳統(tǒng)的鉛垂線測量方法，以鉛垂線作為垂直基準(zhǔn)，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(tǒng)的鉛垂線測量方式外，還有一種使用激光標(biāo)靶垂準(zhǔn)儀代替鉛垂線，將激光標(biāo)靶固定在導(dǎo)軌的基準(zhǔn)零點上，激光射在標(biāo)靶上得到的X、Y兩個值即為該測量點所在位置處于基準(zhǔn)零點之間的導(dǎo)軌垂直偏差值。該方法的測量精度已顯著提高，并在不斷發(fā)展和提高，但仍需要手動測量，工作量大。

近年來，電梯導(dǎo)軌在自動化測量領(lǐng)域取得了一些進展，研發(fā)了一些新的自動檢測技術(shù)，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(shè)備成本較低的電梯導(dǎo)軌參數(shù)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(dǎo)軌三維重建測量方法對電梯導(dǎo)軌實現(xiàn)導(dǎo)軌參數(shù)的自動化測量進行研究。

1 檢驗依據(jù)

《TSGT7001-2009電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則-曳引與強制驅(qū)動電梯》[1]（含2號修改單）規(guī)定如下：

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

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

2 電梯導(dǎo)軌參數(shù)測量的傳統(tǒng)測量方法

電梯導(dǎo)軌參數(shù)常見的傳統(tǒng)測量技術(shù)主要有鉛垂線測量法、調(diào)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(diào)道尺、游標(biāo)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(huán)境因素以及單擺效應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差；在電梯的測試和保養(yǎng)階段，腳手架已經(jīng)拆除，此時測量基難以固定，測量誤差明顯增大。所以傳統(tǒng)的電梯導(dǎo)軌參數(shù)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(dǎo)軌參數(shù)測量的現(xiàn)代測量方法

電梯導(dǎo)軌參數(shù)常見的現(xiàn)代測量技術(shù)主要有激光準(zhǔn)直技術(shù)以及傳感器技術(shù)等。激光標(biāo)靶準(zhǔn)直測量方法利用鉛直激光發(fā)射機具有的受環(huán)境影響小、亮度高、方向性好等優(yōu)勢，以鉛直激光發(fā)射中心為檢測基準(zhǔn)，在不同的位置安裝了激光標(biāo)靶檢測導(dǎo)軌參數(shù)。在電梯導(dǎo)軌垂直度的現(xiàn)代測量技術(shù)中，除了激光準(zhǔn)直測量方法外，還出現(xiàn)了一些其他形式的導(dǎo)軌測量技術(shù)，由于這些技術(shù)在測量過程中都采用了與傳統(tǒng)測量技術(shù)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(zhǔn)直技術(shù)或者傳感器技術(shù)都存在標(biāo)靶光斑不穩(wěn)定、漂移、儀器零位誤差易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，只能對電梯導(dǎo)軌的垂直度偏差進行測量等缺點。

4 基于無人機的電梯導(dǎo)軌參數(shù)檢測方法

4.1 基于無人機的電梯導(dǎo)軌參數(shù)測量的總體方案

基于無人機的電梯導(dǎo)軌參數(shù)檢測方法主要是運用快速準(zhǔn)確、自動化程度高、可重復(fù)性強的無人機對已安裝導(dǎo)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(shù)處理并在基礎(chǔ)上進行三維重建，對所獲取的電梯導(dǎo)軌三維實體數(shù)據(jù)進行算法處理和分析獲得的導(dǎo)軌軌距偏差、平行度偏差、垂直度偏差等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個電梯導(dǎo)軌參數(shù)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(dǎo)軌參數(shù)檢測方法流程

（1）以攝像裝置對電梯導(dǎo)軌拍攝圖像，使航拍無人機在井道中垂直運動，對電梯導(dǎo)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(dǎo)軌圖像；

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

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

4.2 基于無人機的電梯導(dǎo)軌三維重建的原理及技術(shù)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(fù)雜的多視圖幾何結(jié)構(gòu)處理技術(shù)來快速實現(xiàn)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(fù)電梯井道包含導(dǎo)軌的場景模型[4]，將無人機拍攝獲取的井道包含導(dǎo)軌的具有重疊區(qū)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(qū)域的三維結(jié)構(gòu)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(tǒng)的工作流程

（1）任務(wù)規(guī)劃階段。該階段包括無人機拍攝設(shè)備的檢測調(diào)試，拍攝井道的確認(rèn)，拍攝航線的規(guī)劃。

（2）井道拍攝任務(wù)執(zhí)行階段。通過預(yù)先設(shè)置的井道飛行路線和航道對既定目標(biāo)井道進行拍攝，在實時拍攝的過程中經(jīng)由地面控制系統(tǒng)根據(jù)實時拍攝傳輸回來的圖像調(diào)整無人機的航線或者拍攝設(shè)備。

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

其中為了實現(xiàn)電梯導(dǎo)軌的三維重建任務(wù)，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(yù)處理：根據(jù)不同性能的無人機拍攝的圖像質(zhì)量不同，需要對其所拍攝的導(dǎo)軌圖片進行關(guān)鍵幀的篩選，并有效消除畸變和模糊等各種復(fù)雜因素的干擾，以提升井道導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌特點選擇和優(yōu)化相關(guān)特征提取匹配算法。

（3）電梯導(dǎo)軌三維結(jié)構(gòu)魯棒性解算：包括稀疏結(jié)構(gòu)重建和稠密結(jié)構(gòu)重建，運用多視圖方式組成數(shù)據(jù)集合的原理，對無人機的相機參數(shù)和所處空間點進行還原。

4.3 基于無人機的電梯導(dǎo)軌三維重建算法

電梯導(dǎo)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(biāo)導(dǎo)軌圖像內(nèi)部進行邊緣分割檢測，再通過算子利用電梯導(dǎo)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(dǎo)軌虛假目標(biāo)圖像邊緣；（2）通過曲線計算邊緣誤差點的方法和曲線在導(dǎo)軌方向上的誤差梯度及其加權(quán)值應(yīng)用來計算作為導(dǎo)軌的一個初始化精度輪廓，根據(jù)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(shù)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(yōu)化像素精度數(shù)據(jù)分別進行了精細(xì)的精度搜索，利用針對相鄰像素區(qū)間進行距離誤差最小化的精度準(zhǔn)則數(shù)據(jù)來進行估算可以得出當(dāng)前最佳亞優(yōu)化像素的精度匹配值和點參數(shù)對，并將其廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌外形和導(dǎo)軌尺寸上的測量，總體計算精度最高的值可以做到達(dá)0.1 mm。該計算方法有效地大大降低了邊緣輪廓結(jié)構(gòu)重建定位算法對整體邊緣輪廓定位精度的嚴(yán)重依賴，同時也大大提高了整體輪廓結(jié)構(gòu)重建的計算精度［8］。

首先三維重建需要計算的是導(dǎo)軌輪廓上當(dāng)前點的法線方向，對于直線、圓、矩形、圓角矩形而言，導(dǎo)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(dāng)前點依照順時針方向前后固定間隔點的方式實現(xiàn)，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(dāng)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(jié)果定義當(dāng)前點輪廓法線方向后，還需要同時計算當(dāng)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(biāo)直線上的方向加權(quán)定義平均法線梯度公式定義其值為一個帶有目標(biāo)法線輪廓的亞整數(shù)像素當(dāng)前點[9]，具體過程如下。

（1）計算法線上距離當(dāng)前點為固定距離的兩個點，定義當(dāng)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(dǎo)軌初始輪廓交點設(shè)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(biāo)點（x，y）均值作為最終的亞像素坐標(biāo)位置[10]。

根據(jù)鄰域最小距離準(zhǔn)則進行亞像素精確匹配過程如下[11]：對當(dāng)前行號為i的對應(yīng)點Pi(x1,y1)、Qi(x1,y1)，固定y坐標(biāo)，將橫坐標(biāo)x1從x1-2遍歷到x1+2，間隔為0.2；將橫坐標(biāo)x2從x2-2遍歷到x2+2，間隔為0.2，生成亞像素對應(yīng)點集合；對第i+1行重復(fù)以上步驟，生成對應(yīng)點序列；使用三角測量原理重建出第i行、第i+1行對應(yīng)點的三維坐標(biāo)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(yīng)集合Di中的三維點作為當(dāng)前點重建結(jié)果。重復(fù)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(jié)果[12]。

5 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)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(yīng)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(dǎo)軌的三維實體數(shù)據(jù)并進行測量，獲得電梯導(dǎo)軌的軌距、垂直度、平行度數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場檢驗對比具有較高的一致性，符合安全生產(chǎn)的設(shè)計規(guī)范。