一种机器视觉电梯制动力检测方法

丁建新，葛 阳

（东南电梯股份有限公司，江苏苏州215200）

0 引言

电梯作为一种特种设备，可以快捷地进行垂直运送，为运输提供了极大的便利。电梯的安全问题不容小视，电梯制动器是电梯安全系统的重要装置［1］。它能有效防控电梯发生溜车、坠落等事故的发生，很大程度上提升了电梯运行的安全性，使电梯能够准确地按程序设定的位置停靠。

但是作为制动器的重要技术指标——制动力的现场检测工作基本依靠人工测量，一般做法是给轿厢加载一定载荷，在电梯平稳运行后，切断曳引机电源，此时制动器开始制动，直至电梯完全停止时轿厢所运行的距离即为制动距离［2］。人工测量程序烦琐，精度差。本文提出一种机器视觉电梯制动力检测方法，可以自动计算电梯制动距离，简化制动检测流程，提高检测精度。

1 基本理论

本文采用的视觉处理基本原理是傅里叶变换，实质就是检测旋转图像的旋转角度。

1.1 二维离散傅里叶变换

假设空间域图像用f（x，y）表示，其像素大小为M×N，利用傅里叶变换处理该图像，f（u，v）表示处理结果，具体如式（1）。

式中：u=0，1，…，M-1；v=0，1，…，N-1。利用式（2）和（3）可以得到其相位谱Φ和功率谱P。

式中，Re[∙]和Im[∙]分别表示取函数的实部和虚部运算。

1.2 图像的傅里叶频谱分析

按照图像空间域和频率域的对应关系，频谱图的中心亮度部分对应整幅图像的低频能量，亮的直线反映的则是整幅图像的主要纹理方向［3］。

当图像发生旋转时，根据傅里叶变换，f1（x，y）=f（x，y）ej（mx+ny），对应的傅里叶变换为：F1（u，v）=f（u-m，v-n），功率谱P（u，v）也将发生变化。因此，傅里叶变换对旋转敏感，如图1所示，4幅图分别为原始图像及其傅里叶频谱图，以及原始图像逆时针旋转30°后的图像及其傅里叶频谱图。可以看出，每个频谱图中都有亮度较高且过中心的两条直线，这两条直线所指示的方向即为图像的纹理图像［4］。由图1可以看出，傅里叶变换对旋转敏感，空间域的图像旋转会直接反映在傅里叶变换后的频谱图中，所以可以利用图像傅里叶变换后的频谱图来检测图像的实际旋转角度。

图1 图像及其傅里叶频谱

1.3 旋转角的计算

通过观察图1中的频谱图可以发现，图像经傅里叶变换后频谱图中会出现一条或多条明亮的直线，本文将频谱图中亮度叠加之后最高的一条直线的方向定位图像的主方向，从而可以计算出两幅图像之间的旋转角度。

以频谱图中心（M/2，N/2）为圆心，以R=min（M/2，N/2）为半径，以此确定一个圆形区域，如图2所示。

图2 圆形区域的确定

假设水平向右半径对应的角度为0°，经过圆心的半径对应的角度记作θ′，θ′∈[- π,π]，叠加圆形区域内过此半径的像素点的像素值，取最大的叠加结果所对应的半径方向确定为图像的主方向。

半径上任意一点与图像坐标（x，y）的关系，可以用式（4）表示：

其中，r表示半径上的点距离圆心的距离，r∈[0,R]。因此，在计算半径上像素点的叠加像素值时，可通过穷举法，离散化θ′和r，计算出相应的坐标点，计算结果为小数时需要取整，然后将这些坐标点的像素值叠加起来，最大结果对应的值即为图像的主方向。

当分别确定两幅图像的主方向θ1和θ2之后，通过式（5）即可计算出两幅图像之间的旋转角度。

利用上述方法计算图2中的旋转角度为30.275 5°，实际旋转角度为30°，可以看出本文所提出的机器视觉计算图像旋转角度的方法误差很小，可以满足一些工程计算的需求。

2 试验及结果分析

如图3所示，为电梯制动器试验开始到电梯完全停止视频第一帧和最后一帧图片，篇幅关系，本文没有将其中所有帧图片全部列出，仅计算第一帧到最后一帧图片之间的旋转角度。需要说明的是，曳引轮在此期间旋转角度小于一周。为了便于实际测量曳引轮旋转角度以及图片主方向的确定，在试压过程中在曳引轮上贴了黑色反光条。

图3 制动器制动力试验

为了减少图片背景影响，提高旋转角度的计算精度，仅截取图片中心部分如图4所示。

图4 裁剪处理后的图片

利用本文提出的方法，进行图像傅里叶变换，并汇出频谱图，如图5所示。

图5 制动器检测图片及其傅里叶频谱

由图5可以看出，过图像中心有一条亮度较高的直线，即表示该图片的主方向。经过旋转角计算，可得曳引轮旋转角度为48.219 7°，实际测量曳引轮的旋转角度为47.5°，误差0.719 7°在已知曳引轮直径的情况下，可以利用式（6）计算出制动距离。

式中：L表示制动距离；D表示曳引轮直径。已知曳引轮直径为600 mm，代入式（6）计算可得电梯的制动距离为252.477 8 mm。

3 结语

本文提出了一种基于机器视觉的电梯制动检测方法，利用傅里叶变换理论将图像从空间域转换成频率域，然后计算图像的功率谱，确定图像的主方向，最后计算出两幅图像的旋转角。本文提出的方法可以减少电梯制动力检测的工作量，提高检测精度。