基于機(jī)器視覺的智能電梯仿真設(shè)計(jì)及測(cè)控技術(shù)

黃振HUANG Zhen

（廣州匯古建設(shè)有限公司，廣州 510663）

0 引言

在高層民用建筑、大型商業(yè)建筑中，群控電梯具有減少乘客候梯時(shí)間、合理分配電梯資源、提高電梯響應(yīng)速度等一系列優(yōu)勢(shì)，因此得到了推廣使用。但是群控電梯在實(shí)際應(yīng)用中也不可避免出現(xiàn)空載等無(wú)效調(diào)度，浪費(fèi)了能源。將機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)、人工智能技術(shù)等應(yīng)用到群控電梯中，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像信號(hào)，避免了候梯廳有呼叫但無(wú)人、轎廂內(nèi)有呼叫卻空載的無(wú)效調(diào)度情況，從而進(jìn)一步優(yōu)化電梯調(diào)度，使運(yùn)行效率提升，運(yùn)行能耗下降。為驗(yàn)證基于機(jī)器視覺的智能電梯調(diào)度功能實(shí)現(xiàn)情況，本文通過(guò)構(gòu)建仿真模型的形式進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 電梯仿真模型的工作原理

電梯仿真模型主要由PC 上位機(jī)、電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠副、轎廂、光軸導(dǎo)軌、圖像采集系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。利用PC 機(jī)軟件界面分別模擬轎廂A 和轎廂B 內(nèi)的呼叫按鈕，以及候梯廳的呼叫按鈕。圖像采集系統(tǒng)采集到的前端圖像信息傳輸至PC 機(jī)，用于判斷轎廂與候梯廳的現(xiàn)場(chǎng)情況，例如候梯廳有人或無(wú)人，轎廂滿載或空載等。接收到前端呼叫信號(hào)后，PC 機(jī)根據(jù)既定程序發(fā)出調(diào)度信號(hào)，電信號(hào)進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。然后利用光軸導(dǎo)軌帶動(dòng)圓法蘭上下移動(dòng)，固定在圓法蘭上的轎廂隨之上行或下行。

圖1 電梯仿真模型的結(jié)構(gòu)組成

2 基于機(jī)器視覺的智能電梯仿真設(shè)計(jì)

智能電梯仿真模型共計(jì)6 層，設(shè)有2 個(gè)轎廂，分為硬件和軟件兩部分。硬件部分又包括由光軸導(dǎo)軌、圓法蘭等組成的機(jī)械系統(tǒng)，由控制中心、顯示器等組成的電氣系統(tǒng)，以及由CCD 相機(jī)等組成圖像采集系統(tǒng)。軟件部分又分為由圖像處理、通訊校驗(yàn)等組成的上位機(jī)，由升降電機(jī)、門控電機(jī)等組成的下位機(jī)。

2.1 電梯仿真模型的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿真模型中利用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制門的開關(guān)，用小型減速步進(jìn)電機(jī)提供開關(guān)門的驅(qū)動(dòng)力。利用滾動(dòng)絲杠螺母副控制轎廂的升降，其傳動(dòng)效率更高（＞95%）、摩擦阻力矩小，可保障轎廂上行、下行時(shí)的安全。設(shè)計(jì)中使用絲桿長(zhǎng)度800mm，公稱直徑15mm，精度等級(jí)為7 級(jí)；滾道硬度60HRC；螺母最大上升速度6mm/s。光軸導(dǎo)軌的作用是保持轎廂運(yùn)行的平穩(wěn)性，本設(shè)計(jì)中采用光軸法蘭式導(dǎo)軌，使光軸和絲桿平行放置，將法蘭套在光軸上，再將轎廂和螺母、法蘭連接起來(lái)，保證轎廂能夠在絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)下穩(wěn)定上升、下降。光軸材質(zhì)為45 鋼，光軸支架采用鋁材。轎廂尺寸240mm×120mm×120mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃。

2.1.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)主要由空氣開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、門控電機(jī)等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電氣系統(tǒng)框架圖

本設(shè)計(jì)中使用變壓器將220V 交流電降壓成20V 和40V 的交流電，分別為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1 和2 供電。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以將脈沖信號(hào)進(jìn)行合理分配，在接收脈沖信號(hào)后，根據(jù)脈沖數(shù)量以及驅(qū)動(dòng)器設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)角位移量的控制，做到了精準(zhǔn)定位。空氣開關(guān)發(fā)揮了對(duì)電氣系統(tǒng)的保護(hù)作用，在電梯仿真系統(tǒng)的電路或電氣設(shè)備出現(xiàn)故障（如短路、過(guò)載等）后，空氣開關(guān)立即斷開，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全。直流穩(wěn)壓電源為單片機(jī)、門控電機(jī)等供電。單片機(jī)、升降電機(jī)、門控電機(jī)等，均屬于下位機(jī)的硬件部分，除此之外還包括上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信裝置，也是智能電梯仿真模型電氣系統(tǒng)的重要組成部分。在仿真設(shè)計(jì)中，還要重點(diǎn)考慮設(shè)備選型問(wèn)題，保證所選設(shè)備能夠滿足電梯仿真模型的運(yùn)行需要。以步進(jìn)電機(jī)為例，其功能是帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轎廂的上升或下降。已知絲桿質(zhì)量（ms）為0.686kg，公稱直徑（d）為15mm，導(dǎo)程（Ph）為5mm，轎廂自重（mj）為10kg，則絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Js）為：

轎廂折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Jj）為：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，仿真設(shè)計(jì)中所用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不應(yīng)低于0.772kg·cm2。本設(shè)計(jì)中選用86BYG250B 型步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3kg·cm2，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攝像機(jī)用于采集候梯廳和轎廂內(nèi)的圖像，考慮到電梯仿真模型的空間有限，不可能在每層均安裝攝像機(jī)，因此本設(shè)計(jì)中使用一臺(tái)工業(yè)相機(jī)采集各層候梯廳的圖像，在后期圖像處理中再進(jìn)行分區(qū)、分層。候梯廳有效圖像采集區(qū)域?yàn)?.8m×0.6m，轎廂內(nèi)有效圖像采集區(qū)域?yàn)?.12m×0.08m。相機(jī)使用焦距為8mm 的鏡頭，搭配尺寸為4.8mm×3.6mm 的1/3″CCD。參照候悌廳內(nèi)有效區(qū)域長(zhǎng)度，可以計(jì)算出鏡頭到被攝物體的最短距離（D）：

根據(jù)式（3）可知，相機(jī)安裝在距離電梯仿真模型正對(duì)候梯廳的1.4m（取整）處較為合適。按照同樣的方法，計(jì)算出相機(jī)安裝在轎廂上方距離轎廂頂部0.2m 處較為合適。

2.2 電梯仿真模型的硬軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序使用VC++8.0 編寫，主要包括通訊校驗(yàn)?zāi)K、圖像處理模塊、需求判斷與響應(yīng)模塊等，上位機(jī)的運(yùn)行流程如圖3 所示。

圖3 仿真電梯模型上位機(jī)流程圖

在程序開始后，首先執(zhí)行通訊校驗(yàn)，如果校驗(yàn)未成功，則直接結(jié)束程序，由技術(shù)人員檢查存在的故障。等到校驗(yàn)成功后，各功能按鈕上電，圖像處理模塊的相機(jī)以及通訊模塊的通信裝置正常運(yùn)行。判斷電梯是否被需求，并處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)電梯被需求時(shí)，圖像處理模塊將現(xiàn)場(chǎng)圖像信息上傳至PC 機(jī)，根據(jù)圖像分析結(jié)果判斷該需求是否需要被響應(yīng)。如果需要，則啟動(dòng)需求響應(yīng)模塊，通信模塊工作；如果不需要，則返回電梯待機(jī)狀態(tài)。通信模塊運(yùn)行后，PC機(jī)接收下位機(jī)反饋的狀態(tài)標(biāo)志位信號(hào)，狀態(tài)判斷模塊、圖像處理模塊投入運(yùn)行，完成電梯調(diào)度。

圖像處理模塊中應(yīng)用了機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)，在候梯廳和轎廂內(nèi)沒(méi)有人時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像，將其作為“背景圖”；在有人的情況下采集現(xiàn)場(chǎng)圖像，將其作為“前景圖”?；跈C(jī)器視覺的檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用目標(biāo)提取法，提取出在前景圖中有、背景圖中沒(méi)有的圖像特征，以此判斷候梯廳內(nèi)有人或無(wú)人，以及轎廂內(nèi)空載或滿載。為了保證判斷結(jié)果的精確性，還運(yùn)用了拉普拉斯銳化進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，以便于圖像分割，增強(qiáng)判斷結(jié)果的可靠性。圖像模塊的軟件處理流程如圖4 所示。

圖4 圖像處理模塊軟件流程圖

基于機(jī)器視覺的目標(biāo)提取方法主要有光流法、減背景法兩種。本設(shè)計(jì)中使用減背景法，可以提高圖像快速處理效率，并且具有較強(qiáng)的抗噪性能。

2.2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該部分內(nèi)容主要是設(shè)計(jì)單片機(jī)的控制程序。單片機(jī)執(zhí)行程序前，需要根據(jù)主機(jī)程序中串口通信參數(shù)進(jìn)行串口的初始化設(shè)置。然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，每隔一定時(shí)間執(zhí)行一次“接收到對(duì)本機(jī)指令？”的判斷程序，如果未接收到指令，則繼續(xù)等待，并重復(fù)該判斷程序，直到確認(rèn)接收到指令，開始進(jìn)行通訊校驗(yàn)。若校驗(yàn)為成功，則自動(dòng)終止本次程序，并由技術(shù)人員檢查故障。若校驗(yàn)成功，則向上位機(jī)發(fā)送校驗(yàn)成功的信號(hào)。之后再根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的調(diào)度指令做出相應(yīng)的動(dòng)作，并且在指令執(zhí)行完畢后向上位機(jī)發(fā)送該指令執(zhí)行完畢的信號(hào)，之后等待下一次指令。主要流程如圖5 所示。

圖5 仿真電梯模型下位機(jī)流程圖

下位機(jī)軟件中，除了下位機(jī)通訊模塊外，還包括通訊校驗(yàn)、升降電機(jī)控制數(shù)碼管顯示等模塊。以數(shù)碼管顯示為例，借助于下位機(jī)通訊模塊將候梯廳的數(shù)碼管顯示信息發(fā)送給上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)接收指令后，將轎廂內(nèi)數(shù)碼管相連的單片機(jī)I/O 口置為O，并顯示當(dāng)前樓層。與候梯廳當(dāng)前樓層數(shù)碼管相連的單片機(jī)I/O 口置為O，轎廂所在樓層數(shù)碼管工作，顯示當(dāng)前樓層。

3 基于機(jī)器視覺的智能電梯測(cè)控試驗(yàn)

利用設(shè)計(jì)好的智能電梯仿真模型，分別進(jìn)行了以下3次調(diào)度測(cè)控實(shí)驗(yàn)：①兩轎廂均處于靜止?fàn)顟B(tài)，分別在距離A 轎廂較近、距離B 轎廂較近、距離A 和B 轎廂一樣近的候梯廳進(jìn)行呼叫，觀察電梯運(yùn)行情況；②使A 轎廂禁止，對(duì)應(yīng)樓層為X 樓，使B 轎廂運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)樓層為Y 時(shí)，在樓層Z 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察轎廂運(yùn)動(dòng)方向、候梯廳呼叫方向和電梯調(diào)度情況；③使A 和B 兩個(gè)轎廂都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行呼叫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)①中，距離A 轎廂近時(shí)，調(diào)用A 電梯；距離B 轎廂近時(shí)，調(diào)用B 電梯，距離A 和B 一樣近時(shí)，調(diào)用A 電梯。在實(shí)驗(yàn)②中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)該電梯滿足響應(yīng)模塊要求。在實(shí)驗(yàn)③中，呼叫發(fā)出后，電梯繼續(xù)原有運(yùn)動(dòng)，等到電梯完成該方向運(yùn)動(dòng)的所有呼叫之后再進(jìn)行需求判斷并回應(yīng)呼叫。

表1 智能電梯調(diào)度測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

綜上，本次測(cè)控實(shí)驗(yàn)中智能電梯仿真模型的調(diào)度合理，呼叫需求回應(yīng)及時(shí)，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)語(yǔ)

將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到智能電梯中，通過(guò)采集分析候梯廳與轎廂的圖像信息，可以精準(zhǔn)判斷呼叫是否有效、轎廂是否空載，并根據(jù)判斷結(jié)果合理調(diào)度電梯，從而提高了電梯運(yùn)行效率，減少了無(wú)效調(diào)度，降低了電梯運(yùn)行能耗，應(yīng)用效果良好。