基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统及测试方法

摘要

本发明公开了一种基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统，包括试验台和工作站，试验台包括玻璃台板和设置在玻璃台板上的框架，框架内设置有轮胎，轮胎上连接有滚动控制机构，沿轮胎滚动方向的前后对应的框架侧壁上设置有激光器，玻璃台板下方以包围轮胎与玻璃台板接触面的方式设置有一圈LED照明灯，玻璃台板下正对轮胎与玻璃台板接触面的位置上设置有照相机，工作站与LED照明灯和照相机数据连接，接收图像数据并对数据进行处理显示。本发明提升对轮胎接触和离地时刻的判别精度，提高磨耗测试系统检测精度和测试重复性，可以实现静态印痕和动态滑移测试，功能扩展性更强，操作简单，重复性好，测试精度高。

权利要求

1.基于边缘增强识别的高精度轮胎滑移量测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统，包括试验台和工作站，所述试验台包括玻璃台板和设置在所述玻璃台板上的框架，框架内设置有轮胎，所述轮胎上连接有滚动控制机构，沿轮胎滚动方向的前后对应的框架侧壁上设置有激光器，玻璃台板下方以包围轮胎与玻璃台板接触面的方式设置有一圈LED照明灯，所述玻璃台板下正对轮胎与玻璃台板接触面的位置上设置有照相机，所述工作站与所述LED照明灯和照相机数据连接，接收图像数据并对数据进行处理显示；

(2)在轮胎胎面上的选取一块位置喷涂指定图案的标记点，将其作为特征点；

(3)调节激光器角度和LED照明灯强度，在轮胎静止状态下用照相机拍摄图像并传输到工作站，工作站对图像进行图像降噪，二值化获取特征点，再利用最小二乘法拟合特征点，计算出轮胎接触边界位置及形状，并在轮胎连续压力改变情况下，获取轮胎静态印痕变化；

(4)开启滚动控制机构，使轮胎运动，通过照相机拍摄轮胎在玻璃台板上运动图像，并将图像信息传输到工作站，所述工作站根据图像里的特征点坐标及计算所得边界，确定标记点是否与玻璃台板接触，然后通过图像分割方法确定ROI区域，完成图像的预处理，最后依靠Blob分析和图像位置加权法计算出标记点历史滑移曲线。

2.根据权利要求1所述的基于边缘增强识别的高精度轮胎滑移量测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中激光器与步进电机连接以控制调节激光器角度，所述步进电机由单片机控制，单片机通过WIFI模块与工作站通信。

3.根据权利要求1所述的基于边缘增强识别的高精度轮胎滑移量测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中激光器为一字型激光器。

4.根据权利要求1所述的基于边缘增强识别的高精度轮胎滑移量测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中LED照明灯由光源控制器控制，所述LED照明灯通过光源控制器与工作站数据连接。

5.根据权利要求1所述的基于边缘增强识别的高精度轮胎滑移量测试系统的测试方法，其特征在于，所述步骤(1)中照相机为支持4096x3072分辨率和最高180Hz的采样频率搭载畸变率极低的工业镜头的照相机。

说明书

基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统及测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轮胎滑移量测试，具体涉及一种基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统及测试方法。

背景技术

[0002] 轮胎在实际使用中的磨损情况是车辆安全最为关心的因素之一。室内轮胎异常磨损测试分析技术已广泛应用于轮胎企业的生产测试环节中，但如何快速准确有效地分析轮胎异常磨损依然是国内外轮胎磨耗测试技术开发的重要方向。

[0003] 目前现有技术方法如：专利公开号为CN206496732U，专利名称为一种滚动轮胎胎面滑移测量系统，该专利中提及基于视觉的轮胎摩擦能试验机的位移法磨耗测试系统主要是通过在轮胎上预先定义标记点，之后驱动轮胎在透明玻璃台板上滚动，使得轮胎与台板发生滚动和滑动摩擦，通过放置在玻璃台板下的相机捕捉轮胎移动程，通过计算机视觉的方法来确认并跟踪记录轮胎上的标记点，从而计算出胎面标计点滑移量，进一步可以计算出轮胎的磨损情况。

[0004] 由于轮胎因为摩擦产生的形变本身比较小，因此对于试验机的视觉采集系统提出了很高的要求。目前国内外的位移法磨耗测试系统的缺点主要包括以下方面：

[0005] 轮胎接触边界判断不准确。目前的照明方案多采用单光源或者双光源照明的方法，由于算法仅需要跟踪与胎面发生接触的标记点，需要避免已经离开接触的标记点的干扰。在整个轮胎位移过程中，轮胎与地面接触阶段，由于标记点在与地面摩擦过程中变化较为缓慢，且接触面与光源的夹角较小，受到光源照射的部分较大且光照均匀，并且因此跟踪难度较低。但当轮胎刚刚接触地面或者是刚刚离开地面的情况下，离开地面部分的胎面与光源的夹角连续变化，导致该部分胎面的亮度不均匀，而目前是根据轮胎与地面接触面的亮度与轮胎其余部分的亮度区别来确定轮胎接触边界，在光照条件极好的情况下，接触部分胎面的亮度与脱离接触部分胎面的亮度有较大的对比度，可以较好的确定轮胎与地面接触的边界。而在一般光照条件的情况下，接触部分胎面与脱离接触部分胎面的亮度接近，因此难以准确区分轮胎与地面接触的边界。

[0006] 特殊轮胎的跟踪精度不够。在准确捕捉标记点接触地面与离开地面运动方面，不同花纹形状的轮胎效果也不同。普通的轮胎在移动过程中，各部分变化较为均匀，不易出现突变，因此能够被目前使用的30Hz采样系统所跟踪。而在方形花纹轮胎移动过程中，方块状花纹在接触地面中会产生较大的形变，并且该形变在轮胎与地面脱离接触的瞬间被释放，产生一个较大的位移量，而以目前30Hz的采样系统进行测量，由于采样点数过少，获得的位移曲线结果几乎不能反映轮胎磨损的状况。

[0007] 另一方面，动态滑移测量和静态接地印痕形状测量往往是分别部署在不同系统上，专利公开号CN106626994A，专利名称一种车辆行驶期间检测轮胎动态垂直载荷的方法及系统，该专利中提及采用位移传感器，在每根车轴两端承载车架的弹簧下方安装位移传感器，通过测量传感器安装平面对地距离的变化，并综合气压和环境温度对轮胎尺寸的影响，进而计算处车辆上轮胎的实时下沉量。该方法具有单一测量轮胎载荷功能，而不能测量轮胎对地摩擦性能，且考虑到车辆自身结构特性对轮胎负载的影响，测量精度有限。

发明内容

[0008] 发明目的：本发明的目的是提供一种基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统及测试方法，解决轮胎接触边界判断不准确，轮胎运动跟踪精度低，静态印痕和动态滑移的系统不同，操作复杂，重复测试性能差，误差较大的问题。

[0009] 技术方案：本发明所述的基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统，包括试验台和工作站，所述试验台包括玻璃台板和设置在所述玻璃台板上的框架，框架内设置有轮胎，所述轮胎上连接有滚动控制机构，沿轮胎滚动方向的前后对应的框架侧壁上设置有激光器，玻璃台板下方以包围轮胎与玻璃台板接触面的方式设置有一圈LED照明灯，所述玻璃台板下正对轮胎与玻璃台板接触面的位置上设置有照相机，所述工作站与所述LED照明灯和照相机数据连接，接收图像数据并对数据进行处理显示。

[0010] 为了方便根据需求远程精确调节激光器的角度，所述激光器与步进电机连接以控制调节激光器角度，所述步进电机由单片机控制，并通过WIFI与主机通信。

[0011] 为了获得准确的轮胎接触边界，所述激光器为一字型激光器。

[0012] 为了工作人员能远程控制照明强度，所述LED照明灯由光源控制器控制，所述LED照明灯通过光源控制器与工作站数据连接。

[0013] 为了提高拍摄图像的精度，所述照相机为支持4096x3072分辨率和最高180Hz的采样频率搭载畸变率极低的工业镜头的照相机。

[0014] 采用基于边缘增强识别的高精度轮胎滑移量测试系统的测试方法，包括以下步骤：

[0015] (a)在轮胎胎面上的选取一块位置喷涂指定图案的标记点，将其作为特征点；

[0016] (b)调节激光器角度和LED照明灯强度，在轮胎静止状态下用照相机拍摄图像并传输到工作站，工作站对图像进行图像降噪，二值化获取特征点，再利用最小二乘法拟合特征点，计算出轮胎接触边界位置及形状，并在轮胎连续压力改变情况下，获取轮胎静态印痕变化；

[0017] (c)开启滚动控制机构，使轮胎运动，通过照相机拍摄轮胎在玻璃台板上运动图像，并将图像信息传输到工作站，所述工作站根据图像里的特征点坐标及轮胎接触边界位置，确定跟玻璃台板接触的标记点以及离开玻璃台板的标记点，然后通过图像分割方法确定ROI区域，完成图像的预处理，最后依靠Blob分析和图像位置加权法计算出标记点历史滑移曲线。

[0018] 有益效果：本发明使用LED补偿照明，通过激光确定轮胎接触地面边界，并且通过高精度相机提升对轮胎接触和离地时刻的判别精度，提高磨耗测试系统检测精度和测试重复性。本发明采用模块化松耦合设计，可以实现静态印痕和动态滑移测试，功能扩展性更强，操作简单，重复性好，测试精度高。

附图说明

[0019] 图1本发明的结构示意图；

[0020] 图2激光补偿轮胎边缘增强示意图；

[0021] 图3激光器结构示意图；

[0022] 图4图像数据采集流程图；

[0023] 图5图像数据预处理及分析流程图；

[0024] 图6图像标记点和感兴趣区域示意图；

[0025] 图7位移曲线测试结果图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0027] 如图1-3所示，基于边缘增强识别的轮胎滑移量测试系统，包括试验台和工作站8，试验台为试验台包括玻璃台板6，玻璃台板6上设置框架9，轮胎1设置在框架9内，轮胎1上连接有滚动控制机构2控制轮胎1运动，沿轮胎1滚动方向的前后对应的框架9侧壁上设置有一字型激光器3，玻璃台板6下方以包围轮胎1与玻璃台板6接触面的方式设置有一圈LED照明灯4，即用4块条形LED照明灯围成矩形，玻璃台板6下正对轮胎1与玻璃台板6接触面的位置上设置有照相机5，照相机5为支持4096x3072分辨率和最高180Hz的采样频率搭载畸变率极低的工业镜头的照相机，工作站8与LED照明灯4和照相机5数据连接，接收图像数据并对数据进行处理显示，试验台前后两侧的框架9底部设置有激光检测装置32，LED照明灯4由光源控制器控制，LED照明灯4通过光源控制器与工作站8数据连接。

[0028] 将两套激光器3固定在一体式步进电机31的旋转盘上，由一体式步进电机驱动旋转。两套一体式步进电机通过刚性支架33分别固定在试验台前框架和后框架底端靠近轮胎一侧，支架33通过部分折弯以绕过试验台的激光检测器32。激光器3以及步进电机31的电源线和控制线沿试验台框架9走线至试验台边缘与电源以及STM32控制机相连，所有电线均用保护壳覆盖保证安全美观。STM32控制机安装有WIFI模块，可以通过服务器端进行远程控制，用以调整激光器照射角度。在试验台玻璃台板下方安装4块条形LED照明灯，并连接光源控制器，光源控制器可以实现远程调整照明模块来改变照明效果。在玻璃台板之下架设相机，使用4根CoaXPress数据线与工作站控制室服务器中的采集卡连接进行数据传输。在服务器中，将系统内存进行虚拟化，保证足够大的传输带宽，试验过程中将视频数据记录在虚拟化的内存中。结束试验后，将数据从内存中读取，写入大容量的机械硬盘进行存储。工作站服务器为预处理和图像分析两大块。预处理过程中，首先根据激光器投射出的激光在轮胎与地面接触边界形成的影像计算边界位置及形状，再依据边界确定正在与地面接触的标记点以及离开地面的标记点。然后通过图像分割方法确定ROI区域，完成图像的预处理，图像分析中依靠Blob分析和图像位置加权法计算出标记点历史滑移曲线。

[0029] 在使用本发明测试时，在图1所示的系统结构示意图中，在轮胎胎面上的选取合适位置喷涂指定图案的标记点，一般标记点分两排，每一排以间距5cm的距离设置，将标记点作为特征点；在轮胎接地前沿和后沿分别安装可调节位置和照射角度的线激光；将摄像机和四个LED光源放置在摩擦能试验机玻璃台板下方适当位置，向上拍摄轮胎和玻璃台板的接触面的图像，其中LED光源用于保证拍摄图像的清晰可靠，线激光主要用于产生明显的轮胎接触边缘；通过工作站控制室人工控制产生触发信号，控制相机启动拍摄，拍摄的图片序列存储在放置于旁边操作室内的图像采集和处理分析服务器中，试验人员在该服务器上进行图像浏览、数据分析和报表输出。为了提高位移法测试系统的精度，配置高采样频率和高分辨率的相机十分必要。选用高性能相机，支持4096x3072分辨率和最高180Hz的采样频率，并且搭载畸变率极低的镜头。该款相机采用CoaXPress的传输方式保证较高的传输带宽，通过同轴电缆实现大数据实时传输。CoaXPress与CameraLink、USB3.0、千兆网等传统标准相比，传输距离更远，传输速率更高。该系统可实现高帧率下的超大数据量图像采集与存储，尤其适用于高端应用。该系统瞬时带宽高达25Gb/s，长时间稳定记录的速率到达2500MB/s，但现有传统机械硬盘和固态硬盘即使采用Raid技术依然无法满足该带宽需求。为了实现视频实时存储，采用内存虚拟化技术，通过在内存中虚拟硬盘的方法，加快数据传输速度，从而提供足够的传输带宽，供实时视频存储。针对轮胎接触边界的识别问题，采用双侧激光照射边界的方式进行接触边界亮度强化，再利用特征点拟合的方法获取边界区域从而实现轮胎接触边界的确定。为此，引入台架两侧一字型激光源。激光发射器固定在台架沿轮胎滚动方向前后侧包含电机激光器上下移动和激光器旋转移动两自由度，通过伺服电机驱动实现照射角度微调，细分0.02度，投射一束照射轮胎与玻璃台板相切位置的一字线激光即接触面边缘位置，如图2所示。激光器角度调节装置采用两套一体化步进电机驱动轮胎前后两套激光器的角度旋转。一体化步进电机包含了步进电机和步进电机驱动板，通过输入信号线以及电源线来驱动步进电机工作，步进电机可以通过不同的细分值来获取不同的旋转精度，按照需要可以实现单步0.02°的旋转精度。两套一体化步进电机的控制器选取一块STM32单片机进行控制，配套有红外遥控模块和对应遥控器，可以实现操作人员在操作间根据图像采集状况对设备间的激光器进行角度调节。由于试验台前后两端框架底部有激光检测装置，因此激光器的假设要绕过激光检测装置并在框架底部准确架设。设计有如图3所示结构，支架上下两侧分别固定在摩擦能试验机框架的上下两端，支架材料为钢，固定方式使用粘合剂，若稳定性达不到要求，在条件允许的情况下也可打孔使用螺钉固定。STM32单片机及整个角度调节系统电源经过封装可以安装在试验台的适当位置，与一体化步进电机的通信和供电走线将沿着试验台框架与置于轮胎前后两端的一体化步进电机相连接，试验台框架上的通信线路将安装保护套，确保安全。该步骤需在轮胎滑移测试前完成，对应不同尺寸的轮胎，需提前调整激光照射角度，以求准确定位接触边缘。激光器伺服电机控制系统视情况可选择红外遥控控制或WIFI远程控制。为方便调整激光照射效果，可采用自适应光照角度闭环控制，具体视情况而定。此外，采用四侧LED包围式照明系统，，从四个方向对玻璃台板进行补光，实现光照均匀的成像效果。LED照明光源选择条形光源，共配有4套LED照明光源。照明光为白光，并配有配套控制器，针对成像环境进行改善。

[0030] 轮胎与玻璃台板接触位置受到激光照射，呈现出照射在轮胎离开玻璃台板区域图像灰度值与未受到激光照射的轮胎接触区域的灰度值差异针对灰度相机，进而通过图像二值化处理并利用最小二乘法对像素值差异区域进行边界点拟合，从而实现对轮胎接触边界的有效识别。此外，优化标记点位置算法，使用标记点边界位置的像素来进行质心的标记，避免标记点内大量像素值变化带来的影响，从而减小数据震荡。

[0031] 如图4和5所示，工作台包括数据采集和数据处理，其具体步骤为：进行图像预览，设置相机相关参数，包括分辨率，采样帧率和图像增益等；设置激光照射角度和强度，确保激光能够照射轮胎边缘；设置光源照射角度和强度，确保有效成像。设置内存虚拟化硬盘，保证足够大的数据采集传输带宽，可达到5GB/s。图像通过CoaXPress传输进入图像采集卡后通过PCIE总线在内存虚拟化硬盘中进行数据存储。在摩擦能测试完成之后，将内存中的数据自动导入大容量存储的机械硬盘中，完成数据采集。

[0032] 首先根据激光器投射出的激光在轮胎与地面接触边界形成的增强边缘通过图像降噪，二值化获取特征点，再利用最小二乘法拟合特征点，从而计算出图像边界位置及形状。针对在虚拟化硬盘中存储的图像数据，我们在轮胎运动过程中依据边界判定标记点是否与玻璃台板接触。标记点的识别采用ROI，每个ROI中只包含一个有效标记点，对应一个有效坐标，同时采用自动判别与人工调整相结合的方式实现对标记点ROI区域的检测。需注意的是要控制标记点间距，以避免造成ROI干扰。对ROI内的标记点采用计算质心的方法，通过二值化和Blob分析，利用位置加权平均算法获取标记点质心位置坐标。获得每帧图像中每个标记点质心的位置后，不仅可以计算每个标记点在相邻时刻内的位移值，而且还可获得每个标记点在本时刻和接触时刻之间的滑移值，最终算出标记点历史滑移曲线。

[0033] 对于静态加压后轮胎边缘检测，轮胎接触边界发生变化，激光照射范围减小，从而不同通过图像降噪，二值化获取特征点，再利用最小二乘法拟合特征点的方法获得新边界位置及形状。通过不同的边界特征的计算，我们可以实现静态接地印痕形状的检测。

[0034] 工作站控制器搭载的软件分别为视频采集和图像处理软件以及数据显示分析软件。其中，视频采集和图像处理软件的功能主要包括：系统参数设置，视频图像采集、存储和回放，摄像机标定，自动确定ROI区域，并可实现人工调整，ROI区域的参数设置，标记点识别，位置计算和数据输出，计算并描绘任意时刻的接地印痕边界。数据显示分析软件的功能主要包括：系统参数设置，计算并显示标记点滑移的历史输出曲线，包括x-t曲线，y-t曲线和幅值-t曲线，计算标记点的接触时间和离开时间，计算并显示任意时刻接地印痕内轮胎表面的滑移场，指定数据信息的报表显示和输出打印，实现对图像文件和数据文件的管理。图6为某型号轮胎标记点样式，并通过预处理实现标记点ROI区域的识别。图7表示为某型号方形花纹轮胎上标记点前后两帧之间的位置移动关系，其中箭头标明移动方向，箭头长度表明移动距离。