輪胎胎面磨損檢測技術研究

郝姍姍

關鍵詞：機器視覺;輪胎胎面;磨損檢測

引言

目前，我國高速公路上發生的交通事故有大約46%是輪胎故障引起的，其中有約70%為爆胎引發的事故.輪胎安全問題直接影響到汽車整車的安全，輪胎胎面嚴重磨損，在高速行駛或緊急剎車的情況下極易導致爆胎，嚴重則導致車毀人亡，造成不可挽回的損失。在調研中發現國內外大多數研究著重于對輪胎的胎側、胎內、子口位置的缺陷檢測，很少有對輪胎胎面部分進行檢測，主要原因是技術限制和難度問題。

1輪胎磨損過程及磨損機理

輪胎磨損一般分為以下3個過程（1）表層材料分子間作用。摩擦表面間的相互作用方式有機械和分子兩種。機械作用可以是兩摩擦表面間直接接觸，即兩體磨損;也可以是兩表面間夾雜外界磨粒，即三體磨損。分子作用包括兩表面的相互吸引和黏附。（2）表層材料彈塑性變形。在摩擦過程中，受表面變形、界面溫度和環境條件等的影響，表層材料將發生機械、組織結構、物理和化學變化。（3）表層材料的破壞。破壞形式主要有犁削、撕裂、疲勞破壞、剝落和磨損花紋等。

2導致汽車輪胎異常磨損的因素

2.1自身因素

就保證汽車安全行駛而言，為了使汽車在轉向過程避免車輪胎滑移，保持滾動狀態，設計師利用各個轉向橋的轉向梯形機構使得所有車輪在轉向的瞬間都繞著同一個中心轉動。如果車身內用于轉向的轉向拉桿形狀改變或匹配不當會影響制動系統的正常工作，可能會使得轉向的瞬間中心處的軸距弦張角發生改變，甚至是改變轉向梯形機構，從而造成輪胎異常磨損，一般是胎面花紋內側或外側磨損。然而實際的內、外車輪的轉向情況卻不滿足理想的阿克曼條件，因此車輛在轉彎過程中車輪受到內側向慣性力的作用而導致側偏，這是引起輪胎受損的一個設計因素。它可能造成車輪胎的表面突出的羽毛或是鋸齒形狀與地面摩擦過大而受損。

2.2人為因素

若是駕駛汽車上路之前忽略了檢查車胎內氣體是否充足，車胎內空氣過于飽和或是過低都是造成輪胎異常磨損的人為因素。一方面，過多的氣體會擠壓輪胎的橡膠，使其胎面的中間部分過于突出，輪胎與地面的接觸面積變小，胎面的中間所受壓強更大，在車輛行駛中，由于輪胎表面的中間部分過于突出，直接與地面接觸，長期以往，中間比兩邊磨損得更快，造成胎冠中部嚴重磨損，甚至把中間的胎紋磨光這樣的異常現象。另一方面，如果輪胎中空氣不足引起車輪在承重時容易被壓扁變形，導致輪胎的胎面中間部分向車輪圓心方向收縮，兩端直接接觸地面，其所受的壓強過大，時間久了，胎面兩端的部分相較于中間磨損得更厲害。總而言之，輪胎內空氣含量不合適，會導致胎面紋路的磨損異常且不均勻。在駕駛汽車的過程中，駕駛人的一些不正確的操作和不好的駕駛習慣也是一個需要考慮到的因素。本來汽車的前輪胎，為了承擔由發動機產生的扭轉載荷，因而是極其容易受損的對象，而且速度越快，急剎車和急轉彎這些激烈的駕駛操作更是加重了前輪胎面的磨損，而且也容易發生交通事故。

3輪胎胎面磨損檢測技術

3.1輪胎紋理特征檢測

特征提取是輪胎胎面磨損識別和檢測的基礎，特征提取的準確性對輪胎磨損的識別有很大影響。輪胎胎面的紋理特征是分析輪胎磨損最重要的參數。張超等提出了一種改進閾值法來獲取輪胎磨損紋理特征的方法，該方法將閾值分割和區域標注相結合來提取輪胎表面的磨損特征，再根據相應的磨損機制分析磨損原因。該方法解決了單一圖像處理不易區分不規則紋理和輪廓重疊的問題，且能對結果實現可視化，數據處理可獨立執行，易于實現動態化數據處理，但不能準確計算出輪胎的磨損量。陶靖研究了Tamura紋理特征和基于灰度共生矩陣的紋理特征，及其與輪胎磨損程度和異常磨損位置的關系;通過Tamura紋理特征可找到花紋的變化規律;通過分析灰度共生矩陣的紋理特征建立了特征與花紋的相關性，但研究樣本過少，花紋類別單一。張俊杰基于多電荷耦合器件圖像處理，結合區域提取法和灰度共生矩陣法對胎面磨損進行研究，利用多次迭代求出最佳閾值，用二值化、形態學處理法將各區域區別出來進行填充，并分析胎壓情況;同時結合能量、對比度、相關性、熵等4個參數描述圖像紋理情況，但這樣不能計算出輪胎磨損量。

3.2花紋深度檢測

目前，對輪胎花紋深度檢測的研究大多采用激光三角法和雙目三角法，激光三角法是利用光源發出的一束激光照射在待測物體平面上，通過反射，最后在檢測器上成像。當物體表面的位置發生改變時，其所成的像在檢測器上也發生相應的位移。為了更精準地測量出輪胎胎面的花紋深度信息，何亮亮等針對輪胎表面形貌，以激光三角法為理論基礎，研制了一套輪胎檢測系統。該系統通過移動模組實現激光傳感器上下采集數據，利用角度編碼器精準控制輪胎的旋轉角度，然而，其激光采用的是點激光，不能一次性獲取整個截面信息且每次檢測前需系統歸零，效率不高。WANG等通過兩個平行安裝的相機和點激光，采用光點分析法測量輪胎花紋的深度，該方法使用傳統的圓圈霍夫變換和Ostu方法獲得激光光斑的二值化圖像，提出光斑圓度變形程度方程，用于確定激光光斑的有效性，利用雙目測距獲取有效的光斑，從而得出花紋深度，但該方法要獲取花紋深度必須進行花紋和凹槽的圓度評價，且每次只能測出一條凹槽的深度，效率不高。崔敏等使用CCD（電荷耦合元件）相機和線激光來設計輪胎表面形貌的檢測系統，以線性半導體激光器為光源，在被測物上形成條紋。相機與激光照射的條紋形成一定角度時進行拍攝，條紋圖案通過相機透鏡在相機成像平面形成二維圖案，利用幾何光學和激光三角法將條紋成像尺寸轉換為實際的花紋深度。LUNG等利用互補式金屬氧化物半導體攝像機的組件和圖像處理技術，以及線激光來開發一種低成本的胎面探測器，試驗測量了32個輪胎的線性模型，并利用回歸模型模擬了該測量系統的精度。系統誤差精度達到0.5mm。王希波等設計了一套以雙相機、雙線激光器、反射鏡和觸發裝置等組成的快速花紋測量系統。該系統能夠快速自動識別出花紋的個數和測量出輪胎花紋深度，測量絕對誤差小于0.2mm。

結束語

我們絕對不能忽視這些輪胎上的異常，輪胎的磨損程度是與駕駛人的安全緊密聯系在一起的，如果對這些小磨損放任不管，任其發展，遲早會對我們的人身安全造成威脅。所以，了解并降低輪胎質量和使用壽命的磨損因素尤為必要。這不僅能夠有效地幫助我們預防輪胎異常受損，減少一筆在汽車維修上的花銷，還能夠讓自己駕駛汽車時，避免遇到一些突發事故而不能及時減速剎車的危險情況，能夠安心地開車。

參考文獻：

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