王國(guó)林，周大為，趙 璠，張 敬

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

輪胎是車輛唯一與地面接觸的部件，其性能直接影響車輛的操縱穩(wěn)定性、安全性和舒適性。胎側(cè)輪廓是輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，其負(fù)荷變形對(duì)輪胎性能影響顯著。輪胎負(fù)荷變形后的斷面水平軸位置、斷面寬度和膨脹率等參數(shù)可用來評(píng)估輪胎對(duì)車輛行駛安全性和舒適性的影響。因此，輪胎負(fù)荷輪廓精確測(cè)量對(duì)輪胎開發(fā)和性能評(píng)價(jià)具有重要意義。

輪胎輪廓測(cè)量傳統(tǒng)上是采用機(jī)械手工測(cè)量方法，難以避免由于量具擠壓胎側(cè)變形引起的誤差，重復(fù)性差。目前國(guó)內(nèi)外非接觸測(cè)量方法主要包括經(jīng)緯儀測(cè)距法、聲學(xué)測(cè)距法、激光測(cè)距法和計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量法[1]。其中計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量法是使用工業(yè)攝像機(jī)（以下稱為攝像機(jī)）替代人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、識(shí)別和測(cè)量的方法[2]，相比傳統(tǒng)方法，具有非接觸、無磨損、高效率和高精度的優(yōu)點(diǎn)；較之其他非接觸測(cè)量法，具有原理簡(jiǎn)單、構(gòu)造容易的優(yōu)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量主要分為單目視覺法、立體視差法和結(jié)構(gòu)光視覺法3種。結(jié)構(gòu)光視覺法是一種既利用圖像又利用可控光源的技術(shù)[3]，使用半導(dǎo)體線結(jié)構(gòu)光傳感器將結(jié)構(gòu)光投射至被測(cè)物表面，攝像機(jī)在一側(cè)采集結(jié)構(gòu)光在被測(cè)物表面的漫反射光，根據(jù)攝像機(jī)、結(jié)構(gòu)光和被測(cè)物的幾何關(guān)系，測(cè)得被測(cè)物表面輪廓，具有精度高、成本低和使用方便的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

本工作應(yīng)用線結(jié)構(gòu)光視覺法，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的輪胎負(fù)荷輪廓測(cè)量方法，研制了相應(yīng)的視覺測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)成品輪胎進(jìn)行了測(cè)量。

1 系統(tǒng)原理及組成

攝像機(jī)能夠提供一種給定目標(biāo)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并確定一條含有實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)的空間直線；線激光傳感器能夠確定一個(gè)過目標(biāo)點(diǎn)的空間平面。通過上述直線和平面交點(diǎn)即可確定所求點(diǎn)。

本系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。在受壓變形后的輪胎胎側(cè)布置精密位移臺(tái)，并在位移臺(tái)上安放攝像機(jī)和線激光傳感器，當(dāng)位移臺(tái)控制攝像機(jī)移動(dòng)至合適景深距離時(shí)，打開線激光傳感器，同時(shí)給攝像機(jī)發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，將采集到的圖像信號(hào)經(jīng)由圖像采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)，根據(jù)視覺測(cè)量原理得到被測(cè)輪胎胎側(cè)輪廓點(diǎn)云圖。

圖1 系統(tǒng)原理示意

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)擬合實(shí)現(xiàn)功能，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括閉環(huán)控制單元、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)單元和高速數(shù)據(jù)采集分析單元3個(gè)部分。

圖2 系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)選用德國(guó)AVT公司生產(chǎn)的Guppy Pro F503 CMOS型工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，日本Kowa公司生產(chǎn)的LM3NCM型鏡頭，北京北光世紀(jì)儀器有限公司生產(chǎn)的MTS306型精密位移臺(tái)（包括支承臺(tái)、絲杠和導(dǎo)軌）。

2 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究使用openCV作為底層架構(gòu)，以Visual C#.net編寫軟件界面。系統(tǒng)軟件包括攝像機(jī)位移控制、攝像機(jī)標(biāo)定、輪廓識(shí)別分析和輪廓輸出4個(gè)模塊。

2.1 攝像機(jī)位移控制

本測(cè)量系統(tǒng)要求攝像機(jī)位置具有很高的重復(fù)定位精度。MTS306型精密位移臺(tái)由42式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，攝像機(jī)與位移臺(tái)支承面剛性聯(lián)結(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器能實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，但由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身的丟步特性，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。因此使用光柵尺作為反饋元件，尺分辨率為0.001 mm。將光柵尺讀數(shù)頭剛性固連于位移臺(tái)支承面，輸出位移信號(hào)經(jīng)正交編碼器上傳至計(jì)算機(jī)。光柵尺、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)器和正交編碼器即形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。光柵尺將讀取的位移信息通過正交編碼器反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將反饋值與理想值進(jìn)行比較，根據(jù)位移偏差給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制發(fā)送修正指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制。

由于系統(tǒng)慣性機(jī)械誤差，實(shí)際控制精度難以達(dá)到理想值0.001 mm。考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、魯棒性等因素，將控制容差設(shè)為0.02 mm，以滿足工程需要。

2.2 攝像機(jī)標(biāo)定

為確定攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。攝像機(jī)線性模型如下：

式中，（xp，yp）為圖像坐標(biāo)點(diǎn)，s為比例系數(shù)，（xw，yw，zw）為世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，[K]為3×3攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，[R]和[T]分別為攝像機(jī)外參數(shù)中的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

標(biāo)定過程可分為標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)[K]和標(biāo)定攝像機(jī)外參數(shù)[R]和[T]。一般采用一個(gè)加工精度很高的靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)標(biāo)定。本研究選用圖3所示的棋盤格作為標(biāo)定靶標(biāo)，每個(gè)單元格均為邊長(zhǎng)30 mm的正方形。依文獻(xiàn)[4]給出的算法，標(biāo)定軟件采用Intel開源計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)openCV提供的圖像處理庫(kù)和Microsoft Visual C＋＋編制，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定。

圖3 標(biāo)定板

為了滿足不同型號(hào)輪胎的測(cè)量需求，需要對(duì)攝像機(jī)外參數(shù)進(jìn)行多次標(biāo)定。通過精密位移臺(tái)將攝像機(jī)移動(dòng)到不同位置，在每個(gè)位置標(biāo)定一次，建立標(biāo)定結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，供實(shí)際測(cè)量時(shí)調(diào)用。部分標(biāo)定結(jié)果如下：

2.3 輪廓識(shí)別分析

2.3.1 圖像處理

輪胎輪廓測(cè)量圖像處理主要包括去背景、去噪聲和增強(qiáng)對(duì)比度。

拍攝到的圖像中包含大量背景信息，測(cè)量過程中這些背景信息會(huì)對(duì)激光線的識(shí)別造成困難。因此，在處理光條前必須先去除圖像背景。本工作采用圖像減運(yùn)算法，即開啟激光器前后各拍攝一張圖像，將兩張圖像矩陣相減，得到清晰的線激光條紋，如圖4所示。

圖4 圖像去背景處理

通過攝像機(jī)獲取圖像時(shí)，由于受到外界干擾及攝像機(jī)自身電子噪聲的影響，會(huì)使圖像受到噪聲干擾。因此在圖像去背景的基礎(chǔ)上進(jìn)行降噪處理，改進(jìn)圖像質(zhì)量。本工作采用中值濾波的方法進(jìn)行降噪處理[5]，可以有效消除圖像中的椒鹽噪聲，保證后續(xù)測(cè)量精度[6]。

受光照等條件的影響和硬件本身?xiàng)l件的限制，攝像機(jī)得到的線激光條紋有時(shí)會(huì)模糊不清，影響測(cè)量精度，因此必須對(duì)圖像做增強(qiáng)處理。本工作采用S曲線增強(qiáng)算法[5]，增強(qiáng)后的圖像見圖5。

圖5 增強(qiáng)后的激光條紋

2.3.2 中心線提取

在視覺測(cè)量系統(tǒng)中，光條中心的提取精度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。通常亞像素級(jí)精度光條中心提取方法有幾何中心法、重心法和曲線擬合法等[7]，考慮到算法的魯棒性、計(jì)算效率和精度，采用曲線擬合法，具體步驟如下：

（1）對(duì)已濾波增強(qiáng)的圖像依次搜索每一行，找到光強(qiáng)峰值點(diǎn)，即該行灰度值最大點(diǎn)，設(shè)該點(diǎn)為P0（x0，y0），灰度值為v0；

（2）選取P0左側(cè)灰度值小于v0的鄰點(diǎn)P-3（x-3，y-3），P-2（x-2，y-2）和P-1（x-1，y-1）以及右側(cè)灰度值小于v0的鄰點(diǎn)P3（x3，y3），P2（x2，y2）和P1（x1，y1），設(shè)灰度值分別為v-3，v-2，v-1，v1，v2，v3；

（3）根據(jù)最小二乘法對(duì)這7個(gè)點(diǎn)按式（2）進(jìn)行二次擬合，以擬合曲線極值點(diǎn)作為光條中心。

可由a和b確定拋物線極值點(diǎn)x坐標(biāo)：

2.4 輪廓輸出

通過調(diào)用貝塞爾曲線擬合工具對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合后的曲線顯示在圖框中，見圖6。

圖6 結(jié)果輸出

為方便用戶通過AutoCAD軟件對(duì)斷面輪廓的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行二次分析，本系統(tǒng)通過調(diào)用dxf輸出控件，將采集到的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)文件輸出為dxf文件。同時(shí)為了對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判定，通過com組件將輪胎斷面輪廓水平軸高度、斷面寬度和胎圈寬度等參數(shù)保存到Excel報(bào)表中。

3 結(jié)果分析

3.1 測(cè)量過程

（1）離線完成攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，將標(biāo)定結(jié)果存入軟件后臺(tái)。

（2）將標(biāo)定靶標(biāo)安放在被測(cè)量位置，通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)位移臺(tái)，將攝像機(jī)移動(dòng)至起始拍攝位置，采集圖像后進(jìn)行外參數(shù)標(biāo)定，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度可由閉環(huán)控制單元保證。

（3）控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攝像機(jī)移動(dòng)10 mm，再次采集圖像并標(biāo)定外參數(shù)。

（4）重復(fù)上一步操作若干次，獲得若干組外參數(shù)數(shù)據(jù)，將標(biāo)定的結(jié)果存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（5）將輪胎安放在被測(cè)位置并加載，打開線激光傳感器，將攝像機(jī)移動(dòng)至合適拍攝位置采集圖像，調(diào)用之前的標(biāo)定數(shù)據(jù)可獲得輪胎胎側(cè)輪廓點(diǎn)云圖，使用貝塞爾曲線擬合出平滑的輪廓曲線。

3.2 誤差分析

系統(tǒng)的測(cè)量誤差包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位移控制誤差、攝像機(jī)標(biāo)定誤差、線激光傳感器誤差（主要是安裝位置誤差）和圖像處理誤差。由于輪胎胎側(cè)輪廓為一個(gè)復(fù)雜曲面，難以根據(jù)胎側(cè)的測(cè)量結(jié)果評(píng)判系統(tǒng)精度，因此本工作提出標(biāo)準(zhǔn)塊誤差分析法。該方法使用一個(gè)加工精度很高的六面體金屬塊（如圖7所示）替代被測(cè)量物體。金屬塊寬度為（150±0.02） mm，表面須具有良好的漫反射性質(zhì)較高的平面度。將系統(tǒng)測(cè)得的金屬塊寬度尺寸與金屬塊實(shí)際尺寸做差得到系統(tǒng)的測(cè)量誤差。這個(gè)誤差除了包含上述誤差，還包括金屬塊本身尺寸誤差和形位誤差，即說明系統(tǒng)精度高于此方法測(cè)得的精度。

圖7 金屬塊測(cè)量

測(cè)得金屬塊兩側(cè)表面輪廓云圖后，擬合出兩條直線，在理想情況下，這兩條直線必然平行；但由于機(jī)械加工誤差、攝像機(jī)標(biāo)定誤差和圖像處理誤差，這兩條直線未必平行。因此以兩直線平均距離替代理想情況下兩平行直線距離。計(jì)算公式如下：

式中，n1為第1條直線擬合點(diǎn)數(shù)，n2為第2條直線擬合點(diǎn)數(shù)，li，2為第1條直線中第i個(gè)點(diǎn)與第2條直線的垂直距離，lj，1為第1條直線中第j個(gè)點(diǎn)與第1條直線的垂直距離。

誤差分布如圖8所示。

圖8 誤差分布

計(jì)算得平均誤差為-0.002 4 mm，均方根誤差為0.033 4 mm，最大誤差為＋0.096 mm。測(cè)量精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械手工測(cè)量法。

4 結(jié)論

將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用到輪胎幾何參數(shù)測(cè)量，提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺的輪胎胎側(cè)輪廓測(cè)量方法，并開發(fā)了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)使用正交編碼器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器作為閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制單元；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光柵尺和精密位移臺(tái)（包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、絲杠和導(dǎo)軌）作為運(yùn)動(dòng)單元；CMOS攝像機(jī)和圖像采集卡作為數(shù)據(jù)采集單元；用Microsoft Visual Studio和Intel openCV編寫了相應(yīng)的測(cè)量軟件和用戶界面。與傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法相比，該方法具有非接觸、無磨損、高效率的優(yōu)點(diǎn)，且可以實(shí)現(xiàn)不同輪胎、不同工況下的胎側(cè)輪廓測(cè)量比對(duì)。整個(gè)測(cè)量過程耗時(shí)短、強(qiáng)度低、精度高。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測(cè)量平均誤差為-0.002 4 mm，均方根誤差為0.033 4 mm，最大誤差為＋0.096 mm。系統(tǒng)測(cè)量精度可達(dá)±0.1 mm，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)械手工測(cè)量的±1 mm。