通过式轮胎花纹深度检测技术

一、成果概述

在应用通过式检测技术测量胎纹深度时，汽车以5km/h的车速驶过轮胎花纹深度检测台。检测系统监测经过视窗的轮胎，采集其图像，对图像进行处理，继而对花纹特征进行智能识别，自动记录花纹的位置和深度，分析花纹深度分布规律，判断磨损模式。检测系统根据磨损模式，获取汽车的轮桥定位特征，判断汽车是否需要进行轮桥定位。与四轮定位技术相比，通过式胎纹检测技术可在1分钟内发现车辆是否存在轮胎非正常磨损，并初步判定是否存在轮桥定位故障，可避免轮胎出现不正常磨损，提高轮胎的使用寿命。胎纹磨损检测技术与轮桥定位技术，就像是体检的听诊器和CT透视的关系，应用胎纹磨损检测可快速判断是否需要进一步进行轮桥定位检测。

通过式汽车轮胎花纹深度检测技术是汽车智能化检测的一个重要环节，欧美国家汽车检测技术公司都在全力开发和改进通过式轮胎花纹检测技术。其中美国亨特和德国马哈两个公司的技术最为成熟，并且已经进行产业化和应用推广。我国已经将通过式胎纹深度检测系统列为了汽车安全检测的推荐性设备。由于通过式胎纹检测设备具有检测快速、获取的数据指导性强、具有在早期发现故障的能力，可以预测，一旦我国自主技术形成可靠产品，交通行业会从国家层面全面推进通过式胎纹检测技术的应用，逐渐将通过式胎纹检测系统从推荐设备转换为强制使用设备。

项目团队在充分研究国外通过式胎纹检测技术的特点基础上，经过科研攻关，已经掌握了通过式汽车轮胎花纹深度检测技术的核心技术。从检测原理验证到产品样机，历经了三轮的样机试制和系统优化，完全掌握了通过式胎纹深度测量的测量原理、建立并充分验证了测量数学模型、掌握了光学设计技术、图像处理技术和智能识别技术；基本掌握了产业化生产需要的装配工艺、设备标定和校正技术。

目前项目团队正在进行系统鲁棒性研究，从光学设计和算法优化两方面入手，着重提高系统对复杂环境的适应性，以期早日为汽车安全检测提供可靠的自有技术。与此同时，还在进行产业化工艺研究、设备标定和校正技术研究，以开发产业化需要的配套技术。目前已经初步形成并验证了关键部件的加工工艺、装配工艺和校正技术。

二、主要关键技术内容及创新点

汽车轮胎花纹深度检测是汽车安全检测的一项必要内容。传统的检测方式是采用手持式深度尺进行人工测量。操作人员需要俯身操作，手动测量各胎纹深度，只判断胎纹沟槽深度是否低于标准规定值。对于单轮胎汽车而言，操作人员尚能俯身检测；但对于双轮胎汽车，操作人员则需钻到车底进行检测,十分不便。深度尺测量方式的另一个局限是不能对测量数据进行系统性定量分析，从而无法获得轮胎早期非正常磨损的特征和信息,无法起到预防作用。

基于机器视觉技术，德国马哈、美国亨特和山东交通学院都推出了通过式轮胎花纹深度检测系统。通过式轮胎花纹检测技术的核心有两点：1）测量数学模型、照明和相机系统布置；2）轮胎花纹和磨损特征的智能识别。

马哈、亨特和山东交通学院三者的检测系统的在照明、相机布置等方面差异较大。在实际应用中，亨特的技术方案和山东交通学院第三轮的技术方案抗干扰能力稍弱，而马哈产品的图像识别和处理的计算量相对重很多。实际测试表明，照明、相机配置和对环境变化的鲁棒性十分关键。但是,由于描述照明、相机配置和环境参数之间关系的数学模型和技术工艺参数是核心技术机密，因此只能通过实验测试获得。

德国马哈和美国亨特只是推出了检测产品，参加国际性的汽车保障设备展览会。其检测原理和技术并未公布。从产品的外观上看，亨特推出的是单点测量技术，马哈推出的是连续一段测量技术。这两种技术各有优缺点。

山东交通学院的技术是在分析了亨特和马哈产品技术特点的基础上自主发展起来的，具有完全独立自主的知识产权。在技术开发过程中，经过优化调整，自主开发了反射镜式的光学系统，可以有效降低环境光的干扰；自主开发了延时拍摄技术、分层图像处理技术和智能识别算法及技术，可有效避免沟底标记对测量结果的干扰；自主开发了多相机数据融合的关键技术，通过系统扩展，可对多并列轮胎进行检测，拓展了系统的适用范围。在自主开发的数学模型和检测技术基础上，自主编制了测量、通讯、图像处理、智能识别、性能分析等子程序库，开发了检测软件。在本校实验室和企业测试车间进行了样机测试，硬件系统和软件系统均达到了技术开发指标要求。

与亨特的技术相比，山东交通学院的技术避免了单点测量带来的误测，提高了检测鲁棒性和检测效率。经过多轮的尝试，寻找到了较理想的光路设计参数，能够有效地降低环境光的干扰。与马哈的技术相比，山东交通学院所开发的系统，采用插值的方法进行计算，避免了大量冗余点云数据的处理，降低了图像处理和胎纹特征识别的计算量，可以适当降低图像采集系统和计算机系统的技术性能要求，提高了测量效率。

在实验室环境下，应用制造的样机对7种典型轮胎进行了测试。轮胎以不超过5km/h的速度下通过检测台，图像采集系统能够采集到合适的图像。进行图像处理和智能识别后，胎纹深度检测精度可以达到0.2mm，轮胎花纹深度识别下限是1.6mm，7种轮胎的单次通过识别率达到96%。检测过程表明，所开发的智能算法能够准确识别轮胎花纹数目、位置。这些技术指标能够满足汽车轮胎花纹深度检测和磨损特征分析要求。

三、主要应用领域与前景

产品的主要应用领域是交通运输行业和汽车保障行业。快速测量在用汽车的胎纹磨损规律，检测轮胎磨损是否超标，是否存在非正常磨损情况。

通过式胎纹检测系统可直接应用在车辆安全检测线上，替代传统的深度尺测量轮胎花纹深度，提高工作效率，降低劳动强度。可安装在检测线入口或者出口，无需占用过多的空间。检测之后，可对轮胎磨损特征进行自动分析，初步判断轮胎非正常磨损原因，为是否需要进行轮桥定位提供判据。而车辆是否需要进行轮桥定位的传统判据通常有两点：其一是目视可见的轮胎不正常磨损；其二是驾驶员明显感觉到汽车出现走偏等情况。但是，对于一些由于轮桥定位问题引起的轻微走偏和轮胎非正常磨损现象，都不容易在初期发现，从而导致校正时间延误。通过式胎纹检系统可以快速发现一些早期的故障现象，尽早进行维护和保障，提高汽车的安全性。

从汽车运行的角度，在车桥定位出现偏斜时，载重汽车的轮胎磨损速度将会加快。一些使用经验表明，若载重卡车出现较严重的车桥偏斜，其中部分轮胎的使用寿命将不足10000公里的里程，会远远低于正常的轮胎使用寿命。在高速上行驶的载重车辆，不正常磨损严重时，轮胎本身的温度会由于磨损升高，再加上高温天气的影响，极容易发生爆胎等安全事故。因此，在高速入口或者道路的特定路段，安装通过式胎纹检测装置，定期对轮胎磨损进行检测，将磨损规律发送到数据库和驾驶员，这样可以监测轮胎的不正常磨损，降低安全事故风险。

随着自动驾驶技术的发展，智能化检测成为汽车检测技术发展的一个趋势。通过式胎纹检测是汽车综合智能化检测的一个环节。马哈等国外企业已在发展通过式胎纹检测-轮桥定位-车桥矫正三者一个体系的信息互联的汽车保障信息系统。可以预见，随着汽车自动驾驶技术的发展，人工操作和监控在驾驶过程中的参与度越来越低，但对车辆的保障系统的要求会越来越高，以减少突发的状况。因此，研究智能化的综合保障系统，是未来汽车和交通运输行业的一个发展趋势。

作为智能化综合检测的一个组成部分，通过式胎纹检测技术的成功开发和运用十分必要。以智能算法为核心，快速确定轮胎的磨损规律，对磨损数据进行分析，监控轮桥定位参数和运行参数是否正常，可以为汽车的智能化检测建立必要基础。

四、相关知识产权

已授权专利3项，具体如下：

ZL201710152842，一种轮胎花纹深度测量装置及轮胎花纹深度计算方法

ZL2017101523560，一种基于机器视觉的汽车轮胎花纹识别方法

ZL2017202477226，一种基于机器视觉的轮胎花纹深度测量装置