汽車(chē)輪胎胎面磨損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

汽車(chē)輪胎的胎面磨損情況直接影響汽車(chē)行駛的安全，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求轎車(chē)輪胎胎冠上的花紋深度在磨損后應(yīng)不小于1.6mm，其他車(chē)輛輪胎胎冠上的花紋深度不得小于3.2mm；輪胎的胎面因局部磨損不能暴露出輪胎簾布層。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在高速公路上的交通事故，有46%是由輪胎發(fā)生故障引起的。顯然，輪胎質(zhì)量存在隱患無(wú)可爭(zhēng)議地成為了交通事故中的“頭號(hào)殺手”，而在與輪胎相關(guān)的交通事故中，有25%是由胎面磨損導(dǎo)致的胎紋深度過(guò)淺且低于安全值所致。所以，在輪胎的眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中，胎紋深度及磨損形式是影響汽車(chē)行駛安全的重要因素。輪胎磨損過(guò)程及磨損機(jī)理汽車(chē)是依靠輪胎在路面上行駛的，而直接與路面接觸的是輪胎花紋。輪胎花紋塊與路面產(chǎn)生的摩擦力是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向的動(dòng)力之源，所以輪胎花紋的磨損程度直接影響汽車(chē)行駛的安全。在輪胎的使用中，除了正常均勻磨損外，輪胎質(zhì)量、氣壓、四輪定位、駕駛員操作等一系列因素均會(huì)導(dǎo)致輪胎表面出現(xiàn)異常磨損。輪胎磨損一般分為以下3個(gè)過(guò)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(jī)械和分子兩種。機(jī)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(guò)程中，受表面變形、界面溫度和環(huán)境條件等的影響，表層材料將發(fā)生機(jī)械、組織結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)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。根據(jù)橡膠磨損理論，輪胎磨損可分為黏附磨損、疲勞磨損、磨粒磨損、降解磨損、卷曲磨損和侵蝕磨損等。輪胎的磨損過(guò)程十分復(fù)雜，其表層材料的變化是輪胎磨損的直接原因，而磨損往往是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果，在正常磨損條件下，最常見(jiàn)的磨損形式是磨粒磨損。此外，路面條件(包括路面是否濕滑，路面紋理、溫度等)、輪胎載荷、輪胎結(jié)構(gòu)、駕駛操作等一系列因素對(duì)輪胎磨損也至關(guān)重要。輪胎胎面磨損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀目前，輪胎磨損的檢測(cè)大多利用一些技術(shù)手段獲取輪胎胎面各點(diǎn)的深度信息，從而評(píng)估分析輪胎的磨損情況?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法種類(lèi)很多，總體可以分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)兩大類(lèi)，胎面磨損檢測(cè)方法分類(lèi)框圖如圖1所示。圖1胎面磨損檢測(cè)方法分類(lèi)框圖接觸式檢測(cè)又稱(chēng)機(jī)械檢測(cè)，其利用機(jī)械探針對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行掃描來(lái)完成檢測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易操作，但這種方式最大的缺點(diǎn)就是屬于抽樣檢測(cè)，不夠全面；此外，人工檢測(cè)會(huì)由人為因素給檢測(cè)精度、檢測(cè)效率帶來(lái)不利影響。非接觸式檢測(cè)相對(duì)接觸檢測(cè)的最大優(yōu)點(diǎn)是避開(kāi)了與待檢測(cè)物體接觸，使檢測(cè)方式更為靈活。非接觸式檢測(cè)主要有視覺(jué)檢測(cè)和傳感器檢測(cè)兩類(lèi)。1接觸式檢測(cè)目前，輪胎花紋深度尺的價(jià)格低且便攜，深受車(chē)主和各大汽車(chē)修理廠(chǎng)的青睞，直讀式深度尺和數(shù)顯式深度尺外觀如圖2所示。圖2直讀式深度尺和數(shù)顯式深度尺外觀上海海洋大學(xué)的研究人員結(jié)合深度尺設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的輪胎花紋深度智能檢測(cè)系統(tǒng)。其將通信芯片嵌入花紋深度尺中，深度尺指針測(cè)出的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)嵌單片機(jī)處理，最終顯示在觸摸屏上。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輪胎花紋深度的數(shù)據(jù)檢測(cè)、采集、發(fā)送、處理與評(píng)估，并通過(guò)移動(dòng)終端提供輪胎養(yǎng)護(hù)建議。2非接觸式檢測(cè)隨著圖像處理技術(shù)、光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的不斷突破創(chuàng)新，非接觸式檢測(cè)技術(shù)得到發(fā)展。由于接觸式檢測(cè)具有測(cè)量速度慢、效率低、精度不高等缺點(diǎn)，非接觸式檢測(cè)憑借著測(cè)量速度快、應(yīng)用范圍廣、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作等一系列優(yōu)勢(shì)而得到廣大企業(yè)和消費(fèi)者的認(rèn)可。輪胎紋理特征檢測(cè)特征提取是輪胎胎面磨損識(shí)別和檢測(cè)的基礎(chǔ)，特征提取的準(zhǔn)確性對(duì)輪胎磨損的識(shí)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(shù)。輪胎紋理特征檢測(cè)流程如圖3所示。圖3輪胎紋理特征檢測(cè)流程圖輪胎紋理提取的常見(jiàn)方法有閾值分割、Tamura紋理特征、灰度共生矩陣等，幾種常用方法的特點(diǎn)與應(yīng)用效果如下：01改進(jìn)閾值分割方法特點(diǎn)：二次閾值分割，方差值作為初分割，區(qū)域標(biāo)注作為二次分割。應(yīng)用效果：運(yùn)算時(shí)間短、輪廓分割清晰、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化。02Tamura紋理特征方法特點(diǎn)：包含6個(gè)分量來(lái)評(píng)定圖像情況。應(yīng)用效果：準(zhǔn)確得出輪胎磨損與粗糙度、對(duì)比度之間的關(guān)系。03區(qū)域提取方法特點(diǎn)：直接定位感興趣的紋理區(qū)域，減少紋理處理量。圖4基于紋理的感興趣區(qū)域算法流程圖應(yīng)用效果：快速準(zhǔn)確提取感興趣區(qū)域，對(duì)新舊輪胎磨損狀態(tài)的提取有較好的魯棒性。04灰度共生矩陣方法特點(diǎn)：包含14個(gè)特征值，利用灰度值同時(shí)出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，反映圖像灰度在空間的信息。應(yīng)用效果：準(zhǔn)確得出輪胎磨損與能量、熵、相關(guān)度之間的關(guān)系。05小波變換方法特點(diǎn)：利用二級(jí)小波變換和高頻子帶重建圖像，利用SIFT特征選取得出紋理。應(yīng)用效果：減少SIFT特征點(diǎn)的提取，防止圖像中的細(xì)節(jié)信息丟失，保證精度，提高效率。06Radon變換、DT-CWT方法特點(diǎn)：在時(shí)域上保持了對(duì)局部變化的良好分析能力，具有位移不變性，降低了數(shù)據(jù)冗余，可完美重構(gòu)紋理。圖5Radon變換和DT-CWT結(jié)合算法流程圖應(yīng)用效果：提高提取的準(zhǔn)確性，解決圖像旋轉(zhuǎn)、平移對(duì)精度影響的問(wèn)題。需特別指出的是，紋理特征檢測(cè)只能得出輪胎的紋理特征與磨損程度之間的規(guī)律，分析輪胎表面的磨損情況，區(qū)別正常磨損和異常磨損，從而預(yù)測(cè)車(chē)況，但不能直觀地計(jì)算出輪胎的磨損量?；y深度檢測(cè)目前，對(duì)輪胎花紋深度檢測(cè)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(fā)出的一束激光照射在待測(cè)物體平面上，通過(guò)反射，最后在檢測(cè)器上成像。當(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時(shí)，其所成的像在檢測(cè)器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。圖6激光三角法原理示意雙目三角法是利用左右相機(jī)從一定距離觀察同一目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的方向差異(即視差的變化)和相似三角形的比例關(guān)系求距離的。當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)發(fā)生位移變化時(shí)，通過(guò)目標(biāo)點(diǎn)前后變化的距離之差求得深度。圖7雙目三角法原理示意輪胎花紋檢測(cè)的常見(jiàn)方法有單目點(diǎn)激光、單目線(xiàn)激光、雙目點(diǎn)激光等，幾種方法的特點(diǎn)與應(yīng)用效果如下：01單目點(diǎn)激光方法特點(diǎn)：利用移動(dòng)模組和編碼器的配合完成點(diǎn)激光對(duì)胎面的掃描。應(yīng)用效果：?jiǎn)吸c(diǎn)檢測(cè)速度快，圖像處理簡(jiǎn)單，但檢測(cè)效率低。02雙目點(diǎn)激光方法特點(diǎn)：雙相機(jī)采集光點(diǎn)，并加入光斑圓度評(píng)價(jià)，確保有效光斑。應(yīng)用效果：?jiǎn)吸c(diǎn)檢測(cè)精度高，雙目相機(jī)有效避免遮擋，但檢測(cè)效率較低。03單目線(xiàn)激光方法特點(diǎn)：激光線(xiàn)覆蓋胎面截面，易于相機(jī)采集。應(yīng)用效果：檢測(cè)效率高，魯棒性好。04雙目無(wú)激光方法特點(diǎn)：利用花紋凹槽和胎面亮度差值，通過(guò)雙目測(cè)距和SGM算法計(jì)算高度差，即花紋深度。應(yīng)用效果：檢測(cè)精度較激光檢測(cè)的低，易受光照強(qiáng)度影響。激光三角法在輪胎胎面花紋深度提取方面具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，但也存在問(wèn)題，如輪胎表面的橡膠材料會(huì)對(duì)光線(xiàn)起到吸收作用，不利于光的反射，且激光圖像的提取受環(huán)境光的影響，從而使得相機(jī)接收反射光時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差，影響精度。當(dāng)輪胎出現(xiàn)不規(guī)則磨損時(shí)，被測(cè)區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生陰影，使得測(cè)量產(chǎn)生誤差。點(diǎn)激光在中心提取方面較線(xiàn)激光容易，但檢測(cè)效率較低；而線(xiàn)激光在磨損的粗糙曲面容易斷線(xiàn)，導(dǎo)致中心提取易受影響。傳感器檢測(cè)隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)元件微型化、多元化的技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到各種領(lǐng)域中。其不僅可以在實(shí)驗(yàn)室里使用，在車(chē)輛行駛中也可用于輪胎磨損量的檢測(cè)。東京理工大學(xué)提出了一種利用電容變化的柔性貼片式應(yīng)變傳感器。該傳感器利用施加應(yīng)變引起的電容變化來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)輪胎的變形，并使用幅度調(diào)制進(jìn)行無(wú)線(xiàn)測(cè)量。意大利波羅尼亞大學(xué)提出了一種連續(xù)測(cè)量輪胎機(jī)械變形的新方法。當(dāng)輪胎變形導(dǎo)致輪胎胎體內(nèi)鋼絲間距發(fā)生變化時(shí)，該區(qū)域鋼絲的阻抗也發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量這樣的阻抗變化來(lái)測(cè)量輪胎的變形。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)將光纖傳感器嵌入汽車(chē)輪胎中，用于檢測(cè)輪胎應(yīng)變，同時(shí)能監(jiān)測(cè)滑行的發(fā)生。美國(guó)新澤西州立羅格斯大學(xué)采用基于聚偏氟乙烯(PVDF)的傳感器來(lái)測(cè)量胎面變形，兩個(gè)PVDF變形傳感器連接在橡膠輪胎的內(nèi)表面上，一旦輪胎表面發(fā)生變形，連接的PVDF傳感器就會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，繼而輸出電信號(hào)來(lái)反映胎面變形。德國(guó)Continental集團(tuán)將輪胎花紋深度預(yù)警功能與輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)結(jié)合，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)輪胎與路面接觸產(chǎn)生的振動(dòng)頻率，將磨損后的振動(dòng)頻率與未磨損輪胎的振動(dòng)頻率進(jìn)行比較，來(lái)預(yù)測(cè)輪胎磨損程度。當(dāng)磨損量達(dá)到設(shè)定的臨界值時(shí)，TPMS還會(huì)停止提供預(yù)警功能。KANWAR教授還研發(fā)了監(jiān)測(cè)輪胎磨損狀態(tài)的智能輪胎系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)找出輪胎垂直方向的振動(dòng)頻率與輪胎磨損之間的聯(lián)系，磨損越多，相應(yīng)垂直方向的振動(dòng)頻率越大，以此來(lái)監(jiān)測(cè)輪胎的磨損狀態(tài)。美國(guó)杜克大學(xué)與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)了一種碳納米管(直徑只有十億分之一米的微小碳原子圓柱體)傳感器技術(shù)，用于測(cè)量毫米尺度胎面深度的變化。如圖8所示，輪胎橡膠和胎面結(jié)構(gòu)會(huì)干擾這個(gè)所謂的“邊緣場(chǎng)”，并且通過(guò)電極的電響應(yīng)測(cè)量這種干擾，由此確定傳感器上方輪胎的厚度。圖8碳納米管傳感器作用原理示意輪胎磨損檢測(cè)技術(shù)研究難點(diǎn)分析輪胎磨損檢測(cè)技術(shù)與人們生活切實(shí)相關(guān)，具有重要的研究意義。該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)主要是采集的輪胎胎面圖像容易受各種環(huán)境因素(水漬、夾雜物等)的影響，在檢測(cè)前必須把輪胎表面異物清潔干凈。對(duì)于實(shí)際行車(chē)檢測(cè)，輪胎轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)使圖像采集形成拖影，同時(shí)相機(jī)采集圖像易受到環(huán)境光照的干擾，直接影響檢測(cè)精度。若將傳感器植入輪胎內(nèi)部，也會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，如在輪胎成型過(guò)程中植入的位置會(huì)影響傳感器檢測(cè)的精度，而在輪胎制造過(guò)程中，胎體要經(jīng)受高溫高壓等工藝，傳感器在這個(gè)過(guò)程中會(huì)受到損壞，這也是研究的難點(diǎn)。此外，芯片與輪胎的結(jié)合度會(huì)直接影響輪胎的質(zhì)量，一旦結(jié)合不好會(huì)使輪胎橡膠脫離，進(jìn)而空隙逐漸增大，最終導(dǎo)致輪胎報(bào)廢。輪胎磨損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著圖像處理技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，接觸式輪胎磨損檢測(cè)必定會(huì)被非接觸式檢測(cè)所取代。01智能輪胎目前，成熟的智能輪胎技術(shù)主要應(yīng)用于輪胎壓力、溫度和摩擦狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄方面，在輪胎磨損檢測(cè)方面應(yīng)用較少。通過(guò)在輪胎胎內(nèi)不同位置的橡膠中埋入傳感器，以達(dá)到檢測(cè)輪胎狀態(tài)的目的。由于橡膠的剛度較低，傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器剛度較大，所以傳感器和輪胎的融合是一大難點(diǎn)，需要對(duì)輪胎的結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。智能輪胎的生產(chǎn)工藝流程與一般機(jī)械零件的不同，且傳感器的安裝和校準(zhǔn)過(guò)程也比較麻煩，從而導(dǎo)致智能輪胎的生產(chǎn)費(fèi)用十分高；除此之外，傳感器的測(cè)量易受環(huán)境的影響，輪胎在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，影響傳感器測(cè)量的魯棒性。研發(fā)價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)的傳感器和改進(jìn)制造工藝是智能輪胎發(fā)展的首要任務(wù)。02智能檢測(cè)目前，大多數(shù)汽車(chē)輪胎胎面檢測(cè)都是基于輪胎靜止或低速狀態(tài)下進(jìn)行的，檢測(cè)效率不高，容易受到環(huán)境的影響，而且檢測(cè)裝置較固定，不能直接安裝到車(chē)上進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。國(guó)外TireProfiles公司推出了手持式激光掃描儀GrooveGlove。該設(shè)備能在幾秒內(nèi)精準(zhǔn)測(cè)量輪胎胎面的深度，具有耐用、輕便等特點(diǎn)，能夠在WiFi信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的任何地方工作，同時(shí)能通過(guò)內(nèi)置的攝像頭識(shí)別車(chē)主車(chē)牌，獲取輪胎和定位診斷所需的所有必要數(shù)據(jù)，最后通過(guò)生成報(bào)告的形式向客戶(hù)提供更換輪胎的策略。但該設(shè)備也存在缺點(diǎn)，每次掃描都只能獲取一小部分區(qū)域的數(shù)據(jù)，并不能直接得出整個(gè)輪胎胎面的深度數(shù)據(jù)，如需要整胎數(shù)據(jù)須使用設(shè)備進(jìn)行多次掃描，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)。隨著機(jī)器視覺(jué)、圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，智能化檢測(cè)必然會(huì)成為今后汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)中不可或缺的手段。更便捷、智能的檢測(cè)手段必然是未來(lái)發(fā)展的焦點(diǎn)。同時(shí)在逆向工程的迅猛發(fā)展下，三維點(diǎn)云重構(gòu)技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視，通過(guò)三維重構(gòu)技術(shù)形成輪胎的三維圖像，對(duì)輪胎磨損進(jìn)行可視化的分類(lèi)、分析是將來(lái)學(xué)者們探索的趨勢(shì)。因此，研究如何在輪胎胎面檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用深度