CN101762241A

CN101762241A - 基于线激光和单台相机的轮胎检测装置及其检测方法

Info

Publication number: CN101762241A
Application number: CN200910266592A
Authority: CN
Inventors: 韩毅; 吴海伟; 张琼; 李玲洁; 毛英慧; 李山虎; 施晓芬; 晏国强; 赵晨
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2010-06-30

Abstract

本发明公开了一种基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，包括线激光器、相机、驱动电路、单片机、步进电机、计算机；相机与计算机相连接；步进电机和单片机通过驱动电路连接；单片机与计算机相连接；检测方法包括以下步骤：初始化；打开线激光器照射轮胎，相机采集轮胎图像；将图像和角度、转速数据分别传送到计算机；驱动电路驱动步进电机转动；相机采集图像并传到计算机；计算三维信息并保存；判断所采集到得图像是否达到指定的帧数；利用OpenGL进行三维重构，显示最终结果。本发明克服了现有技术存在的检测精度低、监测速度慢、数据处理能力差的问题，投资费用少、检测精度较高、体积小、能够实时处理。

Description

基于线激光和单台相机的轮胎检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种轮胎检测装置，特别是一种基于线激光和单台相机的轮胎检测装置及其检测方法。

背景技术

据统计，大约有6％的交通事故是由轮胎引起的，而其中又有85％是由于轮胎气压不足造成的。21世纪汽车轮胎的发展主题将是人性化，其内涵包括智能便利、绿色安全。轮胎生产商正要求其轮胎检测系统具备更高的测试精度和速度及更强大的数据处理能力。对于高品质和高安全性轮胎，则要求检测其高速转动时表面细小的缺陷。

对轮胎的检测的传统方法是进行接触式的检测，但是检测精度受到限制，高精密的检测都受到检测设备成本的限制，同时检测速度慢，数据处理能力差。随着计算机、光学和光电子技术的发展，新的三维检测方法不断涌现，采用光学技术获取被检测物体三维信息的方法是当前发展极为迅速的一个领域。光学三维轮廓检测由于其非接触性、高精度与高分辨率、检测速度快、自动化程度高，在CAD/CAE、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉、反求工程等领域得到日益广泛的应用，被公认为是最有前途的三维轮廓测量方法，更是现在研究的热点之一。

发明内容

为了避免现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，本发明利用线激光在一定的角度照射轮胎表面，并用相机对它进行拍摄，将所得图像传到计算机，再利用步进电机控制轮胎的旋转，得到轮胎不同位置的图像和每幅图像所处的位置角度等，计算机根据上述图像和角度数据进行轮胎的三维图像重建，得到轮胎的轮廓图形和相关数据，克服了现有技术存在的检测精度低、监测速度慢、数据处理能力差的问题，投资费用少、检测精度较高、体积小、能够实时处理。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，由以下单元组成：

线激光器，用来产生照射轮胎表面的线激光；

相机，用来实时拍摄被线激光照射的轮胎表面，将拍摄到的图像传给计算机；

单片机，用来输出控制信号给驱动电路，利用驱动电路来驱动控制步进电机的转动；接收驱动电路发送的步进电机的角度、转速数据，接收计算机输出的控制指令，根据控制指令将角度、转速数据传给计算机；

驱动电路，用来接收单片机传来的控制信号，根据控制信号驱动步进电机转动；将步进电机传来的角度、转速数据传给单片机；

步进电机，用来接收驱动电路传来的驱动控制信号，根据驱动控制信号控制轮胎的转动，并将角度、转速数据传给驱动电路；

计算机，用来接收并存储从相机得到的轮胎图像，并与单片机通信；向单片机发送控制指令，接收单片机传送的步进电机的角度、转速数据，根据角度、转速数据，利用三维重建软件对轮胎进行三维重建。

上述单元中，相机与计算机相连接；步进电机和单片机通过驱动电路连接；单片机与计算机相连接；

本发明的基于线激光和相机的轮胎检测装置还包括如下其他特征：

所述的相机采用摄像机、数码相机或CMOS摄像头；

所述的步进电机采用闭环回路控制，该闭环回路中的步进电机通过位置传感器与单片机相连接；

所述的线激光器采用小型线激光器；

所述步进电机采用两相混合式步进电机；

所述的计算机和单片机之间的通信采用MAX232串口通信电路；

所述的驱动电路采用2803A芯片。

上述基于线激光和相机的轮胎检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，对相机参数、OpenGL、串口通信初始化；

步骤2，打开线激光器照射轮胎，相机采集轮胎图像，单片机从驱动电路得到步进电机的角度和转速；相机将图像传送到计算机，单片机将角度、转速数据传送到计算机；

步骤3，单片机向驱动电路发出控制信号，驱动电路驱动步进电机转动一个角度；

步骤4，相机采集另外一帧图像，将该图像和角度、速度信息传到计算机；

步骤5，计算机利用基于OpenGL技术的三维重构软件对采集到的角度、转速数据和图像信息计算三维信息并保存；

步骤6，计算机判断所采集到得图像是否达到指定的帧数，若不够，则返回步骤3，若帧数已足够，则执行步骤7；

步骤7，计算机利用OpenGL进行三维重构，显示最终结果，测试结束。

上述方法还包括如下特征：步骤2中线激光器照射轮胎是从水平方向上对轮胎进行照射；步骤7)中进行三维重构包括采用三角测量法对轮胎图像进行处理。

本发明具有以下优点：

(1)成本低。本发明所使用的线激光器、相机、步进电机、单片机、计算机和驱动电路，目前市场上的主流产品均可满足其要求，相对于传统的高精度的检测设备成本很低。

(2)操作简单。基本上可以实现闭环控制，不需要人体工作的介入，能自动的实现轮胎的检测分析，省时省力。

(3)检测结果直观、可靠。最终得到的检测结果是轮胎的三维重建图形和相关数据，一目了然。

(4)便于分析和研究。检测结果便于储存，并可方便地对其进行日后的查询、对比、分析。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的模型图；

图3为本发明的系统流程图；

图4为重构后的轮胎效果图；

图5为以计算机为中心的电路连接图；

图6为以单片机为中心的电路连接图；

图7为步进电机闭环控制原理图；

以下结合具体实施方式对本发明做一步地解释说明。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明的基于线激光和相机的轮胎检测装置由以下单元组成：

线激光器，用来产生照射轮胎表面的线激光；在实际应用中可选择红光一字线激光器等小型线激光器。

相机，用来实时拍摄被线激光照射的轮胎表面，将拍摄到的图像传给计算机；相机采用摄像机、CCD数码相机或CMOS摄像头。使用相机时，对相机的内外参数使用MATLAB进行标定；

计算机，用来接收并存储从相机得到的轮胎图像；与单片机通信，向单片机发送控制指令，接收单片机传送的步进电机的角度、转速数据，根据角度、转速数据，利用三维重建软件对轮胎进行三维重建。

实际运用时，将各组成单元置于水平试验台上，将轮胎2固定于步进电机3上，使轮胎2和步进电机3的中轴线与试验台平面平行，使线激光器1发出的激光水平照射到轮胎上。步进电机3通过驱动电路6与单片机7相连接；计算机5和单片机7采用MAX232串口通信电路相互连接通信；相机4与计算机5连接；

参见图3，本发明的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，对相机参数、OpenGL、串口通信初始化；

步骤7，计算机采用三角测量法，利用OpenGL对轮胎进行三维重构，显示最终结果，测试结束。

参见图4，本发明的核心部分是对所需检测数据的获取和依据这些数据进行三维重建。本发明利用三角测量法对获取轮胎的表面数据进行处理，三角测量法是将激光束投射到被测轮胎上，将所形成的漫反射光栅条纹作为传感信号，用透镜成像原理将收集到的漫反射光会聚到光接收器上形成像点。当入射光随被测物面移动时，像点在光接收器上作相应的移动，根据像移大小确定被测轮胎的表面形貌等。本发明对所照射的激光条纹提取一系列的特征点的参数，然后将它输入相应的三维重建软件对它进行三维重构。

另外，本发明的检测主要面对轮胎的圆度、磨损度等指标，对上述指标的分析建立在与标准轮胎对比的基础上，即取标准轮胎进行三维重构后，将它的数值保存在一定的分析软件中，然后对所检测的轮胎的数据与它进行对比分析，利用参数对被测轮胎的圆度和磨损度进行描述，同时，还应该将重构的图像与标准图像进行输出对比，并且将圆度与磨损度有超过规定差异的地方标注出来。

参见图5，MAX232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到计算机DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

计算机控制相机采集轮胎的激光照射部分的信息图像，当程序开始运行检测时，计算机将高电平信号经TXD发送端传到MAX232的R1IN引脚，再经R1OUT引脚将信号传到单片机89C2051的RXD接收端，然后单片机开始驱动控制步进电机的转动，在步进电机转动的每个角度，计算机通过相机采集轮胎被激光照射部分的图像信息。此时经过MAX232的电压转换已经把12V的电压转化成了单片机89C2051工作使用的5V，从而完成了信号中的电压转换。

参见图6，当完成了信号的电压转换后，单片机89C2051便可控制步进电机的转动，但由于单片机输出信号中的输出电流很低，所以还需要增加一个2803A芯片用来增大输出电流以驱动步进电机。通过2803A可以实现对步进电机的驱动。其中9引脚为接地，1、18引脚，2、17引脚，3、16引脚，4、15引脚，5、14引脚，6、13引脚，7、12引脚，8、11引脚为一对输入输出引脚，共8对。本实施例中只利用了其中的4路引脚，即从4路输入引脚中加载单片机的低电流的输入信号，即可从对应的输出引脚中得到高电流的信号，从而达到提高电流的目的，即而实现了对步进电机的控制驱动。

参见图7，步进电机闭环控制原理图，驱动电路的电源结合所选步进电机，取12V；脉冲分配器也称环形分配器，是一个数字逻辑单元它接收一个单相的脉冲信号根据运行指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上使步进电动机按选定的运行方式工作。步进电机的位移量是断续的，总的位移量严格等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率。电机响应控制指令后的实际运行情况控制系统是无法预测和监视的，在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控，因此必须在控制回路中增加反馈环节构成闭环控制系统。闭环回路中的步进电机与单片机通过驱动电路相连接，反馈环节将步进电机的内置位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较用比较信号进行控制不仅可防止失步还能够消除位置误差提高系统的精度。

本发明中对图像的处理算法也是整个系统中非常重要的部分，其处理的好坏，将直接影响检测的精度，因此要选择合适的算法以正确的提取激光光纹信息。本发明中对图像的检测距离处理使用了三角测量法，并采取二值化方法来去除图像背景噪声，另外对相机进行一定的畸变校正等。

本发明利用线激光在一定的角度照射轮胎表面，并用相机对它进行拍摄，将所得图像传到计算机，再利用步进电机控制轮胎的旋转，得到轮胎不同位置的图像和每幅图像所处的位置角度等，计算机根据这些数据进行轮胎的三维图像重建，最后得到轮胎的轮廓图形和相关数据。

三维重建的核心是获得图像的激光光栅条纹，利用三角测量法，对条纹进行检测计算得到其所照射轮胎处的纵向距离，包括轮胎的突起与凹陷等距离参数，最终得到轮胎一系列角度位置时的这些参数，根据这些参数和角度利用三维重建软件对它进行三维重建。同时，对比于标准轮胎的测量参数，本发明可以检测到轮胎的圆度、磨损度等，还可以对轮胎的特征点比如磨损严重区域等进行标记和描述分析等，还可以建立数据库对大量所检测轮胎进行相关分析。另外，它可以与轮胎压力与温度监测系统、智能驾驶、导航和电子安全系统等其它汽车控制预警结合起来，共同组成一个完整的智能汽车电子监控系统，使轮胎智能化并提高轮胎的主动安全性。

Claims

1.一种基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，由以下单元组成：

线激光器，用来产生照射轮胎表面的线激光；

2.如权利要求1所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，所述的相机采用摄像机、数码相机或CMOS摄像头。

3.如权利要求1所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，所述的步进电机采用闭环回路控制，该闭环回路中的步进电机通过位置传感器与单片机相连接。

4.如权利要求1所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，所述的线激光器采用小型线激光器。

5.如权利要求1所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，所述步进电机采用两相混合式步进电机。

6.如权利要求1所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，所述的计算机和单片机之间的通信采用MAX232串口通信电路。

7.如权利要求1所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置，其特征在于，所述的驱动电路采用2803A芯片。

8.权利要求1的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对相机参数、OpenGL、串口通信初始化；

9.如权利要求8所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置的检测方法，其特征在于，步骤2)中线激光器照射轮胎是从水平方向上对轮胎进行照射。

10.如权利要求8或9所述的基于线激光和单台相机的轮胎检测装置的检测方法，其特征在于，步骤7)中进行三维重构包括采用三角测量法对轮胎图像进行处理。