CN111413277B - 一种轮胎表面缺陷检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎表面缺陷检测系统及方法，该系统能同时对轮胎子口、内壁和外壁进行缺陷信息采集，且互不影响，并可以针对不同型号轮胎，旋转相机、调整拍摄角度，进行最优良的轮胎图像获取，大大减小了图像处理及分析方面的难度，具有高适用性及拓展性；解决了现有的轮胎表面缺陷检测技术高成本、低适用性、无法辨别缺陷种类及原因的问题。

Description

一种轮胎表面缺陷检测系统及方法

技术领域

本发明属于轮胎缺陷检测技术领域，具体涉及一种轮胎表面缺陷信息检测系统及方法。

背景技术

汽车工业的发展极大地促进了轮胎工业的发展，轮胎断面轮廓作为轮胎外缘尺寸的重要内容，不仅关系到轮胎与车辆间的匹配，也直接影响车辆的操作稳定性和行驶安全性。因此轮胎安全已经成为交通安全的关键问题，也收到越来越多的关注。

生成轮胎的过程中表面可能会产生一些细小的缺陷，如胎趾出边、胎圈缺胶、胎圈变形等近50种缺陷。床体检测轮胎表面缺陷主要是通过人眼观察，然而人工检测轮胎表面缺陷信息容易受到一些外界的影响，成本高，精度低。因此轮胎表面缺陷检测亟需一款自动化、高效率，高精度的缺陷信息采集设备。

目前，国内外产业公司轮胎缺陷采集产品诸如美国阿克隆，MTS、德国科尔曼及瑞典LMI公司多通过非接触测量方法，来进行轮胎表面的缺陷检测，如激光三角法，结构光三角法。轮胎表面缺陷检测设备至今也没有得到广泛的应用，制约其市场空间的原因主要有三点：其一，国内外关于轮胎检测的应用研究多集中在视觉检测元件提供给轮胎厂商，几乎没有完整的检测设备；其二，现有设备无法改装并加入轮胎生产线，也不能适用于多种型号的轮胎，不能检查轮胎的全部位置；其三，现有设备无法高效分析轮胎表面缺陷种类及原因。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的轮胎表面缺陷检测系统及方法解决了现有的轮胎表面缺陷检测过程易受人为因素影响、效率低、精度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种轮胎表面缺陷检测系统，包括相互连接的轮胎信息采集设备和PC机；

所述轮胎信息采集设备包括设备支撑底座、机械臂、柔性视觉模组和控制器；所述设备支撑底座通过机械臂与柔性视觉模组连接，所述机械臂和柔性视觉模组均匀所述控制器连接；

所述轮胎信息采集设备用于采集轮胎外壁表面和内壁表面的轮胎信息，并发送至PC机；其中，所述设备支撑底座用于固定机械臂的底部和待检测轮胎；所述机械臂用于连接识别支撑底座和柔性视觉模组，在所述机械臂的控制下使柔性视觉模组包裹待检测轮胎的所有表面；所述柔性视觉模组用于采集待检测轮胎所有表面的影像；所述控制器用于控制设备支撑底座上的待轮胎转动、机械臂的运动和柔性视觉模组的位置；

所述PC机用于处理轮胎信息采集设备上传的轮胎信息，并根据其进行轮胎表面缺陷检测。

进一步地，所述设备支撑底座包括机械臂固定架和轮胎固定架；

所述机械臂固定架与机械臂底端固定连接；

所述轮胎固定架上设置有主动活动滚轴、从动活动滚轴和两个轮胎固定挡板；

所述主动活动滚轴和从动活动滚轴相对设置，所述主动滚轴的中心轴与伺服电机连接，所述伺服电机与控制器连接，所述待检测轮胎立设于主动活动滚轴和从动活动滚轴上；

两个所述轮胎固定挡板相对设置，且设置于主动活动滚轴和从动活动滚轴之间，所述两个轮胎固定挡板之间的距离等于待测轮胎的宽度。

进一步地，所述柔性视觉模组包括模组底座、两个子口检测模块、两个外壁检测模块和两个内壁检测模块；

所述模组底座的一侧表面与所述机械臂的顶部活动连接；

两个所述子口检测模块均固定在所述模组底座中与机械臂连接的一侧表面上，且两个所述子口检测模块反向设置；

两个所述外壁检测模块和内壁检测模块均固定在所述模组底座上与固定有子口检测模块相反的一侧表面上，两个所述内壁检测模块设置于两个所述外壁检测模块之间，两个所述内壁检测模块反向设置，两个所述外壁检测模块也反向设置。

进一步地，每个所述子口检测模块包括第一相机固定架、第一转动连接板、第一舵机和第一底座；

所述第一舵机固定设置在第一底座上，所述第一相机固定架通过所述第一转动连接板与第一舵机连接转动轴连接；所述第一底座固定设置在模组底座上；

所述第一相机固定架中固定设置有相机，所述第一舵机与控制器连接。

进一步地，每个所述内壁检测模块均包括第一内壁检测单元、第二内壁检测单元、若干个第三内壁检测单元和第四内壁检测单元；

所述第一内壁检测单元的一端与模组底座固定连接，所述第一内壁检测单元的另一端、第二内壁检测单元、若干个第三内壁检测单元和第四内壁检测单元依次活动连接；

所述第一内壁检测单元包括第二底座、π型固定件和第一舵机；所述第一舵机通过π型固定件固定在第二底座上，所述第一舵机的转动轴与第二内壁检测单元连接；

所述第二内壁检测单元包括第二相机固定架、π型固定件和第一舵机；所述第一舵机通过π型固定件固定在第二相机固定架上，所述第二相机固定架与第一内壁检测单元中的第一舵机活动连接，所述第一舵机的转动轴与第三内壁检测单元连接，所述第二相机固定架中固定设置有相机；

每个所述第三内壁检测单元均包括第三相机固定架、π型固定件和第一舵机；所述第一舵机通过π型固定件固定在第三相机固定架上，所述第三相机固定架与第二内壁检测单元中的第一舵机连接，所述第一舵机的转动轴与下一第三内壁检测单元或第四内壁检测单元连接，所述第三相机固定架中固定设置有相机；

所述第四内壁检测单元包括第四相机固定架，所述第四相机固定架与第三内壁检测单元中的第一舵机连接，所述第四相机固定架中固定设置有相机；

所述第二内壁检测单元、第三内壁检测单元和第四内壁检测单元中的相机的安装于同一水平线上；

所述第一内壁检测单元中的第一舵机、第二内壁检测单元中的第一舵机和第三内壁检测单元中的第一舵机均与控制器连接。

进一步地，每个所述外壁检测模块均包括第一外壁检测单元、第二外壁检测单元、若干个第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元；

所述第一外壁检测单元的一端与模组底座固定连接，所述第一外壁检测单元、第二外壁检测单元、第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元依次活动连接；

所述第一外壁检测单元包括第三底座、π型固定件和第二舵机，所述第三底座固定模组底座上，所述第二舵机通过π型固定件固定在第三底座上，所述第二舵机的转动轴与第二外壁检测单元活动连接；

所述第二外壁检测单元包括第五相机固定架、π型固定件和第一舵机，所述第五相机固定架与第一外壁检测单元中的第二舵机连接，所述第一舵机通过π型固定件固定在第五相机固定架上，所述第五相机固定架固定有相机，所述第一舵机的转动轴与第三外壁检测单元活动连接；

所述第三外壁检测单元包括第六相机固定架、π型固定件和第一舵机，所述第六相机固定架与第二外壁检测单元中的第一舵机连接，所述第一舵机通过π型固定件固定在第六相机固定架上，所述第六相机固定架固定有相机，所述第一舵机的转动轴与下一第三外壁检测单元或第四外壁检测单元连接；

所述第四外壁检测单元包括第七相机固定架、π型固定件和第一舵机，所述第七相机固定架与第三外壁检测单元中的第一舵机连接，所述第一舵机通过π型固定件固定在第七相机固定架上，所述第七相机固定架固定有相机，所述第一舵机的转动轴与第五外壁检测单元连接；

所述第五外壁检测单元包括第八相机固定架，所述第八相机固定架与第五外壁检测单元中的第一舵机连接，所述第八相机固定架上固定有相机；

所述第二外壁检测单元、第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元中相机设置位置均处于同一水平线上；

所述第一外壁检测单元中的第二舵机、第二外壁检测单元中的第一舵机、第三外壁检测单元中的第一舵机和第四外壁检测单元中的第一舵机均与控制器连接。

一种轮胎表面缺陷检测方法，包括以下步骤：

S1、将待检测轮胎放置到轮胎信息采集设备上，采集待检测轮胎所有表面的实时图像，并上传至PC机；

S2、在PC机侧，将上传的图像采用多画面的方式显示出来，并对每个画面的图像进行几何校正；

S3、对几何校正后的每个图像依次进行预处理和图像配准；

S4、对配准后的所有图像进行图像融合，得到轮胎表面的全景图像；

S5、根据全景图像对轮胎表面缺陷进行检测，并将在缺陷位置标识出来，实现轮胎表面缺陷检测。

进一步地，所述步骤S1具体为：

S11、将待检测轮胎放置到设备支撑底座上的主动活动滚轮和从动活动滚轮之间，并通过轮胎固定挡板将其固定；

S12、通过控制器控制柔性视觉模组的运动，使两个外壁检测模块环绕轮胎外壁，两个内壁检测模块伸入轮胎内部；

S13、通过控制器控制柔性视觉模组运动，使外壁检测模块、内壁检测模块和子口检测模块中的相机采集上半圈的轮胎表面图像；

S14、通过控制器控制伺服电机，使待检测轮胎在主动活动滚轮和从动活动滚轮上转动半圈；

S15、通过控制器控制柔性视觉模组运动，使外壁检测模块、内壁检测模块和子口检测模块中的相机采集未进行图像采集的剩余半圈轮胎表面图像；

S16、将每个相机中采集的轮胎表面实时图像通过千兆以太网上传至PC机；

所述PC机收到的每个相机上传的实时图像均标有其采集的图像位置坐标。

进一步地，所述步骤S3中的预处理依次包括灰度变换、图像滤波和亮度归一化；

所述步骤S3中的图像配准方法为模版匹配结合关键点的配准方法。

进一步地，所述步骤S5中，根据全景图像对轮胎表面缺陷进行检测的方法具体为：

将生成的轮胎表面全景图像与无缺陷的轮胎表面全景图像对比，标注图像中出现不同图像的位置，并通过图像识别算法对标注位置进行分析，确定缺陷种类，实现轮胎表面缺陷检测。

本发明的有益效果为：

本发明提供的轮胎表面缺陷检测系统及方法同时对轮胎子口、内壁和外壁进行缺陷信息采集，且互不影响，并可以针对不同型号轮胎，旋转相机、调整拍摄角度，进行最优良的轮胎图像获取，大大减小了图像处理及分析方面的难度，具有高适用性及拓展性；解决了现有的轮胎表面缺陷检测技术高成本、低适用性、无法辨别缺陷种类及原因的问题。

附图说明

图1为本发明提供的轮胎信息采集设备整体结构图。

图2为本发明提供的设备支撑底座结构图。

图3为本发明提供的机械臂结构图。

图4为本发明提供的柔性视觉模组结构图。

图5为本发明提供的子口检测模块结构图。

图6为本发明提供的第一内壁检测单元结构图。

图7为本发明提供的第二内壁检测单元结构图。

图8为本发明提供的第三内壁检测单元结构图。

图9为本发明提供的第四内壁检测单元结构图。

图10为本发明提供的第一外壁检测单元结构图。

图11为本发明提供的第二外壁检测单元结构图。

图12为本发明提供的第三外壁检测单元结构图。

图13为本发明提供的第四外壁检测单元结构图。

图14为本发明提供的第五外壁检测单元结构图。

图15为本发明提供的轮胎表面缺陷检测方法流程图。

图16为本发明中图像融合效果示意图。

图17为本发明提供的轮胎信息采集设备初始状态示意图。

图18为本发明提供的轮胎信息采集设备检测初始位置示意图。

图19为本发明提供的柔性视觉模组对轮胎转动前的上半圈轮胎信息采集示意图。

图20为本发明提供的轮胎转动半圈示意图。

图21为本发明提供的柔性视觉模组对轮胎转动后的上半圈轮胎信息采集示意图。

其中：1、设备支撑底座；2、柔性视觉模组；3、机械臂；4、第一舵机；5、第二舵机；6、π型固定件；7、相机；8、轮胎；11、机械臂固定架；12、轮胎固定架；12-1、主动活动滚轴；12-2、伺服电机；12-3、轮胎固定挡板；12-4、从动活动滚轴；21、子口检测模块；22、模组底座；23、内壁检测模块；24、外壁检测模块；21-1、第一相机固定架；21-2、第一转动连接板；21-3、第一底座；23-1、第二底座；23-2、第二相机固定架；23-3、第三相机固定架；23-4、第四相机固定架；24-1、第三底座；24-2、第五相机固定架；24-3、第六相机固定架；24-4、第七相机固定架；24-5、第八相机固定架。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种轮胎表面缺陷检测系统，包括相互连接的轮胎信息采集设备和PC机；

轮胎信息采集设备包括设备支撑底座1、机械臂3、柔性视觉模组2和控制器；设备支撑底座1通过机械臂3与柔性视觉模组2连接，机械臂3和柔性视觉模组2均匀控制器连接；

轮胎信息采集设备用于采集轮胎8外壁表面和内壁表面的轮胎信息，并发送至PC机；其中，设备支撑底座1用于固定机械臂3的底部和待检测轮胎8；机械臂3用于连接柔性视觉模组2，在机械臂3的控制下使柔性视觉模组2包裹待检测轮胎8的所有表面；柔性视觉模组2用于采集待检测轮胎8所有表面的影像；控制器用于控制设备支撑底座1上的待轮胎8转动、机械臂3的运动和柔性视觉模组2的位置；

PC机用于处理轮胎信息采集设备上传的轮胎信息，并根据其进行轮胎8表面缺陷检测。

如图2所示，上述设备支撑底座1包括机械臂固定架11和轮胎固定架12；机械臂固定架11与机械臂3底端固定连接；轮胎固定架12上设置有主动活动滚轴12-1、从动活动滚轴12-4和两个轮胎固定挡板12-3；主动活动滚轴12-1和从动活动滚轴12-4相对设置，主动滚轴的中心轴与伺服电机12-2连接，伺服电机12-2与控制器连接，待检测轮胎8立设于主动活动滚轴12-1和从动活动滚轴12-4上；两个轮胎固定挡板12-3相对设置，且设置于主动活动滚轴12-1和从动活动滚轴12-4之间，两个轮胎固定挡板12-3之间的距离等于待测轮胎8的宽度。

上述设备支撑底座1主要用于固定待检测轮胎8和机械臂3，防止柔性视觉模组2在采集轮胎表面信息时，轮胎8不能准确固定，采集轮胎表面信息不全面的问题。当轮胎8放置到主动活动滚轴12-1和从动活动滚轴12-4之间后，控制器控制伺服电机12-2工作，进而带动与其直接接触的轮胎8转动，轮胎8的转动带动从动活动滚轴12-4转动，从而实现在控制器的控制下轮胎8根据信息采集的需要转动，同时为了防止轮胎8向两侧倾倒，还在主动活动滚轴12-1和从动活动滚轴12-4之间设置了轮胎固定挡板12-3，且固定挡板上设置有若干小滚轮和轮胎8表面直接接触，减小轮胎8在轮胎固定架12上转动时与固定件之间的摩擦，避免轮胎表面缺陷信息采集时，产生不必要的缺陷。

如图3所示，本发明中的机械臂3为至少14自由度的机械臂，图3中的机械臂为天太六轴工业机械臂，由于轮胎检测分为内外两部分，需选用自由度最高六轴工业机械臂，才可调整相机正对于轮胎表面，实现完整轮胎表面图像输出。可换用其它承重12kg以上的六轴机械臂代替。

如图4所示，柔性视觉模组2包括模组底座22、两个子口检测模块21、两个外壁检测模块24和两个内壁检测模块23；模组底座22的一侧表面与机械臂3的顶部活动连接；两个子口检测模块21均固定在模组底座22中与机械臂3连接的一侧表面上，且两个子口检测模块21反向设置；两个外壁检测模块24和内壁检测模块23均固定在模组底座22上与固定有子口检测模块21相反的一侧表面上，两个内壁检测模块23设置于两个外壁检测模块24之间，两个内壁检测模块23反向设置，两个外壁检测模块24也反向设置。

在柔性视觉模组2中每个检测模块内部活动连接，两个外壁检测单元反向设置；信息采集时，在控制器的控制下，两个外壁检测模块24完全包裹轮胎8的外表面，控制器控制轮胎8的转动，使其两个外壁检测模块24采集到轮胎8外表面的全部信息，同时内壁检测模块23，在控制器的控制下深入到轮胎8内部，在轮胎8转动的过程中，采集到轮胎8内表面的全部信息，子口检测模块21轮胎子口位置及少许子口外侧轮胎表面。

如图5所示，每个子口检测模块21包括第一相机固定架21-1、第一转动连接板21-2、第一舵机4和第一底座21-3；第一舵机4固定设置在第一底座21-3上，第一相机固定架21-1通过第一转动连接板21-2与第一舵机4连接转动轴连接；第一底座21-3固定设置在模组底座22上；第一相机固定架21-1中固定设置有相机7，第一舵机4与控制器连接。

本发明中的每个内壁检测模块23均包括第一内壁检测单元、第二内壁检测单元、若干个第三内壁检测单元和第四内壁检测单元；第一内壁检测单元的一端与模组底座22固定连接，第一内壁检测单元的另一端、第二内壁检测单元、若干个第三内壁检测单元和第四内壁检测单元依次活动连接；

如图6所示，第一内壁检测单元包括第二底座23-1、π型固定件6和第一舵机4；第一舵机4通过π型固定件6固定在第二底座23-1上，第一舵机4的转动轴与第二内壁检测单元连接。第一内壁检测单元用于将内壁检测模块23的一端固定在模组底座22上，便于机械臂3带动柔性视觉模组2的整体运动，其中的第一舵机4为40kg·cm的小舵机；

如图7所示，第二内壁检测单元包括第二相机固定架23-2、π型固定件6和第一舵机4；第一舵机4通过π型固定件6固定在第二相机固定架23-2上，第二相机固定架23-2与第一内壁检测单元中的第一舵机4活动连接，第一舵机4的转动轴与第三内壁检测单元连接，第二相机固定架23-2中固定设置有相机7；

如图8所示，每个第三内壁检测单元均包括第三相机固定架23-3、π型固定件6和第一舵机4；第一舵机4通过π型固定件6固定在第三相机固定架23-3上，第三相机固定架23-3与第二内壁检测单元中的第一舵机4连接，第一舵机4的转动轴与下一第三内壁检测单元或第四内壁检测单元连接，第三相机固定架23-3中固定设置有相机7；

图7和图8中的第二内壁检测单元和第三内壁检测单元相比长度较长，主要是由于内壁检测单侧4个成像面，第二个成像面与第三个成像面较大，需深入较多才能获取更多的成像重叠位置，利于图像拼接及轮胎表面缺陷检测。

如图9所示，第四内壁检测单元包括第四相机固定架23-4，第四相机固定架23-4与第三内壁检测单元中的第一舵机4连接，第四相机固定架23-4中固定设置有相机7；由于第四内壁检测单元是内壁检测模块23中最外侧的组成部分，因此，该检测单元中无需设置舵机。

第二内壁检测单元、第三内壁检测单元和第四内壁检测单元中的相机7的安装于同一水平线上；第一内壁检测单元中的第一舵机4、第二内壁检测单元中的第一舵机4和第三内壁检测单元中的第一舵机4均与控制器连接。控制器通过控制各个舵机，使与其连接各个监测单元运动到指定位置，进而使其上的相机7能够采集到轮胎8内壁连续的表面信息，提高轮胎表面信息采集的全面性。

本发明中的每个外壁检测模块24均包括第一外壁检测单元、第二外壁检测单元、若干个第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元；第一外壁检测单元的一端与模组底座22固定连接，第一外壁检测单元、第二外壁检测单元、第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元依次活动连接。

如图10所示，第一外壁检测单元包括第三底座24-1、π型固定件6和第二舵机5，第三底座24-1固定模组底座22上，第二舵机5通过π型固定件6固定在第三底座24-1上，第二舵机5的转动轴与第二外壁检测单元活动连接；此处的第一外壁检测单元将外壁检测模块24的一端固定在模组底座22上，便于机械臂3带动柔性视觉模组2的整体运动，此处的第二舵机5为60kg·cm的大舵机。

如图11所示，第二外壁检测单元包括第五相机固定架24-2、π型固定件6和第一舵机4，第五相机固定架24-2与第一外壁检测单元中的第二舵机5连接，第一舵机4通过π型固定件6固定在第五相机固定架24-2上，第五相机固定架24-2上固定有相机7，第一舵机4的转动轴与第三外壁检测单元活动连接。

如图12所示，第三外壁检测单元包括第六相机固定架24-3、π型固定件6和第一舵机4，第六相机固定架24-3与第二外壁检测单元中的第一舵机4连接，第一舵机4通过π型固定件6固定在第六相机固定架24-3上，第六相机固定架24-3上固定有相机7，第一舵机4的转动轴与下一第三外壁检测单元或第四外壁检测单元连接。

如图13所示，第四外壁检测单元包括第七相机固定架24-4、π型固定件6和第一舵机4，第七相机固定架24-4与第三外壁检测单元中的第一舵机4连接，第一舵机4通过π型固定件6固定在第七相机固定架24-4上，第七相机固定架24-4上固定有相机7，第一舵机4的转动轴与第五外壁检测单元连接；

图11-图13中的第二外壁检测单元、第三外壁检测单元和第四外壁检测单元，第二外壁检测单元长度最小，是因为大舵机比小舵机长度长，因此第二外壁检测单元长度需要短，才能是相机正视于外壁第二成像面成像。第三外壁检测单元长度较长是因为外壁第三成像面较大，需将相机远离第三成像面才能完整采集图像；且第二外壁检测单元长度也是根据第四成像面的范围大小来确定。

如图14所示，第五外壁检测单元包括第八相机固定架24-5，第八相机固定架24-5与第五外壁检测单元中的第一舵机4连接，第八相机固定架24-5上固定有相机7；由于第五外壁检测单元是外壁检测模块24中最外侧的组成部分，因此，该检测单元中无需设置舵机。

第二外壁检测单元、第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元中相机7设置位置均处于同一水平线上；第一外壁检测单元中的第二舵机5、第二外壁检测单元中的第一舵机4、第三外壁检测单元中的第一舵机4和第四外壁检测单元中的第一舵机4均与控制器连接。控制器通过控制各个舵机，使与其连接各个监测单元运动到指定位置，进而使其上的相机7能够采集到轮胎8外壁连续的表面信息，提高轮胎表面信息采集的全面性。

本发明中的控制器包括USB转RS485.TTL信号转换板和型号为GTS-400-PVG-PCI的运动控制器，其均PC机连接；USB转RS485.TTL信号转换板用于控制机器臂和柔性视觉模组中的所有舵机的运行，进而实现轮胎表面缺陷信息精准采集；运动控制器用于控制伺服电机的转动，进而控制待采集轮胎的转动。

本发明中的小舵机的力矩为40kg·cm，其型号为SCS40-DS；具体地，在本发明中，轮胎内部检测分为8个成像面，左右两侧各4个成像面，每一侧需使用4组的相机舵机模组对轮胎内侧表面进行拍摄。小舵机外形小巧，轻便，由于轮胎内部检测深度较浅，适用于少数小舵机相连接，深入轮胎内侧进行检测，但仍需具有一定的力矩能力，若使用大舵机相连接将超出内壁最大深度，或减少内部检测成像面，最终影响图像输出。可使用力矩最小为40kg·cm，及大小25mm*40mm*60mm左右的相似舵机代替。需要强调的是，本发明方案中的第一舵机是指力矩为40kg·cm的小舵机并不是指相应采集单元中设置的均为同一个第一舵机，在本发明设备中的子口采集模块、第一内壁采集单元、第二内壁采集单元、第三内壁采集单元、第四内壁采集单元、第二外壁采集单元、第三外壁采集单元、第四外壁采集单元和第五外壁采集单元均设置有力矩为40kg·cm的第一舵机，在具体描述其位置及连接关系，均是针每个第一舵机设置所在采集单元或相邻采集单元范围内进行描述的，不存在例如第一内壁采集单元和第三内壁采集单元中的第一舵机有直接连接关系的情况。

本发明中的大舵机的力矩为60kg·cm，其型号为SCS560；具体地，在本发明中，第一外壁检测单元使用大舵机主要是因为此单元需要有足够大的力矩去承受后面5个单元的重量，因此需要使用至少60kg·cm的舵机。也可以用同等力矩，大小为35mm*60mm*70mm左右的其他舵机代替。需要强调的是，本发明方案中的第二舵机是指力矩为60kg·cm的大舵机并不是指相应采集单元中设置的均为同一个第二舵机，在本发明设备中的第一外壁采集单元和第二外壁采集单元均设置有力矩为60kg·cm的第二舵机，在具体描述其位置及连接关系，均是针每个第二舵机设置所在采集单元或相邻采集单元范围内进行描述的，不存在例如第一外壁采集单元中的第二舵机和第三外壁采集单元中的第一舵机有直接连接关系的情况。

本发明中各个检测单元中的相机固定架可以在相机获取图像的同时进行补光处理；各个相机固定架中的相机均为网络数字摄像头，采用H.265++/H.265+/H.265/H.264视频编码，支持双码流，AVI格式；支持码流0.1M～8Mpbs可调；支持1～30帧/秒可调，该相机图像输出的主码流：1920*1080@20fps，1280*720@25fps；子码流：704*576@25fps，相机网络接口1个RJ45以太网接口，10/100M自适应；同时支持RTSP/FTP/PPPOE/DHCP/DDNS/NTP/UPnP等网络协议。相机中采集的图像通过相机网口传入PC机中进行储存。

如图15所示，本发明还提供了一种轮胎表面缺陷检测方法，包括以下步骤：

S1、将待检测轮胎放置到轮胎信息采集设备上，采集待检测轮胎所有表面的实时图像，并上传至PC机；

S2、在PC机侧，将上传的图像采用多画面的方式显示出来，并对每个画面的图像进行几何校正；

上述几何校正包括畸变校正和逆透视变换；由于相机镜头的畸变和成像角度的不同，因此需要对图像进行畸变校正和逆透视变换，畸变校正可以消除图像中的几何畸变，逆透视变换产生同一成像视角的图像。

S3、对几何校正后的每个图像依次进行预处理和图像配准；

上述预处理依次包括灰度变换、图像滤波和亮度归一化；其中，灰度变换的目的是为了改善画质，使图像的显示效果更佳清晰；图像滤波可以消除图像中的干扰，滤波一些无用信息；亮度归一化是为了消除光照的影响，产生亮度均匀的图片；

图像配准方法一般有模版匹配的方法和基于关键点匹配方法，由于轮胎表面的复杂性，本发明中才去模版匹配结合关键点匹配的配准方法。在轮胎复杂的区域使用关键点匹配的方法，在纹理单一且纹理重复性较高的区域使用模版匹配的方法，同时由于运动程序的持续性和匀速特性，任意两次成像之间的配准距离是很接近的，因此我们使用一个预估的配准距离，将图像配准的搜索范围限制在预估值的一定范围内，大大提高图像配准的准确性。

S4、对配准后的所有图像进行图像融合，得到轮胎表面的全景图像；

图像配准后就可以图像融合，融合拼接后的图像可以看到明显的接缝线，需要将重叠区域进行加权渐变，我们采用的是高斯融合的方式，取得了较好的效果，融合效果如图16所示。

S5、根据全景图像对轮胎表面缺陷进行检测，并将在缺陷位置标识出来，实现轮胎表面缺陷检测。

上述步骤S1具体为：

S11、将待检测轮胎放置到设备支撑底座上的主动活动滚轮和从动活动滚轮之间，并通过轮胎固定挡板将其固定；

上述过程中的设备状态如图17所示；

S12、通过控制器控制柔性视觉模组的运动，使两个外壁检测模块环绕轮胎外壁，两个内壁检测模块伸入轮胎内部；

上述过程中的设备状态如图18所示；

S13、通过控制器控制柔性视觉模组运动，使外壁检测模块、内壁检测模块和子口检测模块中的相机采集上半圈的轮胎表面图像；

上述过程的设备状态如图19所示；

S14、通过控制器控制伺服电机，使待检测轮胎在主动活动滚轮和从动活动滚轮上转动半圈；

上述过程的设备状态如图20所示；

S15、通过控制器控制柔性视觉模组运动，使外壁检测模块、内壁检测模块和子口检测模块中的相机采集未进行图像采集的剩余半圈轮胎表面图像；

上述过程的设备状态如图21所示；

S16、将每个相机中采集的轮胎表面实时图像通过千兆以太网上传至PC机；

上述步骤S5中得到的全景图像可以方便的用来存档和人工查验，在后续的缺陷检测后可以在全景图像中将缺陷位置标识出来，因为PC机收到的每个相机上传的实时图像均标有其采集的图像位置坐标，可以方便人工对轮胎缺陷区域进行查验。

其中，根据全景图像对轮胎表面缺陷进行检测的方法具体为：

将生成的轮胎表面全景图像与无缺陷的轮胎表面全景图像对比，标注图像中出现不同图像的位置，并通过图像识别算法对标注位置进行分析，确定缺陷种类，实现轮胎表面缺陷检测。

在本发明的一个实施例中，提供了轮胎信息采集时，针对不同型号的轮胎，外壁检测模块和内壁检测模块中需要检测单元数量参考：

对于中大型轮胎内外侧检测，需要14-20个检测单元；1)由于轮胎内侧弧度较大、分为两部分，每侧需4个相机才能清晰成像，因此适用于轮胎断面宽度10in以上，高宽比60％以上；2)由于需要柔性模组进行形变才可进去轮胎内侧进行检测，轮辋直径需要16in以上。

对于小型轮胎，只能进行外部检测，内部无法同时完成多面检测，因此需要的检测单元数量较少，需要8-14个检测单元；1)由于无需內部检测，但仍需柔性结构进行形变并伸入轮胎，可适用于轮辋直径11in以上的；2)外胎纹面可以单个相机进行检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明的有益效果为：

本发明提供的轮胎表面缺陷检测系统及方法同时对轮胎子口、内壁和外壁进行缺陷信息采集，且互不影响，并可以针对不同型号轮胎，旋转相机、调整拍摄角度，进行最优良的轮胎图像获取，大大减小了图像处理及分析方面的难度，具有高适用性及拓展性；解决了现有的轮胎表面缺陷检测技术高成本、低适用性、无法辨别缺陷种类及原因的问题。

Claims (9)

1.一种轮胎表面缺陷检测系统，其特征在于，包括相互连接的轮胎信息采集设备和PC机；

所述轮胎信息采集设备包括设备支撑底座(1)、机械臂(3)、柔性视觉模组(2)和控制器；所述设备支撑底座(1)通过机械臂(3)与柔性视觉模组(2)连接，所述机械臂(3)和柔性视觉模组(2)均与所述控制器连接；

所述轮胎信息采集设备用于采集轮胎(8)外壁表面和内壁表面的轮胎信息，并发送至PC机；其中，所述设备支撑底座(1)用于固定机械臂(3)的底部和待检测轮胎(8)；所述机械臂(3)用于连接设置支撑底座(1)和柔性视觉模组(2)，在所述机械臂(3)的控制下使柔性视觉模组(2)包裹待检测轮胎(8)的所有表面；所述柔性视觉模组(2)用于采集待检测轮胎(8)所有表面的影像；所述控制器用于控制设备支撑底座(1)上的待检测轮胎(8)转动、机械臂(3)的运动和柔性视觉模组(2)的位置；

所述PC机用于处理轮胎信息采集设备上传的轮胎图像，并根据其进行轮胎表面缺陷检测；

所述柔性视觉模组(2)包括模组底座(22)、两个子口检测模块(21)、两个外壁检测模块(24)和两个内壁检测模块(23)；

所述模组底座(22)的一侧表面与所述机械臂(3)的顶部活动连接；

两个所述子口检测模块(21)均固定在所述模组底座(22)与机械臂(3)连接的一侧表面上，且两个所述子口检测模块(21)反向设置；

两个所述外壁检测模块(24)和内壁检测模块(23)均固定在所述模组底座(22)上与固定有子口检测模块(21)相反的一侧表面上，两个所述内壁检测模块(23)设置于两个所述外壁检测模块(24)之间，两个所述内壁检测模块(23)反向设置，两个所述外壁检测模块(24)也反向设置。

2.根据权利要求1所述的轮胎表面缺陷检测系统，其特征在于，所述设备支撑底座(1)包括机械臂固定架(11)和轮胎固定架(12)；

所述机械臂固定架(11)与机械臂(3)底端固定连接；

所述轮胎固定架(12)上设置有主动活动滚轴(12-1)、从动活动滚轴(12-4)和两个轮胎固定挡板(12-3)；

所述主动活动滚轴(12-1)和从动活动滚轴(12-4)相对设置，所述主动活动滚轴(12-1)的中心轴与伺服电机(12-2)连接，所述伺服电机(12-2)与控制器连接，所述待检测轮胎(8)立设于主动活动滚轴(12-1)和从动活动滚轴(12-4)上；

两个所述轮胎固定挡板(12-3)相对设置，且设置于主动活动滚轴(12-1)和从动活动滚轴(12-4)之间，所述两个轮胎固定挡板(12-3)之间的距离等于待测轮胎(8)的宽度。

3.根据权利要求1所述的轮胎表面缺陷检测系统，其特征在于，每个所述子口检测模块(21)均包括第一相机固定架(21-1)、第一转动连接板(21-2)、第一舵机(4)和第一底座(21-3)；

所述第一舵机(4)固定设置在第一底座(21-3)上，所述第一相机固定架(21-1)通过所述第一转动连接板(21-2)与第一舵机(4)的转动轴连接；所述第一底座(21-3)固定设置在模组底座(22)上；

所述第一相机固定架(21-1)中固定设置有相机(7)，所述第一舵机(4)与控制器连接。

4.根据权利要求1所述的轮胎表面缺陷检测系统，其特征在于，每个所述内壁检测模块(23)均包括第一内壁检测单元、第二内壁检测单元、若干个第三内壁检测单元和第四内壁检测单元；

所述第一内壁检测单元的一端与模组底座(22)固定连接，所述第一内壁检测单元的另一端、第二内壁检测单元、若干个第三内壁检测单元和第四内壁检测单元依次活动连接；

所述第一内壁检测单元包括第二底座(23-1)、π型固定件(6)和第一舵机(4)；所述第一舵机(4)通过π型固定件(6)固定在第二底座(23-1)上，所述第一舵机(4)的转动轴与第二内壁检测单元连接；

所述第二内壁检测单元包括第二相机固定架(23-2)、π型固定件(6)和第一舵机(4)；所述第一舵机(4)通过π型固定件(6)固定在第二相机固定架(23-2)上，所述第二相机固定架(23-2)与第一内壁检测单元中的第一舵机(4)活动连接，所述第一舵机(4)的转动轴与第三内壁检测单元连接，所述第二相机固定架(23-2)中固定设置有相机(7)；

每个所述第三内壁检测单元均包括第三相机固定架(23-3)、π型固定件(6)和第一舵机(4)；所述第一舵机(4)通过π型固定件(6)固定在第三相机固定架(23-3)上，所述第三相机固定架(23-3)与第二内壁检测单元中的第一舵机(4)连接，所述第一舵机(4)的转动轴与下一第三内壁检测单元或第四内壁检测单元连接，所述第三相机固定架(23-3)中固定设置有相机(7)；

所述第四内壁检测单元包括第四相机固定架(23-4)，所述第四相机固定架(23-4)与第三内壁检测单元中的第一舵机(4)连接，所述第四相机固定架(23-4)中固定设置有相机(7)；

所述第二内壁检测单元、第三内壁检测单元和第四内壁检测单元中的相机(7)的安装于同一水平线上；

所述第一内壁检测单元中的第一舵机(4)、第二内壁检测单元中的第一舵机(4)和第三内壁检测单元中的第一舵机(4)均与控制器连接。

5.根据权利要求1所述的轮胎表面缺陷检测系统，其特征在于，每个所述外壁检测模块(24)均包括第一外壁检测单元、第二外壁检测单元、若干个第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元；

所述第一外壁检测单元的一端与模组底座(22)固定连接，所述第一外壁检测单元、第二外壁检测单元、第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元依次活动连接；

所述第一外壁检测单元包括第三底座(24-1)、π型固定件(6)和第二舵机(5)，所述第三底座(24-1)固定于模组底座(22)上，所述第二舵机(5)通过π型固定件(6)固定在第三底座(24-1)上，所述第二舵机(5)的转动轴与第二外壁检测单元活动连接；

所述第二外壁检测单元包括第五相机固定架(24-2)、π型固定件(6)和第一舵机(4)，所述第五相机固定架(24-2)与第一外壁检测单元中的第二舵机(5)连接，所述第一舵机(4)通过π型固定件(6)固定在第五相机固定架(24-2)上，所述第五相机固定架(24-2)上固定有相机(7)，所述第一舵机(4)的转动轴与第三外壁检测单元活动连接；

所述第三外壁检测单元包括第六相机固定架(24-3)、π型固定件(6)和第一舵机(4)，所述第六相机固定架(24-3)与第二外壁检测单元中的第一舵机(4)连接，所述第一舵机(4)通过π型固定件(6)固定在第六相机固定架(24-3)上，所述第六相机固定架(24-3)上固定有相机(7)，所述第一舵机(4)的转动轴与下一第三外壁检测单元或第四外壁检测单元连接；

所述第四外壁检测单元包括第七相机固定架(24-4)、π型固定件(6)和第一舵机(4)，所述第七相机固定架(24-4)与第三外壁检测单元中的第一舵机(4)连接，所述第一舵机(4)通过π型固定件(6)固定在第七相机固定架(24-4)上，所述第七相机固定架(24-4)上固定有相机(7)，所述第一舵机(4)的转动轴与第五外壁检测单元连接；

所述第五外壁检测单元包括第八相机固定架(24-5)，所述第八相机固定架(24-5)与第五外壁检测单元中的第一舵机(4)连接，所述第八相机固定架(24-5)上固定有相机(7)；

所述第二外壁检测单元、第三外壁检测单元、第四外壁检测单元和第五外壁检测单元中相机(7)设置位置均处于同一水平线上；

所述第一外壁检测单元中的第二舵机(5)、第二外壁检测单元中的第一舵机(4)、第三外壁检测单元中的第一舵机(4)和第四外壁检测单元中的第一舵机(4)均与控制器连接。

6.一种轮胎表面缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待检测轮胎放置到轮胎信息采集设备上，采集待检测轮胎所有表面的实时图像，并上传至PC机；

S2、在PC机侧，将上传的图像采用多画面的方式显示出来，并对每个画面的图像进行几何校正；

S3、对几何校正后的每个图像依次进行预处理和图像配准；

S4、对配准后的所有图像进行图像融合，得到轮胎表面的全景图像；

S5、根据全景图像对轮胎表面缺陷进行检测，并将在缺陷位置标识出来，实现轮胎表面缺陷检测。

7.根据权利要求6所述的轮胎表面缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11、将待检测轮胎放置到设备支撑底座上的主动活动滚轮和从动活动滚轮之间，并通过轮胎固定挡板将其固定；

S12、通过控制器控制柔性视觉模组的运动，使两个外壁检测模块环绕轮胎外壁，两个内壁检测模块伸入轮胎内部；

S13、通过控制器控制柔性视觉模组运动，使外壁检测模块、内壁检测模块和子口检测模块中的相机采集上半圈的轮胎表面图像；

S14、通过控制器控制伺服电机，使待检测轮胎在主动活动滚轮和从动活动滚轮上转动半圈；

S15、通过控制器控制柔性视觉模组运动，使外壁检测模块、内壁检测模块和子口检测模块中的相机采集未进行图像采集的剩余半圈轮胎表面图像；

S16、将每个相机中采集的轮胎表面实时图像通过千兆以太网上传至PC机；

所述PC机收到的每个相机上传的实时图像均标有其采集的图像位置坐标。

8.根据权利要求6所述的轮胎表面缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S3中的预处理依次包括灰度变换、图像滤波和亮度归一化；

所述步骤S3中的图像配准方法为模版匹配结合关键点的配准方法。

9.根据权利要求6所述的轮胎表面缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据全景图像对轮胎表面缺陷进行检测的方法具体为：

将生成的轮胎表面全景图像与无缺陷的轮胎表面全景图像对比，标注图像中出现不同图像的位置，并通过图像识别算法对标注位置进行分析，确定缺陷种类，实现轮胎表面缺陷检测。

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