CN113643301A - 一种获取轮胎接地区压力分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种获取轮胎接地区压力分布的方法，包括如下步骤：在密闭加压状态下，获得校准材料的压力与灰度值的关系曲线；利用轮胎定位装置将轮胎安装和定位在升降加载机构上；所述轮胎与透明板之间设有校准材料，所述轮胎与校准材料接触形成轮胎接地区；通过升降加载机构给轮胎加载压力得到轮胎接地区的图像，通过对轮胎接地区的图像处理，获取轮胎接地区域灰度图；通过获取的压力与灰度值曲线，将轮胎接地区域灰度图转变为轮胎接地压力图，从而获得轮胎接地区压力分布。本发明可以解决传感器测量中分辨率不足的问题，能提高测量结果的分辨率。

Description

一种获取轮胎接地区压力分布的方法

技术领域

本发明涉及轮胎测试技术领域，涉及一种获取轮胎接地区压力分布的方法。

背景技术

轮胎是汽车与路面接触的唯一部件，影响车辆行为的力主要来自于轮胎与路面的接触区域，此接触力为车辆驱动、制动以及转向提供动力来源。轮胎接地压力与轮胎的接地性能密切相关，其受轮胎材料、花纹形状、路面粗糙度等多种因素的影响，始终处于不均匀分布状态，其非均匀性是路面早期破坏的重要影响因素之一。因此精确测量轮胎接地压力对轮胎开发、车辆性能及路面破坏的研究具有重要意义。

目前测量轮胎接地压力的方法主要有理论解析法、有限元法以及试验方法三种。理论解析法利用理论模型对轮胎进行建模分析，主要是对轮胎在不同工况下的接地压力分布趋势进行分析，很难获取具体的接地特征参数。随着有限元技术的成熟，利用有限元法虽然可取得一定的预测结果，但是需要通过实验对其进行验证。实验法通常通过传感器测量轮胎的接地压力，如现有技术通过设置多个压电传感器，利用压电效应实现轮胎接地应力的测量，其方法需大量传感器，增加使用成本，而且传感器本身的大小以及各个传感器之间的间隔限制了其分辨率，对沟槽以及边缘的识别并不精确，测量成本较高。现有技术基于磁纳米热图像实现轮胎与路面间的接触压力测量。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种获取轮胎接地区压力分布的方法，不仅能降低测量成本，而且可以解决传感器测量中分辨率不足的问题，能提高测量结果的分辨率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种获取轮胎接地区压力分布的方法，包括如下步骤：

在密闭加压状态下，获得校准材料的压力与灰度值的关系曲线；

利用轮胎定位装置将轮胎安装和定位在升降加载机构上；所述轮胎与透明板之间设有校准材料，所述轮胎与校准材料接触形成轮胎接地区；通过升降加载机构给轮胎加载压力得到轮胎接地区的图像，通过对轮胎接地区的图像处理，获取轮胎接地区域灰度图；

通过获取的压力与灰度值曲线，将轮胎接地区域灰度图转变为轮胎接地压力图，从而获得轮胎接地区压力分布。

进一步，所述获得校准材料的压力与灰度值的关系曲线，具体包括如下步骤：

将校准材料放置在透明板上，校准材料与透明板接触形成校准接地区；透明板与密封罩内部形成密闭空腔，校准材料位于密闭空腔内；

用单色光源照射校准接地区；

对密闭空腔内施加气压，通过传感器获取压力大小；通过透明板底部的相机获取密闭空腔不同压力下校准接地区的图像；

利用图像处理技术，获得校准材料的压力与灰度值的关系曲线。

进一步，所述图像处理技术具体包括如下步骤：

对校准接地区的图像使用最大化灰度值法，获得灰度化后的图像；

通过中值滤波法去除灰度化后图像上产生的噪声点和细小轮廓，利用Ostu算法去除图像背景，并对图像进行分割；；

获取处理后的校准接地区图像的灰度值和像素点的总数，计算平均灰度值；

通过最小二乘法对压力与灰度进行拟合，获得压力与灰度值的关系曲线。

进一步，通过升降加载机构给轮胎加载压力得到轮胎接地区的图像，具体包括如下步骤：

将轮胎充气至额定气压；在透明板底部布置相机和单色光源；

将轮胎安装和定位在升降加载机构上，通过加载装置对试验轮胎进行加载，加载稳定后通过相机获取加载后轮胎接地区的图像；通过调节相机参数，将拍摄的图像的灰度值控制在0-255以内。

进一步，通过对轮胎接地区的图像处理，获取轮胎接地区域灰度图，具体包括如下步骤：

对轮胎接地区的图像采用最大值灰度化法进行灰度化处理，取与单色光源相同颜色通道图像作为灰度化后的图像；

利用中值滤波法对灰度化后的轮胎接地区图像进行去噪处理；

基于Sauvola算法，通过像素点阈值公式对去噪处理后的图像进行分割，提取接触区域，

像素点阈值计算公式为：

T(x,y)是像素点(x.y)的阈值；m(x,y)是以像素点(x,y)为中心的领域内的灰度值均值；s(x,y)表示领域的标准偏差；R是标准偏差的最大值；参数k是一个正的调整系数。

进一步，所述单色光源为绿色的LED光源；所述校准材料为绿色PVC软胶。

本发明的有益效果在于：

本发明所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，能够精确的分割轮胎的接地区域。根据获得的接地压力分布图像，可以获取轮胎接地区的几何参数(如接地长度L、接地宽度W、接地面积C-A、印痕面积F-A)以及压力分布参数(平均接地压力)等轮胎接地性态信息，通过获取的接地性态参数来评价不同轮胎的使用性能。同时本方法可用于获取具有相同尺寸的胎面设计有不同复杂花纹的轮胎在相同工况下的接地区压力分布，进而总结出胎面花纹设计对接地区压力分布的影响规律，指导高性能轮胎的花纹设计。本发明可以实现轮胎接地压力的准确测量。

附图说明

图1为本发明所述的获取轮胎接地区压力分布的方法流程图。

图2为本发明所述的校准机构示意图。

图3为本发明所述的接地区压力分布测量示意图。

图4为本发明所述的校准区域灰度化示意图

图5为本发明实施例中获取的压力与灰度值拟合的曲线。

图6为本发明实施例中获取的接地区图像。

图7为本发明实施例中获取的接地区图像经灰度化处理后的图像。

图8为本发明实施例中经去噪、图像分割后获取的接地区轮胎分布图。

图9为本发明实施例中根据压力与灰度值曲线获取的接地压力图。

图10为本发明实施例中提取的轮胎接地性态参数。

图中

1-校准装置；2-密封圈；3-校准材料；4-玻璃；5-轮胎；6-绿色的LED光源；7-相机；8-遮光罩。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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装置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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，包括以下步骤：

S1：如图2所示，所述校准机构1为中空的密封罩结构，密封罩压在校准材料3上，中空的密封罩上有进气口，用于充气加压。利用校准机构1在密闭加压状态下，获得校准材料3的压力与灰度值的关系曲线，具体如下：

S1.1：清洁玻璃4。在进行接地压力测量试验时，玻璃4上的污垢将对试验结果造成影响。通过乙醇对玻璃4进行清洁，防止污渍对图像质量造成影响。

S1.2：将校准材料3放置在玻璃4上，校准材料3与玻璃4接触形成校准接地区；玻璃4与密封罩内部形成密闭空腔，校准材料3位于密闭空腔内；密封罩上设有密封圈2，用于防止漏气。校准材料3表面光滑均匀，厚度为0.3mm，校准材料3的颜色选择为绿色，而且绿色的PVC软胶材料不仅线性度较好，而且受压后材料的恢复性较好。

S1.3：用绿色的LED光源6照射校准接地区；

S1.4：对密闭空腔内施加气压，通过传感器获取压力大小；相机7位于玻璃4正下方，相机7离玻璃4高度为850mm。通过玻璃4底部的相机7获取密闭空腔不同压力下校准接地区的图像；一般为控制相机7根据一定的压力获取校准图像。实例中压力分别是20psi、40psi、60psi、80psi、100psi。

S1.5：将拍摄的校准图像进行灰度化处理。使用最大化灰度值法，获得灰度化后的图像，如图4。将相机拍摄的加载后的图片，基于最大值灰度化法进行灰度化处理，即为将获取的RGB格式的图像分解为红色、绿色和蓝色三个颜色通道图像，取绿色通道的图像作为灰度化后的图像。最大值灰度化法即是将R、G、B三分量亮度的最大值作为灰度图像的灰度值，由于本发明采用的是绿色光源，所以将绿色通道的图像作为灰度化后的图像，有助于过滤外界光的干扰，提高测量精度。

S1.6：通过中值滤波法去除获取的图片上产生的一部分噪声点和细小轮廓，利用Ostu算法去除图像背景，并对图像进行分割，以获得校准区域图像，如图5。

S1.7：获取校准区域后，统计校准区域的灰度值以及像素点的总数，计算平均灰度值。

S1.8：通过最小二乘法对压力与灰度进行拟合，获得压力与灰度值的关系曲线如图6，其表示灰度值y与接地压力值x之间的关系为y＝136.73x+35.868,根据该公式则可将S2.7获取的接地灰度图转变成接地压力分布图。

S2：利用轮胎定位装置将轮胎5安装和定位在升降加载机构上；所述轮胎5与玻璃4之间设有校准材料3，所述轮胎5与校准材料3接触形成轮胎接地区；通过升降加载机构给轮胎5加载压力得到轮胎接地区的图像，通过对轮胎接地区的图像处理，获取轮胎接地区域灰度图；

S2.1：清洁玻璃4。在进行接地压力测量试验时，玻璃4上的污垢将对试验结果造成影响。通过乙醇对玻璃4进行清洁，防止污渍对图像质量造成影响。

S2.2：将轮胎5充气至额定气压250kPa，清洁轮胎表面。

S2.3：布置相机7和绿色的LED光源6，相机7的布置如图3所示：相机7为Photron公司的型号为FASTCAM SA3的高速相机。相机7位于玻璃4正下方，相机7离玻璃4高度为850mm。光源6布置如图3所示：两侧安装有光源6时，中间区域光强较为均匀，波动较小，光源采用的是高均匀条形绿色LED光源6，主要是因为使用的相机7在绿光波长处的灵敏度最高，因此使用绿色光源6。打开光源6。采用棋盘格尺寸为10mm,其内角点数量为11*8的棋盘标定板对相机7进行相机的参数校正。

S2.4：如图3所示，将轮胎5安装和定位在升降加载机构上，通过加载装置对试验轮胎5进行加载，施加载荷为500kg，加载稳定后通过玻璃4下方的相机7获取加载后接地区胎面图像，如图7；通过调节焦距拍摄清晰的图像，并适当调整光圈孔径提高校准曲线的灵敏度，将拍摄的图像的灰度值控制在0-255以内。

S2.5：将相机7拍摄的加载后的图片，基于最大值灰度化法进行灰度化处理，即为将获取的RGB格式的图像分解为红色、绿色和蓝色三个颜色通道图像，取绿色通道的图像作为灰度化后的图像。最大值灰度化法即是将R、G、B三分量亮度的最大值作为灰度图像的灰度值，由于本发明采用的是绿色光源，所以将绿色通道的图像作为灰度化后的图像，有助于过滤外界光的干扰，提高测量精度。

S2.6：利用中值滤波法对接地图像进行去噪处理，提高图像中灰度值的准确性。中值滤波法即是逐步遍历图像所有的像素点，将每个像素点的灰度值替换为当前像素点及其周围像素点的中值，不仅可以很好的过滤噪声，还能有效的保留图像的边缘。

S2.7：基于Sauvola算法，对预处理后的图像进行分割，提取接触区域，如图8。即为通过公式计算像素点的阈值，实现图像的动态阈值分割。像素点阈值计算公式如下：

T(x,y)是像素点(x.y)的阈值；m(x,y)是以像素点(x,y)为中心的邻域内的灰度值均值；s(x,y)表示邻域的标准偏差；R是标准偏差的最大值，通常取128；参数k是一个正的调整系数，通常取值为0-1，其取值对算法的影响不显著。

S2.8：根据S2.7获得分割后的接地区域灰度图，基于S1.8获取的压力与灰度的关系曲线，即可将获得轮胎接地区域的灰度图转换为轮胎的接地压力如图9所示。

如图10所示，根据获得的接地压力分布图像，可以获取轮胎接地区的几何参数(接地长度L、接地宽度W、接地面积C-A、印痕面积F-A)以及压力分布参数(平均接地压力)等轮胎接地性态信息，并将其结果与Tekscan压力毯获得结果对比如表1，显示特征最大相对误差小于3％，以此证明本方法的有效性。

表1

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种获取轮胎接地区压力分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在密闭加压状态下，获得校准材料(3)的压力与灰度值的关系曲线；

利用轮胎定位装置将轮胎安装和定位在升降加载机构上；所述轮胎与透明板之间设有校准材料(3)，所述轮胎与校准材料(3)接触形成轮胎接地区；通过升降加载机构给轮胎加载压力得到轮胎接地区的图像，通过对轮胎接地区的图像处理，获取轮胎接地区域灰度图；

通过获取的压力与灰度值曲线，将轮胎接地区域灰度图转变为轮胎接地压力图，从而获得轮胎接地区压力分布。

2.根据权利要求1所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，其特征在于，所述获得校准材料(3)的压力与灰度值的关系曲线，具体包括如下步骤：

将校准材料(3)放置在透明板上，校准材料(3)与透明板接触形成校准接地区；透明板与密封罩内部形成密闭空腔，校准材料(3)位于密闭空腔内；

用单色光源照射校准接地区；

对密闭空腔内施加气压，通过传感器获取压力大小；通过透明板底部的相机获取密闭空腔不同压力下校准接地区的图像；

利用图像处理技术，获得校准材料(3)的压力与灰度值的关系曲线。

3.根据权利要求2所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，其特征在于，所述图像处理技术具体包括如下步骤：

对校准接地区的图像使用最大化灰度值法，获得灰度化后的图像；

通过中值滤波法去除灰度化后图像上产生的噪声点和细小轮廓，利用Ostu算法去除图像背景，并对图像进行分割；

获取处理后的校准接地区图像的灰度值和像素点的总数，计算平均灰度值；

通过最小二乘法对压力与灰度进行拟合，获得压力与灰度值的关系曲线。

4.根据权利要求1所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，其特征在于，通过升降加载机构给轮胎加载压力得到轮胎接地区的图像，具体包括如下步骤：

将轮胎充气至额定气压；在透明板底部布置相机和单色光源；

将轮胎安装和定位在升降加载机构上，通过加载装置对试验轮胎进行加载，加载稳定后通过相机获取加载后轮胎接地区的图像；通过调节相机参数，将拍摄的图像的灰度值控制在0-255以内。

5.根据权利要求4所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，其特征在于，通过对轮胎接地区的图像处理，获取轮胎接地区域灰度图，具体包括如下步骤：

对轮胎接地区的图像采用最大值灰度化法进行灰度化处理，取与单色光源相同颜色通道图像作为灰度化后的图像；

利用中值滤波法对灰度化后的轮胎接地区图像进行去噪处理；

基于Sauvola算法，通过像素点阈值公式对去噪处理后的图像进行分割，提取接触区域，

像素点阈值计算公式为：

T(x,y)是像素点(x.y)的阈值；m(x,y)是以像素点(x,y)为中心的领域内的灰度值均值；s(x,y)表示领域的标准偏差；R是标准偏差的最大值；参数k是一个正的调整系数。

6.根据权利要求2或4所述的获取轮胎接地区压力分布的方法，其特征在于，所述单色光源为绿色的LED光源；所述校准材料(3)为绿色PVC软胶。

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