CN114199154B - 一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统及测量方法，在胎内衬层区域用白色颜料喷涂出一个由n*n各正方形构成的矩阵，且在每个正方形中喷涂一个正三角形；利用图像采集单元采集轮胎接地全过程中矩阵图案的变化，计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在纵向力作用下被拉伸的长度α₂，根据ΔS、α₁和α₂从而确定接地区域在轮胎滚动过程中的形变。本方法通过三角形的一些特征参数的变化解决了轮胎力耦合问题，可以直接观测到的数据来表示三向应变，减小误差。

Description

一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及轮胎滚动变形检测技术领域，具体是通过图像处理技术观测轮胎在接地程中三向应变问题。

背景技术

随着智能汽车、智能交通和主动安全技术的发展，智能轮胎技术近年来受到极大的关注。智能轮胎通过内置传感器等手段主动获取并传输有关自身及所处环境的信息,并能够对这些信息做出正确判断和决策,然后根据决策结果执行相应的操作,从而提高汽车的安全性、经济性、舒适性和排放性。

其中轮胎滚动变形是轮胎力学特性的重要组成部分。准确地测量和表达滚动轮胎的变形特征对整车稳定性控制、智能驾驶等方面的研究具有重要意义。

目前，对滚动轮胎变形的测量和表达方法主要有：基于胎内传感器、基于模型预测和基于图像处理的三类方法。

基于胎内传感器的方法应用最为普遍，但由于传感器安装工艺、车辆行驶以及车轮滚动等工作环境问题导致该方法存在一些不足之处，如轮胎滚动变形信号易受轴向定位误差串扰；获取的轮胎滚动变形信号存在多向耦合问题；轮胎滚动变形内传感测量装置结构复杂，稳定可靠性较差。

基于模型预测的轮胎滚动变形建模方法也有一些局限性，比如Unitire轮胎模型和“Magic Formula”轮胎模型主要应用于滚动轮胎操作稳定性研究，对于轮胎滚动变形分布特征和变化规律的表达发展尚不完善。由于轮胎橡胶材料力学特性难于准确表达，轮胎与路面之间相互作用关系复杂多变，导致轮胎环模型在表达轮胎滚动变形特征和变化规律上依然存在不足之处滚动变形特征和变化规律上依然存在不足之处。

基于图像识别的观测方法大都是通过在轮胎内表面粘附小方块，用轮辋上的相机观测方块的运动位置变化；或者是在轮胎内表面喷涂散斑图案，通过标定区域前后位置来估算轮胎应变。这类已有的方法都没能很好的解决轮胎力耦合对测得的应变带来的误差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统及测量方法，通过在轮胎内表面喷涂带有正三角形的矩阵，通过观测三角形和矩阵的前后位置变化来得到三向应变。本方法通过三角形的一些特征参数的变化解决了轮胎力耦合问题，可以直接观测到的数据来表示三向应变，减小误差。

本发明所采用的技术方案如下：

一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统，包括矩阵图案、图像采集单元、光源和计算机；

所述矩阵图案是在胎内衬层区域用白色颜料喷涂出一个由n*n各正方形构成的矩阵，并且在每个正方形中喷涂一个正三角形；

所述图像采集单元用于采集轮胎接地全过程中矩阵图案的变化，且所述图像采集单元与外部计算机之间信号连接，将所采集的图像输出至计算机中；

所述光源包括照明光源和激光源；所述照明光源用于为胎内提供照明，所述激光源用于定位以及长度标定；

计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在侧向力作用下被拉伸的长度α₂，根据ΔS、α₁和α₂从而确定接地区域在轮胎滚动过程中的形变。

进一步，将每个三角形的顶点、底边的中点以及中心点都标记为不同形状的图案。

进一步，所述图像采集单元采用超广角相机，所述超广角相机设置在轮辋上，超广角相机的镜头朝向胎内衬层区域的矩阵图案设置。

进一步，所述照明光源和激光源均设置在轮辋上。

一种接地全过程轮胎三向应变的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，对轮胎施加垂向载荷后，采集矩阵图案的图像并进行长度标定；

步骤2，将接地全过程轮胎三向应变的测量系统进行直线和转向行驶，并通过相机记录接地时矩阵图案的变化，并将所采集的矩阵图案发生变化的图像传输给外部计算机；

步骤3，计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在纵向力作用下被拉伸的长度α₂，利用ΔS、α₁和α₂表征接地全过程轮胎三向应变。

进一步，计算出三角形面积变化量ΔS的方法：

采用灰度值处理获得无载荷状态下矩阵图案的图像中提取出三角形的面积为S₀，同样采用灰度值处理获得接地时三角形变化后的三角形面积S，由此得到三角形面积变化量ΔS。

进一步，横向和纵向应变识别过程：

步骤3.1，合，此时为了准确的找到相应点的前后位置变化，需要在矩阵图案的中心方块内打上一个激光点S，通过分别计算激光点S与矩阵图案变形前四个顶点M、N、P、Q之间的距离和激光点S与矩阵图案变形后四个顶点M’、N’、P’、Q’之间的距离，可以得到矩阵图案变形的方向和距离；三角形变化前后中心点之间的距离OO’，再在变形后的三角形位置按照三角形形心到方块边缘的距离为半径搜索对应的四个三角形标记点，分别是左下顶点A’、右下顶点B’、上顶点C’、底边中点D’；

步骤3.2，在无载荷状态下矩阵图案中，获取三角形的顶点为C，左下顶点为A，右下顶点为B，中心点为O和底边中点D；

步骤3.3，利用灰度值法提取出变化后特征点并且与无载荷状态下三角形的特征点进行对比，进而获得三角形底边L_AB的变化量ΔL_AB和三角形的高H_CD的变化量ΔH_CD，分别表示如下：

ΔL_AB＝α₁+β₁+γ₁

ΔH_CD＝α₂+β₂+γ₂

其中，α₁表示三角形底边L_AB在侧向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的侧向应变；α₂表示H_CD在纵向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的纵向应变；

假设轮胎是一个弹性体，由于材料的特性轮胎只受到侧向力作用，轮胎会被侧向拉伸，三角形底边L_AB被拉伸的同时面积S不变，高H_CD会减小，减小量就是γ₁；

轮胎只受纵向力作用时，三角形的高H_CD会被拉伸，面积不变，底边L_AB减小，减小量就是γ₂；

β₁表示L_AB在垂向力作用下的长度变化；β₂表示H_CD在垂向力作用下的长度变化。

进一步，γ₁、γ₂、α₁、α₂满足下述公式：

其中，v为轮胎橡胶材料的泊松比。

本发明的有益效果：

本申请通过在轮胎内表面喷涂带有正三角形的矩阵，通过观测三角形和矩阵的前后位置变化来得到三向应变。该方法通过三角形的一些特征参数的变化，解决了轮胎力耦合问题对测得的应变带来的误差；用可以直接观测到的数据来表示三向应变，可以直接观测到的数据来表示三向应变，减小误差。

附图说明

图1是轮胎内部表面喷涂带有正三角形的矩阵示意图；

图2是单个正三角形和仅受单方向上力用作下的变化示意图；2a是无应变是的三角形，2b是只受到垂向力作用时三角形变化示意图，2c是只受到侧向力作用时三角形变化示意图，2d是只受纵向力作用时三角形变化示意图；

图3是正三角形受三向力作用下的变化示意图；

图4是轮胎内部表面喷涂带有正三角形的矩阵中心激光点；

图5是坐标寻找示意图；

图6是对角线激光点示意图；

图7是三角形四个标记点形状示意图；

图8是三角形尺寸标定示意图；

图9是相机观测示意图；

图10是受垂向力时的变形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2本申请基于三角形形变原理，即空间平面内任意一点在均匀力的作用下的位移可以看成是点在横纵坐标上的分力作用下的位移的矢量合。同理三维空间点的位移也可以看成是力在空间坐标系上的分力作用下的位移矢量合。故本申请利用胎内衬层区域的喷涂正三角形用于测量接地全过程轮胎三向应变。

一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统，包括轮胎、矩阵图案、图像采集单元、光源和计算机；

所述矩阵图案是在胎内衬层区域用白色颜料喷涂出一个由n*n各正方形构成的矩阵，并且在每个正方形中喷涂一个正三角形，且正三角形与该三角形所在正方形的中心点重合。如图1所示，在本实施例中仅以5*5的正方形矩阵为例，选取合适的正方形边长，使得矩阵图案能够恰好覆盖相对胎侧之间的胎内衬层区域。同时为了方便后期的图像处理，将每个三角形的顶点、底边的中点以及中心点都标记为不同形状的图案如图7所示，如三角形、菱形、正方形、圆形或多边形图案。

图像采集单元包括超广角相机，所述超广角相机设置在轮辋上，超广角相机的镜头朝向胎内衬层区域的矩阵图案设置，用于采集轮胎接地全过程中矩阵图案的变化。超广角相机与外部计算机之间信号连接，将所采集的图像输出至计算机中。超广角相机与外部计算机之间可以采用数据线连接也可以通过无线传输方式实现。

光源包括照明光源和激光源，所述照明光源和激光源均设置在轮辋上；所述照明光源用于保持胎内图像清晰。所述激光源用于定位以及长度标定；激光源设置n个且沿矩阵图案的某条对角线设置，在本实施例中共可以设置一个激光源朝向矩阵中心设置，也可以如图6设置5个激光源，沿矩阵左上向右下角的对角线排布。

计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在纵向力作用下被拉伸的长度α₂，根据ΔS、α₁和α₂从而确定接地区域在轮胎滚动过程中的形变。

另外，本测量系统还包括电源等不可缺少的单元，用于给需要用电的单元进行供电。

一种接地全过程轮胎三向应变的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，对轮胎施加垂向载荷后，采集矩阵图案的图像并进行长度标定，长度标定的具体过程如下：

用两个激光照射在任意一个三角形图案边上，两激光点之间的长度保持在三角形边长1/3左右，并用相机拍下图像，再用python进行图像处理，得到两激光点之间像素点的个数，用作之后图像处理的长度标定，如图8。

步骤2，将本申请所设计的接地全过程轮胎三向应变的测量系统进行直线和转向行驶，并通过相机记录接地时矩阵图案的变化过程如图9所示，并将所采集的矩阵图案发生变化的图像传输给外部计算机。

步骤3，计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在纵向力作用下被拉伸的长度α₂。具体过程如下：

(1)计算接地过程中三角形面积变化量ΔS；

由于轮胎内衬和喷涂颜料的颜色对比度明显，通过灰度值法很容易识别三角形的边界；故从无载荷状态下矩阵图案的图像中提取出三角形的面积为S₀，接地时三角形面积发生变化，同样利用灰度值法识别三角形的边界获取变化后的三角形面积S，由此得到三角形面积变化量ΔS，用面积变化来体现纵向应变。

(2)横向和纵向应变识别；

步骤3.1，接地区域矩阵整体变形可以通过计算矩阵方块内每个三角形的位置变化得到。在处理矩阵图案整体变形时，会出现矩阵变形不大，导致前后位置图像有部分重合，此时为了准确的找到相应点的前后位置变化，需要在矩阵图案的中心方块内打上一个激光点S，如图4。

设定无变形状态下，矩阵图案的四个顶点分别是M、N、P、Q，变形后四个顶点分别是M’、N’、P’、Q’；通过分别计算激光点S与矩阵图案变形前四个顶点M、N、P、Q之间的距离和激光点S与矩阵图案变形后四个顶点M’、N’、P’、Q’之间的距离，可以得到矩阵图案变形的方向和距离。再寻找每个三角形变化前后对应的位置时，先按照已知的变形趋势变形，如图5中三角形变化前后中心点之间的距离OO’，再在变形后的三角形位置按照三角形形心到方块边缘的距离为半径搜索对应的四个三角形标记点，分别是左下顶点A’、右下顶点B’、上顶点C’、底边中点D’，如图5。

步骤3.2，在接地时矩阵图案会在三向力(轮胎所收到的垂向力、侧向力和纵向力)的作用下发生如图3所示的变化，从发生变化的矩阵图案图像中提出去三角形的特征点，三角形的特征点包括三角形的三个顶点以及中心点。在无载荷状态下矩阵图案中，三角形的顶点为C，左下顶点为A，右下顶点为B，中心点为O。

步骤3.3，同样利用灰度值法提取出变化后的上述5个特征点，并且与无载荷状态下三角形的特征点进行对比，进而获得三角形底边L_AB的变化量ΔL_AB和三角形的高H_CD的变化量ΔH_CD，分别表示如下：

ΔL_AB＝α₁+β₁+γ₁

ΔH_CD＝α₂+β₂+γ₂

其中，α₁表示三角形底边L_AB在侧向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的侧向应变；α₂表示H_CD在垂向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的纵向应变；

假设轮胎是一个弹性体，由于材料的特性轮胎只受到侧向力作用，轮胎会被侧向拉伸，三角形底边L_AB被拉伸的同时面积S不变，高H_CD会减小，减小量就是γ₁。

轮胎只受纵向力作用时，三角形的高H_CD会被拉伸，面积不变，底边L_AB减小，减小量就是γ₂。

且γ₁、γ₂、α₁、α₂满足下述公式：

β₁表示L_AB在垂向力作用下的长度变化；β₂表示H_CD在垂向力作用下的长度变化。

三角形受空间力作用时，垂向分力不改变形心O点坐标，侧向力，纵向力不改变三角形面积，但会改变O点位置，如图3，故根据O点到O’点的横纵分量可以按比例计算出β₁、β₂。(因为三角形是正三角形，受垂向力时的变形是等比例变形，形心的位置变化是底边变化的2/3，如下图10中实线部分所示)

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统，其特征在于，包括矩阵图案、图像采集单元、光源和计算机；

所述矩阵图案是在胎内衬层区域用白色颜料喷涂出一个由n*n各正方形构成的矩阵，并且在每个正方形中喷涂一个正三角形；

所述图像采集单元用于采集轮胎接地全过程中矩阵图案的变化，且所述图像采集单元与外部计算机之间信号连接，将所采集的图像输出至计算机中；

所述光源包括照明光源和激光源；所述照明光源用于为胎内提供照明，所述激光源用于定位以及长度标定；

计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在纵向力作用下被拉伸的长度α₂，根据ΔS、α₁和α₂从而确定接地区域在轮胎滚动过程中的形变；计算出接地过程中三角形面积变化量ΔS的方法：采用灰度值处理获得无载荷状态下矩阵图案的图像中提取出三角形的面积为S₀，同样采用灰度值处理获得接地时三角形变化后的三角形面积S，由此得到三角形面积变化量ΔS，用面积变化来体现纵向应变；

横向和纵向应变识别过程：

在矩阵图案的中心方块内打上一个激光点S，通过分别计算激光点S与矩阵图案变形前四个顶点M、N、P、Q之间的距离和激光点S与矩阵图案变形后四个顶点M’、N’、P’、Q’之间的距离，得到矩阵图案变形的方向和距离；三角形变化前后中心点之间的距离OO’，再在变形后的三角形位置按照三角形形心到方块边缘的距离为半径搜索对应的四个三角形标记点，分别是左下顶点A’、右下顶点B’、上顶点C’、底边中点D’；

在无载荷状态下矩阵图案中，获取三角形的顶点为C，左下顶点为A，右下顶点为B，中心点为O和底边中点D；

利用灰度值法提取出变化后特征点并且与无载荷状态下三角形的特征点进行对比，进而获得三角形底边L_AB的变化量ΔL_AB和三角形的高H_CD的变化量ΔH_CD，分别表示如下：

ΔL_AB＝α₁+β₁+γ₁

ΔH_CD＝α₂+β₂+γ₂

其中，α₁表示三角形底边L_AB在侧向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的侧向应变；α₂表示H_CD在纵向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的纵向应变；

假设轮胎是一个弹性体，由于材料的特性轮胎只受到侧向力作用，轮胎会被侧向拉伸，三角形底边L_AB被拉伸的同时面积S不变，高H_CD会减小，减小量就是γ₁；

轮胎只受纵向力作用时，三角形的高H_CD会被拉伸，面积不变，底边L_AB减小，减小量就是γ₂；

β₁表示L_AB在垂向力作用下的长度变化；β₂表示H_CD在垂向力作用下的长度变化；三角形受空间力作用时，垂向分力不改变形心O点坐标，侧向力，纵向力不改变三角形面积，但会改变O点位置，故根据形心O点到O’点的横纵分量按比例计算出β₁、β₂。

2.根据权利要求1所述的一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统，其特征在于，将每个三角形的顶点、底边的中点以及中心点都标记为不同形状的图案。

3.根据权利要求1所述的一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统，其特征在于，所述图像采集单元采用超广角相机，所述超广角相机设置在轮辋上，超广角相机的镜头朝向胎内衬层区域的矩阵图案设置。

4.根据权利要求1所述的一种接地全过程轮胎三向应变的测量系统，其特征在于，所述照明光源和激光源均设置在轮辋上。

5.一种基于如权利要求1所述接地全过程轮胎三向应变的测量系统的接地全过程轮胎三向应变的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对轮胎施加垂向载荷后，采集矩阵图案的图像并进行长度标定；

步骤2，将接地全过程轮胎三向应变的测量系统进行直线和转向行驶，并通过相机记录接地时矩阵图案的变化，并将所采集的矩阵图案发生变化的图像传输给外部计算机；

步骤3，计算机内的图像处理软件对所采集的矩阵图案的图像进行处理，计算出三角形在垂向力作用下面积变化量ΔS、三角形底边在侧向力作用下被拉伸的长度α₁、三角形高度在纵向力作用下被拉伸的长度α₂，利用ΔS、α₁和α₂表征接地全过程轮胎三向应变；计算出三角形面积变化量ΔS的方法：

采用灰度值处理获得无载荷状态下矩阵图案的图像中提取出三角形的面积为S₀，同样采用灰度值处理获得接地时三角形变化后的三角形面积S，由此得到三角形面积变化量ΔS；

横向和纵向应变识别过程：

步骤3.1，此时为了准确的找到相应点的前后位置变化，需要在矩阵图案的中心方块内打上一个激光点S，通过分别计算激光点S与矩阵图案变形前四个顶点M、N、P、Q之间的距离和激光点S与矩阵图案变形后四个顶点M’、N’、P’、Q’之间的距离，得到矩阵图案变形的方向和距离；三角形变化前后中心点之间的距离OO’，再在变形后的三角形位置按照三角形形心到方块边缘的距离为半径搜索对应的四个三角形标记点，分别是左下顶点A’、右下顶点B’、上顶点C’、底边中点D’；

步骤3.2，在无载荷状态下矩阵图案中，获取三角形的顶点为C，左下顶点为A，右下顶点为B，中心点为O和底边中点D；

步骤3.3，利用灰度值法提取出变化后特征点并且与无载荷状态下三角形的特征点进行对比，进而获得三角形底边L_AB的变化量ΔL_AB和三角形的高H_CD的变化量ΔH_CD，分别表示如下：

ΔL_AB＝α₁+β₁+γ₁

ΔH_CD＝α₂+β₂+γ₂

其中，α₁表示三角形底边L_AB在侧向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的侧向应变；α₂表示H_CD在纵向力作用下被拉伸的长度，即需要求得的纵向应变；

假设轮胎是一个弹性体，由于材料的特性轮胎只受到侧向力作用，轮胎会被侧向拉伸，三角形底边L_AB被拉伸的同时面积S不变，高H_CD会减小，减小量就是γ₁；

轮胎只受纵向力作用时，三角形的高H_CD会被拉伸，面积不变，底边L_AB减小，减小量就是γ₂；

β₁表示L_AB在垂向力作用下的长度变化；β₂表示H_CD在垂向力作用下的长度变化；三角形受空间力作用时，垂向分力不改变形心O点坐标，侧向力，纵向力不改变三角形面积，但会改变O点位置，故根据形心O点到O’点的横纵分量按比例计算出β₁、β₂；

γ₁、γ₂、α₁、α₂满足下述公式：

其中，-v为轮胎橡胶材料的泊松比。