基于CPCI圖像采集器的制動(dòng)片磨損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹麗娟，王萬(wàn)君

（煙臺(tái)汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 山東 煙臺(tái) 265500）

在行車(chē)過(guò)程中，剎車(chē)是行車(chē)安全的重要保證。制動(dòng)片表面磨耗達(dá)到一定程度，就要更換，以保證行車(chē)安全，由于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷不同、轉(zhuǎn)速不同，所以各個(gè)制動(dòng)片磨耗不同，工作人員要根據(jù)制動(dòng)片的磨損程度及時(shí)更換制動(dòng)片片。但由于工作人員經(jīng)驗(yàn)不足和判斷不準(zhǔn)確，不能充分掌握制動(dòng)片磨損的程度，造成在工作過(guò)程中剎車(chē)失靈的現(xiàn)象，帶來(lái)了巨大的安全隱患。文中設(shè)計(jì)的基于CPCI圖像采集器的制動(dòng)片表面磨損檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)制動(dòng)片表面磨損程度，有效地保障安全，提高工作效率和效益。包括圖像采集、圖像處理等。該系統(tǒng)的激光器將光源投射到運(yùn)動(dòng)的車(chē)輪的制動(dòng)片上，當(dāng)車(chē)輪通過(guò)測(cè)量區(qū)域的測(cè)量位置時(shí)，制動(dòng)片被激光照射，形成制動(dòng)片厚度的截面激光線[4]，CCD高速攝像頭在磨損檢測(cè)傳感器的作用下動(dòng)態(tài)抓拍制動(dòng)片激光輪廓線圖像，通過(guò)CPCI圖像采集器進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行預(yù)處理，然后將測(cè)量結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理識(shí)別[5]、判斷后顯示并將信號(hào)傳給語(yǔ)音報(bào)警器，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)片的磨損度測(cè)量，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)主要功能

1）能對(duì)車(chē)輛制動(dòng)片進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)[1]，能提供制動(dòng)片的磨損度的準(zhǔn)確測(cè)量值。

2）具有對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、查詢(xún)功能。

3）對(duì)超過(guò)磨損限度的制動(dòng)片能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障定位[2]，同時(shí)提供報(bào)警信號(hào)[3]，同時(shí)顯示詳細(xì)的報(bào)警信息。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of the system

2 系統(tǒng)技術(shù)方案和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

基于CPCI圖像采集器的制動(dòng)片表面磨損檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩部分組成：第一是硬件部分，包括激光器、制動(dòng)片、CCD攝像頭、CPCI圖像采集器、計(jì)算機(jī)等，第二部分是軟件部分，

系統(tǒng)主要部件性能如下：

1）激光器

① 激光波長(zhǎng)：650 nm±10 nm；

②激光二極管正常工作壽命：10 000小時(shí)；

③ 激光線軸箱偏差<5°；

2）CCD 攝像機(jī)

為保證測(cè)量精度，防止抓拍出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，對(duì)攝像機(jī)的CCD技術(shù)性能要求較高，選擇的是針孔面陣CCD。

主要技術(shù)指標(biāo)：

①60 Hz逐行掃描，支持異步外觸發(fā)；

②快門(mén)觸發(fā)控制從1/125秒到l／32 000秒可選，15 mm焦距，l/1 000畸變率；

③分辨率：1024×768；

3）圖像采集卡

選用CPCI型圖像采集卡。兩塊圖像采集卡，來(lái)完成信號(hào)的采集工作。主要技術(shù)指標(biāo)：

①CPCI總線接口，軟件基于WINDOWS平臺(tái)，功能強(qiáng)大，界面友好；

②每路圖像采集卡有兩路獨(dú)立的A/D通道，支持異步外觸發(fā)，可以在外觸發(fā)信號(hào)的控制下同步完成兩路圖像的采集工作[6]；

③A/D采集的分辨率是11 bit。

2.2 工作原理

該制動(dòng)片表面磨損度檢測(cè)系統(tǒng)采用基于CPCI總線的圖像采集器，利用圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像的邊緣檢測(cè)技術(shù)、圖像二值化技術(shù)、圖像分割腐蝕、細(xì)化算法、平滑算法等技術(shù)。將處理后的圖像由PCI總線接口橋接芯片PCI6140送至CPCI總線，再傳送至計(jì)算機(jī)，最終將整個(gè)圖像在后臺(tái)計(jì)算機(jī)上顯示，并進(jìn)行誤差分析，如果制動(dòng)片磨耗度大于標(biāo)準(zhǔn)最低磨耗度，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，及時(shí)提醒工作人員更換制動(dòng)片。這是一種先進(jìn)的智能檢測(cè)技術(shù)，實(shí)用性強(qiáng)，能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)制動(dòng)片表面磨損度，保障了工作的安全，提高了工作效益。

其中，圖像采集器中圖像預(yù)處理具體步驟如下：

步驟1，利用Canny邊緣檢測(cè)算法檢測(cè)獲取已磨損摩擦片原始圖像（如圖2）的邊緣，從而提取連續(xù)而完整的邊緣圖像（如圖 3）。

圖2 磨損摩擦片原始圖像Fig.2 The abrasion of the friction piece of original image

圖3 Canny邊緣檢測(cè)Fig.3 Canny edge detection

步驟2，利用形態(tài)學(xué)的二值化、膨脹算法消除雙邊緣之間的間隙（如圖4）。

步驟3，再用腐蝕、細(xì)化算法平滑算法，細(xì)化粗邊緣，使得邊緣在寬度上更接近原始目標(biāo)，得到第一個(gè)處理結(jié)果圖5。

圖4 二值化、膨脹算法處理后圖像Fig.4 The two values，the expansion algorithm processing image

圖5 腐蝕、細(xì)化算法平滑算法處理后圖像Fig.5 Corrosion，thinning algorithm image smoothing algorithm

步驟4，對(duì)獲取的原始圖像進(jìn)行傅里葉變換處理，再用最優(yōu)閾值分割得到第二個(gè)處理結(jié)果圖像如圖6。

圖6 傅里葉變換圖像Fig.6 Fourier transform of image

步驟5，然后對(duì)兩幅圖像點(diǎn)乘運(yùn)算，最后使用模板去噪方法，得到處理的圖像如圖7。

圖7 點(diǎn)乘運(yùn)算、模板去噪圖像Fig.7 Scalarmultiplication，the template denoising of image

圖像采集器中圖像處理技術(shù)流程圖如下：

通過(guò)對(duì)一個(gè)圖像進(jìn)行測(cè)試，最終測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的制動(dòng)片圖像比較，如不在正常范圍1.5～2.5 mm內(nèi)，需要及時(shí)更換該制動(dòng)片。該方法能夠正確識(shí)別并計(jì)算剎車(chē)片厚度，結(jié)果較手工測(cè)量快速且有更高的精度，正確識(shí)別率大于95%，對(duì)高速運(yùn)行的剎車(chē)片的圖像也顯示出較強(qiáng)適應(yīng)性。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用前景

圖8 圖像處理技術(shù)檢測(cè)流程圖Fig.8 Flow chart of detection technology of image processing

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人民生活水平不斷提高，汽車(chē)的普及化已成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其安全問(wèn)題更加引起人們的重視。汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有安全性高、控制準(zhǔn)確、舒適度高、可靠性高、維修方便、系統(tǒng)輕量化的特點(diǎn)。剎車(chē)片是制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)制動(dòng)性能起著舉足輕重的作用。剎車(chē)片是通過(guò)與車(chē)輪的摩擦實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，其材料應(yīng)具有耐熱性強(qiáng)、磨損量小、摩擦系數(shù)高、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。在汽車(chē)運(yùn)行中剎車(chē)片的磨損較嚴(yán)重，汽車(chē)長(zhǎng)期處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，基于CPCI圖像采集器的制動(dòng)片表面磨損檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)的故障隱患，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)檢測(cè)制動(dòng)片表面磨損程度并及時(shí)發(fā)出更換制動(dòng)片報(bào)警信號(hào)，測(cè)量精度和靈敏度較高。由于制動(dòng)片的材料、表面粗糙度、硬度、摩擦力等因素的存在，并且在測(cè)量過(guò)程中存在信號(hào)干擾和隨機(jī)誤差，可在算法和測(cè)量部分做進(jìn)一步改進(jìn)。

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