基于CPCI圖像采集器的制動片磨損檢測系統設計

摘要：設計了一種制動片表面磨損檢測系統，采用基于CPCI總線的圖像采集器，利用圖像處理技術，在車輛運行過程中完成制動片磨損的實時自動檢測，能提供準確的制動片表面磨損度的測量值，當制動片被磨損到厚度為1.5～2.5 mm之間時，系統產生報警信號，提醒工作人員及時更換制動片，有效地保障安全。

在行車過程中，剎車是行車安全的重要保證。制動片表面磨耗達到一定程度，就要更換，以保證行車安全，由于電動機負荷不同、轉速不同，所以各個制動片磨耗不同，工作人員要根據制動片的磨損程度及時更換制動片片。但由于工作人員經驗不足和判斷不準確，不能充分掌握制動片磨損的程度，造成在工作過程中剎車失靈的現象，帶來了巨大的安全隱患。文中設計的基于CPCI圖像采集器的制動片表面磨損檢測系統能實時自動檢測制動片表面磨損程度，有效地保障安全，提高工作效率和效益。

1 系統主要功能

1)能對車輛制動片進行實時自動檢測，能提供制動片的磨損度的準確測量值。

2)具有對測量數據進行分析、存儲、查詢功能。

3)對超過磨損限度的制動片能準確實現故障定位，同時提供報警信號，同時顯示詳細的報警信息。

2 系統技術方案和工作原理

2.1 系統組成

基于CPCI圖像采集器的制動片表面磨損檢測系統主要由兩部分組成：第一是硬件部分，包括激光器、制動片、CCD攝像頭、CPCI圖像采集器、計算機等，第二部分是軟件部分，包括圖像采集、圖像處理等。該系統的激光器將光源投射到運動的車輪的制動片上，當車輪通過測量區域的測量位置時，制動片被激光照射，形成制動片厚度的截面激光線，CCD高速攝像頭在磨損檢測傳感器的作用下動態抓拍制動片激光輪廓線圖像，通過CPCI圖像采集器進行圖像采集并進行預處理，然后將測量結果傳輸給計算機，計算機進行數據處理識別、判斷后顯示并將信號傳給語音報警器，最終來實現制動片的磨損度測量，其系統框圖如圖1所示。

系統主要部件性能如下：

1)激光器

①激光波長：650 nm±10 nm;

②激光二極管正常工作壽命：10 000小時;

③激光線軸箱偏差5°;

2)CCD攝像機

為保證測量精度，防止抓拍出現拖尾現象，對攝像機的CCD技術性能要求較高，選擇的是針孔面陣CCD。

主要技術指標：

①60 Hz逐行掃描，支持異步外觸發;

②快門觸發控制從1/125秒到1/32 000秒可選，15 mm焦距，1/1 000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，來完成信號的采集工作。主要技術指標：

①CPCI總線接口，軟件基于WINDOWS平臺，功能強大，界面友好;

②每路圖像采集卡有兩路獨立的A/D通道，支持異步外觸發，可以在外觸發信號的控制下同步完成兩路圖像的采集工作;

③A/D采集的分辨率是11 bit。

2.2 工作原理

該制動片表面磨損度檢測系統采用基于CPCI總線的圖像采集器，利用圖像處理技術對采集到的圖像進行預處理，包括圖像的邊緣檢測技術、圖像二值化技術、圖像分割腐蝕、細化算法、平滑算法等技術。將處理后的圖像由PCI總線接口橋接芯片PCI6140送至CPCI總線，再傳送至計算機，最終將整個圖像在后臺計算機上顯示，并進行誤差分析，如果制動片磨耗度大于標準最低磨耗度，進行實時報警，及時提醒工作人員更換制動片。這是一種先進的智能檢測技術，實用性強，能夠更準確地檢測制動片表面磨損度，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處理具體步驟如下：

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

步驟2，利用形態學的二值化、膨脹算法消除雙邊緣之間的間隙(如圖4)。

步驟3，再用腐蝕、細化算法平滑算法，細化粗邊緣，使得邊緣在寬度上更接近原始目標，得到第一個處理結果圖5。

步驟4，對獲取的原始圖像進行傅里葉變換處理，再用最優閾值分割得到第二個處理結果圖像如圖6。

步驟5，然后對兩幅圖像點乘運算，最后使用模板去噪方法，得到處理的圖像如圖7。

圖像采集器中圖像處理技術流程圖如下：

通過對一個圖像進行測試，最終測量結果與標準的制動片圖像比較，如不在正常范圍1.5～2.5 mm內，需要及時更換該制動片。該方法能夠正確識別并計算剎車片厚度，結果較手工測量快速且有更高的精度，正確識別率大于95%，對高速運行的剎車片的圖像也顯示出較強適應性。

3 系統的應用前景

隨著國民經濟的快速發展及人民生活水平不斷提高，汽車的普及化已成為未來發展的必然趨勢，其安全問題更加引起人們的重視。汽車的制動系統應具有安全性高、控制準確、舒適度高、可靠性高、維修方便、系統輕量化的特點。剎車片是制動系統的重要組成部分，對制動性能起著舉足輕重的作用。剎車片是通過與車輪的摩擦實現制動，其材料應具有耐熱性強、磨損量小、摩擦系數高、機械強度高等特點。在汽車運行中剎車片的磨損較嚴重，汽車長期處于動態運行狀態，基于CPCI圖像采集器的制動片表面磨損檢測系統能夠實時自動檢測制動系統的故障隱患，具有非常重要的應用價值。

4 結束語

大量的實驗數據表明，本系統能夠實時自動檢測制動片表面磨損程度并及時發出更換制動片報警信號，測量精度和靈敏度較高。由于制動片的材料、表面粗糙度、硬度、摩擦力等因素的存在，并且在測量過程巾存在信號干擾和隨機誤差，可在算法和測量部分做進一步改進。