デジタル画像相関法を使用したタイヤの非接触ひずみ・​変形​同時​計測​システム

平岡 直樹 氏, 東京​工業​大学 工学部 機械​宇宙​学科 轟​研究室

"LabVIEW という​直観​的​で​分​か​り​やすい​グラフィカル​言語​で​プログラム​を​作成​する​こと​で、​自分​の​よう​な​初心者​でも​すぐ​に​実用​的​な​ソフトウェア​が​開発​可能​で​あっ​た。​事実、​サブ​ピクセル​精度​の DICM を​用​い​た​ひ​ずみ​計測​という、​通常​ならば​2​年​程度​を​かけ​て​組み立てる​計測​システム​を、​学部​生​の​自分​が​わずか​4​ヶ月​で​作成​する​こと​が​でき​た。 "

- 平岡 直樹 氏, 東京​工業​大学 工学部 機械​宇宙​学科 轟​研究室

課題:

リアルタイム​に​タイヤ​の​変形・​ひ​ずみ​を​計測​する​ため​に​は​高速、​かつ​正確​な​サブ​ピクセル​精度​の​パターンマッチング​が​要求​さ​れる。​しかし、​三次元​的​な​変形​を​伴う​対象​に対する​高​精度​の​パターンマッチング​は​非常​に​計算​が​複雑​で​あり、​高度​な​専門​知識​を​必要​と​する。 ​

ソリューション:

NI Vision 開発​モジュール​を​用​いたこ​と​で​サブ​ピクセル​精度​の​パターンマッチング​を​行う​プログラム​を​極めて​短時間​で​開発​する​こと​が​でき​た。​画像​分析​により​得​ら​れ​た​各​データ​を​数値​的​に​処理​する​こと​で、​面​外​変形​を​考慮​した​ひ​ずみ​計測​システム​を​構築​する​こと​が​でき​た。​また、​各​画像​処理​の​有無​や​パラメータ​を​フロント​パネル​から​容易​に​変更​できる​ため、​撮影​対象​や​撮影​条件​が​変​わ​って​も​すぐ​に​対応​可能​という、​きわめて​柔軟​な​システム​の​運用​が​可能​となり、​システムの応用範囲が予想以上に広がった。 ​

背景:

世界​全体​の​自動車​の​90%​が ABS を​標準​装備​し​て​おり ABS の​供給​は​十分​に​高い​が、​それでも​なお、​多く​の​人身​事故​が​雨​や​雪​による​路面​の​摩擦​係数​低下​により​引き​起​こ​さ​れ​て​いる。​現在、​走行​中​の​路面​状態​を​運転​者​が​直接​認識​する​手段​が​ない​ため、​高い​運転​技術​を​持​っ​た​運転​者​に​とっても​路面​状態​に​合わせ​た​運転​を​行う​こと​は​非常​に​困難​で​あり、​路面​状態​認知​支援​システム​の​開発​が​急務​と​な​って​いる。



​これ​に対して、​すでに米国ではタイヤ空気圧監視装置の装着義務化が開始され、​車両​制動​制御​の​向上​を​目的​として、​タイヤ​変形​計測​センサ​を​備え​た​インテリジェント​タイヤ​の​開発​が​始​ま​ろう​として​いる。​しかし​提案​さ​れ​て​いる​センサ​は、​タイヤ​に​センサ​を​直接​接着​する​方法​で​あり、​長期間​の​使用​により​柔軟​材料​で​ある​ゴム​から​はく離​する​問題​が​あり​難航​し​て​いる。​そこで、​本​研究​では​ホイール​リム​に​イメージセンサ​と​複数​の​レーザ​ダイオード​を​装着​し、​画像​処理​診断​から​非​接触​で​タイヤ​の​3​次元​変形​を​計測​する​革新​的​な​システム​を​構築​する。​タイヤ​の​3​次元​変形​モニタリング​により、​路面​と​タイヤ​と​の​摩擦​係数​μ​を​リアルタイム​で​計測​する​こと​が​可能​に​なり、​スリップ​比​と​摩擦​係数​の​応答​を​見る​こと​で、​路面​状態​を​自動車​運転手​が​認知​する​路面​状態​認知​支援​システム​が​実現​さ​れる。​この​路面​状態​認知​支援​システム​により、​悪​路面​環境​を​走行​中​に​運転​者​に​警告​する​こと​で、​運転​者​は​路面​状態​を​リアルタイム​で​認知​する​こと​が​可能​に​なり、​悪​路面​で​の​スリップ​による​車両・​人身​事故​は​大幅​に​減少​すると​期待​さ​れる。

 


​課題:


​本​システム​の​目的​は、​イメージセンサ​から​取り​込​ん​だ​画像​を​元​に、​タイヤ​の​変形​形状​および​タイヤ​内面​の​二次元​的​な​ひ​ずみ​を​リアルタイム​に​計測​する​こと​で​ある。​画像​分析​による​ひ​ずみ​計測​法​の​一つ​に、​画像​の​特徴​ピクセル​移動​量​から​ひ​ずみ​量​を​計算​する​デジタル​画像​相関​法​(DICM:Digital Image Correlation Method)​が​存在​する。​しかし、​タイヤ​の​よう​な​撮影​対象​に​大きな​形状​変形​が​伴う​場合​は、​この​方法​で​直接​ひ​ずみ​量​を​求める​こと​は​ほぼ​不可能​で​ある。​よって、​ひ​ずみ​計測​を​行う​前​に​タイヤ​の​形状​変形​を​撮影​画像​より​計算​し、​その​結果​を​用​い​て​デジタル​画像​相関​法​の​結果​を​修正​する​必要​が​ある。



​リアルタイム​に​タイヤ​の​変形・​ひ​ずみ​を​計測​する​ため​に​は​高速、​かつ​正確​な​サブ​ピクセル​精度​の​パターンマッチング​が​要求​さ​れる。​しかし、​三次元​的​な​変形​を​伴う​対象​に対する​高​精度​の​パターンマッチング​は​非常​に​計算​が​複雑​で​あり、​高度​な​専門​知識​を​必要​と​する。



​ソリューション:

​【システム​構成】


​システム​構築​に​は NI の LabVIEW 8.2​を​使用​した。​また、​画像​解析​用​ソフトウェア​として NI Vision 開発​モジュール 8.2.1​を​使用​した。
​計測​システム​の​概要​を​Fig.​1​に​示す。​CCD カラー​カメラ​で​撮影​した​イメージ​を​画像​集録​ボード NI PXI-1411​に​取り込む。​レーザ​ダイオード​の​光​によって​マーキング​さ​れ​た​タイヤ​表面上​の​定点​を​検出​する​ため​に​画像​の​二​値​化​を​し、​そして​粒子​フィルタ​等​を​通す​こと​で​不必要​な​情報​を​削除​する。​計測​した​レーザ​点​の​移動​から​タイヤ​の​形状​変形​を​計算​する。



​また、​取り​込​ん​だ​画像​から​複数​の ROI を​切り取り、​それ​を​テンプレート​として​サブ​ピクセル​精度​の​パターンマッチング​を​行い、​ROI の​変位​量​から​ひ​ずみ​を​計算​する。​二​値​化​の​際​の​閾​値​や​必要​な​情報​のみ​を​取り出す​ため​の​画像​処理​法、​および​パターンマッチング​の​際​の​精度​と​計算​時間​の​比重​を​決める​各​パラメータ​は​フロント​パネル​(Fig.​2)​で​設定​できる。



​フロント​パネル​の​各項目​は、



​①​変形​計算​進行​状況
​対象​の​変形​計算​について、​何​枚​の​画像​を​処理​した​か、​その​処理​に​何​秒​か​か​っ​たか​を​視覚​的・​数値​的​に​表示​する



​②​計算​した​平面​形状
​計算​結果​から​得​ら​れ​た​情報​を​元​に、​平面​形状​を​三次元​グラフ​で​描写​する



​③​変形​形状​分​を​修正​した​画像
​変形​情報​を​画像​に​適応​し、​適切​な​大​き​さ・​傾き​に​修正​した​画像



​④​ひ​ずみ​計算​進行​状況
​ひ​ずみ​計算​について、​何​枚​の​画像​を​処理​した​か、​その​処理​に​何​秒​か​か​っ​たか​を​視覚​的・​数値​的​に​表示​する



​⑤​ひ​ずみ​計算​結果
​計算​さ​れ​た​ひ​ずみ​を​グラフ​に​表示​する


​⑥​画像​上の​マッチング​状況
​パターンマッチング​で​追跡​した​ROI​の​位置​情報​を、​画像​上の​赤い​マーク​で​表示​する

 

 

 

【結果】 


​本​システム​の​最終​目的​は​タイヤ​の​変形・​ひ​ずみ​を​計測​する​こと​で​ある​が、​タイヤ​は​柔軟​材料​ゆえに​正確​な​ひ​ずみ​を​知る​こと​が​難​しく、​システム​の​有効​性​を​確認​し​が​たい。​よって、​ひ​ずみ​本​システム​の​有効​性​および​計測​精度​を​確認​する​ため​に、​ひ​ずみ​センサ​や​理論​式​など​により​正確​な​変形・​ひ​ずみ​が​容易​に​分かる​物質​を​対象​に​計測​を​実施​した。



​DICM の​ひ​ずみ​計測​精度​を​示す​一例​として、​ランダム​パターン​の​存在​する GFRP の​平板​に​引​張​荷重​を​加​え​た​ときの、​DICM プログラム​による​計算​値​と​歪み​ゲージ​の​測定​値​の​比較​を​Fig.​3​に​示す。​画像​分析​で​あっ​て​も、​サブ​ピクセル​精度​の​マッチング​を​行う​こと​で、​接触​型​センサ​と​比べ​て​も​遜色​の​ない​計測​精度​が​出​て​いる​こと​が​分かる。

 

また、​単純​支持 Al 梁​に​荷重​を​加​え​変形​さ​せ​た​ときの​変形​の​計測​値​と​梁​の​た​わ​み​の​式​より​計算​した​理論​値、​および DICM で​計算​した​ひ​ずみ​の​計算​値​と、​梁​の​式​より​計算​した​ひ​ずみ​の​理論​値​の​比較​を​Fig.​4​に​示す。​梁​の​た​わ​み​という​三次元​的​な​変形​を​伴う​場合​の​ひ​ずみ​計測​を、​一つ​の​固定​カメラ​による​画像​分析​のみ​で​行う​こと​は​通常​不可能​で​ある。​しかし、​形状​変形​の​計測​と DICM による​ひ​ずみ​の​計測​結果​を​すり合わせ​る​こと​で、​Fig.​4​の​よう​に​正確​な​ひ​ずみ​を​計算​する​こと​が​できる。

 

 

 

以上​の​結果​から、​本​システム​が​変形・​ひ​ずみ​同時​計測​において​有用​で​ある​こと​が​確認​でき​た。



​NI Vision 開発​モジュール​を​用​いたこ​と​で​サブ​ピクセル​精度​の​パターンマッチング​を​行う​プログラム​を​極めて​短時間​で​開発​する​こと​が​でき​た。​画像​分析​により​得​ら​れ​た​各​データ​を​数値​的​に​処理​する​こと​で、​面​外​変形​を​考慮​した​ひ​ずみ​計測​システム​を​構築​する​こと​が​でき​た。​また、​各​画像​処理​の​有無​や​パラメータ​を​フロント​パネル​から​容易​に​変更​できる​ため、​撮影​対象​や​撮影​条件​が​変​わ​って​も​すぐ​に​対応​可能​という、​きわめて​柔軟​な​システム​の​運用​が​可能​となり、​システムの応用範囲が予想以上に広がった。



​LabVIEW という​直観​的​で​分​か​り​やすい​グラフィカル​言語​で​プログラム​を​作成​する​こと​で、​自分​の​よう​な​初心者​でも​すぐ​に​実用​的​な​ソフトウェア​が​開発​可能​で​あっ​た。​事実、​サブ​ピクセル​精度​の DICM を​用​い​た​ひ​ずみ​計測​という、​通常​ならば​2​年​程度​を​かけ​て​組み立てる​計測​システム​を、​学部​生​の​自分​が​わずか​4​ヶ月​で​作成​する​こと​が​でき​た。



​一般に、​画像​分析​による​非​接触​ひ​ずみ​計測​が​可能​な​測定​機器​は、​単純​な​一軸​引​張​でも​200​万​円​~、​2​台​の​カメラ​を​用​い​た​三次元​計測​とも​なる​と​1000​万​円​~、​と​非常​に​高価​で​ある。​一方、​LabVIEW で​プログラム​を​開発​し​計測​機器​を​市販​の​カメラ​など​で​代用​する​こと​で、​全て​合わせ​て​も​50​万​円​程度​で​計測​システム​を​構築​する​こと​が​可能​で​あり、​大幅​な​コスト​削減​を​達成​でき​た。​その​結果、​測定​する​意義​は​ある​が​あまり​コスト​は​掛け​ら​れ​ない、​といったところも含めた広範囲でのシステムの使用が可能となった。

 

著者​情報:

平岡 直樹 氏
​東京​工業​大学 工学部 機械​宇宙​学科 轟​研究室
​Japan

Fig.​1 ​ ​計測​システム​の​概念​図 ​
Fig. 2 ​ ​計測​システム​の​フロント​パネル ​
Fig. 3 ​ ​GFRP 引​張​における​接着​型​センサ​と DICM の​精度​比較 ​
​ ​(a)​Al 梁​変形​量​の​計算​値​と​理論​値 ​
​ ​(b)​変形​量​修正​を​した DICM による​ひ​ずみ​の​計算​値​と​理論​値 Fig. 4 形状​変形​を​伴う​Al​梁​における​理論​値​と​計算​値​の​比較 ​