王洪濤,王緯國,顧敏波,王輝
(國營蕪湖機械廠,江蘇 蕪湖 241000)
參數(shù)顯示器是飛機座艙中重要的儀表,傳統(tǒng)測試采用人工目視檢查,由專用設(shè)備給出激勵信號,存在費時、工作量大、測試結(jié)果無法保存、測試過程無法監(jiān)控的問題。
參數(shù)顯示器顯示界面由垂直畫面、水平畫面、發(fā)動機參數(shù)畫面及組合畫面組成,畫面顯示信息量大、信息來源廣且種類存在較大差別,要完成測試需要的硬件資源比較多,采用傳統(tǒng)專用設(shè)備花費多、資源浪費,因此本項目基于現(xiàn)場的ATE 完成測試,針對不同的測試需求,僅需要研制相應(yīng)的TPS(包括測試程序、測試適配器、測試電纜)即可實現(xiàn)部件測試需求,節(jié)約了各類儀器資源的采購費用和系統(tǒng)搭建周期,文獻[1]基于現(xiàn)場的ATE設(shè)計了一套自動飛行控制系統(tǒng)測試系統(tǒng)。
近些年,機器視覺技術(shù)在測試領(lǐng)域有了迅速的發(fā)展,利用計算機對獲取的圖像進行分析處理,從圖像中識別出有用的信息,進而代替人工目視完成產(chǎn)品測試,具有自動化、客觀和高精度的特點。文獻[2]介紹了一種飛機下視顯示器的測試專用設(shè)備,該設(shè)備可以完成顯示器的功能測試,但顯示質(zhì)量測試,即界面信息讀取仍需人工目視檢測;文獻[3][4]基于機器視覺開發(fā)了航空座艙儀表的識別和檢測方法,并應(yīng)用于指針類儀表的檢測;文獻[5]基于Halcon 與Qt 設(shè)計了一套自動分類系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)真正的機器換人。
本文提出一種基于ATE 與機器視覺技術(shù)實現(xiàn)飛機參數(shù)顯示器自動測試的方法,具有較大的工程應(yīng)用價值。
飛機參數(shù)顯示器的自動測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1 所示。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可分激勵信號子系統(tǒng)和圖像采集子系統(tǒng)組成。激勵信號子系統(tǒng)作用為飛機參數(shù)顯示器提供激勵、工業(yè)相機供電、控制電磁閥,圖像采集子系統(tǒng)負責(zé)飛機參數(shù)顯示器的界面信息讀取。
圖1 飛機參數(shù)顯示器的自動測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)
激勵信號形式包括直流模擬信號、交流模擬信號、離散量信號、同步信號和總線信號5 種,由ATE 相應(yīng)資源產(chǎn)生,具體涉及到的資源見圖1。
適配器是連接激勵和產(chǎn)品之間的橋梁。通過適配器將激勵信號輸入到參數(shù)顯示器上;參數(shù)顯示器通過適配器將良好信號和畫面信息輸出到上位機;同時,適配器上設(shè)計了信號監(jiān)控孔,用于輔助排故使用。
圖像采集子系統(tǒng)包括圖像采集板卡、工業(yè)相機、采集裝置工裝組成。圖像采集子系統(tǒng)代替人眼采集飛機參數(shù)顯示器的畫面信息,并將實時采集畫面?zhèn)鬟f給上位機軟件用于解算畫面信息。
系統(tǒng)軟件基于Qt 平臺設(shè)計,圖像處理軟件基于由Halcon 完成,Halcon 是一套圖像處理庫,在歐洲以及日本的工業(yè)界被認為是具有最佳效能的機器視覺軟件。
參數(shù)顯示器的自動測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2 所示,軟件總體由管理、功能、圖像處理3 部分組成,相對獨立。系統(tǒng)管理軟件與功能軟件構(gòu)成激勵信號子系統(tǒng)的主程序,控制硬件資源產(chǎn)生所需的激勵信號以及控制相機完成圖像采集。圖像處理軟件完成對圖像的處理并將圖像信息識別結(jié)果傳給系統(tǒng)功能軟件。
圖2 飛機參數(shù)顯示器的自動測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)
參數(shù)顯示器的畫面信息可分為圓盤類指針、帶狀指針、字符等3 類。圖像處理算法主要研究內(nèi)容有模板建立、模板的匹配以及形狀與字符的識別等。本項目測試畫面包括功能畫面和特殊畫面2 種。功能畫面指的垂直、水平、發(fā)動機參數(shù)、組合4 個畫面等,特殊畫面是指功能畫面產(chǎn)生抖動、黑屏等情況,特殊畫面需要持續(xù)監(jiān)控并對發(fā)生時間做準(zhǔn)確記錄,不需要單獨建立模板。
模板創(chuàng)建流程圖如圖3 所示。按照功能畫面不同創(chuàng)建模板,對模板中需要識別的信息設(shè)置感興趣區(qū)域(Region Of Interesting,ROI),用于把輸入圖像進行歸一化的對齊處理。Halcon 提供了多種算子用于創(chuàng)建ROI,包括標(biāo)準(zhǔn)形狀、任意形狀等,利用圖像金字塔監(jiān)視形狀模板。
圖3 模板創(chuàng)建流程圖
圖4 設(shè)定0CR 參數(shù)
圖5 圖像采集專用工裝
采用基于形狀的模板匹配的方法,優(yōu)點在于圖像在旋轉(zhuǎn)雜置的狀況下仍可計算,對于很多干擾因素不敏感,例如,光照變化、聚焦模糊、縮放變化等,仍能識別出目標(biāo)區(qū)域。采用基于形狀的模板匹配的方法借助模板匹配算子來完成匹配工作,模板匹配算子功能為在一幅圖中找出最佳匹配的模板,返回模板的長、寬和旋轉(zhuǎn)角度,這些值將用于下一步的檢測計算。算子中比較重要的2 個參數(shù)是最低分值(MinScore)和搜索貪婪度(Greediness)。最低分值用來分析模板的旋轉(zhuǎn)對稱和它們之間的相似度,值越大則越相似。搜索貪婪度的值在很大程度上影響著搜索速度,值為0 時則為啟發(fā)式搜索,安全但速度慢;值為1 時則為不安全搜索,搜索速度最快但不穩(wěn)定,有可能搜索不到,通常在能夠匹配的情況下,盡可能的增大其值?;谛螤畹哪0迤ヅ涞姆椒ㄡ槍Ξ嬅嬷袌A盤類指針、帶狀指針。
參數(shù)顯示器需要識別的字符種類包括漢字、數(shù)字、字母、特殊符號等3 種。字符識別的實現(xiàn)分2 個過程:一是使用字符數(shù)據(jù)來訓(xùn)練OCR(Optical Character Recognition)分類器過程,二是使用OCR 分類器進行字符識別過程。直接利用已有Halcon 庫識別字符,識別率和預(yù)期有差別,所以要對分割出的字符進行訓(xùn)練,訓(xùn)練采用支持向量機(SVM)算法作為分類算法,訓(xùn)練完成后生成字符模型文件。
特殊畫面匹配采用歸一化積相關(guān)(NCC)匹配,通過比較參考圖像與輸入圖像在各個位置的相關(guān)系數(shù),相關(guān)值最大的點就是最佳匹配位置,相關(guān)值取得最小值時的行、列方向差值,即為圖片沿行(或列)方向的位移。通過計算前后2 幀圖像的位移值,判斷圖像是否發(fā)生特殊畫面。另外,黑屏檢測引入了第二種判定方式,即圖像平均灰度值低于設(shè)定閾值即判定為黑屏。
圖像采集子系統(tǒng)選型的需求如下:
(1)參數(shù)顯示器需要進行溫度貯存試驗,相機選擇需選擇寬溫相機。
(2)黑屏、抖動等異常畫面可以捕捉,相機幀率需要大于24 幀。
(3)考慮工裝盡可能的小的原則,需要選擇短焦距鏡頭。
基于上述需要選擇CLM-B2041C-TF000 型相機、ML-3528-43F 型鏡頭、PXIe-1435 型圖像采集卡。圖形采集卡與相機通過Camera Link 接口相連。
圖像采集專用工裝設(shè)計主要考慮產(chǎn)品與工裝對接簡便、對位準(zhǔn)確,兼顧考慮加工可行性和體積、重量輕便。通過該工裝上7 個電磁閥實現(xiàn)手動畫面切換的功能。
圖1 中D/A 板卡產(chǎn)生測試所需的直流模擬信號;軸角仿真板卡產(chǎn)生測試所需的同步器信號,同步器信號的激磁信號由程控交流電源提供;程控直流電源為相機和參數(shù)顯示器提供工作電源;數(shù)字IO 板卡產(chǎn)生和采集測試所需的離散量信號;UART 板卡實現(xiàn)與參數(shù)顯示器的通信以及產(chǎn)生測試所需的UART 信號;ARINC 429 板卡提供測試所需的ARINC 429/419 信號;矩陣開關(guān)板卡與通用開關(guān)板卡用于測試時通道切換、信號輸出控制等。
軟件流程如圖6 所示。軟件測試開始后首先進行身份驗證,身份驗證通過后系統(tǒng)進行自檢。當(dāng)身份驗證和系統(tǒng)自檢未通過時退出測試軟件。系統(tǒng)自檢通過后,根據(jù)需要進行自動測試和單項(單畫面)測試的選擇,自動測試時數(shù)據(jù)自動保存在報表中,單項測試時根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)保存。
圖6 軟件流程
系統(tǒng)整體外觀如圖7 所示。紅框部分為適配器,綠框部分為圖像采集專用工裝,參數(shù)顯示和相機安裝固定在此工裝上。測試畫面主界面如圖8 所示,測試畫面主界面主要由4 幅單畫面測試選擇以及自動測試選擇組成。單畫面手動測試條件下,測試人員手動控制發(fā)送激勵信號輸出,相機自動識別畫面信息;產(chǎn)品自動測試條件下,計算機根據(jù)測試工藝控制激勵信號輸出,相機自動識別畫面信息,并自動保存畫面信息,測試過程不需要人的參與。
圖7 系統(tǒng)整體外觀
圖8 測試畫面主界面
本項目使用機器視覺代替人工檢測,填補了特種顯示器信息讀取與檢測領(lǐng)域缺少智能檢測方式的空白,優(yōu)點突出,目前已經(jīng)應(yīng)用于測試現(xiàn)場,效果良好。由于ATE擴展性強、軟件易修改,本項目成果可以向其他航空儀表推廣,具有很高的經(jīng)濟價值和使用價值。
在實際測試過程中發(fā)現(xiàn),如果參數(shù)顯示器和相機定位產(chǎn)生一定偏移,某些ROI 的測量結(jié)果將不準(zhǔn)確,項目魯棒性有待進一步優(yōu)化。