基于機(jī)器視覺的航空儀表測(cè)試方法研究

王緯國(guó)，張子明，劉良勇

（中國(guó)人民解放軍第五七二〇工廠，安徽 蕪湖 241007）

目前航空維修企業(yè)在維修測(cè)試過程中，仍存在大量采用手工作業(yè)方式的情況，航空儀表的檢測(cè)屬于典型情況之一。一方面，是由于航空儀表屬于人機(jī)交互產(chǎn)品，除了指示信號(hào)，還存在旋鈕、開關(guān)等操作，不像一般的機(jī)載設(shè)備，通過完全的電信號(hào)控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)性能的檢查；另一方面，由于航空儀表種類繁多，且功能差異大，若針對(duì)不同型號(hào)的儀表開發(fā)專用的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，效率提升并不顯著；另外，航空儀表自身的精度要求一般也不高，人工肉眼判斷在絕大部分情況下都能滿足要求。上述情況正是目前手工作業(yè)方式大量存在的原因，但是隨著維修質(zhì)量控制與生產(chǎn)效能提升需求與日俱增，傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式也顯露出了問題：參數(shù)判讀主觀性大、部分性能參數(shù)存在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)未量化、目視難以定量分析、檢測(cè)過程無追溯性、檢測(cè)效率低等。針對(duì)上述情況，基于在汽車儀表檢測(cè)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用的機(jī)器視覺技術(shù)，研究航空儀表的測(cè)試方法改進(jìn)成為首要解決問題的途徑。

1 機(jī)器視覺

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通過對(duì)感光芯片采集的圖像信息的處理研究（圖像算法及邏輯函數(shù)、圖像濾波及頻率分析、圖像分割等），機(jī)器視覺技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了模式及幾何匹配、條形碼閱讀及分級(jí)、光學(xué)特性識(shí)別驗(yàn)證、空間標(biāo)定、顆粒分析、色彩檢查、邊緣檢測(cè)、目標(biāo)分類、尺寸計(jì)量、黃金模板比對(duì)等功能，并被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，包括汽車零部件的自動(dòng)化檢測(cè)、高級(jí)藥品的研發(fā)、交通運(yùn)輸?shù)取D1所示為典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

近幾年，邢益臨利用CCD彩色相機(jī)采集汽車儀表圖像，通過機(jī)器視覺算法進(jìn)行儀表指針校準(zhǔn)及檢測(cè)、LED顏色及亮度檢測(cè)；徐洋采用OpenCV編程環(huán)境，采集有效的汽車指針儀表盤圖像，識(shí)別出儀表刻度值與指針的位置和重合程度，從而判定儀表指示準(zhǔn)確性是否符合要求；申中鴻利用機(jī)器視覺技術(shù)，結(jié)合計(jì)算幾何軌跡識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示儀表的自動(dòng)讀數(shù)；孫勇提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)閾值法，能夠有效消除儀表圖像光照不均勻、噪聲干擾等因素的影響，很好地實(shí)現(xiàn)圖像輪廓提取、特征細(xì)節(jié)突出；高梅提出了一種基于HOUGH變換的指針式儀表示值精確判讀方法，提高了運(yùn)算速度，降低了占用內(nèi)存，同時(shí)減少了直線誤匹配的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)了指針式航空儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別。

不難看出，國(guó)內(nèi)已開展了大量針對(duì)儀表檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，從檢測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)建、軟件開發(fā)到算法優(yōu)化，形成了較為成熟的工程化應(yīng)用案例。但另一方面，這些研究也存在偏重單項(xiàng)性能、偏重算法研究等情況，對(duì)于儀表的其他性能檢測(cè)關(guān)注不足，甚至存在研究盲點(diǎn)，沒有充分發(fā)揮出機(jī)器視覺技術(shù)的功能特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這也是機(jī)器視覺技術(shù)在航空儀表測(cè)試上的應(yīng)用程度不深的原因之一。

2 測(cè)試需求

為了研究機(jī)器視覺技術(shù)在航空儀表測(cè)試上的應(yīng)用，首先需對(duì)航空儀表的測(cè)試需求進(jìn)行全面地梳理和歸納，圖2為幾種典型的航空儀表外觀和樣式，具有一定的代表性。

從圖2中可以直觀看出，航空儀表的界面主要有刻度和指針，不過刻度和指針的型式差別較大，部分航空儀表還帶有旋鈕。

圖2 典型的航空儀表外觀和樣式

根據(jù)航空儀表的制造技術(shù)規(guī)范及維修技術(shù)條件、維修工藝規(guī)程等資料，對(duì)航空儀表的性能總結(jié)如下。

（1）外觀。航空儀表屬于人機(jī)交互界面，因此對(duì)外觀要求較為嚴(yán)格。檢查內(nèi)容包括面板無磕碰、劃痕等損傷，符合圖紙要求；指針、刻度、標(biāo)記應(yīng)正確、清晰良好；噴漆種類正確、漆層完好平整；玻璃面無肉眼可見的劃痕、灰塵、顆粒、印痕；照明的色澤和亮度滿足要求。

（2）指示性能。指示性能反映了航空儀表對(duì)參數(shù)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度，是航空儀表的關(guān)鍵指標(biāo)。檢查內(nèi)容包括零位誤差、指示誤差、遲滯誤差、指示范圍、指示靈敏性、指示穩(wěn)定性、互差等。

（3）機(jī)械性能。部分帶有旋鈕的航空儀表，需檢查旋鈕的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性等性能。

（4）測(cè)量參數(shù)。航空儀表大部分均為接收電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的指針刻度；也有一些航空儀表是將指示器與傳感器直接組合成整體，如高度表，通過對(duì)氣壓壓力的感受，直接轉(zhuǎn)換成指針刻度；另外，還有一些是自身感受空間姿態(tài)進(jìn)行指示，簡(jiǎn)單的如側(cè)滑儀，由一個(gè)玻璃管和一個(gè)圓珠組成，根據(jù)圓珠的偏擺位置判斷飛機(jī)的側(cè)滑姿態(tài)，復(fù)雜的如地平表，感受并指示飛機(jī)的俯仰和傾斜姿態(tài)。

3 技術(shù)途徑

對(duì)于航空儀表的外觀和指示性能檢查，利用機(jī)器視覺的黃金模板比對(duì)、顆粒分析、模式及幾何匹配、尺寸計(jì)量等功能實(shí)現(xiàn)，從技術(shù)可行性上分析無明顯難點(diǎn)，研究的重點(diǎn)一是針對(duì)不同型號(hào)航空儀表的各項(xiàng)性能的檢測(cè)軟件的開發(fā)，二是判斷閾值標(biāo)準(zhǔn)的確認(rèn)。判斷閾值標(biāo)準(zhǔn)就是原本定性判斷的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)換成定量數(shù)值指標(biāo)的過程。例如，定性指標(biāo)“無肉眼可見的灰塵”，對(duì)于機(jī)器視覺檢查，其定量數(shù)值指標(biāo)就轉(zhuǎn)換成灰塵顆粒尺寸大小。

對(duì)于機(jī)械性能，如旋鈕調(diào)節(jié)范圍等，除了機(jī)器視覺外，可結(jié)合控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，例如，采用小型伺服電機(jī)進(jìn)行控制，研究的重點(diǎn)是與旋鈕的對(duì)接裝置的設(shè)計(jì)。

若要實(shí)現(xiàn)航空儀表的全程自動(dòng)化檢測(cè)，則必須對(duì)測(cè)量參數(shù)或工作環(huán)境進(jìn)行仿真。電信號(hào)的仿真可利用DA數(shù)模轉(zhuǎn)換板卡、任意函數(shù)發(fā)生器等實(shí)現(xiàn)；大氣壓力可利用程控大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；空間姿態(tài)可利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

4 工程化原則

開展工程化應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)航空儀表測(cè)試方法改進(jìn)提升的成果形式，根據(jù)對(duì)現(xiàn)狀及需求的分析研究，擬定了基于機(jī)器視覺構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)遵循的原則。

（1）應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需求的必要性確定應(yīng)用切入點(diǎn)。必要性的考量主要依據(jù)檢測(cè)質(zhì)量保證要求，而不是自動(dòng)化水平或生產(chǎn)效率。這是由于針對(duì)航空維修小批量、多品種的特點(diǎn)，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用水平需經(jīng)過一定的經(jīng)驗(yàn)積累，因此應(yīng)用初期的檢測(cè)效率提升不會(huì)顯著，以此為需求的話將難以滿足設(shè)定的期望值。而針對(duì)目前手工檢測(cè)存在的質(zhì)量問題應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，則能很好地發(fā)揮機(jī)器視覺定量分析和高精度的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，易于達(dá)成目標(biāo)。例如，某型航空儀表，其指示穩(wěn)定性要求“地平線線性位移不大于±0.15mm”，在以往的手工檢測(cè)中，肉眼是難以檢查的，若現(xiàn)場(chǎng)缺乏相應(yīng)的檢測(cè)工具設(shè)備，則反映到企業(yè)維修過程中，將出現(xiàn)以下問題：難以落實(shí)進(jìn)工藝，造成文文不相符；落實(shí)進(jìn)工藝，又難以操作；上下工序交接扯皮。

（2）在構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，柔性化、模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿全過程，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用高像素、高成像品質(zhì)的相機(jī)型號(hào)，并配置多種類型的光源和可程控光源控制器；機(jī)器視覺系統(tǒng)的支持臺(tái)架應(yīng)簡(jiǎn)潔，易于姿態(tài)調(diào)整。軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)需求的必要性逐項(xiàng)開發(fā)某項(xiàng)航空儀表各種性能的檢測(cè)軟件，待應(yīng)用成熟后推廣至其他型號(hào)的航空儀表。另外，應(yīng)優(yōu)先使用現(xiàn)有的仿真航空儀表測(cè)量參數(shù)或工作環(huán)境的設(shè)備，不但可以減少相關(guān)投入費(fèi)用，保持測(cè)試方法的延續(xù)性，而且使研發(fā)精力能專注于機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā)，降低整個(gè)系統(tǒng)集成的風(fēng)險(xiǎn)。待軟件功能齊全完善后，再根據(jù)需求開展半自動(dòng)到全自動(dòng)機(jī)器視覺檢查系統(tǒng)的研制。

5 結(jié)語

目前已成功搭建了一套針對(duì)某型地平表指針指示誤差參數(shù)的非接觸尺寸測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該地平表零位誤差和地平線穩(wěn)定性的測(cè)試。研制過程遵循了上述的技術(shù)途徑和工程化原則，確保了項(xiàng)目的順利推進(jìn)。后續(xù)將繼續(xù)開展該型地平表其他性能的軟件設(shè)計(jì)工作，增加測(cè)試系統(tǒng)的性能檢測(cè)覆蓋率。