復(fù)雜場(chǎng)強(qiáng)下智能光強(qiáng)度測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

吳大用　赫蘭光　趙瑜東　楊宗諭　費(fèi)斯奇　劉碧

【摘? 要】在對(duì)車(chē)燈類(lèi)零件進(jìn)行電磁兼容抗擾測(cè)試時(shí)，行業(yè)內(nèi)普遍采用人工監(jiān)控被測(cè)樣件工作狀態(tài)的方式，帶來(lái)了測(cè)試異常不易識(shí)別、結(jié)果判定主觀性強(qiáng)等問(wèn)題。本文針對(duì)車(chē)燈零件光強(qiáng)動(dòng)態(tài)區(qū)間大、光源多區(qū)域分布、工作模式復(fù)雜、造型變化多樣等諸多業(yè)內(nèi)面臨的監(jiān)控難題，提出一種智能光強(qiáng)度變化監(jiān)控方法。利用圖像識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)出適用于復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境下光強(qiáng)度變化監(jiān)控系統(tǒng)，并有效應(yīng)用于測(cè)試中對(duì)車(chē)輛燈具工作狀態(tài)監(jiān)控的各個(gè)場(chǎng)景。

【關(guān)鍵詞】圖像識(shí)別；動(dòng)態(tài)車(chē)燈；光色識(shí)別；電磁屏蔽

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.65? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）09-0066-04

Research and Application of Intelligent Light Intensity Testing and

Monitoring System Under Complex Field Intensity

WU Dayong，HE Languang，ZHAO Yudong，YANG Zongyu，F(xiàn)EI Siqi，LIU Bi

（FAW-Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Changchun 130011，China）

【Abstract】Aiming at many monitoring problems faced by the industry，such as large dynamic range of light intensity of lamp parts，multi-regional distribution of light sources，complex working mode and various shape changes，an intelligent light intensity change monitoring method is proposed. A light intensity change monitoring system suitable for complex electromagnetic field environment is developed by using image recognition technology and effectively applied to each scene of monitoring the working state of vehicle lamps in the test.

【Key words】image recognition；dynamic light；light color recognition；electromagnetic shielding

作者簡(jiǎn)介

吳大用（1987—），男，碩士，系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)工程師，主要從事汽車(chē)電磁兼容設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

1? 前言

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，車(chē)載電器裝備技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。車(chē)輛燈光技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得燈具工作狀態(tài)更加智能化，燈光顯示方式更加多樣化[1]，但另一方面也使車(chē)燈的電磁兼容性測(cè)試更加繁復(fù)。眾所周知，車(chē)輛燈具是國(guó)家強(qiáng)制要求的安全件，對(duì)其保持正常工作狀態(tài)的要求極為嚴(yán)格[2]，對(duì)應(yīng)的電磁兼容測(cè)試等級(jí)也最高，因此車(chē)燈的電磁兼容測(cè)試不能放過(guò)任何一個(gè)微小的誤差，必須全程精準(zhǔn)捕捉全部的故障瞬間[3]。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)各電磁兼容實(shí)驗(yàn)室普遍采用人工監(jiān)控的方式進(jìn)行試驗(yàn)。長(zhǎng)時(shí)間的工作難免有測(cè)試人員疏忽，遺漏微小不易察覺(jué)的異常，影響評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的客觀性。行業(yè)內(nèi)也產(chǎn)生了幾種輔助監(jiān)控設(shè)備或系統(tǒng)，如光強(qiáng)度檢測(cè)儀、數(shù)據(jù)記錄儀等，但存在著裝置不能應(yīng)用于電磁兼容電波暗室，不易同時(shí)監(jiān)控被測(cè)燈具所有發(fā)光區(qū)域，測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法保留，設(shè)備監(jiān)控功能單一等局限性問(wèn)題[4]。為克服以上缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種適用于復(fù)雜電磁環(huán)境下智能光強(qiáng)度監(jiān)控系統(tǒng)。

2? 測(cè)試環(huán)境及監(jiān)控特征

2.1? 整車(chē)測(cè)試環(huán)境介紹

在電波暗室內(nèi)，由抗擾天線發(fā)射最高140V/m的場(chǎng)強(qiáng)，天線波瓣覆蓋被測(cè)車(chē)輛所在區(qū)域。由于天線的特性，前向波瓣大，功率也大，在此區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)也越大，因此，布置的監(jiān)控裝置需要額外考慮電磁屏蔽性能。暗室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布如圖1所示。

整車(chē)抗擾測(cè)試頻率范圍覆蓋0.1MHz～3GHz，在每個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)需持續(xù)停留1s施加電磁場(chǎng)干擾。

2.2? 光強(qiáng)圖像特征

車(chē)燈具有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈功能，需要在400ms內(nèi)，通過(guò)順次驅(qū)動(dòng)n組LED燈珠點(diǎn)亮，并在另一個(gè)400ms內(nèi)關(guān)閉所有LED燈珠，以1.25Hz頻率循環(huán)點(diǎn)亮和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)流水工作效果。如圖2所示。

目前高端車(chē)輛內(nèi)部氛圍燈顏色多達(dá)30色之多，通過(guò)LIN總線控制顏色。氛圍燈分布廣泛，顏色差異小，亮度低，顏色定義如圖3所示。

3? 圖像模型構(gòu)建及算法

3.1? 動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型

由于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈是逐次被點(diǎn)亮的，各組LED燈在受到場(chǎng)強(qiáng)干擾時(shí)，可能出現(xiàn)一組或多組驅(qū)動(dòng)異常，造成轉(zhuǎn)向燈閃爍順序發(fā)生變化，而采用常規(guī)的固定點(diǎn)監(jiān)控?zé)o法精確匹配故障LED燈組位置，不能準(zhǔn)確監(jiān)控光強(qiáng)異常。因此，需利用智能攝像頭來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈的圖像進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)繪制動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈的亮度曲線，與基準(zhǔn)亮度曲線相比較，如超出設(shè)計(jì)偏差則判定異常。動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型如圖4所示。

所選攝像頭可在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈工作周期800ms內(nèi)采集25次，對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈不同的發(fā)光狀態(tài)，獲得25幀的采集圖片。設(shè)定亮度值從0～255對(duì)應(yīng)每張圖片的亮度，并繪制出轉(zhuǎn)向燈一個(gè)工作周期內(nèi)的亮度曲線。通過(guò)設(shè)定偏差范圍a，將基準(zhǔn)亮度曲線與實(shí)時(shí)的亮度曲線相比較，如果超出±a的范圍，則判定出現(xiàn)異常。

3.2? 光色監(jiān)控算法

常用的表征彩色模型有RGB色彩空間和HSV色彩空間。其定義見(jiàn)表1。

利用攝像頭高速成像技術(shù)，可由硬件設(shè)備直接獲得圖像的RGB顏色圖像數(shù)據(jù)，但RGB 3種顏色分量的具體取值與所生成顏色之間的聯(lián)系并不直觀。而HSV值分別在色調(diào)、飽和度以及亮度3個(gè)維度上對(duì)顏色進(jìn)行表示，呈現(xiàn)結(jié)果更貼近于人眼感知[5]。采用RGB三要素代表顏色的方式，因其各分量關(guān)聯(lián)性不高，不適合區(qū)分相似顏色。而HSV值，則能較直觀地表達(dá)顏色明暗、色調(diào)及鮮艷程度，效果最優(yōu)，因此選擇HSV值作為采集參考值[6-7]。HSV模型參數(shù)公式如下。

3.3? 圖像濾波算法

由于在電波暗室中受到照明光線及地板反光的影響，各類(lèi)噪聲會(huì)對(duì)采集圖像品質(zhì)造成影響，甚至出現(xiàn)采集圖像中存在橫紋阻擋關(guān)鍵特征信息的情況。因此，為保證圖像處理效果，需對(duì)采集圖片噪聲進(jìn)行抑制。常用的濾波算法對(duì)比如表2所示。

雙邊濾波是一種用于圖像邊緣保持的空間域非線性濾波方法，其利用空間域核及值域核卷積，獲得雙邊濾波后的圖像。相較于高斯濾波，雙邊濾波既可以做平滑處理又可較好地保留邊界。其數(shù)學(xué)模型如下。

4? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為使得所設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)適合于企業(yè)所有開(kāi)發(fā)的車(chē)燈，且在電磁兼容抗擾測(cè)試中良好應(yīng)用，特設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖5所示。

系統(tǒng)包含7個(gè)板塊層級(jí)設(shè)計(jì)，通過(guò)攝像頭采集被測(cè)車(chē)燈圖像數(shù)據(jù)，連同干擾數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成，配合一系列的測(cè)試設(shè)置，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的初始設(shè)置。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)燈光的光色異常分析、光強(qiáng)異常分析、車(chē)燈功能分析、干擾影響分析，并能以時(shí)域、功能異常的方式進(jìn)行智能化的測(cè)試結(jié)果判斷，并生成測(cè)試報(bào)告。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

4.2? 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

4.2.1? 圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

利用Halcon高清攝像頭進(jìn)行圖像采集，通過(guò)OpenCV圖像處理函數(shù)庫(kù)，對(duì)識(shí)別區(qū)域進(jìn)行劃定，可覆蓋任意造型零件監(jiān)控需求，如圖7所示。同時(shí)采用雙邊濾波技術(shù)，提高圖像識(shí)別率。

4.2.2? 動(dòng)態(tài)識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

為了有效地獲取動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈工作軌跡，便于圖像數(shù)據(jù)與初始采集比對(duì)，設(shè)計(jì)將攝像頭采集到的動(dòng)態(tài)圖片轉(zhuǎn)化成灰度圖，并進(jìn)行二值化處理，濾除掉監(jiān)控區(qū)域內(nèi)背景，工作流程如圖8所示。

選用的高清攝像頭采集圖片速率為25張/s，由于個(gè)別幀圖片的品質(zhì)并不高，除去單一周期內(nèi)非理想采集圖片，理想的圖片約為15張，因此選用至少2個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈工作周期以上作為初始采集周期。綜合下來(lái)，選擇100幀圖片的時(shí)長(zhǎng)作為初始采集周期。實(shí)際亮度采集曲線如圖9所示。

4.3? 攝像頭電磁屏蔽設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測(cè)需要，智能監(jiān)控?cái)z像頭必須布置在抗擾發(fā)射天線的波瓣范圍內(nèi)，因此需要保證監(jiān)控?cái)z像頭承受高測(cè)試輻射場(chǎng)強(qiáng)且能正常工作。根據(jù)電磁兼容和防護(hù)理論，主要從孔縫、線纜等耦合途徑入手，提高智能監(jiān)控?cái)z像頭的整體電磁防護(hù)性能。

首先設(shè)計(jì)監(jiān)控?cái)z像頭的殼體，采用0.5mm厚鋁制圓柱體外殼，其內(nèi)部半徑為57.5mm，長(zhǎng)度為235mm。在殼體最前端的攝像頭鏡處，采用透光率為80%導(dǎo)電防護(hù)玻璃提高殼體屏蔽效能，導(dǎo)電防護(hù)玻璃半徑為45mm，厚度0.25mm，電導(dǎo)率為130000S/m。同時(shí)，考慮殼體后部攝像頭電源線的接插件處采用密封處理，保證攝像頭的電磁防護(hù)效能。

依據(jù)實(shí)際的測(cè)試搭建，并按照上述參數(shù)設(shè)置，通過(guò)仿真軟件建立實(shí)際攝像頭在復(fù)雜電磁場(chǎng)強(qiáng)下的電磁仿真模型，如圖10所示。

設(shè)置施加電磁場(chǎng)強(qiáng)度有效值為140V/m、頻率為100MHz、調(diào)制系數(shù)為0.8的AM調(diào)制波形，得到在100kHz～800MHz頻率范圍內(nèi)，調(diào)制干擾波形和攝像頭殼體內(nèi)部的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)域波形，如圖11所示。攝像頭內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)峰值為0.147V/m，攝像頭屏蔽效能為59.57dB。

設(shè)置施加電磁場(chǎng)強(qiáng)度有效值為140V/m、調(diào)制頻率為100MHz、調(diào)制度為0.5的PM調(diào)制波形，得到在800MHz～2GHz頻率范圍內(nèi)，調(diào)制干擾波形和攝像頭殼體內(nèi)部的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)時(shí)域波形，如圖12所示。攝像頭內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)峰值為0.287V/m，攝像頭殼體的屏蔽效能為53.75dB。

5? 結(jié)果驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證本文方法的實(shí)際應(yīng)用效果，分別對(duì)動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)及光色檢測(cè)功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)驗(yàn)證光源的供電電壓，模擬靜態(tài)光源光強(qiáng)度波動(dòng)。采取降低驗(yàn)證光源閃爍頻率的方式，模擬動(dòng)態(tài)光源受場(chǎng)強(qiáng)影響導(dǎo)致閃爍頻率變化。通過(guò)交替更換被測(cè)燈具顯示顏色的方式，模擬氛圍燈受場(chǎng)強(qiáng)影響導(dǎo)致顯示顏色變化。模擬驗(yàn)證效果如圖13所示。

通過(guò)多次的驗(yàn)證，應(yīng)用結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

6? 結(jié)論

基于圖像識(shí)別技術(shù)的智能光強(qiáng)度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效應(yīng)用于復(fù)雜場(chǎng)強(qiáng)下電磁兼容抗擾測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光類(lèi)零件的光強(qiáng)度變化監(jiān)控。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)解決了寬范圍光強(qiáng)度場(chǎng)景下監(jiān)控難，多區(qū)域監(jiān)控耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的行業(yè)難題，填補(bǔ)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈圖像監(jiān)控技術(shù)空白。該系統(tǒng)具備低成本、高可靠、使用便捷的優(yōu)點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)控，保證了測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)客觀性，同時(shí)提升測(cè)試人效。隨著未來(lái)車(chē)輛燈光技術(shù)的發(fā)展，面向可投射復(fù)雜信息的車(chē)燈光強(qiáng)度智能監(jiān)控是下一步的研究方向。

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（編輯? 楊凱麟）