基于機器視覺的汽車儀表盤功能測試方法的研究

2016-12-31 00:00:00陶旭東楊立娜張小發屠仁偉王文澤

科技創新與應用 2016年14期

摘要：作為汽車在行駛過程中的狀態反饋界面，儀表盤是駕駛員在行駛過程中獲取汽車狀態的重要渠道，文章利用機器視覺[1]技術代替人眼來對儀表盤中報警燈狀態、指針儀表狀態和字符等進行功能檢測，實現對汽車儀表盤狀態信息的自動化測試。

關鍵詞：機器視覺；儀表盤；報警燈；指針儀表；字符

1 概述

汽車控制儀表盤的信號主要包括數字信號、模擬信號和CAN總線信號[2]等，當儀表盤接收到對應的信號后會點亮對應的指示燈或使儀表指針發生轉動。在儀表盤進入整車實驗之前，必須對儀表盤的功能進行全方位的測試，而為了減少整車實驗次數和降低實驗成本，須在模擬整車環境下對汽車儀表盤進行功能測試。當汽車儀表盤接收到對應傳感器上的信號時，傳統方法中我們是通過人工觀測來判斷儀表指示燈是否亮滅，儀表指示燈的顏色是否正確，儀表的指針是否指到對應的刻度等。很明顯這種方法受人工因素影響較大，特別是在測試指針刻度時，不同的測試人員在不同的測試時間得到的測試結果可能不一樣，容易產生誤判。為了適應汽車電子儀表的快速發展，需大大提高汽車儀表檢測的自動化程度和準確程度。機器視覺技術是用相機代替人眼進行檢測，這種技術不但可以大大提高檢測效率，還可以提高檢測的自動化程度。

2 機器視覺系統的硬件設計

如圖1所示，典型的機器視覺系統一般包括圖像的采集、圖像的處理和分析和圖像的輸出和控制。本系統設計的硬件部分主要包括暗箱、儀表盤夾具、運動導軌、光源、智能相機和通信模塊。

2.1 光源

光源是機器視覺的重要組成部分，它的選取直接影響著圖像采集的質量，本設計中整個系統處于密閉的暗箱中，光源負責照明。本系統采用環形LED光源[3]，21V直流供電，光源的位置放在儀表盤和相機的中間。

2.2 相機和鏡頭

系統獲取到的圖像是由相機采集的，因此相機的選取決定著整個機器視覺系統功能能否實現。本設計選取的是美國COGNEX公司的CCD型智能相機In-Sight Micro1403C[4]，如圖2所示。

2.3 相機I/O模塊

智能相機與外部通訊是通過擴展模塊CIO-MICRO實現的。如圖3所示，擴展模塊通過M12接頭和M8接頭與相機連接，M12接頭（綠線）為網絡通信提供以太網連接并為視覺系統提供電源，M8接頭（黃線）提供到采集觸發器輸入端和高速輸出端的連接。擴展模塊為相機提供三種與外部的通訊方式，包括TCP/IP通訊[5]、串口通訊和數字量通訊。

3 機器視覺系統的軟件設計

機器視覺軟件主要包括對儀表盤中指示燈狀態、指針儀表狀態和字符等進行功能檢測。本設計采用COGNEX公司提供的相機自帶的開發環境Insight Explore，該軟件有兩種編程界面：EasyBuilder開發界面和電子表格開發界面，本設計的圖像處理部分都是在電子表格界面開發的。

3.1 指示燈狀態檢測

汽車指示燈包括左轉燈、右轉燈、機油、壓力、安全氣囊、ABS燈、ESP燈等。以左轉燈為例，當左轉燈亮和滅的時候，左轉燈位置的灰度[6]是不一樣的，如圖4所示，首先確定左轉燈的位置，左圖中所示區域就是左轉燈的位置，外圍區域是搜索區域的位置，調用提取灰度的函數ExtractHistogram，得到此時所示區域的平均灰度值21。當左轉燈接收到信號后被點亮，如圖4右圖所示，此時檢測到所示區域的平均灰度值為45。在實時檢測的時候，設定灰度的閾值為30，若檢測到所示區域的灰度值小于30，就判定此時左轉燈沒被點亮，若大于30，則判定左轉燈接收到信號被點亮。

3.2 指針儀表位置的檢測

通過測量指針旋轉的角度換算成儀表對應的刻度來實現。以車速表為例，當指針接收到仿真信號發生轉動時，首先將指針區域轉化為二值圖像，以0刻度作為起始點。調用函數FindMultiLine來尋找0刻度的兩條邊，確定邊的原則是邊的兩邊灰度是不一樣的。尋找到0刻度的兩條邊，記為0和1，根據邊的坐標得到起始點的坐標。接著將指針移動到的位置記為終點。根據指針兩邊的灰度不同，找到指針的兩條邊，同樣記為0和1，根據邊的坐標得到終點的坐標。因為指針儀表的形狀是一個圓形，儀表的正中間也是一個黑色的圓，調用函數FindCircle來獲取圓的位置，圖中確定圓的算法是在兩個圈的中間尋找，根據灰度的不同來確定圓的位置。圖中所示區域即是尋找到的圓，根據圓的位置可以得到圓心的坐標。最后將前面步驟中得到了起點的坐標、終點的坐標和圓心的坐標，連接起點和圓心的坐標，終點和圓心的坐標，會得到兩條連線的夾角，而儀表盤的刻度又是均勻的，通過夾角可以換算出此時指針對應的刻度。

3.3 字符的檢測

儀表盤中需要檢測的字符包括0-9、a-z和A-Z等，以字符0-9為例，具體實現方法：

（1）在檢測字符時，字符間的差距很大，如字符的大小、形狀和字體都會影響檢測的結果，必須先建立一個標準字符庫，作為以后檢測時的模板，調用函數TrainFont訓練字符，通過訓練分割出的字符得到字符庫。

（2）有了字符模板庫，在檢測字符時，只需將檢測到的字符與模板庫進行比對即可，如圖5所示區域為檢測到的字符。

4 結束語

文章將機器視覺系統應用于汽車電子系統設計階段的驗證測試，本項目的研究將有助于我國汽車電子系統開發驗證方法的改進，對我國汽車電子系統的研發，尤其是新能源汽車電子系統的研究開發具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]機器視覺科技技術百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=8kpdtj1mMoMeSr5NKvqh7tsn7rtAEkGWtMMNNFcfrdA7RE1ECREjNY

VU5jy3f6_eel0R7Ya23RWFDB2jdskxQzArPuCmzwtC2LxMggFsUfW.

[2]曹曉琳.汽車CAN總線數字組合儀表設計[J].汽車工程，2010，32（1）.

[3]李英杰.MATLAB與CCU之間的TCP/IP通訊技術開發和應用[J].

計算技術及自動化，2010，30（4）.