一種汽車LED 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉乾，徐彪，宣立明，孫書強(qiáng)，吳奇

（213022 江蘇省 常州市 常州星宇車燈股份有限公司）

0 引言

隨著汽車技術(shù)的高速發(fā)展，汽車不再是單純的代步工具，工程師們?cè)絹?lái)越重視汽車其它功能的研究，汽車車燈作為汽車的主要零部件，已經(jīng)不再僅僅具備簡(jiǎn)單照明功能。LED 具有節(jié)能環(huán)保，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，符合汽車節(jié)能化和智能化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。采用LED 設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈已經(jīng)成為現(xiàn)代車型的一大亮點(diǎn)，提高了汽車的科技感，更符合當(dāng)代人們的審美，越來(lái)越多的汽車品牌將其作為新車型的標(biāo)配[1]。不同于傳統(tǒng)閃爍式轉(zhuǎn)向燈，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈有時(shí)序地從左向右依次點(diǎn)亮，周期時(shí)間為毫秒級(jí)，人眼很難對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行識(shí)別判斷。

近年來(lái)，人工智能漸成熱門，作為人工智能領(lǐng)域的一個(gè)分支，圖像處理技術(shù)隨之發(fā)展到了一個(gè)新高度。一些傳統(tǒng)的需要人工檢測(cè)的行業(yè)開(kāi)始使用工業(yè)相機(jī)代替人眼去觀察檢測(cè)對(duì)象，采用軟件算法代替人的主觀判斷，針對(duì)圖像信息進(jìn)行分析推理，得到客觀結(jié)果[2]。目前，常用檢測(cè)方法還是通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)電流的波形圖進(jìn)行判斷。動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)能夠直接檢測(cè)電路性能指標(biāo)，反映電流波形變化，但是當(dāng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈時(shí)序發(fā)生變化，出現(xiàn)跳燈亂序等情況，僅僅通過(guò)動(dòng)態(tài)電流波形圖無(wú)法判斷產(chǎn)品是否合格。為了進(jìn)一步降低誤判率，將動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)作為動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)的補(bǔ)充，通過(guò)圖像和電流的雙重判斷提高產(chǎn)品的檢測(cè)效率。本文基于C#和Halcon 設(shè)計(jì)了一種LED 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)電流的采集與判斷檢測(cè)。

1 檢測(cè)方案總體設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品檢測(cè)需求分析

如圖1 所示，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈按照?qǐng)D2 的時(shí)序要求，黑色階梯狀圖形代表亮燈，從左向右依次點(diǎn)亮，最后全亮保持。

需要采集轉(zhuǎn)向燈的動(dòng)態(tài)圖片和動(dòng)態(tài)電流波形圖進(jìn)行時(shí)序變化檢測(cè)，變化點(diǎn)的時(shí)間誤差要求為±5 ms，電流誤差為±10%，每組時(shí)間段內(nèi)亮燈的狀態(tài)不得改變[3]。

1.2 整體檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

軟件基于C#，Halcon 平臺(tái)；硬件包括工控機(jī)、高速工業(yè)相機(jī)、高速可編程萬(wàn)用表、通用USB 板卡，I/O 模塊等。檢測(cè)方案設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。首先，通過(guò)高速工業(yè)相機(jī)，可編程萬(wàn)用表和驅(qū)動(dòng)控制模塊采集待測(cè)車燈的動(dòng)態(tài)圖片和動(dòng)態(tài)電流；然后將采集的圖片保存并用視覺(jué)軟件Halcon 進(jìn)行處理；將采集的電流數(shù)據(jù)保存，方便后續(xù)擬合度計(jì)算；最后將Halcon 視覺(jué)庫(kù)與編程語(yǔ)言C#進(jìn)行上位機(jī)二次開(kāi)發(fā)，方便工程人員使用[4]。

1.3 測(cè)試環(huán)境搭建

系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、高速工業(yè)相機(jī)、高速可編程萬(wàn)用表、控制模塊、輸入輸出模塊、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等構(gòu)成。所用的硬件測(cè)試設(shè)備如圖4 所示。待測(cè)車燈選取公司某研發(fā)樣燈產(chǎn)品，高速工業(yè)相機(jī)選用海康威視的MV-CA003-21UC，30 萬(wàn)像素彩色相機(jī)，最高幀率可達(dá)814 fps，采集1 張圖片大約1.23 ms。采用USB3.0 接口實(shí)時(shí)傳輸非壓縮數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于對(duì)節(jié)拍有較高要求的場(chǎng)景，負(fù)責(zé)采集高速動(dòng)態(tài)圖像[5-6]。工業(yè)機(jī)作為系統(tǒng)的主控，選取研華AIMC-3202，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制與圖像處理。高速可編程萬(wàn)用表采用固緯的GDM-9061，采樣率高達(dá)10 k/s，100 k 的數(shù)據(jù)緩存，電流測(cè)量范圍0～10 A，精度10 μA，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)采集高速動(dòng)態(tài)電流。控制模塊主要包括IO 板卡、CAN 卡、繼電器、信號(hào)放大模塊等，采用USB 接口，速度快、易于擴(kuò)展，負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈的控制。

2 檢測(cè)算法原理

2.1 動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)原理

在圖像采集過(guò)程中，LED 光斑與背景的顏色在圖像中的灰度值差異較大，將采集的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并通過(guò)閾值分割將光斑從背景中分離出來(lái)。動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)流程如圖5 所示。

首先將動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈所有燈組全部點(diǎn)亮，并單步采集一張作為標(biāo)準(zhǔn)圖片。通過(guò)閾值分割將光斑提取出來(lái)并計(jì)算各個(gè)光斑的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將光斑的坐標(biāo)按照順序存放在一個(gè)一維數(shù)組內(nèi)，如圖6 所示。然后點(diǎn)亮一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈閃爍周期批量采集圖片，并對(duì)采集的圖片進(jìn)行處理如圖7 所示。計(jì)算出光斑的個(gè)數(shù)和坐標(biāo)，并與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)圖片坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如：當(dāng)光斑個(gè)數(shù)為1 時(shí)，光斑坐標(biāo)必須和標(biāo)準(zhǔn)圖片的第1 個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)；當(dāng)光斑個(gè)數(shù)為3 時(shí)，光斑數(shù)據(jù)必須和標(biāo)準(zhǔn)圖片的前3 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，以此類推。通過(guò)光斑數(shù)量和坐標(biāo)的雙重比對(duì)，即可判斷出動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈是從左向右依次點(diǎn)亮，從而保證動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向周期的時(shí)序性。

2.2 動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)原理

目前的產(chǎn)線上動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)是基于對(duì)采樣電流值的抽樣比對(duì)，且參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，因此需要對(duì)動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)做出改進(jìn)。均方差是各數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的距離平方和的平均數(shù)，用來(lái)度量隨機(jī)變量和數(shù)學(xué)期望之間的偏離程度，計(jì)算公式為

式中：X——電流的標(biāo)準(zhǔn)值；Xi——各個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)的實(shí)際電流值；n——采樣時(shí)刻點(diǎn)的數(shù)量；s2——均方差，用來(lái)反映電流實(shí)際值與電流標(biāo)準(zhǔn)值的偏離程度。電流相似度S 計(jì)算公式為

式中：S——電流相似度；ti——在各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電流值與實(shí)際電流值比對(duì)的值，在誤差范圍內(nèi)記為1，否則記為0。通過(guò)采集樣燈波形作為標(biāo)準(zhǔn)波形，將每次的采樣波形作為測(cè)試波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比對(duì)。采樣電流的時(shí)間點(diǎn)依次為：1，2，3，…，n，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電流為Is1，Is2，Is3，…，Isn；對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的測(cè)試電流為It1，It2，It3，…，Itn，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果為t1，t2，t3，…，tn。設(shè)置允許電流誤差為D，若│It1-Is1│＜D，t1值定義為1，否則為0；若│It2-Is2│＜D，t2值定義為1，否則為0，其余同理。再計(jì)算相似度，反映的是測(cè)試波形與標(biāo)準(zhǔn)波形之間的相似度。最大值為100%，最小值為0。因此在動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)時(shí)，只需要設(shè)置一個(gè)相似度的范圍，極大地簡(jiǎn)化了參數(shù)設(shè)置過(guò)于繁瑣的問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)波形與測(cè)試波形對(duì)比圖如圖8 所示。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

德國(guó)Mvtec 公司開(kāi)發(fā)的機(jī)器視覺(jué)軟件Halcon在機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)目中表現(xiàn)出高效性和穩(wěn)定性，得到廣泛應(yīng)用。Halcon 是一款具有交互式編程開(kāi)發(fā)功能的圖像處理軟件，可導(dǎo)出VB，C，C++，C#等代碼，利用其自有的HDevelop 編程工具，可以輕松地實(shí)現(xiàn)代碼從Halcon 算子到C，C++，C#等程序語(yǔ)言轉(zhuǎn)化，用戶可以利用其開(kāi)放式結(jié)構(gòu)快速開(kāi)發(fā)圖像處理和機(jī)器視覺(jué)軟件[7]。C#是一種安全、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，是.NET 開(kāi)發(fā)的首選語(yǔ)言。它由C 和C++衍生而來(lái)，繼承其強(qiáng)大功能的同時(shí)去掉了一些復(fù)雜特性[8]。本研究的上位機(jī)軟件在Visual Studio 平臺(tái)上利用C#語(yǔ)言和Halcon 進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)功能圖如圖9 所示。

主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）設(shè)置。包括以太網(wǎng)通訊，用于連接可編程萬(wàn)用表。串口通訊用于連接高速工業(yè)相機(jī)。對(duì)動(dòng)態(tài)電流采集參數(shù)設(shè)置，對(duì)工業(yè)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

（2）檢測(cè)。對(duì)采集的動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行算法處理，對(duì)采集的動(dòng)態(tài)電流進(jìn)行擬合度計(jì)算；

（3）數(shù)據(jù)。采集到的動(dòng)態(tài)電流數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)圖像均保存在本地，對(duì)動(dòng)態(tài)圖像以及動(dòng)態(tài)電流的檢測(cè)結(jié)果均采用控件可視化。

3.2 上位機(jī)軟件界面

基于C#和Halcon 開(kāi)發(fā)了一套上位機(jī)軟件，該檢測(cè)系統(tǒng)軟件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行和反復(fù)測(cè)試，具有較好的用戶使用界面，工作性能良好，能夠正確顯示采集的動(dòng)態(tài)電流波形，并且能夠計(jì)算電流擬合度，如圖10 所示。對(duì)采集的動(dòng)態(tài)圖片進(jìn)行檢測(cè)，并將測(cè)試結(jié)果可視化，如圖11 所示。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前市場(chǎng)上動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈閃爍周期短、人眼無(wú)法直接檢測(cè)車燈產(chǎn)品的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)電流時(shí)序檢測(cè)。搭建了硬件測(cè)試平臺(tái)，并基于C#和Halcon 聯(lián)合開(kāi)發(fā)一套上位機(jī)應(yīng)用程序，具有圖像采集、電流采集、圖像時(shí)序判斷、電流擬合度計(jì)算、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)顯示等功能。實(shí)際使用測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，是一種低成本、高可靠、使用便捷的設(shè)計(jì)方案，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。