淺談一種飛機參數顯示器的自動測試系統

王洪濤，王緯國，顧敏波，王輝

（國營蕪湖機械廠，江蘇 蕪湖 241000）

參數顯示器是飛機座艙中重要的儀表，傳統測試采用人工目視檢查，由專用設備給出激勵信號，存在費時、工作量大、測試結果無法保存、測試過程無法監控的問題。

參數顯示器顯示界面由垂直畫面、水平畫面、發動機參數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，采用傳統專用設備花費多、資源浪費，因此本項目基于現場的ATE 完成測試，針對不同的測試需求，僅需要研制相應的TPS（包括測試程序、測試適配器、測試電纜）即可實現部件測試需求，節約了各類儀器資源的采購費用和系統搭建周期，文獻[1]基于現場的ATE設計了一套自動飛行控制系統測試系統。

近些年，機器視覺技術在測試領域有了迅速的發展，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備，該設備可以完成顯示器的功能測試，但顯示質量測試，即界面信息讀取仍需人工目視檢測；文獻[3][4]基于機器視覺開發了航空座艙儀表的識別和檢測方法，并應用于指針類儀表的檢測；文獻[5]基于Halcon 與Qt 設計了一套自動分類系統軟件，實現真正的機器換人。

本文提出一種基于ATE 與機器視覺技術實現飛機參數顯示器自動測試的方法，具有較大的工程應用價值。

1 測試系統硬件架構

飛機參數顯示器的自動測試系統硬件架構如圖1 所示。硬件系統結構上可分激勵信號子系統和圖像采集子系統組成。激勵信號子系統作用為飛機參數顯示器提供激勵、工業相機供電、控制電磁閥，圖像采集子系統負責飛機參數顯示器的界面信息讀取。

圖1 飛機參數顯示器的自動測試系統硬件架構

1.1 激勵信號子系統

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 相應資源產生，具體涉及到的資源見圖1。

適配器是連接激勵和產品之間的橋梁。通過適配器將激勵信號輸入到參數顯示器上；參數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，適配器上設計了信號監控孔，用于輔助排故使用。

1.2 圖像采集子系統

圖像采集子系統包括圖像采集板卡、工業相機、采集裝置工裝組成。圖像采集子系統代替人眼采集飛機參數顯示器的畫面信息，并將實時采集畫面傳遞給上位機軟件用于解算畫面信息。

2 測試系統軟件架構

系統軟件基于Qt 平臺設計，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界被認為是具有最佳效能的機器視覺軟件。

參數顯示器的自動測試系統軟件架構如圖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。系統管理軟件與功能軟件構成激勵信號子系統的主程序，控制硬件資源產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果傳給系統功能軟件。

圖2 飛機參數顯示器的自動測試系統軟件架構

3 圖像處理算法研究

參數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、發動機參數、組合4 個畫面等，特殊畫面是指功能畫面產生抖動、黑屏等情況，特殊畫面需要持續監控并對發生時間做準確記錄，不需要單獨建立模板。

3.1 模板建立

模板創建流程圖如圖3 所示。按照功能畫面不同創建模板，對模板中需要識別的信息設置感興趣區域（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建ROI，包括標準形狀、任意形狀等，利用圖像金字塔監視形狀模板。

圖3 模板創建流程圖

圖4 設定0CR 參數

圖5 圖像采集專用工裝

3.2 模板匹配

采用基于形狀的模板匹配的方法，優點在于圖像在旋轉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，仍能識別出目標區域。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。基于形狀的模板匹配的方法針對畫面中圓盤類指針、帶狀指針。

3.3 字符識別

參數顯示器需要識別的字符種類包括漢字、數字、字母、特殊符號等3 種。字符識別的實現分2 個過程：一是使用字符數據來訓練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，識別率和預期有差別，所以要對分割出的字符進行訓練,訓練采用支持向量機（SVM）算法作為分類算法，訓練完成后生成字符模型文件。

3.4 特殊畫面檢測

特殊畫面匹配采用歸一化積相關（NCC）匹配，通過比較參考圖像與輸入圖像在各個位置的相關系數，相關值最大的點就是最佳匹配位置，相關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定閾值即判定為黑屏。

4 測試設計

4.1 圖像采集子系統選型

圖像采集子系統選型的需求如下：

（1）參數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。

4.2 圖像采集專用工裝設計

圖像采集專用工裝設計主要考慮產品與工裝對接簡便、對位準確，兼顧考慮加工可行性和體積、重量輕便。通過該工裝上7 個電磁閥實現手動畫面切換的功能。

4.3 激勵設計

圖1 中D/A 板卡產生測試所需的直流模擬信號；軸角仿真板卡產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顯示器提供工作電源；數字IO 板卡產生和采集測試所需的離散量信號；UART 板卡實現與參數顯示器的通信以及產生測試所需的UART 信號；ARINC 429 板卡提供測試所需的ARINC 429/419 信號；矩陣開關板卡與通用開關板卡用于測試時通道切換、信號輸出控制等。

4.4 軟件設計

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進行自檢。當身份驗證和系統自檢未通過時退出測試軟件。系統自檢通過后，根據需要進行自動測試和單項（單畫面）測試的選擇，自動測試時數據自動保存在報表中，單項測試時根據需要進行數據保存。

圖6 軟件流程

5 測試實現

系統整體外觀如圖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送激勵信號輸出，相機自動識別畫面信息；產品自動測試條件下，計算機根據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 系統整體外觀

圖8 測試畫面主界面

6 結語

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域缺少智能檢測方式的空白，優點突出，目前已經應用于測試現場，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，具有很高的經濟價值和使用價值。

在實際測試過程中發現，如果參數顯示器和相機定位產生一定偏移，某些ROI 的測量結果將不準確，項目魯棒性有待進一步優化。