基于機器視覺的航空儀表測試方法研究

王緯國，張子明，劉良勇

（中國人民解放軍第五七二〇工廠，安徽 蕪湖 241007）

目前航空維修企業在維修測試過程中，仍存在大量采用手工作業方式的情況，航空儀表的檢測屬于典型情況之一。一方面，是由于航空儀表屬于人機交互產品，除了指示信號，還存在旋鈕、開關等操作，不像一般的機載設備，通過完全的電信號控制就能實現對各項性能的檢查；另一方面，由于航空儀表種類繁多，且功能差異大，若針對不同型號的儀表開發專用的自動檢測設備，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方式大量存在的原因，但是隨著維修質量控制與生產效能提升需求與日俱增，傳統的手工作業方式也顯露出了問題：參數判讀主觀性大、部分性能參數存在測試標準未量化、目視難以定量分析、檢測過程無追溯性、檢測效率低等。針對上述情況，基于在汽車儀表檢測領域已廣泛應用的機器視覺技術，研究航空儀表的測試方法改進成為首要解決問題的途徑。

1 機器視覺

隨著計算機技術的快速發展，通過對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、圖像濾波及頻率分析、圖像分割等），機器視覺技術已實現了模式及幾何匹配、條形碼閱讀及分級、光學特性識別驗證、空間標定、顆粒分析、色彩檢查、邊緣檢測、目標分類、尺寸計量、黃金模板比對等功能，并被廣泛應用到各行各業，包括汽車零部件的自動化檢測、高級藥品的研發、交通運輸等。圖1所示為典型的機器視覺系統結構圖。

圖1 典型的機器視覺系統結構圖

近幾年，邢益臨利用CCD彩色相機采集汽車儀表圖像，通過機器視覺算法進行儀表指針校準及檢測、LED顏色及亮度檢測；徐洋采用OpenCV編程環境，采集有效的汽車指針儀表盤圖像，識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確性是否符合要求；申中鴻利用機器視覺技術，結合計算幾何軌跡識別方法，實現數字顯示儀表的自動讀數；孫勇提出一種改進的自適應閾值法，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，很好地實現圖像輪廓提取、特征細節突出；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，提高了運算速度，降低了占用內存，同時減少了直線誤匹配的機會，實現了指針式航空儀表讀數自動識別。

不難看出，國內已開展了大量針對儀表檢測領域的應用研究，從檢測系統的硬件構建、軟件開發到算法優化，形成了較為成熟的工程化應用案例。但另一方面，這些研究也存在偏重單項性能、偏重算法研究等情況，對于儀表的其他性能檢測關注不足，甚至存在研究盲點，沒有充分發揮出機器視覺技術的功能特點和技術優勢。這也是機器視覺技術在航空儀表測試上的應用程度不深的原因之一。

2 測試需求

為了研究機器視覺技術在航空儀表測試上的應用，首先需對航空儀表的測試需求進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

根據航空儀表的制造技術規范及維修技術條件、維修工藝規程等資料，對航空儀表的性能總結如下。

（1）外觀。航空儀表屬于人機交互界面，因此對外觀要求較為嚴格。檢查內容包括面板無磕碰、劃痕等損傷，符合圖紙要求；指針、刻度、標記應正確、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參數電信號的轉換精度，是航空儀表的關鍵指標。檢查內容包括零位誤差、指示誤差、遲滯誤差、指示范圍、指示靈敏性、指示穩定性、互差等。

（3）機械性能。部分帶有旋鈕的航空儀表，需檢查旋鈕的轉動力矩、調節范圍、調節穩定性等性能。

（4）測量參數。航空儀表大部分均為接收電信號，轉換為相應的指針刻度；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，通過對氣壓壓力的感受，直接轉換成指針刻度；另外，還有一些是自身感受空間姿態進行指示，簡單的如側滑儀，由一個玻璃管和一個圓珠組成，根據圓珠的偏擺位置判斷飛機的側滑姿態，復雜的如地平表，感受并指示飛機的俯仰和傾斜姿態。

3 技術途徑

對于航空儀表的外觀和指示性能檢查，利用機器視覺的黃金模板比對、顆粒分析、模式及幾何匹配、尺寸計量等功能實現，從技術可行性上分析無明顯難點，研究的重點一是針對不同型號航空儀表的各項性能的檢測軟件的開發，二是判斷閾值標準的確認。判斷閾值標準就是原本定性判斷的性能指標，轉換成定量數值指標的過程。例如，定性指標“無肉眼可見的灰塵”，對于機器視覺檢查，其定量數值指標就轉換成灰塵顆粒尺寸大小。

對于機械性能，如旋鈕調節范圍等，除了機器視覺外，可結合控制執行機構進行檢測，例如，采用小型伺服電機進行控制，研究的重點是與旋鈕的對接裝置的設計。

若要實現航空儀表的全程自動化檢測，則必須對測量參數或工作環境進行仿真。電信號的仿真可利用DA數模轉換板卡、任意函數發生器等實現；大氣壓力可利用程控大氣數據系統實現；空間姿態可利用三軸轉臺實現。

4 工程化原則

開展工程化應用是實現航空儀表測試方法改進提升的成果形式，根據對現狀及需求的分析研究，擬定了基于機器視覺構建檢測系統時遵循的原則。

（1）應根據檢測需求的必要性確定應用切入點。必要性的考量主要依據檢測質量保證要求，而不是自動化水平或生產效率。這是由于針對航空維修小批量、多品種的特點，機器視覺技術應用水平需經過一定的經驗積累，因此應用初期的檢測效率提升不會顯著，以此為需求的話將難以滿足設定的期望值。而針對目前手工檢測存在的質量問題應用機器視覺技術，則能很好地發揮機器視覺定量分析和高精度的技術優勢，易于達成目標。例如，某型航空儀表，其指示穩定性要求“地平線線性位移不大于±0.15mm”，在以往的手工檢測中，肉眼是難以檢查的，若現場缺乏相應的檢測工具設備，則反映到企業維修過程中，將出現以下問題：難以落實進工藝，造成文文不相符；落實進工藝，又難以操作；上下工序交接扯皮。

（2）在構建檢測系統時，柔性化、模塊化設計應貫穿全過程，包括硬件設計和軟件開發。硬件設計中，應采用高像素、高成像品質的相機型號，并配置多種類型的光源和可程控光源控制器；機器視覺系統的支持臺架應簡潔，易于姿態調整。軟件設計中，根據需求的必要性逐項開發某項航空儀表各種性能的檢測軟件，待應用成熟后推廣至其他型號的航空儀表。另外，應優先使用現有的仿真航空儀表測量參數或工作環境的設備，不但可以減少相關投入費用，保持測試方法的延續性，而且使研發精力能專注于機器視覺系統的開發，降低整個系統集成的風險。待軟件功能齊全完善后，再根據需求開展半自動到全自動機器視覺檢查系統的研制。

5 結語

目前已成功搭建了一套針對某型地平表指針指示誤差參數的非接觸尺寸測試系統，實現了該地平表零位誤差和地平線穩定性的測試。研制過程遵循了上述的技術途徑和工程化原則，確保了項目的順利推進。后續將繼續開展該型地平表其他性能的軟件設計工作，增加測試系統的性能檢測覆蓋率。