航空電子系統的人機協作測試及其關鍵技術研究

文/宋中建 周章勇 胡 偉（國營蕪湖機械廠）

航空電子系統是飛機的重要組成部分，航空電子產品集成度高、修理難度大、操作復雜，對修理人員的技術水平要求很高。其中，測試環節是檢驗修理結果與修理質量的最后一道防線，作用至關重要。以測試環節中典型的航空電子系統聯試為例，測試過程存在效率低、過程不可控、結果無法量化且勞動強度大等問題。自動化測試技術可以有效改善人工測試中存在的上述問題，但傳統工業機器人存在的智能化程度較低、安全系數不高、難以人機協作等缺點，制約了其在航空復雜環境中的應用。而隨著深度強化學習、機器視覺等人工智能技術的不斷發展，智能機器人的應用范圍越來越大，其具有的學習與自適應能力更加適合在航空復雜環境中使用。考慮到航空測試的專用性、多樣性和特殊性，需根據應用場景對現有的機器人平臺進行有針對性地開發，使其滿足人機協作測試需求，采用人機協作的方式克服機器人本身的不足，通過優勢互補有效提高測試效率，降低勞動強度，實現測試方式的轉型升級。

一、主要研究內容

本文選取典型的航電聯試環境作為實施場景，實施技術升級和改進，通過測試技術分析、可行性論證、方案設計、系統構建、推廣應用等步驟，將現有的人工測試模式改進為人機協作測試模式。主要涉及航空復雜環境下的人機協作技術、基于機器視覺的圖像處理技術、人機協作測試綜合控制技術。

1. 航空復雜環境下的人機協作技術

航空電子系統人機協作測試工作環境仿真示意圖如圖1 所示，工作環境采用類飛機駕駛艙設計，基本符合人機工效設計，為1200 mm×1190 mm×1400 mm 的矩形空間，實際需要進行測試的區域為①—④四個區域。但由于工作區域小，被操作對象體積小、種類多、價值高，對機器人及其控制系統的操作精度、響應延遲、安全性都有著極高要求。硬件平臺選擇高精度雙臂機器人加RGBD 深度攝像頭，對被操作對象實現實時定位與誤差修正，同時對工作區域及周邊環境進行檢測；采用多傳感器信息融合技術，結合力傳感器，保證產品與人員安全。軟件平臺選擇ROS 操作系統進行開發，實現對機器人的智能控制，在保證安全的前提下實現復雜環境下的人機協作。

圖1 工作環境仿真示意圖

2.基于機器視覺的實時圖像處理技術

航空環境下所需識別的畫面與元素多，復雜程度高，很多畫面包含多個二級、三級子畫面，某些情況下存在多個元素重疊、互相遮擋等現象，需要對畫面中的字符符號、形狀、指針以及其他非典型圖像進行識別，同時需要對識別出的圖像信息進行理解，判斷測試結果是否合格，并記錄相應信息。因此，需要對圖像的預處理、特征提取、模式識別、語義分析等技術進行深入研究，可以通過采用深度學習等人工智能算法進一步提高識別精度，實現復雜畫面的實時圖像處理與分析。擬采用的圖像處理方法如圖2 所示。

圖2 圖像處理方法示意圖

3.人機協作測試綜合控制技術

航空電子系統人機協作測試系統組成示意圖如圖3所示。有別于傳統的產品級測試系統，系統級的測試方法涉及的產品、測試設備更多，產品之間、產品與設備之間的交聯關系更加復雜，且不僅僅包括軟件層面的測試，還包括硬件層面的測試，因此對整個綜合控制系統的要求也更高。系統需要在實現子系統（機器人系統、圖像處理系統、數據管理系統）功能的同時，對綜合控制系統邏輯進行設計，對系統資源進行合理分配與利用，通過獲取的信息（總線數據、圖像數據、機器人反饋、音頻數據等）對測試結果進行判斷，并對人機協作測試系統的下一步操作進行決策。

圖3 人機協作測試系統組成示意圖

二、研究技術方案

航電聯試平臺有別于其他單個產品的測試平臺，具有測試產品種類多、操作流程繁雜、環境復雜等特點，需要在考慮到各個產品的測試需求的基礎上，對整個聯試環境進行分析，設計出相應的人機協作測試方法。

1.技術路線

初步技術路線如圖4 所示，前期主要對當前的航電系統測試技術進行梳理與分類，對產品、設備及人員的安全需求進行分析，并在此基礎上進行廠家調研；中期先對人機協作測試系統中3 個主要的子系統分別進行研究，并設立合理的技術指標，再對整個系統的邏輯進行設計，通過綜合控制系統對各個子系統的資源進行分配，完成系統資源的合理利用；后期通過仿真環境的搭建，對設計好的測試方法進行檢驗，滿足指標要求后進行現場試驗，達到驗收標準后進行驗收。

圖4 技術路線圖

2.實施路線

面向航空電子系統開發的基于航電聯試環境的人機協作測試系統，集成了機器人系統、圖像處理系統、數據管理系統，并開發出與之相匹配的綜合控制系統，對整個人機協作測試過程進行監測和控制，實現測試過程的自動化、信息化、智能化。

機器人控制系統。機器人系統是人機協作測試系統的執行機構，按如下功能進行規劃：網絡管理模塊，對系統間的通信和通信數據進行記錄；視覺定位模塊，對操作對象進行實時定位；運動控制模塊，對機器人的運動軌跡進行實時規劃；力感力控模塊，對機器人末端實現力反饋控制，實現安全防護。

圖像處理系統。圖像處理系統負責對飛機儀表和屏幕信息進行收集與處理，按如下功能進行規劃：圖像預處理模塊，對收集的圖像進行預處理，包括圖像去噪、圖像分割等方法；特征提取模塊，負責對圖像中需要識別部分的特征信息進行提取，包括邊緣、角、區域等；模式識別模塊，實現對圖像中的數字和字符進行識別。

數據管理系統。數據管理系統完成429 總線、1553B 總線、FC 總線和多種非總線信號數據的采集和處理。數據管理系統應具有如下功能：基于局域網的實時數據庫技術，多源信息的獲取與融合技術；具備數據的實時解析、判讀、記錄和回放等能力；1553B 總線、FC 總線測試能力；ARINC429 總線及非總線信號測試能力。

綜合控制系統。綜合控制系統主要由服務器、磁盤陣列和接口轉換設備組成，通過人機協作測試方法的設計，對機器人系統、圖像處理系統、數據管理系統、綜合激勵設備實施控制。根據人機協作測試系統的需求，綜合控制系統具有如下功能：操作系統，含語言編輯軟件、工具軟件、系統支持及維護軟件等；I/O 接口模塊，實現綜合控制系統與各個子系統的通信傳輸；數據庫管理模塊，將所有I/O 的配置信息和輸出量值，存儲到本地的數據庫文件中，程序啟動時會直接讀取上一次的設置值，關閉時直接保存當前的配置信息和輸出量值；流程管理模塊，完成初始條件的設定，控制整個人機協作測試的運作過程，包括腳本的加載、顯示、執行以及異常狀態提示、報警與中止；結果管理模塊，負責記錄整個測試過程中各個子系統的運行狀態，以及測試結果的生成、顯示與存儲。

三、結語

本文主要涉及人機協作技術、圖像處理技術、人工智能技術等研究工作，研究成果可應用于開展人機協作修理、儀表類設備快速測試、跨平臺系統級人機協作測試方法設計等方面。研究的開展將拓寬人機協作技術在航空維修領域的應用范圍，推動航空維修系統從手工作業向自動化、智能化作業方式的轉型，提高生產效率和維修質量，促進產業升級轉型。[本文系蕪湖市科技計劃重點研發項目“航空電子系統的人機協作測試及其關鍵技術”（項目編號：2020yf12）研究成果。 ]