文/宋中建 周章勇 胡 偉（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠）

航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，航空電子產(chǎn)品集成度高、修理難度大、操作復(fù)雜，對(duì)修理人員的技術(shù)水平要求很高。其中，測(cè)試環(huán)節(jié)是檢驗(yàn)修理結(jié)果與修理質(zhì)量的最后一道防線，作用至關(guān)重要。以測(cè)試環(huán)節(jié)中典型的航空電子系統(tǒng)聯(lián)試為例，測(cè)試過(guò)程存在效率低、過(guò)程不可控、結(jié)果無(wú)法量化且勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)可以有效改善人工測(cè)試中存在的上述問(wèn)題，但傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人存在的智能化程度較低、安全系數(shù)不高、難以人機(jī)協(xié)作等缺點(diǎn)，制約了其在航空復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。而隨著深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)等人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來(lái)越大，其具有的學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力更加適合在航空復(fù)雜環(huán)境中使用?？紤]到航空測(cè)試的專用性、多樣性和特殊性，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)，使其滿足人機(jī)協(xié)作測(cè)試需求，采用人機(jī)協(xié)作的方式克服機(jī)器人本身的不足，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)有效提高測(cè)試效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)測(cè)試方式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

一、主要研究?jī)?nèi)容

本文選取典型的航電聯(lián)試環(huán)境作為實(shí)施場(chǎng)景，實(shí)施技術(shù)升級(jí)和改進(jìn)，通過(guò)測(cè)試技術(shù)分析、可行性論證、方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建、推廣應(yīng)用等步驟，將現(xiàn)有的人工測(cè)試模式改進(jìn)為人機(jī)協(xié)作測(cè)試模式。主要涉及航空復(fù)雜環(huán)境下的人機(jī)協(xié)作技術(shù)、基于機(jī)器視覺(jué)的圖像處理技術(shù)、人機(jī)協(xié)作測(cè)試綜合控制技術(shù)。

1. 航空復(fù)雜環(huán)境下的人機(jī)協(xié)作技術(shù)

航空電子系統(tǒng)人機(jī)協(xié)作測(cè)試工作環(huán)境仿真示意圖如圖1 所示，工作環(huán)境采用類飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)，基本符合人機(jī)工效設(shè)計(jì)，為1200 mm×1190 mm×1400 mm 的矩形空間，實(shí)際需要進(jìn)行測(cè)試的區(qū)域?yàn)棰佟芩膫€(gè)區(qū)域。但由于工作區(qū)域小，被操作對(duì)象體積小、種類多、價(jià)值高，對(duì)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的操作精度、響應(yīng)延遲、安全性都有著極高要求。硬件平臺(tái)選擇高精度雙臂機(jī)器人加RGBD 深度攝像頭，對(duì)被操作對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位與誤差修正，同時(shí)對(duì)工作區(qū)域及周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)；采用多傳感器信息融合技術(shù)，結(jié)合力傳感器，保證產(chǎn)品與人員安全。軟件平臺(tái)選擇ROS 操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的智能控制，在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的人機(jī)協(xié)作。

圖1 工作環(huán)境仿真示意圖

2.基于機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)

航空環(huán)境下所需識(shí)別的畫(huà)面與元素多，復(fù)雜程度高，很多畫(huà)面包含多個(gè)二級(jí)、三級(jí)子畫(huà)面，某些情況下存在多個(gè)元素重疊、互相遮擋等現(xiàn)象，需要對(duì)畫(huà)面中的字符符號(hào)、形狀、指針以及其他非典型圖像進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)需要對(duì)識(shí)別出的圖像信息進(jìn)行理解，判斷測(cè)試結(jié)果是否合格，并記錄相應(yīng)信息。因此，需要對(duì)圖像的預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別、語(yǔ)義分析等技術(shù)進(jìn)行深入研究，可以通過(guò)采用深度學(xué)習(xí)等人工智能算法進(jìn)一步提高識(shí)別精度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜畫(huà)面的實(shí)時(shí)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(jī)協(xié)作測(cè)試綜合控制技術(shù)

航空電子系統(tǒng)人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。有別于傳統(tǒng)的產(chǎn)品級(jí)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試方法涉及的產(chǎn)品、測(cè)試設(shè)備更多，產(chǎn)品之間、產(chǎn)品與設(shè)備之間的交聯(lián)關(guān)系更加復(fù)雜，且不僅僅包括軟件層面的測(cè)試，還包括硬件層面的測(cè)試，因此對(duì)整個(gè)綜合控制系統(tǒng)的要求也更高。系統(tǒng)需要在實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)（機(jī)器人系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）功能的同時(shí)，對(duì)綜合控制系統(tǒng)邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理分配與利用，通過(guò)獲取的信息（總線數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、機(jī)器人反饋、音頻數(shù)據(jù)等）對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷，并對(duì)人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)的下一步操作進(jìn)行決策。

圖3 人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

二、研究技術(shù)方案

航電聯(lián)試平臺(tái)有別于其他單個(gè)產(chǎn)品的測(cè)試平臺(tái)，具有測(cè)試產(chǎn)品種類多、操作流程繁雜、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，需要在考慮到各個(gè)產(chǎn)品的測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)聯(lián)試環(huán)境進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的人機(jī)協(xié)作測(cè)試方法。

1.技術(shù)路線

初步技術(shù)路線如圖4 所示，前期主要對(duì)當(dāng)前的航電系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行梳理與分類，對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備及人員的安全需求進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廠家調(diào)研；中期先對(duì)人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)中3 個(gè)主要的子系統(tǒng)分別進(jìn)行研究，并設(shè)立合理的技術(shù)指標(biāo)，再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的資源進(jìn)行分配，完成系統(tǒng)資源的合理利用；后期通過(guò)仿真環(huán)境的搭建，對(duì)設(shè)計(jì)好的測(cè)試方法進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足指標(biāo)要求后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行驗(yàn)收。

圖4 技術(shù)路線圖

2.實(shí)施路線

面向航空電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基于航電聯(lián)試環(huán)境的人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)，集成了機(jī)器人系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)出與之相匹配的綜合控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)人機(jī)協(xié)作測(cè)試過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化、信息化、智能化。

機(jī)器人控制系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)是人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按如下功能進(jìn)行規(guī)劃：網(wǎng)絡(luò)管理模塊，對(duì)系統(tǒng)間的通信和通信數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；視覺(jué)定位模塊，對(duì)操作對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃；力感力控模塊，對(duì)機(jī)器人末端實(shí)現(xiàn)力反饋控制，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。

圖像處理系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)飛機(jī)儀表和屏幕信息進(jìn)行收集與處理，按如下功能進(jìn)行規(guī)劃：圖像預(yù)處理模塊，對(duì)收集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像去噪、圖像分割等方法；特征提取模塊，負(fù)責(zé)對(duì)圖像中需要識(shí)別部分的特征信息進(jìn)行提取，包括邊緣、角、區(qū)域等；模式識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中的數(shù)字和字符進(jìn)行識(shí)別。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)完成429 總線、1553B 總線、FC 總線和多種非總線信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：基于局域網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，多源信息的獲取與融合技術(shù)；具備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解析、判讀、記錄和回放等能力；1553B 總線、FC 總線測(cè)試能力；ARINC429 總線及非總線信號(hào)測(cè)試能力。

綜合控制系統(tǒng)。綜合控制系統(tǒng)主要由服務(wù)器、磁盤陣列和接口轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，通過(guò)人機(jī)協(xié)作測(cè)試方法的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、綜合激勵(lì)設(shè)備實(shí)施控制。根據(jù)人機(jī)協(xié)作測(cè)試系統(tǒng)的需求，綜合控制系統(tǒng)具有如下功能：操作系統(tǒng)，含語(yǔ)言編輯軟件、工具軟件、系統(tǒng)支持及維護(hù)軟件等；I/O 接口模塊，實(shí)現(xiàn)綜合控制系統(tǒng)與各個(gè)子系統(tǒng)的通信傳輸；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，將所有I/O 的配置信息和輸出量值，存儲(chǔ)到本地的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)直接讀取上一次的設(shè)置值，關(guān)閉時(shí)直接保存當(dāng)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(shè)定，控制整個(gè)人機(jī)協(xié)作測(cè)試的運(yùn)作過(guò)程，包括腳本的加載、顯示、執(zhí)行以及異常狀態(tài)提示、報(bào)警與中止；結(jié)果管理模塊，負(fù)責(zé)記錄整個(gè)測(cè)試過(guò)程中各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以及測(cè)試結(jié)果的生成、顯示與存儲(chǔ)。

三、結(jié)語(yǔ)

本文主要涉及人機(jī)協(xié)作技術(shù)、圖像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)等研究工作，研究成果可應(yīng)用于開(kāi)展人機(jī)協(xié)作修理、儀表類設(shè)備快速測(cè)試、跨平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)人機(jī)協(xié)作測(cè)試方法設(shè)計(jì)等方面。研究的開(kāi)展將拓寬人機(jī)協(xié)作技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，推動(dòng)航空維修系統(tǒng)從手工作業(yè)向自動(dòng)化、智能化作業(yè)方式的轉(zhuǎn)型，提高生產(chǎn)效率和維修質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型。[本文系蕪湖市科技計(jì)劃重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“航空電子系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)作測(cè)試及其關(guān)鍵技術(shù)”（項(xiàng)目編號(hào)：2020yf12）研究成果。 ]