Анализ методов и устройств обработки изображений индикаторов панелей приборов

Системы проверки электронных индицирующих приборов подразделяются на два класса: полуавтоматизированной и автоматической проверки.

Системы полуавтоматизированной проверки электронных индицирующих приборов характеризуются необходимостью присутствия оператора для реализации данной операции.

Стенд представляет собой систему, состоящую из блока формирования управляющих сигналов, настольного каркаса для жесткого закрепления АКП, включающего в себя блок лампочек, направленных на стрелочные индикаторы. Блок формирования управляющих сигналов работает под управлением микроконтроллера, который обеспечивает формирование тестовых сигналов, аналогичных сигналам, получаемым от датчиков скорости, уровня топлива и других, и поступающих на входы внешнего 19

разъема АКП. Таким образом, стенд эмулирует работу АКП в целевой среде функционирования (разумеется, с определенными ограничениями), что и позволяет производить проверку работоспособности АКП. Оператор, в свою очередь, наблюдает за изменением отображаемой информации на передней панели приборов (отклонение стрелок, включение световых сигнализаторов и др.) и принимает решение о правильности индицирования каждого отображаемого параметра. По окончании процесса оператор делает заключение о годности АКП к эксплуатации.

Основными недостатками описанного стенда, а вместе с ним и класса полуавтоматизированных систем, является недостаточная точность проверки показаний прибора, так как выполнение вех операций от формирования тестовых воздействий и установления режима индикации до снятия показаний и оценки их правильности целиком входит в обязанности рабочего персонала, а также низкое быстродействие, поскольку на переключение тестовых сигналов, а также на выбор режимов индикации затрачивается до 50% суммарного времени проверки.

Следующий класс систем (устройств) в свою очередь подразделяется на два больших подкласса: с контактным контролем продукции (автоматизированные системы отладки с применением метода сигнатурного анализа и др.) и бесконтактным контролем продукции. Поскольку, последний способ является единственно приемлемым при вычислении параметров работоспособности электронных индицирующих приборов, отображающих информацию с помощью световых сигнализаторов различных типов, остановимся на развитии оптико-электронных систем (ОЭС) автоматической проверки электронных индицирующих приборов более подробно.

Совершенствование технологий автоматизации операций контроля и поверки измерительных приборов на основе ОЭС продолжается. Теоретические основы решения проблемы автоматизации проверочных работ были заложены в работах, проводимых более 30 лет назад в ВННИМС под руководством А.Я. Безикович, В.И. Прицкера, С.П. Эскина, Д.И. Зорина [16].

Следующим этапом явилась разработка систем автоматизированной поверки электронно-измерительных приборов такими учеными как Ю.А. Хохлов, И.П. Гринберг, Ю.В. Корольков, В.А. Ищенко, В.Н. Чинков, П.В. Минченков [17]. Данные системы использовали отсчетные устройства на базе передающих телевизионных камер, что позволило предложить способы контроля и поверки не только щитовых стрелочных измерительных приборов, но и приборов с комбинированными многострочными шкалами и с цифровой индикацией показаний. Следующим направлением в развитии систем автоматизации поверки явились работы, выполненные в конце 80-х годов под руководством В.С. Титова, В.И. Сырямкина, А.С. Сизова, М.С. Ройтмана, Ю.Г. Свинолупова, В.П. Войтко, Д.Л. Удута, Э.Н. Седова [18, 19], в которых оптические считывающие устройства использовались как системы технического зрения, что привело к тому, что системы автоматизации поверки фактически сформировались как самостоятельная разновидность ОЭС.

Современный этап развития ОЭС автоматического контроля средств измерений, известный из работ В.С. Титова, А.Е.

Сложные электронные индицирующие приборы, такие как авиационные приборы, медицинские панели индикации, автомобильные комбинации приборов, содержат в своем составе комплекс средств (индицирующих приборов) для отображения числовой, текстовой, символьной, сигнальной информации [20], а именно различные виды стрелочных индикаторов, жидкокристаллических дисплеев, световых индикаторов. Устройства диагностирования электронных индицирующих приборов должны учитывать данную сложность объектов контроля.

В результате проведенного анализа научно-технических источников необходимо выделить устройство, позволяющее производить полную проверку характеристик отображающих приборов при помощи компьютера [25]. Устройство работает следующим образом: на стенд крепится тестируемая приборная комбинация. В программу загружается драйвер, содержащий информацию об этой комбинации. Видеокамера позиционируется напротив тестируемой шкалы. На отображающий измерительный прибор подается сигнал ШИМ-модуляции, в результате чего показание прибора меняется в соответствии с данными, заложенными в программе контроля. Видеоизображение, снятое видеокамерой, передается по каналу связи в компьютер для дальнейшей математической обработки. После полного теста происходит перемещение видеокамеры к следующему контрольному прибору и процесс повторяется.

Математическая обработка изображения включает в себя следующие этапы: бинаризация, нахождение центра шкалы прибора по осям X и Y, определение диаметра шкалы (для линейной шкалы - ее длины), нахождение рисок делений и определение их количества, определение положения стрелки прибора. В результате синтезируется математическая модель прибора, использование которой позволяет проверить испытуемый прибор по следующим параметрам: достоверность показаний (реально достижимая точность ±0,1°..0,5°), соответствие инерционных показателей приборов, отсутствие дрожания стрелки, начальное положение стрелки.

Недостатком существующего устройства является низкая скорость проверки и необходимость подключения к вычислительному устройству - персональной ЭВМ.

Из существующего уровня техники известно также устройство для

автоматического тестирования и поверки современных электронных комбинаций приборов [26].

Структурная схема устройства приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Структурная схема для автоматического тестирования и поверки современных электронных комбинаций приборов

Устройство содержит первый персональный компьютер, который соединен электрически с использованием двух контроллеров шины FireWire с четырьмя цифровыми видеокамерами, которые в свою очередь оптически соединены с передней панелью электронной комбинации приборов, а также соединен с использованием контроллеров DIO с двумя электронными управляемыми магазинами сопротивлений, которые электрически соединены с входами датчика уровня топлива и датчика температуры охлаждающей жидкости на задней панели электронной комбинации приборов; а также содержит второй персональный компьютер, который соединен электрически с

23

использованием контроллера GPIB с двумя электронными управляемыми генераторами сигналов, которые в свою очередь электрически соединены с входами датчика скорости движения автомобиля, датчика скорости вращения коленчатого вала двигателя и управляющим входом на задней панели электронной комбинации приборов.

Второй персональный компьютер подает управляющий сигнал на первый генератор сигналов для создания тестового сигнала на линии, подключенной к входу датчика скорости движения автомобиля, после чего второй персональный компьютер подает управляющий сигнал на второй генератор сигналов для создания тестового сигнала на линии, подключенной к датчику скорости вращения коленчатого вала двигателя.

Первый персональный компьютер подает управляющий сигнал на первый магазин сопротивлений для создания тестового сопротивления на линии, подключенной к входу датчика уровня топлива; затем первый персональный компьютер подает управляющий сигнал на второй магазин сопротивлений для создания тестового сопротивления на линии, подключенной к входу датчика температуры охлаждающей жидкости. Третья видеокамера захватывает изображение стрелочного индикатора уровня топлива и стрелочного индикатора температуры охлаждающей жидкости, после чего первый персональный компьютер распознает показания данных стрелочных приборов.

Недостатком данного устройства является низкое быстродействие из-за последовательного распознавания показаний средств индикации электронной автомобильной панели приборов с использованием первого персонального компьютера, оснащенного одноядерным центральным процессором.

Рассмотрим ряд методов и устройств, предназначенных для тестирования стрелочных измерительных приборов.

В работе [17] рассматривается структура и состав системы поверки электроизмерительных приборов.

Разработанная система автоматизации поверки (АП) предназначена для автоматизации поверки основных классов ЭИП, выпускаемых ОАО «Электроприбор» г. Чебоксары. В состав системы входят следующие устройства: источник калиброванных сигналов ИКС - калибратор П320/321; отсчитывающее устройство ОУ - оптический планшетный сканер ScanJet3300 фирмы “Hewlett Packard”; устройство обработки информации УОИ - персональный компьютер с процессором Pentium III [17].

С помощью данной системы можно одновременно поверять несколько однотипных электроизмерительных приборов постоянного тока:

1) стрелочных типа М42300, М42301 или аналогичных с габаритами 80х80, 60х60 класса 1,5 или 2,5;

2) цифровых типа Щ00, Щ01 или аналогичных с габаритами 24х48, 24х96 класса 0,2.

Для обеспечения во время поверки рабочего положения стрелочного ЭИП сканер расположен вертикально. При поверке приборы помещаются в специальную технологическую маску индикаторной частью к полю считывания. Калибратор П302/321 обеспечивает выдачу калиброванных напряжений постоянного тока. Для возможности его использования в автоматизированных системах и комплексах у него предусмотрен режим программного управления по параллельному интерфейсу в двоично­десятичном коде 8-4-2-1. Калибратор подключен к персональному компьютеру системы через параллельный порт и специальную плату расширения. Сканер подключается к компьютеру либо также через параллельный порт, либо по порту USB (в зависимости от варианта его исполнения). Программным средством связи между сканером и основной программой системы служит TWAIN-драйвер.

Алгоритм поверки приборов заключается в последовательном выполнении следующих трех основных операций:

1) задание входного испытательного сигнала на поверяемый прибор;

2) считывание показаний прибора в контрольной поверяемой точке;

3) вычисление приведенной погрешности прибора и управление работой системы в целом.

Недостатками описанной системы являются:

ограниченность применения двумя типами КИП;

низкая скорость поверки из-за применения для считывания показаний планшетного сканера.

Известно устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, которое представляет собой измерительное средство, построенное на основе микроЭВМ, подключенной к магистрали ЭВМ программно управляемого источника тестового сигнала, многоканального устройства обработки телевизионного изображения и ввода его в ОЗУ ЭВМ по программному каналу, связанного через коммутатор с несколькими телевизионными камерами, каждая из которых может формировать изображение некоторого количества поверяемых приборов [18].

Недостатком устройства является то, что в нем для считывания показаний приборов используется телекамера, усложняющая процесс ввода изображения и определения показаний, что влечет за собой введение дополнительных блоков обработки телевизионного изображения.

Существует способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, в котором на поверяемый прибор подается монотонно изменяющийся по известному закону в пределах от нуля до номинального значения конечной точки шкалы входной сигнал, оптически сканируется шкала, осуществляется расчет моментов совмещения указателя с поверяемыми отметками, а погрешность прибора определяют как разность между номинальным значением отметки и значением входного сигнала в момент времени, соответствующий совмещению указателя с отметкой, причем в каждом цикле сканирования определяется момент отсчета показаний и показание прибора, определяют показание прибора во всех 26

поверяемых точках, определяется зависимость между показаниями прибора и временем в ходе поверки в виде интерполирующего многочлена, из которого находят моменты совмещения указателя с поверяемыми отметками [19].

Недостатком способа является сложность и низкая точность, т.к. для определения погрешности по нему необходимо построить интерполяционный многочлен, связывающий показания прибора и время в ходе поверки.

В [20] рассматривается устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, построенное таким образом, что в результате оптического сканирования шкалы прибора при изменении входного сигнала от нуля до номинального значения конечной отметки шкалы получается графическая зависимость угла отклонения стрелки от сигнала, подаваемого на вход прибора, без сложной обработки изображения индикаторной части прибора; на поверяемый прибор подается монотонно изменяющийся по известному закону в пределах от нуля до номинального значения конечной точки шкалы входной сигнал, оптически сканируется шкала, рассчитываются моменты совмещения указателя с поверяемыми отметками, а погрешность прибора определяется как разность между номинальным значением отметки и значением входного сигнала в момент времени, соответствующий совмещению указателя с отметкой.

Особенность рассмотренного алгоритма заключается в том, что шкала сканируется в направлении от оси вращения стрелки к отметкам с такой скоростью, чтобы за время изменения входного сигнала от нуля до номинального значения конечной отметки была считана зона от оси вращения стрелки до начала конечной отметки шкалы, перпендикулярно этому направлению скорость сканирования устанавливается такой, чтобы результат считывания стрелки фиксировался в виде непрерывной траектории ее движения под действием входного сигнала.

Устройство содержит блок обработки и управления, выход которого подключен к блоку формирования калиброванных сигналов, соединенному с клеммами для подключения поверяемого прибора. В него также включен 27

программно управляемый оптический сканер планшетного типа, на считываемое поле которого помещается поверяемый прибор, а выход сканера подключается к блоку обработки и управления.

Недостатками данного устройства являются необходимость в постоянном контроле скорости сканирования индикаторной части прибора; невозможность установки дискретных значений тестовых показаний для контроля их правильности; низкая скорость поверки прибора из-за применения в качестве средства получения изображения индикаторной части приборов сканера планшетного типа.

Известно устройство для автоматической поверки стрелочных измерительных приборов, содержащее передающую телевизионную камеру, оптически соединенную с поверяемым прибором, блок обработки и управления, выход которого подключен к блоку формирования калиброванного сигнала, соединенного с клеммами для подключения поверяемого прибора, блок программно-управляемого сканирования, вход которого подключен к выходу телевизионной передающей камеры, а выход - к блоку обработки и управления, а управляющий вход блока программно­управляемого сканирования подключен к второму выходу блока обработки и управления [21, 22].

Для нахождения значения показания стрелочного прибора предварительно устанавливается связь между углом поворота стрелочного указателя и показанием прибора, сканируют изображение индикаторной части прибора, запоминается изображение, соответствующее нулевому показанию прибора, задается дискретно возрастающий сигнал и запоминается второе изображение, соответствующее новому показанию прибора; производится сравнение числовых значений элементов двух полученных массивов с пороговым уровнем; методом наименьшего квадратичного отклонения определяется угол наклона двух прямых, проходящих через точки соответствующих массивов; рассчитываются угол поворота как функцию разности арктангенса значения конечного угла 28

наклона и арктангенса значения начального угла наклона; определяется показание стрелочного прибора по рассчитанному углу поворота.

Недостатком данного устройства является низкая скорость поверки прибора, связанная с использованием передающей телевизионной камеры. Ее использование усложняет ввод и обработку изображения индикаторной части поверяемого прибора и является причиной введения блока программно­управляемого сканирования. Недостатком также являеются значительные вычислительные затраты из-за использования метода наименьшего квадратичного отклонения и расчета функции арктангенса.

Исследование [20] посвящено разработке системы для калибровки стрелочных измерительных приборов с использованием методов машинного зрения.

Система не лишена недостатков, а именно: сложность алгоритма распознавания, включающего поиск центра индикатора; поиск положения конца стрелки индикатора, что вносит дополнительную сложность в аппаратную реализацию.

Автоматизации проверки качества производства стрелочных индикаторов с помощью оптико-электронных систем, производящих распознавание показаний на передней панели прибора, посвящены исследования Роберта Саблатнига [23], Д. В. Юрина [24].

Существуют ОЭС [23] в основе метода распознавания показаний стрелочного индикатора лежит применение модифицированного преобразования Хафа над бинаризованным изображением указателя. Сходный принцип вычисления показаний стрелочного индикатора применен в [25], где преобразование Хафа выполняется над бинаризованным скелетизованным изображением шкалы индикатора.

В работе [24] применяются алгоритмы вычисления контурного изображения указателя, преобразования в полярную систему координат, свертки полученного изображения при помощи преобразования Хартли.

Указанные методы [23, 24] показывают высокий уровень развития

технических и алгоритмических средств, однако не лишены недостка, который заключается в низком быстродействии при высокой вычислительной сложности.

В работе [27] представлено описание метода распознавания символьной информации автомобильного бортового компьютера. Особенностью решаемой авторами задачи распознавания символьной информации является предварительная обработка графической информации, определение габаритного контейнера символа, кодирование проекции векторного эталона и контура символа, сравнение векторного представления с заранее определенными шаблонами.

Недостатком метода является высокая вычислительная сложность, связанная с необходимостью векторизации представления распознаваемых символов.

Ряд методов распознавания изображений символов на основе сравнения с эталоном рассмотрены в работах В.С. Титова, В.И. Сырямкина и А.Е. Архипова [28]. Применимость данных методов в современных системах проверки индицирующих устройств показывает недостаточную производительность.

Таким образом, основным недостатком рассмотренных устройств обработки изображений панелей приборов является следствие неоптимальности применяемых методов, использующих последовательную обработку параметров проверяемого объекта.

Тестирование индикаторов может выполняться одновременно (параллельно), что позволит значительно сократить общее время технической проверки при сохранении достаточного уровня достоверности.

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы позволил определить основные принципы построения устройств проверки показаний панелей приборов. Требования, предъявляемые к методам и устройствам проверки показаний панелей приборов, сформулированы следующим образом: повышение быстродействия процесса тестирования 30

объекта, понижение вычислительной сложности применяемых алгоритмов, минимизация аппаратных средств реализации.

Актуальной представляется задача реализации в устройстве обработки показаний панели приборов механизма параллельного одновременного тестирования нескольких индицируемых параметров. Очевидно, что такой механизм позволит сократить общее время обработки изображений панели приборов. Для решения этой задачи можно применять метод параллельного тестирования показаний панели приборов на основе построения его расписания.

Выводы

1. Показано, что принципы организации процесса контроля технических объектов применимы для функционального контроля панелей приборов, при этом в качестве проверяемых параметров выступают индицируемые параметры. Таким образом, для осуществления проверки показаний панелей приборов необходимым требованием является наличие в составе системы оператора либо технических средств, предназначенных для автоматического выполнения операций оптического считывания индицируемых параметров.

2. Проведен анализ существующих методов и устройств проверки показаний панелей приборов, позволивший определить принципы их создания, достоинства и недостатки, основным из которых является низкое быстродействие, что является следствием применения подхода, заключающегося в проведении строго последовательной проверки совокупности индицируемых параметров. Устранение данного недостатка возможно за счет реализации механизма параллельной одновременной обработки изображений нескольких индицируемых параметров.

3. Показано, что известные устройства не в полной мере удовлетворяют современным требованиям в части быстродействия, в связи с этим актуальной является задача разработки оптико-электронного устройства параллельной обработки изображений индикаторов панели приборов.

2.