航空电子系统的人机协作测试及其关键技术研究

文/宋中建 周章勇 胡 伟（国营芜湖机械厂）

航空电子系统是飞机的重要组成部分，航空电子产品集成度高、修理难度大、操作复杂，对修理人员的技术水平要求很高。其中，测试环节是检验修理结果与修理质量的最后一道防线，作用至关重要。以测试环节中典型的航空电子系统联试为例，测试过程存在效率低、过程不可控、结果无法量化且劳动强度大等问题。自动化测试技术可以有效改善人工测试中存在的上述问题，但传统工业机器人存在的智能化程度较低、安全系数不高、难以人机协作等缺点，制约了其在航空复杂环境中的应用。而随着深度强化学习、机器视觉等人工智能技术的不断发展，智能机器人的应用范围越来越大，其具有的学习与自适应能力更加适合在航空复杂环境中使用。考虑到航空测试的专用性、多样性和特殊性，需根据应用场景对现有的机器人平台进行有针对性地开发，使其满足人机协作测试需求，采用人机协作的方式克服机器人本身的不足，通过优势互补有效提高测试效率，降低劳动强度，实现测试方式的转型升级。

一、主要研究内容

本文选取典型的航电联试环境作为实施场景，实施技术升级和改进，通过测试技术分析、可行性论证、方案设计、系统构建、推广应用等步骤，将现有的人工测试模式改进为人机协作测试模式。主要涉及航空复杂环境下的人机协作技术、基于机器视觉的图像处理技术、人机协作测试综合控制技术。

1. 航空复杂环境下的人机协作技术

航空电子系统人机协作测试工作环境仿真示意图如图1 所示，工作环境采用类飞机驾驶舱设计，基本符合人机工效设计，为1200 mm×1190 mm×1400 mm 的矩形空间，实际需要进行测试的区域为①—④四个区域。但由于工作区域小，被操作对象体积小、种类多、价值高，对机器人及其控制系统的操作精度、响应延迟、安全性都有着极高要求。硬件平台选择高精度双臂机器人加RGBD 深度摄像头，对被操作对象实现实时定位与误差修正，同时对工作区域及周边环境进行检测；采用多传感器信息融合技术，结合力传感器，保证产品与人员安全。软件平台选择ROS 操作系统进行开发，实现对机器人的智能控制，在保证安全的前提下实现复杂环境下的人机协作。

图1 工作环境仿真示意图

2.基于机器视觉的实时图像处理技术

航空环境下所需识别的画面与元素多，复杂程度高，很多画面包含多个二级、三级子画面，某些情况下存在多个元素重叠、互相遮挡等现象，需要对画面中的字符符号、形状、指针以及其他非典型图像进行识别，同时需要对识别出的图像信息进行理解，判断测试结果是否合格，并记录相应信息。因此，需要对图像的预处理、特征提取、模式识别、语义分析等技术进行深入研究，可以通过采用深度学习等人工智能算法进一步提高识别精度，实现复杂画面的实时图像处理与分析。拟采用的图像处理方法如图2 所示。

图2 图像处理方法示意图

3.人机协作测试综合控制技术

航空电子系统人机协作测试系统组成示意图如图3所示。有别于传统的产品级测试系统，系统级的测试方法涉及的产品、测试设备更多，产品之间、产品与设备之间的交联关系更加复杂，且不仅仅包括软件层面的测试，还包括硬件层面的测试，因此对整个综合控制系统的要求也更高。系统需要在实现子系统（机器人系统、图像处理系统、数据管理系统）功能的同时，对综合控制系统逻辑进行设计，对系统资源进行合理分配与利用，通过获取的信息（总线数据、图像数据、机器人反馈、音频数据等）对测试结果进行判断，并对人机协作测试系统的下一步操作进行决策。

图3 人机协作测试系统组成示意图

二、研究技术方案

航电联试平台有别于其他单个产品的测试平台，具有测试产品种类多、操作流程繁杂、环境复杂等特点，需要在考虑到各个产品的测试需求的基础上，对整个联试环境进行分析，设计出相应的人机协作测试方法。

1.技术路线

初步技术路线如图4 所示，前期主要对当前的航电系统测试技术进行梳理与分类，对产品、设备及人员的安全需求进行分析，并在此基础上进行厂家调研；中期先对人机协作测试系统中3 个主要的子系统分别进行研究，并设立合理的技术指标，再对整个系统的逻辑进行设计，通过综合控制系统对各个子系统的资源进行分配，完成系统资源的合理利用；后期通过仿真环境的搭建，对设计好的测试方法进行检验，满足指标要求后进行现场试验，达到验收标准后进行验收。

图4 技术路线图

2.实施路线

面向航空电子系统开发的基于航电联试环境的人机协作测试系统，集成了机器人系统、图像处理系统、数据管理系统，并开发出与之相匹配的综合控制系统，对整个人机协作测试过程进行监测和控制，实现测试过程的自动化、信息化、智能化。

机器人控制系统。机器人系统是人机协作测试系统的执行机构，按如下功能进行规划：网络管理模块，对系统间的通信和通信数据进行记录；视觉定位模块，对操作对象进行实时定位；运动控制模块，对机器人的运动轨迹进行实时规划；力感力控模块，对机器人末端实现力反馈控制，实现安全防护。

图像处理系统。图像处理系统负责对飞机仪表和屏幕信息进行收集与处理，按如下功能进行规划：图像预处理模块，对收集的图像进行预处理，包括图像去噪、图像分割等方法；特征提取模块，负责对图像中需要识别部分的特征信息进行提取，包括边缘、角、区域等；模式识别模块，实现对图像中的数字和字符进行识别。

数据管理系统。数据管理系统完成429 总线、1553B 总线、FC 总线和多种非总线信号数据的采集和处理。数据管理系统应具有如下功能：基于局域网的实时数据库技术，多源信息的获取与融合技术；具备数据的实时解析、判读、记录和回放等能力；1553B 总线、FC 总线测试能力；ARINC429 总线及非总线信号测试能力。

综合控制系统。综合控制系统主要由服务器、磁盘阵列和接口转换设备组成，通过人机协作测试方法的设计，对机器人系统、图像处理系统、数据管理系统、综合激励设备实施控制。根据人机协作测试系统的需求，综合控制系统具有如下功能：操作系统，含语言编辑软件、工具软件、系统支持及维护软件等；I/O 接口模块，实现综合控制系统与各个子系统的通信传输；数据库管理模块，将所有I/O 的配置信息和输出量值，存储到本地的数据库文件中，程序启动时会直接读取上一次的设置值，关闭时直接保存当前的配置信息和输出量值；流程管理模块，完成初始条件的设定，控制整个人机协作测试的运作过程，包括脚本的加载、显示、执行以及异常状态提示、报警与中止；结果管理模块，负责记录整个测试过程中各个子系统的运行状态，以及测试结果的生成、显示与存储。

三、结语

本文主要涉及人机协作技术、图像处理技术、人工智能技术等研究工作，研究成果可应用于开展人机协作修理、仪表类设备快速测试、跨平台系统级人机协作测试方法设计等方面。研究的开展将拓宽人机协作技术在航空维修领域的应用范围，推动航空维修系统从手工作业向自动化、智能化作业方式的转型，提高生产效率和维修质量，促进产业升级转型。[本文系芜湖市科技计划重点研发项目“航空电子系统的人机协作测试及其关键技术”（项目编号：2020yf12）研究成果。 ]