一种汽车LED 动态转向灯检测系统研究

刘乾，徐彪，宣立明，孙书强，吴奇

（213022 江苏省 常州市 常州星宇车灯股份有限公司）

0 引言

随着汽车技术的高速发展，汽车不再是单纯的代步工具，工程师们越来越重视汽车其它功能的研究，汽车车灯作为汽车的主要零部件，已经不再仅仅具备简单照明功能。LED 具有节能环保，使用寿命长的优点，符合汽车节能化和智能化的设计趋势。采用LED 设计的动态转向灯已经成为现代车型的一大亮点，提高了汽车的科技感，更符合当代人们的审美，越来越多的汽车品牌将其作为新车型的标配[1]。不同于传统闪烁式转向灯，动态转向灯有时序地从左向右依次点亮，周期时间为毫秒级，人眼很难对产品进行识别判断。

近年来，人工智能渐成热门，作为人工智能领域的一个分支，图像处理技术随之发展到了一个新高度。一些传统的需要人工检测的行业开始使用工业相机代替人眼去观察检测对象，采用软件算法代替人的主观判断，针对图像信息进行分析推理，得到客观结果[2]。目前，常用检测方法还是通过对动态电流的波形图进行判断。动态电流检测能够直接检测电路性能指标，反映电流波形变化，但是当动态转向灯时序发生变化，出现跳灯乱序等情况，仅仅通过动态电流波形图无法判断产品是否合格。为了进一步降低误判率，将动态图像检测作为动态电流检测的补充，通过图像和电流的双重判断提高产品的检测效率。本文基于C#和Halcon 设计了一种LED 动态转向灯检测系统，实现了动态图像、动态电流的采集与判断检测。

1 检测方案总体设计

1.1 产品检测需求分析

如图1 所示，动态转向灯按照图2 的时序要求，黑色阶梯状图形代表亮灯，从左向右依次点亮，最后全亮保持。

需要采集转向灯的动态图片和动态电流波形图进行时序变化检测，变化点的时间误差要求为±5 ms，电流误差为±10%，每组时间段内亮灯的状态不得改变[3]。

1.2 整体检测方案设计

软件基于C#，Halcon 平台；硬件包括工控机、高速工业相机、高速可编程万用表、通用USB 板卡，I/O 模块等。检测方案设计框图如图3 所示。首先，通过高速工业相机，可编程万用表和驱动控制模块采集待测车灯的动态图片和动态电流；然后将采集的图片保存并用视觉软件Halcon 进行处理；将采集的电流数据保存，方便后续拟合度计算；最后将Halcon 视觉库与编程语言C#进行上位机二次开发，方便工程人员使用[4]。

1.3 测试环境搭建

系统硬件主要由工控机、高速工业相机、高速可编程万用表、控制模块、输入输出模块、显示器、键盘、鼠标等构成。所用的硬件测试设备如图4 所示。待测车灯选取公司某研发样灯产品，高速工业相机选用海康威视的MV-CA003-21UC，30 万像素彩色相机，最高帧率可达814 fps，采集1 张图片大约1.23 ms。采用USB3.0 接口实时传输非压缩数据，可应用于对节拍有较高要求的场景，负责采集高速动态图像[5-6]。工业机作为系统的主控，选取研华AIMC-3202，负责系统控制与图像处理。高速可编程万用表采用固纬的GDM-9061，采样率高达10 k/s，100 k 的数据缓存，电流测量范围0～10 A，精度10 μA，采用以太网传输数据，负责采集高速动态电流。控制模块主要包括IO 板卡、CAN 卡、继电器、信号放大模块等，采用USB 接口，速度快、易于扩展，负责动态转向灯的控制。

2 检测算法原理

2.1 动态图像检测原理

在图像采集过程中，LED 光斑与背景的颜色在图像中的灰度值差异较大，将采集的图像转化为灰度图像，并通过阈值分割将光斑从背景中分离出来。动态图像检测流程如图5 所示。

首先将动态转向灯所有灯组全部点亮，并单步采集一张作为标准图片。通过阈值分割将光斑提取出来并计算各个光斑的坐标数据，并将光斑的坐标按照顺序存放在一个一维数组内，如图6 所示。然后点亮一个动态转向灯闪烁周期批量采集图片，并对采集的图片进行处理如图7 所示。计算出光斑的个数和坐标，并与标准坐标图片坐标数据进行对比。如：当光斑个数为1 时，光斑坐标必须和标准图片的第1 个坐标数据对应；当光斑个数为3 时，光斑数据必须和标准图片的前3 个数据对应，以此类推。通过光斑数量和坐标的双重比对，即可判断出动态转向灯是从左向右依次点亮，从而保证动态转向周期的时序性。

2.2 动态电流检测原理

目前的产线上动态电流检测是基于对采样电流值的抽样比对，且参数设置复杂，因此需要对动态电流检测做出改进。均方差是各数据偏离真实值的距离平方和的平均数，用来度量随机变量和数学期望之间的偏离程度，计算公式为

式中：X——电流的标准值；Xi——各个采样时刻点的实际电流值；n——采样时刻点的数量；s2——均方差，用来反映电流实际值与电流标准值的偏离程度。电流相似度S 计算公式为

式中：S——电流相似度；ti——在各个时刻点标准电流值与实际电流值比对的值，在误差范围内记为1，否则记为0。通过采集样灯波形作为标准波形，将每次的采样波形作为测试波形与标准波形比对。采样电流的时间点依次为：1，2，3，…，n，对应时间点的标准电流为Is1，Is2，Is3，…，Isn；对应时间点的测试电流为It1，It2，It3，…，Itn，对应时间点的测试结果为t1，t2，t3，…，tn。设置允许电流误差为D，若│It1-Is1│＜D，t1值定义为1，否则为0；若│It2-Is2│＜D，t2值定义为1，否则为0，其余同理。再计算相似度，反映的是测试波形与标准波形之间的相似度。最大值为100%，最小值为0。因此在动态电流检测时，只需要设置一个相似度的范围，极大地简化了参数设置过于繁琐的问题。标准波形与测试波形对比图如图8 所示。

3 上位机软件设计

3.1 软件功能设计

德国Mvtec 公司开发的机器视觉软件Halcon在机器视觉项目中表现出高效性和稳定性，得到广泛应用。Halcon 是一款具有交互式编程开发功能的图像处理软件，可导出VB，C，C++，C#等代码，利用其自有的HDevelop 编程工具，可以轻松地实现代码从Halcon 算子到C，C++，C#等程序语言转化，用户可以利用其开放式结构快速开发图像处理和机器视觉软件[7]。C#是一种安全、简单、稳定的面向对象的编程语言，是.NET 开发的首选语言。它由C 和C++衍生而来，继承其强大功能的同时去掉了一些复杂特性[8]。本研究的上位机软件在Visual Studio 平台上利用C#语言和Halcon 进行联合开发，检测系统软件结构功能图如图9 所示。

主要实现了以下功能：

（1）设置。包括以太网通讯，用于连接可编程万用表。串口通讯用于连接高速工业相机。对动态电流采集参数设置，对工业相机参数进行设置；

（2）检测。对采集的动态图像进行算法处理，对采集的动态电流进行拟合度计算；

（3）数据。采集到的动态电流数据以及动态图像均保存在本地，对动态图像以及动态电流的检测结果均采用控件可视化。

3.2 上位机软件界面

基于C#和Halcon 开发了一套上位机软件，该检测系统软件经过长期运行和反复测试，具有较好的用户使用界面，工作性能良好，能够正确显示采集的动态电流波形，并且能够计算电流拟合度，如图10 所示。对采集的动态图片进行检测，并将测试结果可视化，如图11 所示。

4 结论

本文针对目前市场上动态转向灯闪烁周期短、人眼无法直接检测车灯产品的问题，设计了一种动态转向灯检测系统，实现了动态图像、动态电流时序检测。搭建了硬件测试平台，并基于C#和Halcon 联合开发一套上位机应用程序，具有图像采集、电流采集、图像时序判断、电流拟合度计算、数据保存、数据显示等功能。实际使用测试表明，该系统能够满足产品设计要求，是一种低成本、高可靠、使用便捷的设计方案，具有较大的应用价值。