一种新型智能配光系统的设计与应用

胡贤跃，王坤

（中国民航大学航空自动化学院，天津300300）

一种新型智能配光系统的设计与应用

胡贤跃，王坤

（中国民航大学航空自动化学院，天津300300）

0　引言

现阶段民用飞机驾驶舱合理的光环境［1］为机组人员提供良好的视觉环境，科学合理的光环境设计可以对驾驶舱人机工效［2］优化、飞机的安全可靠性设计，尤其在飞行员视觉、心理等方面，起到积极的指导作用，从而保证了飞行安全。因此创造一个舒适性极高的驾驶舱光环境，提高视觉效能是每个工程技术人员的目标。

目前在国内，对于飞机驾驶舱面板配光操作的研究还是比较少的，大多也都是采用传统的手动配光，精度和效率都是保持很低的状态，还没有达到对于驾驶舱面板进行高精度的配光操作。在国外，对于飞机驾驶舱光环境的研究还是比较多的，在理论研究方面较成为体系，同时也比较注重理论创新的研究，其中对于飞机驾驶舱炫光［3］，光环境对于飞行员的视觉特性影响以及有关有效视野等方面的研究更加深入，但是在飞机驾驶舱面板的配光操作上也不是很多，而且随着航空电子技术的全面提升和综合化军用电子系统的迅速发展，使得航空电子装备的生产和测试对相关测试技术的要求越来越高。基于此，本课题设计了智能配光系统，主要是对飞机驾驶舱面板进行配光操作，通过虚拟仪器技术［4］，即硬件、软件和操作面板相结合，能够进行高精度的配光操作，大大提高了配光的效率和配光的准确率，创造科学合光环境，为安全飞机提供了根本的保障。

1　系统整体设计

虚拟仪器的基本构成包括：计算机的硬件资源、模块化的仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及上位机图形用户界面的软件，是一种由计算机直接操纵的模块化仪器系统［5］。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用等。系统上位机界面需要实时显示配光操作的参数曲线I-L、I-U和相关数据表的变化，有配光界面和数据库管理界面等，能够进行配光操作，方案打印，数据的新增、删除、查询、分析、显示等。系统的原理图如图1所示。

系统的工作流程：

上位机可以通过PXI总线［6］控制NI PXI源测量单元输出可编程的、精确的、稳定的电流，去驱动被测产品，同时精确测量被测产品两端的电压U，将测量电压通过USB/RS-232反馈给上位机。使用亮度计LC1300采集当前被测产品的亮度值L。

通过上述操作，上位机可以获得被测产品的工作电流I、工作电压U和与之匹配的发光亮度L，通过上位机软件实时绘制被测发光块的电压-电流，亮度-电流特性曲线以及相关的实时数据表。上位机设计自动配光算法以，在数据库管理界面后台加入稳压管数据库、电阻数据库，根据发光块的特征曲线以及应用场合昼夜电压值，进行计算、处理，然后选择物料，直至得到最为合适的配光方案。

图1　系统原理图

1.1系统的硬件设计

综合考虑系统功能的实现，在硬件平台［7］的构建上使用德国INSTRUMENT的亮度计LC1300采集图像的亮度和色度；使用美国国家仪器的NI PXI源测量单元作为源驱动，输出可编程、精确的、稳定的电流；使用可编程工作系统实时显示变化的电压U、电流I以及安装被测产品等。系统的硬件框图图2所示。

图2　系统硬件框图

1.2系统的软件设计

软件设计是系统总体设计的核心，是最能体现系统功能和特性的平台，软件结构和人机界面的设计好坏对整个系统的性能指标有直接的影响。根据各硬件部分的资源特性，整合相应的逻辑思路，概括软件部分主要包括亮度图像采集、相关数据处理、数据库设计、上位机操作界面设计、DLL动态链接库调用、UDP通信设计、本地文件存储等。驱动部分主要有网口驱动、USB驱动等。软件设计实现的功能有：

（1）开放式的软件环境，具有友好的人机交互功能，操作简单、方便、高效；

（2）具有首页面，对系统流程、功能及相关硬件设备进行介绍；

（3）具有完备帮助功能，提供当前操作状态、操作提示以及常用操作方法；

（4）具有实时采集功能，过程变量的采集可按要求进行实时数字或曲线显示以及保存本地文件；

（5）具有数据库维护界面，方便后台数据的更新。

（6）具有相应的算法，可以运算和处理综合分析、结果显示、结果保存。

（7）具有方案清零功能，可以对同一类产品进行多次配光操作；

（8）可对测试结果进行分类汇总，并根据需要进行显示和打印功能。

系统的软件框图如图3所示。

图3　系统软件框图

2　采集图像的处理

基于PXI总线技术，NI PXI源测量单元输出可编程的、精确的、稳定的电流，去驱动被测产品，使得产品的亮度由启辉逐渐增大，到达设定值之后停止。同时调用相应的DLL动态链接库［7］开发应用程序，实现对亮度计LC1300的访问、控制及读取等操作。由于对配光的准确率要求极高，所以经亮度仪采集的图像仍然需要结合相应的算法进行进一步的处理，去除所采集图像中不合理的部分，减小非亮度区域，获得最大的平均亮度。通过结合OpenCV［8］及相关算法对图像进行预处理，灰度化，去噪滤波、边缘检测以及Hough变换［9-10］等，得到最大的平均亮度。其中硬件驱动和图像处理的部分代码如下所示。

3　数据库的选择与设计

3.1数据库的选择

数据库采用用于数据分析、开发软件的关系型数据库Microsoft Office Access［11］。该数据库操作灵活、转移方便、运行环境简单且能够存取Access/Jet、Microsoft SQL Server或者任何ODBC兼容数据库内的资料。

3.2数据库的设计

数据库的使用可方便平台对各类数据进行管理。数据库中包含以下存储内容：

（1）各类产品的I、L、U数据表；

（2）各类产品的U-I曲线（电气数据）；

（3）各类产品的L-I曲线（L为亮度）；

（4）电阻库（与库房保持一致，需定期更新）；

（5）稳压二极管库（与库房保持一致，需定期更新）；

（6）产品的信息（昼夜电压值、亮度指标、配光电路参数）。

4　智能配光算法的设计

智能配光算法是平台的关键技术之一，算法根据产品型号、批次等相关的信息，自动提取特征曲线里的必要数据，经过运算处理后，选择物料，生成有效配光方案。具体算法设计方案为：

（1）开始，即算法入口；

（2）根据采集的产品的特征曲线以及昼夜目标亮度采入所需要的U1、I1、U2、I2（从保存的本地文件取数，根据给定的目标亮度Ld、Ln找U1、I1、U2、I2）；

（3）根据公式，选择一个合理的DZ1（XML稳压管库）的值，DZ1值对应的封装是否与产品下DZ1封装相同，相同则进行下一步，不同则要返回重新选择DZ1的值；

（4）根据公式 ，计算出R2的值，若库中有R2的值，判断R2值对应的封装是否与产品下R2封装相同，相同则进行下一步，不同则要返回重新选择R2的值，若库中没有R2的值，则选择一个接近R2的值，判断此时R2值对应的封装是否与产品下R2封装相同，相同则进行下一步，不同则要返回重新选择R2的值；

（5）根据公式确定R1的值，若库中有R1的值，判断R1值对应的封装是否与产品下R1封装相同，相同则进行下一步，不同则要返回重新选择R1的值，若库中没有R1的值，则选择一个接近R1的值，判断此时R1值对应的封装是否与产品下R1封装相同，相同则进行下一步，不同则要返回重新选择R1的值；

（6）根据计算得出的R1、R2、DZ1以及发光块的特征曲线计算出最接近Ud、Un的U1’、I1’、U2’、I2’值，从而可以计算出对应的亮度Ld’、Ln’；

（7）根据之前手动输入的Ld、Ln以及计算得出的Ld’、Ln’进行误差计算，即 与 ，结果在误差范围内则生成配光方案，否则返回（3）重新进行DZ1值的选择。

算法设计流程图如图4所示。

5　WinForm程序开发与界面显示

利用VS2010完成WinForm［12］应用程序的开发，进行上位机人机交互界面的设计。运行Visual Studio 2010，在文件 菜单中单击新建-项目，在新建项目窗口中选择项目类Visual C#，指定模板为Windows窗体应用程序，指定项目名称和解决方案名称，点击确定按钮项目默认生成一个窗口Fo rm1.cs，在属性窗口中修改窗口的名字为自己所需要的名字。可以使用VS2010的工具箱在窗口上添加各种应用程序所需要的控件，如:按钮，数据表，文本框，打印等。如需要增加新的窗口，只需要在菜单项目中点击添加Windows窗体添加新的窗口。通过相关C#脚本语言的编写，控件的添加以及素材的整理，设计开发的系统界面如图5所示（上位机的操作界面之一），从系统界面可以看出系统含有首页、配光、数据、帮助等四个界面。在配光界面有实时，配光，方案打印等功能按钮，有实时曲线表I-U、I-L以及实时数据表等功能结果显示区。

图4　算法设计流程图

图5　系统界面

6　结语

正是由于我国虚拟仪器的研究起步相对较晚，还有很多新功能新方法需要完善，同时随着科学研究的不断深入，虚拟仪器将会在航空电子测试领域中发挥越来越重要的作用。本文从硬件和软件两方面系统的描述了智能配光系统的设计与实现，利用虚拟仪器技术即“软件就是仪器”的技术方法设计的智能配光系统满足电子装备测试功能的所有需求。通过实际的测试应用，该系统具有较高的可靠性和稳定性，系统运行情况良好，可以生成配光方案，精确地选择所需物料，相对于传统的人工手动配光，配光效率大大提高，配光的准确率也能够达到95%以上，同时对于产品的亮度一致性验证效率提高了200%。

综上所述，该系统在实际应用中表现出了良好的效果，体现了智能配光系统的实用性、高效性和极强的抗干扰性，具有很好的应用前景。

［1］杨彪.民机驾驶舱光环境设计及视觉工效学研究［D］.上海：复旦大学，2011.

［2］舒秀丽，董文俊，董大勇.基于人机功效的民机驾驶设计原理［J］.航空工程进展，2015，6（2）：222-223.

［3］曾艺.民用飞机驾驶舱控制板光色性能研究［J］.技术与市场，2015，22（8）：40-42.

［4］朱岩，余愚.虚拟仪器技术研究现状与展望［J］.现代制造技术与装备，2008，3（6）：12-14.

［5］姜海波.虚拟仪器技术在高校教学中的应用［J］.中国现代教育装备，2010（15）：53-54

［6］卢振达，陈建辉，张延生.基于PXI总线的某型导弹数字组合自动测试系统设计［J］.仪表技术，2009（4）：20-22.

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［12］刘辉，常婉纶.基于C#的WinForm程序参数传递和同步显示实现［J］，2010，33（14）：64-66.

Intelligent Light；PXI Bus；WinForm；Image Processing；Light Distribution Algorithm

Design and Application of New Intelligent Light System

HU Xian-yue，WANG Kun
（Civil Aviation University of China，College of Aeronautical Automation，Tianjin 300300，China）

1007-1423（2015）33-0057-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.33.016

胡贤跃（1991-），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为智能系统与故障检测

王坤（1978-），女，天津人，副教授，博士，研究方向为模式识别，智能系统与故障检测、分析

2015-10-29

2015-11-19

针对民用飞机驾驶舱面板上告警灯盒采用人工手动的配光方式，既增加工作人员的负担和工作量，又不易根据相关要求达到精准的配光。提出一种新型智能配光系统，阐述系统实现的关键技术，基于PXI总线的虚拟仪器技术，利用VS2010完成WinForm程序的开发，结合图像处理算法、配光算法等，实现智能配光系统的集成。通过测试和应用，该系统大大提高配光的效率和准确率，为改善配光操作人机工效提供有效途径，具有较强的实用性和创新性。

智能配光；PXI总线；WinForm；图像处理；配光算法

Warning lamp on the box for civilian aircraft cockpit panel manually using artificial light distribution，not only increasing the burden and workload of staff，but also difficult to achieve precise light distribution according to the relevant requirements.Proposes a novel intelligent grading system addresses the key technologies of system implementation，based on virtual instrument technology PXI bus，uses VS2010 WinForm to complete the development program，combined with image processing algorithms，with light algorithms，ultimately the intelligent light system integration.By testing and application，this system greatly improves the efficiency and accuracy of light distribution，improves the light distribution operating ergonomics to provide an effective way，with a strong practical and innovative.