CN104793630A

CN104793630A - 轻型飞机综合障碍回避***

Info

Publication number: CN104793630A
Application number: CN201510241372.8A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Shenyang Remex Science And Technology Of Aviation Co Ltd
Current assignee: Shenyang Remex Science And Technology Of Aviation Co Ltd
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明所提供的一种轻型飞机综合障碍回避***，包括航空总线转换设备、GPS设备和2部高清摄像机等数据采集设备，2部视频处理设备、嵌入式计算机和服务器等数据处理设备，控制面板、音响设备和液晶显示器等人机交互设备。2部高清摄像机集成设计在一个吊舱内，光轴平行，图像平面平行或重合，减少测距误差。视频处理采用FPGA+FIFO+DSP架构，DSP通过高速接口相连。GPS融合数字地图等实现已知障碍物回避。通过实时视频处理实现对未知障碍物回避。服务器采用网站形式运行。本发明的优点体现在：采用航电综合技术、视觉识别和数字地图技术实现轻型飞机综合障碍物回避功能，视频处理快，经济、智能。

Description

轻型飞机综合障碍回避***

技术领域

本发明涉及航空电子领域，特别是涉及一种轻型飞机综合障碍回避***。

背景技术

轻型飞机一般是指最大起飞重量小于5700公斤的飞机，被广泛用于私人飞行、公务飞行、商业运输、空中游览、飞行训练、航空俱乐部、地质勘探、航空摄影、紧急救护、播种施肥、森林和渔业巡逻、灭火和探矿等。具有轻便、易于操作、价格低廉、飞行速度慢等特点，轻型飞机飞行、作业环境复杂，如低空、山谷、城市等。山脉、树木等自然障碍物和发射塔、楼房、高压线等人工障碍物对飞行安全影响大，由于价格低廉轻型飞机一般不安装空中防撞***、近地警告***、地形跟随***、地形回避***、障碍回避***，航电设备只配备一些必备的仪器仪表，对障碍物缺乏识别、回避手段，容易发生与障碍物碰撞事故，在回避障碍物的操作过程中又容易出现与飞行物碰撞、触地等问题。这就需要为轻型飞机设计一种经济、智能的综合障碍回避***，实现对自然障碍物、人工障碍物回避功能，兼顾空中防撞和近地警告，保障飞行安全。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种轻型飞机综合障碍回避***，***要具有经济性和智能性。

为解决上述技术问题，本发明所提供的一种轻型飞机综合障碍回避***，包括数据采集设备、数据处理设备，人机交互设备和电源等。数据采集设备由航空总线转换设备、GPS设备和2部高清摄像机组成；数据处理设备由2部视频处理设备、嵌入式计算机和服务器组成；人机交互设备由控制面板、音响设备和液晶显示器组成。

本发明航空总线转换设备通过USB口连接到所述的嵌入式计算机，用于采集通用飞机俯仰角、滚转角、高度、速度等飞行参数。

本发明GPS设备通过GPS接口与嵌入式计算机相连，提供位置信息。

本发明两部高清摄像机集成设计在一个吊舱内，用于采集高清视频图像。要求安装时两部高清摄像机光轴平行，图像平面平行或重合，调制在不同的焦距，通过固定支架固定在吊舱内，固定支架保证机体振动时，两光轴同步运动，减少测距误差。吊舱通过螺母固定在飞机机头部位，减小探测盲区，通过调整螺杆长度，使高清摄像机光轴与飞机纵轴平行，便于坐标变换。吊舱防护罩内具有温度调节装置，防护罩入光口具有除雨、除雾等装置。两部高清摄像机分别通过高速接口与两部视频处理设备相连。

本发明两部视频处理设备分别采用现场可编程门阵列（Field

Programmable Gate Array, FPGA）+FIFO( First In First Out) 存储器+数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP），即FPGA+FIFO+DSP架构。2部视频处理设备内的DSP通过高速接口相连，对视频数据协同处理。2部视频处理设备通过高速（CAN）总线与嵌入式计算机相连。

本发明型视频处理设备运行视频处理软件。通过视频处理，识别山峰、发射塔、高压线和飞行物等障碍物，对障碍物测距、测方位角和俯仰角。测量时对视频图像裁剪，只保留摄像机视场光轴到机体方向半视场图像，减小视频数据量。

本发明采用的嵌入式计算机，包括高主频处理器、大容量内存接口、3D图形硬件加速器、音频接口、视频接口、LCD接口、键盘接口和USB接口等，满足大容量视频数据高速处理、存储和图形化显示的需要。嵌入式计算机通过USB接口连接U盘，通过U盘与服务器交换地形、障碍物和航迹等数据库信息。

本发明嵌入式计算机软件操作***采用实时操作***，在嵌入式操作***上运行硬件驱动程序和嵌入式数字地图程序、航迹跟随障碍回避程序、实时探测障碍回避程序、综合显示程序、***初始化程序等应用软件。

本发明嵌入式数字地图程序，提供地形、地貌、预先规划航迹和障碍物等信息。

本发明航迹跟随障碍回避程序通过GPS位置信息+高度表信息+数字地图地形数据库+障碍物数据库+规划航迹，完成预先规划航迹跟随，实现已知障碍物回避策略，给出航迹跟随时障碍物回避提醒，同时给出近地警告信息，回避已知的地形、地貌和障碍物。飞行过程中存储记录GPS位置信息，形成实际飞行航迹文件。

本发明实时探测障碍回避程序通过实时视频处理设备，获得实时静态动态障碍物识别信息、距离、方位角和俯仰角信息，与飞机飞行参数、数字地图地形和障碍物数据信息融合，形成航迹优化策略、对实时探测的障碍物形成回避策略，同时给出空中防撞警告信息。在实时探测时，修正补充数字地图地形、障碍物数据库信息。

本发明服务器采用高性能服务器，位于地面。采用网站形式运行数字地图软件、航迹规划软件、航迹分析软件和模拟飞行软件。采用网站形式便于用户补充修正地形、障碍物和航迹信息。

本发明数字地图软件提供地形、地貌、禁飞区和障碍物等信息。

本发明航迹规划软件根据轻型飞机飞行性能参数和作业环境，完成航迹规划。充分考虑轻型飞机的纵向、横向的机动能力和低空作业面临的地形、地貌，以及非专职飞行员的驾驶技术和应变能力，在数字地图上规划最佳航线，有效回避山峰、建筑物以及飞行禁区，提高轻型飞机的安全飞行能力。特别是在执行搜救、航拍、探矿等作业时能在规划航迹上，按照地形实际起伏情况作纵向机动和水平机动。将规划的航迹数据和航迹安全距离内地图高程信息、障碍物信息，以文件形式存入U盘，导入嵌入式计算机。

本发明航迹分析软件提供飞行后检讨和事故分析等功能。

本发明模拟飞行软件，提供人工规划、修正航线、熟悉航线和模拟飞行功能。

本发明控制面板完成对高清摄像机、液晶显示器和音响设备的控制。

本发明液晶显示器完成回避策略、警告信息文字列表、数字地图和实时视频人机交互界面综合显示。数字地图界面以不同颜色和图标显示轻型飞机、地形、地貌和障碍物信息。实时视频人机交互界面显示焦距较大的高清摄像机摄制的实时视频，视频上标注危险障碍物信息。

本发明音响设备完成回避策略、警告信息语音提醒。

本发明的优点体现在：采用航电综合技术、视觉识别和数字地图技术实现轻型飞机综合障碍物回避功能，提高飞行的安全性。嵌入式计算机包括高主频处理器、大容量内存接口、3D图形硬件加速器、音频接口、视频接口、LCD接口、键盘接口和USB接口等，满足大容量视频数据高速处理、存储和图形化显示的需要，通过U盘与服务器交换地形、障碍物和航迹等数据库信息。两部高清摄像机光轴平行，图像平面平行或重合，通过固定支架固定在吊舱内，减少测距误差。高清摄像机光轴与飞机纵轴平行，便于坐标变换。吊舱通过螺母固定在飞机机头部位，减小探测盲区。两部视频处理设备采用FPGA+FIFO+DSP架构，DSP通过高速接口相连，对视频数据协同处理，完成对障碍物测距、测方位角和俯仰角。测量时对视频图像裁剪，只保留摄像机视场光轴到机体方向半视场图像，减小视频数据量。通过GPS位置信息+高度表信息+数字地图地形数据库+障碍物数据库+规划航迹，完成预先规划航迹跟随，实现已知障碍物回避策略，同时给出近地警告信息。通过实时静态动态障碍物识别信息、距离、方位角和俯仰角信息，与飞机飞行参数、数字地图地形和障碍物数据信息融合，形成航迹优化策略、对实时探测的障碍物形成回避策略，同时给出空中防撞警告信息。在实时探测时，修正补充数字地图地形、障碍物数据库信息。服务器软件采用网站形式便于用户补充修正地形、障碍物和航迹信息，实现航迹规划、航迹分析、模拟飞行等功能。

附图说明

图1 是本发明实施例的轻型飞机综合障碍物回避***硬件结构框图；

图2 是本发明实施例的实时视频处理设备硬件结构框图；

图3 是本发明实施例的机体坐标系示意图；

图4 是本发明实施例的障碍物测距测角原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明，对本发明实施例具体描述实施方式，但本实施例并不用于限制本发明。

本发明实施例提供的轻型飞机综合障碍物回避***硬件结构，如图1所示，包括服务器、嵌入式计算机、2部视频处理设备、航空总线转换设备、GPS设备、2部高清摄像机、控制面板、音响设备、液晶显示器和电源。服务器、嵌入式计算机、2部视频处理设备完成数据处理，航空总线转换设备、GPS设备、2部高清摄像机完成数据采集，控制面板、音响设备和液晶显示器完成人机交互。

本发明实施例服务器硬件采用高性能服务器，要求处理速度快，存储空间大。

本发明实施例嵌入式计算机包括飞凌S3C6410开发板和S3C6410处理器，飞凌S3C6410开发板具有丰富的接口资源，具有GPS接口、USB HOST插口、USB Slave接口、液晶屏接口、音频输出插座、10×2插针扩展口（可用来扩展8×8矩阵控制面板）等。支持256M字节DDR内存，SLC 1G Byte Nand Flash ，CAN总线。S3C6410处理器其主频最高可达到667MHz,内部具有强大的多媒体处理单元，带有3D图形硬件加速器，支持2D图形图像的平滑缩放等操作。液晶显示屏采用大尺寸工业级TFT液晶显示屏。

本发明实施例视频处理设备硬件结构，如图2所示，采用FPGA+FIFO+DSP架构。数据输入接口采用HD-SDI高清视频接口芯片GS2971，通过75 Ω同轴电缆连接HD-SDI摄像机。FPGA1连接焦距小的HD-SDI摄像机，FPGA2连接焦距大的HD-SDI摄像机，FPGA1和FPGA2采用Xilinx公司生产的XC3S1400AN-4FGG676I ，FPGA1和FPGA2完成时序控制、串并转换和图像裁剪，分别存储图像到FIFO1和FIFO2。FIFO1和FIFO2分别将图像分别发送给DSP1与DSP2，DSP1与DSP2采用 TI 公司的 TMS320C6455DSP1，DSP1与DSP2分别进行像平面坐标转换、图像分割、图像识别、方位角测算和俯仰角测算。DSP2将障碍物在像平面的坐标数据通过高速接口送入DSP1进行距离测算。

本发明实施例DSP与嵌入式计算机CAN总线控制器的接口采用地址数据复用线方式设计。将DSP的数据线作为CAN的地址/数据复用线，用DSP的数据线去选择CAN的内部端口和传送数据。DSP2将实时视频送入嵌入式计算机。

本发明实施例航空总线转换设备采用奥林普科技研制开发的OLP-3102转换设备，将ARINC429总线发来的多路信号转为USB接口信号，总线特性USB 2.0。

本发明实施例高清摄像机采用大视场HD-SDI摄像机，提高前视能力和图像分辨率。两部高清摄像机集成设计在一个吊舱内，用于采集高清视频图像。要求安装时两部高清摄像机光轴平行，图像平面平行或重合，调制在不同的焦距，通过固定支架固定在吊舱内，固定支架保证机体振动时，两光轴同步运动，减少测距误差。吊舱通过螺母固定在飞机机头部位，减小探测盲区，通过调整螺杆长度，使高清摄像机光轴与飞机纵轴平行，便于坐标变换。吊舱防护罩内具有温度调节装置，防护罩入光口具有除雨、除雾等装置。两部高清摄像机分别通过高速接口与两部视频处理设备相连。

本发明实施轻型飞机的机体坐标系如图3所示，描述为：原点O取在飞机质心处，坐标系与飞机固连， z轴在飞机对称平面内并平行于飞机的设计轴线指向机头， x轴垂直于飞机对称平面指向机身右方，y轴在飞机对称平面内，与x、z轴垂直并指向机身上方。

本实发明实施障碍物测距测角原理如图4所示，焦距f₁小的高清摄像机三维坐标系为X₁ ^‘Y₁ ^‘Z₁，原点为O₁ ^‘，焦距f₂大的高清摄像机三维坐标系X₂ ^‘Y₂ ^‘Z₂，原点为O₂ ^‘。在安装和初始校订吊舱时，使高清摄像机光轴Z₁、Z₂与飞机机体坐标系的z轴平行；两高清摄像机像平面X₁O₁Y₁和X₂O₂Y₂重合或平行，为方便计算本实例两平面重合；像平面直角坐标系X₁、X₂轴、高清摄像机三维坐标系X₁ ^‘、X₂ ^‘轴与飞机机体坐标系的x轴平行；像平面直角坐标系Y₁、Y₂轴、高清摄像机三维坐标系Y₁ ^‘、Y₂ ^‘轴与飞机机体坐标系的y轴平行，本实例为便于计算像平面直角坐标系Y₁、Y₂轴重合，X₁、X₂轴间距离设为a；P为物空间某障碍物，P在三维坐标系X₁Y₁Z₁光轴以上高度设为R，P在三维坐标系X₂Y₂Z₂光轴以上高度设为r，即有：R=r+a。

P1、P2为P在像平面内的像。P1在三维坐标系X₁Y₁Z₁的三维坐标为（A3，B3，0），P2在三维坐标系X2Y2Z2的三维坐标为（A4，B4，0）。通过将像平面内像素的坐标（(u，v)( u，v表示像素位于数组中的列数与行数)）变换为直角坐标系可获得A3、B3、A4、B4。

P在三维坐标系X₁Y₁Z₁的三维坐标为（A₁，R，A₅），P在三维坐标系X₂Y₂Z₂的三维坐标为（A₂，r，A₆），A₁= A₂，A₅= A₆。

O₁ ^‘在三维坐标系X₁Y₁Z₁的三维坐标为（0，0，f₁），和O₂ ^‘在三维坐标系X₂Y₂Z₂的三维坐标为（0，0，f₂）。

即为P在三维坐标系X₁ ^‘Y₁ ^‘Z₁相对光轴的方位角。==

即为P在三维坐标系X₂ ^‘Y₂ ^‘Z₂相对光轴的方位角。

==

即为P在三维坐标系为X₁ ^‘Y₁ ^‘Z₁相对光轴的的俯仰角。==

即为P在三维坐标系为X₂ ^‘Y₂ ^‘Z₁相对光轴的的俯仰角。==

将P和P₁投影在平面X₁o₁Z₁上，可得：

将P和P₂投影在平面X₂o₂Z₂上，可得：

因为A₁= A₂，A₅= A_6，即可得到P点的

将P和P₁投影在平面Y₁o₁Z₁上，可得：

即可得到P点的

将P和P₁投影在平面Y₁o₁X₁上，可得：

即可得P点的=

即获得P点在三维空间三维坐标系X₁Y₁Z₁的三维坐标，同理可获得P点在三维空间三维坐标系X₂Y₂Z₂的三维坐标。

利用两点距离公式即可获得P点到O₁ ^‘在三维坐标系X₁Y₁Z₁的距离，P点到O₂ ^‘在三维坐标系X₂Y₂Z₂的距离。

本发明实施例嵌入式应用程序软件开发环境使用Visual Studio、ArcGIS ArcGIS Engine，编程语言使用C#。嵌入式计算机采用Windows Embedded CE实时操作***，在Windows Embedded CE上运行硬件驱动程序和嵌入式数字地图程序、航迹跟随障碍回避程序、实时探测障碍回避程序、综合显示程序、***初始化程序等应用软件。

本发明航迹跟随障碍回避程序通过GPS位置信息+高度表信息+数字地图地形数据库+障碍物数据库+规划航迹，完成预先规划航迹跟随，航迹跟随飞行采用障碍轮廓线的计算方法，实现已知障碍物回避策略，给出航迹跟随时障碍物回避提醒，同时给出近地警告信息，回避已知的地形、地貌和障碍物。飞行过程中存储记录GPS位置信息，形成实际飞行航迹文件。

本发明视频处理软件，通过视频处理，识别山峰、发射塔、高压线和飞行物等障碍物，对障碍物测距、测方位角和俯仰角。测量时对视频图像裁剪，只保留摄像机视场光轴到机体方向半视场图像，减小视频数据量。

本发明实时探测障碍回避程序通过障碍物识别信息、距离、方位角和俯仰角信息，与飞机飞行参数、数字地图地形和障碍物数据信息融合，形成航迹优化策略、对实时探测的障碍物形成回避策略，同时给出空中防撞警告信息。在实时探测时，修正补充数字地图地形、障碍物数据库信息。

本发明实施例服务器软件开发环境使用Visual Studio、ArcGIS Server，编程语言使用C#。采用网站形式运行数字地图软件、航迹规划软件、航迹分析软件和模拟飞行软件。采用网站形式便于用户补充修正地形、障碍物和航迹信息。

本发明航迹规划软件完成航迹规划功能，充分考虑轻型飞机的纵向、横向的机动能力和低空作业面临的地形、地貌，以及非专职飞行员的驾驶技术和应变能力，在数字地图上规划最佳航线，有效回避山峰、建筑物以及飞行禁区，提高轻型飞机的安全飞行能力。特别是在执行搜救、航拍、探矿等作业时能在规划航迹上，按照地形实际起伏情况作纵向机动和水平机动。将规划的航迹数据和航迹安全距离内地图高程信息、障碍物信息，以文件形式存入U盘，导入嵌入式计算机。

本发明航迹分析软件提供飞行后检讨和事故分析等功能。

以上所述为本发明的一个实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明创造的原则之内所作的等同替换和改进等，均应包含在本发明创造保护范围之内。

Claims

1.一种轻型飞机综合障碍回避***，包括数据采集设备、数据处理设备，人机交互设备和电源等；数据采集设备由航空总线转换设备、GPS设备和2部高清摄像机组成；数据处理设备由2部视频处理设备、嵌入式计算机和服务器组成；人机交互设备由控制面板、音响设备和液晶显示器组成。

2.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，航空总线转换设备通过USB口连接到所述的嵌入式计算机，用于采集通用飞机俯仰角、滚转角、高度、速度等飞行参数。

3.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，两部高清摄像机集成设计在一个吊舱内，要求安装时两部高清摄像机光轴平行，图像平面平行或重合，调制在不同的焦距，通过固定支架固定在吊舱内，固定支架保证机体振动时，两光轴同步运动，减少测距误差；吊舱通过螺母固定在飞机机头部位，减小探测盲区，通过调整螺杆长度，使高清摄像机光轴与飞机纵轴平行，便于坐标变换；吊舱防护罩内具有温度调节装置，防护罩入光口具有除雨、除雾等装置；两部高清摄像机分别通过高速接口与两部视频处理设备相连。

4.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，两部视频处理设备分别采用FPGA+FIFO+DSP架构；2部视频处理设备内的DSP通过高速接口相连，对视频数据协同处理；2部视频处理设备通过高速总线与嵌入式计算机相连。

5.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，视频处理设备运行视频处理软件；通过视频处理，识别山峰、发射塔、高压线和飞行物等障碍物，对障碍物测距、测方位角和俯仰角；测量时对视频图像裁剪，只保留摄像机视场光轴到机体方向半视场图像，减小视频数据量。

6.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，嵌入式计算机，包括高主频处理器、大容量内存接口、3D图形硬件加速器、音频接口、视频接口、LCD接口、键盘接口和USB接口等，满足大容量视频数据高速处理、存储和图形化显示的需要；嵌入式计算机通过USB接口连接U盘，通过U盘与服务器交换地形、障碍物和航迹等数据库信息。

7.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，通过GPS位置信息+高度表信息+数字地图地形数据库+障碍物数据库+规划航迹，完成预先规划航迹跟随，实现已知障碍物回避策略，给出航迹跟随时障碍物回避提醒，同时给出近地警告信息，回避已知的地形、地貌和障碍物。

8.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，通过实时视频处理设备，获得实时静态动态障碍物识别信息、距离、方位角和俯仰角信息，与飞机飞行参数、数字地图地形和障碍物数据信息融合，形成航迹优化策略、对实时探测的障碍物形成回避策略，同时给出空中防撞警告信息；在实时探测时，修正补充数字地图地形、障碍物数据库信息。

9.根据权利要求1所述的轻型飞机综合障碍回避***，其特征在于，服务器采用高性能服务器，位于地面；采用网站形式运行；根据轻型飞机飞行性能参数和作业环境，完成航迹规划；充分考虑轻型飞机的纵向、横向的机动能力和低空作业面临的地形、地貌，以及非专职飞行员的驾驶技术和应变能力，在数字地图上规划最佳航线，有效回避山峰、建筑物以及飞行禁区，提高轻型飞机的安全飞行能力；特别是在执行搜救、航拍、探矿等作业时能在规划航迹上，按照地形实际起伏情况作纵向机动和水平机动；将规划的航迹数据和航迹安全距离内地图高程信息、障碍物信息，以文件形式存入U盘，导入嵌入式计算机；提供飞行后检讨和事故分析等功能；提供人工规划、修正航线、熟悉航线和模拟飞行功能。