CN105044707B - 基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法 - Google Patents
基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，包括安装在建筑物顶部的紫外LED发射装置发出信号光，悬挂在直升机底部的信号接收装置接收信号光，并对信号光中信息进行处理，得到直升机与发射装置之间的距离以及直升机的点坐标；其中，当直升机与发射装置之间的距离小于200米时，安装在直升机内部的防碰撞预警装置开始报警，飞行员根据测量距离和直升机的点坐标调整直升机飞行高度、方向，直到距离大于200米，报警解除。本发明利用无线紫外光进行信号传输，具有全天候、无背景光干扰、宽视场接收等特点，满足了复杂环境中直升机测距的需要；有力的保障了飞行员的人身安全。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法。
背景技术
直升机的突出特点是可以做低空、低速和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。正是由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。近年来，国家的有关法律法规加大了对低空空域改革的力度。2010年根据国务院、***8月印发《关于深化低空空域管理体制改革的意见》，低空空域改革试点自2011年起开始向全国推广。按照全国低空空域管理改革工作会议的消息，真高1000米以下低空开放试点要在2015年全面推开，国内低空改革进入实质性操作阶段。
最近几年，直升机低空飞行事故频频发生，越来越多的高压线、高楼等障碍物成为飞行中的重要安全隐患。2013年6月22日，一架自旋式旋翼喷药飞机撞到高压线后坠落在农垦建三江管理局前进农场境内的前勤公路上。2014年11月27日，一架卡度士自旋翼机在进行飞行训练时撞到高压线，在横山县塔湾镇陈大梁村境内坠毁。2015年4月13日，一架民用直升机在四川省资阳市乐至县作业时撞上高压线坠毁，一名机上人员遇难。根据美国直升机安全团队一份研究报告表明：高压线高楼等障碍物仍是直升机低空飞行的首要威胁。由于直升机大部分时间在低空飞行，尤其是在复杂气象条件下，电缆及其他障碍物更难以辨别。通过研究表明，影响直升机飞行事故主要有人为操作不当、机械故障、外部环境等因素。人为操作不当、机械故障引起的飞行事故可以通过指导训练、按时检修来降低；外部环境引发的飞行事故能够通过一些机载设备来减少。
目前，直升机测距及防碰撞方法主要是激光雷达，激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好等优点，但受天气和大气影响比较大，一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远，而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。未来几年，直升机数量会大幅度的增长，飞行安全将会变的日益严峻，如何实时、快速、准确对直升机进行测距规避高压线、高楼等障碍物成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，解决激光雷达在直升机测距及防碰撞过程中受天气和大气影响较大的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，包括安装在建筑物顶部的紫外LED发射装置发出信号光，悬挂在直升机底部的信号接收装置接收信号光后，对信号光中信息进行处理，得到直升机与发射装置之间的距离以及直升机的点坐标，并将所得距离数据和直升机点坐标分别传送到预警***和直升机显示器中，飞行员根据预警***的提示结合直升机的坐标，及时调整直升机的行驶方向，避免直升机碰撞障碍物。
本发明的特征还在于，
LED发射装置为正方体结构，其前、后、左、右及上表面均安装有LED紫外灯。
安装在LED发射装置上表面的LED紫外灯与水平面垂直，安装在LED发射装置前、后、左、右表面的LED紫外灯与水平面的夹角为10～30°。
每个LED发射装置发出信号光的波段不同。
LED紫外灯发出的信号光为载有发射功率、波长信息的紫外光。
信号接收装置的工作过程为：信号光经过滤波片进入FPGA中的光电倍增管，光电倍增管探测光信号，并将光信号转换为电信号，电信号经放大电路放大后经A/D采样后送入FPGA的信号处理模块中，测得直升机与LED发射装置之间的距离、直升机点坐标，并将所得数据与RAM数据缓存区的报警阀值进行对比，若直升机与LED发射装置之间的距离小于200，发送信号到预警***，预警***进行报警，同时，将直升机点坐标发送到飞机显示器中，便于飞行员进行方向调整。
直升机与LED发射装置之间的距离计算过程为：由于紫外光在直视传输过程中紫外光功率是按指数衰减的，在自由空间中路径损耗表示为大气衰减表示为探测器的接收增益为综合考虑以上所有因素，直升机与发送装置之间的距离为：
式中，lambertw为朗伯W函数，又称为“欧米加函数”或“乘积对数函数”；
Pt为发射功率，单位W；
λ为紫外光波长，单位nm；
Ar为接收孔径，单位cm2；
Ke为大气信道衰减系数，Ke＝Ka+Ks，Ka为大气的吸收系数，Ks为大气的散射系数，单位1/m；
Pr,LOS为接收光功率，单位W。
直升机点坐标的获取过程为：以高层楼顶的中心o作为坐标原点，建立空间直角坐标系，则安装在建筑物顶部发射装置的坐标分别为 令直升机的坐标为M(X,Y,Z)，AM、BM、CM、DM之间的距离分别为l、r、m、n，根据空间中两点之间距离的数学计算公式，建立以下方程组：
其中，a为建筑物顶部的长度，m；
b为建筑物顶部的宽度，m；
l、r、m、n分别为紫外LED发射装置与直升机之间的距离，m。
对方程组任意三个方程求解，即可解出直升机的坐标为M(X,Y,Z)，其中Z＞0。
预警***的工作过程为：当测量的距离在150-200米时，黄色警示灯亮，语音提示飞行员调整旋翼空气动力合力F左右倾斜，使直升机产生滚转运动及侧向偏移；当测量的距离小于150米时，红色警示灯亮并伴有蜂鸣器报警声，飞行员利用操作机构来改变旋翼空气动力合力F的大小，使直升机上升和悬停；当测量的距离大于200米时，绿色警示灯亮，说明直升机处于安全飞行状态，飞行员进行正常驾驶。
本发明的有益效果是：
1.利用无线紫外光进行信号传输，具有全天候、无背景光干扰、宽视场接收等特点，满足了复杂环境中直升机测距的需要。
2.在直升机上设置了防碰撞预警装置，能大大减少直升机碰撞事故的发生，有力的保障了飞行员的人身安全。
附图说明
图1是本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法的工作示意图；
图2是本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法中紫外LED发射装置的结构示意图；
图3是本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法中无线紫外光发射装置与直升机坐标示意图；
图4是本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法中信号接收装置的结构示意图；
图5是本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法中预警***工作流程图。
图1中，1.紫外LED发射装置，2.直升机，3.信号接收装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法的工作示意图如图1所示，包括安装在建筑物顶部的紫外LED发射装置1发出载有发射功率、波长、楼顶长度和宽度等信息的紫外光，悬挂在直升机2底部的接收装置3首先将光电倍增管探测到光信号转换为电信号，再将信号放大电路放大后的电信号经过A/D采样，将模拟信号转换为电信号，最后经过信号处理模块得到发射功率、接收功率、波长、楼顶长度和宽度等信息。测得直升机2与发射装置1之间的距离，随后获得直升机2的点坐标；其中，当直升机2与LED发射装置1之间的距离小于200米时，安装在直升机内部的预警装置开始报警，飞行员根据测量的距离和直升机的点坐标调整直升机飞行高度、方向，直到距离大于200米报警解除。
本发明基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法的具体过程为：
步骤1：将结构为正方体且前、后、左、右及上表面均安装有LED紫外灯的LED发射装置1安装在建筑物顶部的西北、西南、东南、东北四个角，如图2所示；
步骤2：步骤1安装的四个LED发射装置1分别发出波段为240nm、250nm、260nm、270nm的紫外信号光；
步骤3：信号接收装置首先将光电倍增管探测到光信号转换为电信号，再将信号放大电路放大后的电信号经过A/D采样，将模拟信号转换为电信号，最后经过信号处理模块得到发射功率、接收功率、波长、楼顶长度和宽度等信息。
步骤4：根据步骤3所得的发射功率、接收功率、波长等信息，计算直升机与发射装置之间的距离：
直升机与LED发射装置之间的距离计算过程为：由于紫外光在直视传输过程中紫外光功率是按指数衰减的，在自由空间中路径损耗表示为大气衰减表示为探测器的接收增益为综合考虑以上所有因素，直升机与发送装置之间的距离为：
式中，lambertw为朗伯W函数，又称为“欧米加函数”或“乘积对数函数”；
Pt为发射功率，单位W；
λ为紫外光波长，单位nm；
Ar为接收孔径，单位cm2；
Ke为大气信道衰减系数，Ke＝Ka+Ks，Ka为大气的吸收系数，Ks为大气的散射系数，单位1/m；
Pr,LOS为接收光功率，单位W。
步骤5：根据步骤3和步骤4分别得到楼顶长度和宽度、直升机与发射装置之间的距离信息，代入到方程组中获得直升机的点坐标：以高层楼顶的中心o作为坐标原点，建立空间直角坐标系，如图3所示，则安装在建筑物顶部发射装置的坐标分别为 其中，a为建筑物顶部的长度，b为建筑物顶部的宽度，令直升机的坐标为M(X,Y,Z)，AM、BM、CM、DM之间的距离分别为l、r、m、n，根据空间中两点之间距离的数学计算公式，建立以下方程组，对方程组任意三个方程：
求解，即可解出直升机的坐标为M(X,Y,Z)，其中Z＞0，若建筑物顶部的长度a为100m，宽b为50m，AM、BM、CM之间的距离分别为120m、130m、140m。代入方程组，即可解出直升机的坐标
步骤6：将步骤4和步骤5得到的直升机与发射装置之间的距离和直升机的点坐标等数据先存放在FPGA中的RAM数据缓存区，然后送入到预警***中进行判决，如图4所示；进行精确判断直升机飞行状态是否超出预警***的阈值(200m)，并采用不同颜色警示灯、语音提示等方式告知飞行员存在危险的类型，及时提醒飞行员采取正确、有效的操作方式，避开飞行障碍物，保证飞行安全。当测量的距离小于150米时，点亮红色警示灯并伴有蜂鸣器报警声，飞行员利用操作机构(驾驶杆、自动倾斜器、脚蹬、油门总距杆)来改变旋翼空气动力合力F的大小，引起直升机上升和悬停；当测量的距离在150-200米时，点亮黄色警示灯时并伴有语音提示，飞行员调整旋翼空气动力合力F左右倾斜，使直升机产生滚转运动及侧向偏移；当测量的距离大于200米时，点亮绿色警示灯，说明直升机处于安全飞行状态，飞行员可以正常飞行，如图5所示。
Claims (6)
1.基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，其特征在于，包括安装在建筑物顶部的紫外LED发射装置发出信号光，悬挂在直升机底部的信号接收装置接收信号光后，对信号光中信息进行处理，得到直升机与发射装置之间的距离以及直升机的点坐标，并将所得距离数据和直升机点坐标分别传送到预警***和直升机显示器中，飞行员根据预警***的提示结合直升机的坐标，及时调整直升机的行驶方向，避免直升机碰撞障碍物；
所述信号接收装置的工作过程为：信号光经过滤波片进入FPGA中的光电倍增管，光电倍增管探测光信号，并将光信号转换为电信号，电信号经放大电路放大后经A/D采样后送入FPGA的信号处理模块中，测得直升机与LED发射装置之间的距离、直升机点坐标，并将所得数据与RAM数据缓存区的报警阀值进行对比，若直升机与LED发射装置之间的距离小于200，发送信号到预警***，预警***进行报警，同时，将直升机点坐标发送到飞机显示器中，便于飞行员进行方向调整；
所述直升机与LED发射装置之间的距离获取过程为：直升机与LED发射装置之间的距离计算过程为：由于紫外光在直视传输过程中紫外光功率是按指数衰减的，在自由空间中路径损耗表示为大气衰减表示为探测器的接收增益为综合考虑以上所有因素，直升机与发送装置之间的距离为：
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式中，lambertw为朗伯W函数，又称为“欧米加函数”或“乘积对数函数”；
Pt为发射功率，单位W；
λ为紫外光波长，单位nm；
Ar为接收孔径，单位cm2；
Ke为大气信道衰减系数，Ke＝Ka+Ks，Ka为大气的吸收系数，Ks为大气的散射系数，单位1/m；
Pr,LOS为接收光功率，单位W；
所述直升机点坐标的获取过程为：以高层楼顶的中心o作为坐标原点，建立空间直角坐标系，则安装在建筑物顶部发射装置的坐标分别为 令直升机的坐标为M(X,Y,Z)，AM、BM、CM、DM之间的距离分别为l、r、m、n，根据空间中两点之间距离的数学计算公式，建立以下方程组：
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其中，a为建筑物顶部的长度，m；
b为建筑物顶部的宽度，m；
l、r、m、n分别为紫外LED发射装置与直升机之间的距离，m；
对方程组任意三个方程求解，即可解出直升机的坐标为M(X,Y,Z)，其中Z＞0。
2.根据权利要求1所述的基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，其特征在于，所述LED发射装置为正方体结构，其前、后、左、右及上表面均安装有LED紫外灯。
3.根据权利要求2所述的基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，其特征在于，所述安装在LED发射装置上表面的LED紫外灯与水平面垂直，安装在LED发射装置前、后、左、右表面的LED紫外灯与水平面的夹角为10～30°。
4.根据权利要求2或3所述的基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，其特征在于，所述LED紫外灯发出的信号光为载有发射功率、波长信息的紫外光。
5.根据权利要求1所述的基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，其特征在于，所述每个LED发射装置发出信号光的波段不同；
所述信号接收装置的工作过程为：信号光经过滤波片进入FPGA中的光电倍增管，光电倍增管探测光信号，并将光信号转换为电信号，电信号经放大电路放大后经A/D采样后送入FPGA的信号处理模块中，测得直升机与LED发射装置之间的距离、直升机点坐标，并将所得数据与RAM数据缓存区的报警阀值进行对比，若直升机与LED发射装置之间的距离小于200，发送信号到预警***，预警***进行报警，同时，将直升机点坐标发送到飞机显示器中，便于飞行员进行方向调整。
6.根据权利要求1所述的基于无线紫外光直升机测距及防碰撞方法，其特征在于，所述预警***的工作过程为：当测量的距离在150-200米时，黄色警示灯亮，语音提示飞行员调整旋翼空气动力合力F左右倾斜，使直升机产生滚转运动及侧向偏移；当测量的距离小于150米时，红色警示灯亮并伴有蜂鸣器报警声，飞行员利用操作机构来改变旋翼空气动力合力F的大小，使直升机上升和悬停；当测量的距离大于200米时，绿色警示灯亮，说明直升机处于安全飞行状态，飞行员进行正常驾驶。
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