CN115393531B - 一种eVTOL导航合成视觉方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞行导航技术领域，尤其涉及一种eVTOL导航合成视觉方法及***，其包括如下流程：将窗外实时视频流作为第一视觉层；将eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息与完成坐标系转换后的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于第一视觉层之上；将eVTOL的实时位置、方向、速度信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。本发明提供的方法及***提高了飞行操纵的安全系数，对传统机载导航显示***进行了简化，并且能精准的显示3D对象与eVTOL在空间中的相对位置。

Description

一种eVTOL导航合成视觉方法及***
技术领域
本发明涉及飞行导航技术领域，尤其涉及一种eVTOL导航合成视觉方法及***。
背景技术
随着城市化进程加快，土地资源稀缺与地面交通拥堵的问题愈发突出，通过建设更多的高架桥、隧道仅能够缓解交通拥堵问题。而天空资源为可再生资源、容量可叠加，相对于修建道路，空中交通只需要地面起降场及通信基础设施。故为更好地解决城市交通拥堵的问题，未来城市交通势必要采用城市空中交通作为下一代城市交通解决方案之一。
根据SMG的调查报告，在未来10年内，未来空中出行的市场规模会达到万亿级别，而中国市场能够占其三分之一的体量。而伴随着eVTOL(电动垂直起降飞行器，ElectricalVertical Takeoff and Landing)行业和未来空中出行的发展，带来了大量的飞行员需求。根据麦肯锡的预测，在2028年，新兴的城市空中出行行业就需要60，000个飞行员，其数量会占据所有商业飞行员的10%，2028年后则会超过这个比例。目前我国大部分飞行员都集中在121部的运输航空中，运行91部和135部的公司规模都比较小，飞行员的数量也非常有限。故未来eVTOL对飞行员的爆发式需求和现在飞行员紧缺的现状是相互矛盾的，无法满足故城市空中交通行业的发展需求，城市空中交通行业需要以更低的时间与经济成本培养大量飞行员。
现在的eVTOL主机厂大部分都计划让其eVTOL最终实现完全自主飞行，但是无论从技术方面、监管方面、大众接受度方面来看，该过程会是较为漫长的。在未来的短期或者中期内，专业的飞行队伍就是保障eVTOL安全航行的一个必要条件。eVTOL主要分为倾转旋翼、复合翼、倾转涵道和多旋翼这四个大类，除多旋翼的构型以外，其他三个大类都是把固定翼和旋翼做了一定的融合，而由于固定翼机和旋翼机的控制方式非常不同，两者结合无异于要求一位eVTOL飞行员同时掌握两种操纵方式，而要求飞行员在紧急时刻自如的切换两种操纵方式是非常不现实的。
在此背景下，通用航空制造商协会（GAMA）提出了简化飞行操纵（SVO，SimplifiedVehicle Operation），其分为三个阶段，逐步提高自动化水平来实现最终的完全自主飞行。其第一阶段主要通过提高现有的自动化***的可靠性来逐步的消除人工的备份，从而减少飞行员的培训量；其第二阶段专门为不具备飞行经验的飞行员所设计，通过一些新的界面操作及操纵逻辑来让飞行员专注于导航，而不是机动，进一步减少训练市场；第三阶段即已经完全实现自主飞行，也就无需飞行员及培训。
在此，我们专注于第二阶段，这也是简化飞行操纵概念的精髓，即为飞行员或操纵员降低执行飞行相关任务复杂度并且同时能提升安全性的飞行***、界面、操纵和训练方式。其中，简化飞行操纵的界面能够使用导航合成视觉***进行实现和简化，合成视觉***(SVS，Synthetic Vision System)是计算机介导的现实用于eVTOL的***，该***使用 3D为飞行员提供清晰直观的了解其飞行环境的方式。
由于eVTOL的运营场景和传统的民航及通航区别较大，目前主要规划的运营场景的就是空中的士、机场接驳、城市货运、消防、医疗、救援和旅游观光等一些较为特殊的应用场景，这些运营场景决定着eVTOL必须要在一些大城市上空进行一些低空低速的飞行，这就要求飞行员培训要增加躲避建筑物的训练内容。而大城市的基建发展较快，如使用传统的导航视觉***，通过地形及建筑物数据库生成3D内容，为保证飞行安全，地形及建筑物数据的更新频率必须加快，这将会为eVTOL运营带来大量经济成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种eVTOL导航合成视觉方法及***，飞行导航视觉***由三个视图层叠加而成，叠加后的导航视觉***以显示窗外视频流为主，提高了飞行操纵的安全系数，2D、3D内容叠加其上，且仅保留必需内容，对驾驶员进行辅助提示，以此对传统机载导航显示***进行了简化，并且在对3D引擎渲染刷新时，将从机载数据库读取的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行了坐标系转换，使其与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息一致，精准的显示了3D对象与eVTOL在空间中的相对位置。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种eVTOL导航合成视觉方法，其包括如下流程：
S1: 窗外实时视频流获取设备获取eVTOL窗外实时视频流，并将窗外实时视频流作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上；
S2: 处理终端的数据处理器从机载数据库获取导航信息中3D对象的经度、纬度及高度信息，并获取eVTOL的经度、纬度及高度实时数据信息，计算出导航信息中3D对象站心坐标系与eVTOL站心坐标系差值，并将差值缓存至处理终端的缓存数据库；
S3: 数据处理器从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息，并从缓存数据库中读取eVTOL站心坐标系与导航信息中3D对象站心坐标系的差值信息，将从机载数据库读取的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行坐标系转换；
S4: 数据处理器获取eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息，并将eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息与完成坐标系转换后的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于飞行操纵界面上的第一视觉层之上；
S5: 数据处理器获取eVTOL的实时位置、方向、速度信息并将信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。
进一步，若S1中eVTOL为真机时，窗外实时视频流获取设备为安装于真机上的摄像头，若S1中eVTOL为模拟机，则窗外实时视频流获取设备为模拟机的视景***。
优选的，S4中数据处理器使用Three.js作为3D引擎计算生成3D对象，渲染至3D叠加层的canvas标签中。
优选的，导航信息中3D对象包括空域禁航区、限制区、危险区及垂直起降坪。
优选的，S4中eVTOL的姿态信息包括eVTOL偏航角、俯仰角及滚转角信息。
一种eVTOL导航合成视觉***，其包括窗外实时视频流获取设备、eVTOL操纵界面及处理终端，所述处理终端包括缓存数据库、数据处理器及显示模块，所述缓存数据库用于存储eVTOL导航合成视觉方法中 eVTOL站心坐标系与导航信息中3D对象站心坐标系的差值信息，所述窗外实时视频流获取设备用于获取eVTOL窗外实时视频流，并将eVTOL窗外实时视频流传输给显示模块作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上；所述数据处理器用于将从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行坐标转换，并将转换后的数据信息传递给显示模块；显示模块用于接收窗外实时视频流获取设备、数据处理器及eVTOL飞行控制计算机数据信息，并将经数据处理器进行坐标转换后的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于飞行操纵界面上的第一视觉层之上，将eVTOL实时位置、方向、速度信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。
优选的，窗外实时视频流获取设备为安装于eVTOL真机上的摄像头或者是模拟机的视景***。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种eVTOL导航合成视觉方法及***，具有如下优点：
1.本发明以窗外实时视频流为飞行导航提供合成视觉中的外部感知，防止因数据库中的地形建筑物信息更新不及时，与现实或模拟机视景***信息不匹配导致飞行安全或错误训练问题的发生；
2.符合简化飞行操纵概念，在3D界面上仅显示必要的导航3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息，将导航相关数据(HITS(Highway-In-The-Sky，空中高速公路)、空域(禁航区、限制区、危险区)、垂直起降坪(起飞、目的地、紧急着陆地)等使用3D内容进行显示或增强提示；将eVTOL位置方向速度相关数据(空速、低速、垂直速度、高度、目标高度、航向等)使用2D内容进行显示；
3.将从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行了坐标转换，使其与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息的坐标一致，能够实时精准显示3D对象与eVTOL在空间中的相对位置。
附图说明
图1为导航信息中3D对象坐标系转换流程图；
图2为3D内容渲染至3D叠加层实时计算流程图；
图3为本发明***框图。
具体实施方式
一种eVTOL导航合成视觉方法，其包括如下流程：
S1: 窗外(OTW，Out the Window的缩写)实时视频流获取设备获取eVTOL窗外实时视频流，并将窗外实时视频流作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上；本发明提供的导航合成视觉***不再以传统的通过地形及建筑物数据库生成的3D内容作为飞行员对地形及建筑物的主要感知参考，既能够解决地形及建筑物与实际不符使飞行员在紧急状态下发生困惑可能导致的安全问题，又能统一训练与真机操作。
S2: 处理终端的数据处理器从机载数据库获取导航信息中3D对象的经度、纬度及高度信息，并通过eVTOL飞行控制计算机获取eVTOL的经度、纬度及高度实时数据信息，计算出导航信息中3D对象站心坐标系与eVTOL站心坐标系差值，并将差值缓存至处理终端的缓存数据库，具体流程图如附图1所示；
S3: 数据处理器从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息，并从缓存数据库中读取eVTOL站心坐标系与导航信息中3D对象站心坐标系的差值信息，将从机载数据库读取的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行坐标系转换；
S4: 数据处理器获取eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息，并将eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息与完成坐标系转换后的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于飞行操纵界面上的第一视觉层之上，具体流程图如附图2所示；
S5: 数据处理器获取eVTOL的实时位置、方向、速度信息并将信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。
本发明提供的导航合成视觉***不再以传统的通过地形及建筑物数据库生成的3D内容作为飞行员对地形及建筑物的主要感知参考，而是以窗外实时视频流作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上，既能够解决地形及建筑物与实际不符使飞行员在紧急状态下发生困惑可能导致的安全问题，又能统一训练与真机操作。
并且由于作为简化飞行操作的第二阶段，eVTOL姿态已被飞控包线保护，飞行员应专注于导航而不是机动，故在界面上仅显示导航及eVTOL位置方向速度相关数据。本发明将导航相关数据使用3D内容进行显示或增强提示，如HITS(Highway-In-The-Sky，空中高速公路)、空域(禁航区、限制区、危险区)、垂直起降坪(起飞、目的地、紧急着陆地)等。将eVTOL位置方向速度相关数据使用2D内容进行显示，如空速、低速、垂直速度、高度、目标高度、航向等。三层显示的优先级为：2D叠加层信息 > 3D叠加层信息 > 第一视觉层，2D 、3D叠加层在显示界面上仅保留必需内容，对驾驶员进行辅助提示，符合简化飞行操纵概念，极大地减少了驾驶员执行飞行任务时的心智负荷，使驾驶员能够聚焦于较少的信息量，提高飞行安全水平。
同时由于数据处理器从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息并进行了坐标转换，使其与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息的坐标一致，能够实时精准显示3D对象与eVTOL在空间中的相对位置，便于飞行员及时对飞行状况做出准确判断。
而且由于从机载数据库读取3D对象的姿态信息(偏航角、俯仰角、滚转角)时，由于3D对象信息在空间中的姿态也为是固定的，故对于同一3D对象，该信息仅需读取一次即可，之后，获取eVTOL的实时姿态信息(偏航角、俯仰角、滚转角)，通过3D引擎渲染至界面即可，导航合成视觉方法简单方便易行。
进一步，若S1中eVTOL为真机时，窗外实时视频流获取设备为安装于真机上的摄像头，若S1中eVTOL为模拟机，则窗外实时视频流获取设备为模拟机的视景***，第一视觉层获取方法简单便利，成本低，无需投入昂贵的硬件设备。
优选的，S4中数据处理器使用Three.js作为3D引擎计算生成3D对象，渲染至3D叠加层的canvas标签中。
优选的，导航信息中3D对象包括空域禁航区、限制区、危险区及垂直起降坪，这样将导航合成视觉***的显示内容，在显示界面上仅保留必需内容，对驾驶员进行辅助提示，符合简化飞行操纵概念，极大地减少了驾驶员执行飞行任务时的心智负荷，使驾驶员能够聚焦于较少的信息量，提高飞行安全水平。
优选的，S4中eVTOL姿态信息包括eVTOL偏航角、俯仰角及滚转角信息。
一种eVTOL导航合成视觉***，具体如附图3所示，其包括窗外实时视频流获取设备、eVTOL操纵界面及处理终端，所述处理终端包括缓存数据库、数据处理器及显示模块，所述缓存数据库用于存储eVTOL导航合成视觉方法中eVTOL站心坐标系与导航信息中3D对象站心坐标系的差值信息，所述窗外实时视频流获取设备用于获取eVTOL窗外实时视频流，并将eVTOL窗外实时视频流传输给显示模块作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上；所述数据处理器用于将从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行坐标转换，并将转换后的数据信息传递给显示模块；显示模块用于接收窗外实时视频流获取设备、数据处理器及eVTOL飞行控制计算机数据信息，并将经数据处理器进行坐标转换后的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于飞行操纵界面上的第一视觉层之上，将eVTOL实时位置、方向、速度信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。
本发明保护的符合简化飞行操纵概念的导航合成视觉***，采用上述合成视觉方法，形成的导航视觉***以显示窗外视频流为主，提高了飞行操纵的安全系数，2D、3D内容叠加其上，且仅保留必需内容，对驾驶员进行辅助提示，以此对传统机载导航显示***进行了简化，并且在对3D引擎渲染刷新时，将从机载数据库读取的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行了坐标系转换，使其与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息一致，精准的显示了3D对象与eVTOL在空间中的相对位置，便于飞行员及时对飞行状况做出准确判断。
优选的，窗外实时视频流获取设备为安装于eVTOL真机上的摄像头或者是模拟机的视景***，eVTOL为真机时，窗外实时视频流获取设备为安装于真机上的摄像头，eVTOL为模拟机，则窗外实时视频流获取设备为模拟机的视景***，第一视觉层获取方法简单便利，成本低，无需投入昂贵的硬件设备。
综上所述，本发明所保护的一种eVTOL导航合成视觉方法及***，使叠加后的导航视觉***以显示窗外视频流为主，提高了飞行操纵的安全系数，2D、3D内容叠加其上，且仅保留必需内容，对驾驶员进行辅助提示，以此对传统机载导航显示***进行了简化，并且在对3D引擎渲染刷新时，将从机载数据库读取的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行了坐标系转换，使其与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息一致，精准的显示了3D对象与eVTOL在空间中的相对位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种eVTOL导航合成视觉方法，其特征在于：包括如下流程：
S1: 窗外实时视频流获取设备获取eVTOL窗外实时视频流，并将窗外实时视频流作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上；
S2: 处理终端的数据处理器从机载数据库获取导航信息中3D对象的经度、纬度及高度信息，并获取eVTOL的经度、纬度及高度实时数据信息，计算出导航信息中3D对象站心坐标系与eVTOL站心坐标系差值，并将差值缓存至处理终端的缓存数据库；
S3: 数据处理器从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息，并从缓存数据库中读取eVTOL站心坐标系与导航信息中3D对象站心坐标系的差值信息，将从机载数据库读取的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行坐标系转换；
S4: 数据处理器获取eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息，并将eVTOL的经度、纬度、高度信息及姿态信息与完成坐标系转换后的导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于飞行操纵界面上的第一视觉层之上；
S5: 数据处理器获取eVTOL的实时位置、方向、速度信息并将信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。
2.根据权利要求1所述的一种eVTOL导航合成视觉方法，其特征在于，若S1中eVTOL为真机时，窗外实时视频流获取设备为安装于真机上的摄像头，若S1中eVTOL为模拟机，则窗外实时视频流获取设备为模拟机的视景***。
3.根据权利要求1所述的一种eVTOL导航合成视觉方法，其特征在于，S4中数据处理器使用Three.js作为3D引擎计算生成3D对象，渲染至3D叠加层的canvas标签中。
4.根据权利要求1所述的一种eVTOL导航合成视觉方法，其特征在于，导航信息中3D对象包括空域禁航区、限制区、危险区及垂直起降坪。
5.根据权利要求1所述的一种eVTOL导航合成视觉方法，其特征在于， S4中eVTOL的姿态信息包括eVTOL偏航角、俯仰角及滚转角信息。
6.一种eVTOL导航合成视觉***，其特征在于，包括窗外实时视频流获取设备、eVTOL操纵界面及处理终端，所述处理终端包括缓存数据库及数据处理器，所述缓存数据库用于存储权利要求1所述的一种eVTOL导航合成视觉方法中eVTOL站心坐标系与导航信息中3D对象站心坐标系的差值信息，所述窗外实时视频流获取设备用于获取eVTOL窗外实时视频流，并将eVTOL窗外实时视频流作为第一视觉层显示在飞行操纵界面上；所述数据处理器用于将从机载数据库读取导航信息中3D对象的经度、纬度、高度信息及姿态信息进行坐标转换，并将转换后的数据信息与eVTOL实时经度、纬度、高度信息及姿态信息一起进行3D引擎渲染刷新后，作为3D叠加层显示于飞行操纵界面上的第一视觉层之上，同时将eVTOL实时位置、方向、速度信息作为2D叠加层显示于飞行操纵界面上的3D叠加层之上。
7.根据权利要求6所述的一种eVTOL导航合成视觉***，其特征在于，所述窗外实时视频流获取设备为安装于eVTOL真机上的摄像头或者是模拟机的视景***。
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