一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及飞机自动泊位技术，尤其涉及飞机泊位过程中姿态的测量与引导的一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置。装置包括扇形激光扫描仪，俯仰转动电机，处理器和显示屏，安装在飞机停泊位的尽头飞机机身高度的位置上。通过本装置及算法从飞机进入距离停机位100米范围开始，实时检测飞机的姿态，并提供引导（距离、偏移和速度）和机型匹配信息，并在显示屏上实时提供以上信息，指引飞机驾驶员停泊飞机。使用本装置可以不需要地面人工协助，由飞机驾驶员依靠提示信息，独立准确完成泊机操作。装置基于激光技术，准确性高，实时性好，在雾霾、雨雪等能见度差的天气环境下适应能力强。
【专利说明】一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞机自动泊位技术，尤其涉及飞机泊位过程中姿态的测量与引导的一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置。
【背景技术】
[0002]飞机泊位自动引导系统能够为飞机在停机坪安全、高效停泊提供准确和规范的引导，指引飞行员以最优程序停泊飞机。飞机泊位过程是航班运行中的一个组成部分，使用辅助设备提高航班运行的效率和安全性也是机场现代化建设的一个组成部分。
[0003]在没有飞机泊位自动引导系统的情况下，飞机的停靠需要多个地面人员的协助来进行，且执行效率有可以提升的空间。飞机泊位自动引导系统的主要任务是从飞机离开滑行道进入停机坪开始，指引飞行员控制飞机运动的速度和方向，同时对停靠的飞机尺寸大小是否适合停在当前停机位做出判定，直到飞机完全停泊在指定停机位上。在实际运用中，对系统的测量准确性，反馈实时性、天气适应性和设备可靠性都有比较高的要求。
[0004]多种技术方案被提出来解决这一问题。早期的技术方案依靠在多个位置安装的传感器实现飞机泊位自动引导。一部分传感器安装于停机坪地面上，承受地表压力容易坏损，且不易维护和更换。较新的技术方案倾向于集成传感设备并且安装于地表之上，如航站楼或廊桥上。新技术主要包含雷达、图像和激光技术等。雷达信号对细节的分辨力较差，可以准确探测飞机的距离，但是对飞机的姿态较难精准测量。图像技术在光照弱和能见度差的环境下适应能力差，且图像识别算法的准确度在复杂背景环境下还有待提高。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:针对上述存在的问题，提供一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置，装置安装在飞机停泊位的尽头飞机机身高度的位置上，从飞机进入距离停机位100米范围开始，实时检测飞机的姿态，并提供引导(距离、偏移和速度)和机型匹配信息，并在显示屏上实时提供以上信息，指引飞机驾驶员停泊飞机。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法包括:
[0008]步骤1:飞机泊位自动引导装置以扫描周期Tl对飞机泊位区域进行待机扫描，并通过处理器获得泊位区域点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态，并以扫描周期T2对飞机泊位区域进行自动扫描，执行步骤2到5 ;否贝U，返回步骤1，Tl为I秒到10秒，T2为0.1秒到2秒；
[0009]步骤2:在自动引导状态下，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示，否则执行步骤3 ；
[0010]步骤3:飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机已经基本正对泊机位，执行步骤4 ;如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作；如果飞机在距离泊位区域A1A2为Q，则确定飞机未正对泊机位，则发出重新泊位操作建议，否则执行步骤4，Q范围是20米到50米；
[0011]步骤4:飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机机鼻所在的位置，根据机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描周期T2扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示；
[0012]步骤5:飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据预测飞机泊位自动引导装置下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，控制下一周期激光扫描仪水平旋转范围和俯仰转动范围，从而达到追踪飞机的目的。
[0013]进一步的，所述步骤I具体步骤包括:
[0014]步骤11:滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在在水平方向上进行扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，飞机泊位自动引导装置每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；处理器对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，俯仰转动电机控制激光扫描仪以俯仰转动角σ为-45度到45度转动；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角Θ和俯仰转角σ在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r，θ，0)向飞机位置坐标系下(x，y，z)的转化公式为x=rcos ο cos Θ , y=rcos σ sin Θ -D1, z=rsin σ +H,其中H为飞机泊位自动引导装置安装的高度，Dl指的是激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离，一组点云数据来自一个独立物体，参数为扫描点的距离r和水平转角Θ，r为I~150米，Θ为-60度~60度，其中邻近点快速合并算法具体步骤是:把激光扫描仪每条扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角Θ间距小于阈值水平转角Te，该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新的组的起始点，前一个点是前一个组的终止点；Te为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距；
[0015]步骤12:每条水平扫描的起始点和终止点间的距离是该组扫描点的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米；
[0016]步骤13:如果有X条跨度的水平扫描出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。
[0017]进一步的，所述步骤2中包括:
[0018]步骤21:飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离A1A2边80~100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点PN(PNX，PNY，PNZ)的扫描线，PnA为点云数据中y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点PJPU，PLY, Plz)和每条扫描线终点PK(PKX，Pey, Pez)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点PN(PNX，Pm，PNZ);飞机翼展
的宽度W是乙组扫描线的跨度IV = y/( Piv — Prx )2+(P,,- Pry f + (PLZ - Pra y，飞机机身的
高度H=Pnz，其中Pnz是机鼻高度；如果飞机泊位自动引导装置连续三个扫描周期Τ2获取的飞机翼展宽度W和机鼻Pnz高度变化范围不超过5%，则表示扫描周期获取的点云数据准确，否则表不未能获取有效点云数据，激光扫描仪继续扫描；
[0019]步骤22:如果飞机翼展宽度W和机鼻Pnz不在泊机位区域范围，则处理器通过显示屏发出泊机位不适合警告。
[0020]进一步的，所述步骤3具体步骤包括:
[0021]步骤31:假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则PJPui, PLY, Plz)为飞机左翼顶点，pk(pkx，pky，pkz)为飞机右翼顶点；如果pw-pky>s或者
【权利要求】
1.一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于包括: 步骤1:飞机泊位自动引导装置以扫描周期Tl对飞机泊位区域进行待机扫描，并通过处理器获得泊位区域点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态，并以扫描周期T2对飞机泊位区域进行自动扫描，执行步骤2到5 ;否则，返回步骤1，Tl为I秒到10秒，T2为0.1秒到2秒； 步骤2:在自动引导状态下，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示，否则执行步骤3; 步骤3:飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机已经基本正对泊机位，执行步骤4 ;如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作；如果飞机在距离泊位区域A1A2为Q，则确定飞机未正对泊机位，则发出重新泊位操作建议，否则执行步骤4，Q范围是20米到50米； 步骤4:飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机机鼻所在的位置，根据机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描周期T2扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示； 步骤5:飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据预测飞机泊位自动引导装置下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，控制下一周期激光扫描仪水平旋转范围和俯仰转动范围，从而达到追踪飞机的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤I具体步骤包括: 步骤11:滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在在水平方向上进行扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，飞机泊位自动引导装置每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；处理器对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，俯仰转动电机控制激光扫描仪以俯仰转动角σ为-45度到45度转动；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角Θ和俯仰转角ο在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r，θ，0)向飞机位置坐标系下(x，y，z)的转化公式为x=rcos ο cos Θ , y=rcos σ sin Θ -D1, z=rsin σ +H,其中H为飞机泊位自动引导装置安装的高度，Dl指的是激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离，一组点云数据来自一个独立物体，参数为扫描点的距离r和水平转角Θ，r为I~150米，Θ为-60度~60度，其中邻近点快速合并算法具体步骤是:把激光扫描仪每条扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角Θ间距小于阈值水平转角Te，该点与处于前一个点所在 的组，否则认为该点是一个新的组的起始点，前一个点是前一个组的终止点；Te为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距； 步骤12:每条水平扫描的起始点和终止点间的距离是该组扫描点的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米；步骤13:如果有X条跨度的水平扫描出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤2中包括: 步骤21:飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离A1A2边80~100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点PN(PNX，PNY，PNZ)的扫描线，PnA为点云数据中y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点PJPU，PLY, Plz)和每条扫描线终点PK(PKX，Pey, Pez)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点PN(PNX，Pm，PNZ);飞机翼展的宽度W是乙组扫描线的跨度
4.根据权利要求2所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤3具体步骤包括: 步骤31:假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则PJPU，PLY, Plz)为飞机左翼顶点，Pe(PEX, Pey, Pez)为飞机右翼顶点；如果I\Y-PKY>S或者
5.根据权利要求2所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤4具体包括: 步骤41:以飞机机鼻Pn代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时飞机机鼻所在的点Pp (PPX，PPY，Ppz)为泊机操作的目的点，飞机到泊机位的距离为
6.一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于包括: 激光扫描仪，对飞机泊位区域进行周期性循环性扫描，从而实现获取以点云数据形式表达泊位区域物体轮廓信息，点云数据参数为扫描点的距离r和水平转角Θ，r为I~150米，Θ为-60度~60度； 俯仰转动电机，控制激光扫描仪进行俯仰转动，其俯仰转动角为σ，σ为-45度到45度； 处理器，接收飞机泊位自动引导装置以扫描周期Tl进行待机扫描时获得的点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态；随后处理器接收飞机泊位自动引导装置以T2周期进行自动扫描时的点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示；否则，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作，调节飞机正对泊机位，然后根据飞机机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示；同时处理器根据点云数据预测下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，追踪飞机位置； 显示屏，用于显示处理器计算出泊机指引信息； 所述激光扫描仪、处理器、俯仰转动电机和显示屏安装在飞机停泊位置的正前方，正对机鼻，距离泊位区域近端Dl，Dl为I~15米。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于所述激光扫描仪工作步骤: 步骤111:滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在水平方向上扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，一组点云数据表示一个独立物体；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角Θ和俯仰转角σ在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r，θ，σ )向飞机位置坐标系下(X，y, ζ)的转化公式为x=rcos ο cos Θ , y=rcos σ sin Θ -D1, z=rsin σ +H,其中H为飞机泊位自动引导装置安装的高度，Dl指的是激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离，其中邻近点快速合并算法具体步骤是:把每条扫水平扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角Θ间距小于阈值水平转角Te，该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新水平扫描线的起始点，前一个点是前一个水平扫描线的终止点；Te为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距；步骤112:每条水平扫描线的起始点和终止点间的距离是该条水平扫描仪的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米; 步骤113:如果有X条跨度的水平扫描线出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。
8.根据权利要求7 所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于所述处理器检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示具体步骤包括:步骤121:飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离A1A2边80~100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点PN(PNX，PNY，PNZ)的扫描线，PnA为点云数据中y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点I\(Pu，P?，Pd和每条扫描线终点PK(PKX，PKY，PKZ)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点ΡΝ(ΡΝΧ，ΡΝΥ，ΡΝΖ);飞机翼展的宽度W是乙组扫描线的跨度
9.根据权利要求7所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于所述飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位具体步骤包括: 假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则PJPui, PLY, Plz)为飞机左翼顶点，PE(PEX, Pry, Pkz)为飞机右翼顶点；如果PW-PKY>S或者
10.根据权利要求7所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示具体步骤包括: 步骤141:以飞机机鼻Pn代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时飞机机鼻所在的点Pp(Ρρχ，Ρρy，Ppz)为泊机操作的目的点，飞机到泊机位的距离为
【文档编号】B64D45/08GK103786893SQ201410035317
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】刘卫东, 隋运峰, 钟琦, 李华琼, 张中仅, 王雨果, 鄢丹青, 范丹 申请人:中国民用航空总局第二研究所