自主且自动的着陆方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及自主且自动的着陆方法和系统。根据本发明的用于使飞行器在着陆跑道上自动着陆的系统包括：意在拍摄地面的图像的机载摄像机(110)；从这些图像提取着陆跑道的视觉特征的图像处理装置(120)；以及制导装置(130)，其根据在所述图像中的至少一个图像中着陆跑道的视觉特征的相应位置来确定飞行器的制导命令，以将飞行器带入标称进场平面并且将飞行器与着陆跑道的轴线对准，其中所述制导命令被提供至飞行控制计算机(150)。
【专利说明】自主且自动的着陆方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及航空领域，并且更具体地涉及自动着陆系统领域。
【背景技术】
[0002] 着陆阶段是飞行器的飞行中的关键阶段，这是因为大多数事件和事故均在该阶段 期间发生。为方便飞行员的任务，已经提出许多自动着陆系统。特别地，装配到大容量客机 的ILS(仪表着陆系统）是公知的，并且其地面基础设施存在于国际机场。在一些欧洲机场 中，MLS (微波着陆系统）也是可用的。这些系统在飞行器进场阶段使用无线电或微波信号 不仅沿相对于跑道轴线的横向方向而且沿相对于下滑道的垂直方向来导引飞行器。然而， 这些系统特别是由于其高成本和其具有显著使用约束的事实而具有并非在所有机场中都 可用的缺点。此外，地面基础设施具有1〇_ 3/小时的数量级的故障概率。因此飞行器不能肯 定其将能够以自动模式着陆。最近，已经生产了使用被称为GLS(GPS着陆系统）的卫星定 位系统或者可替代地使用SLS(基于卫星的着陆系统）的自动着陆系统。由于目前的卫星 定位系统不能获得实现着陆所需的精度，所以这些系统必须通过地面参考站例如WAAS (广 域增强系统）或EGNOS (欧洲地球同步导航覆盖服务）网络的地面参考站来增强。上述系 统至今尚未普及，并且具有相对较低的可用率（99. 5%的数量级），这又使得不能永久地保 证以自动模式着陆。
[0003] 由于这样的地面基础设施的与空间和时间相关的不可用性，所以已将注意力转向 利用由机载摄像机拍摄的地面的视频图像的自主着陆系统。
[0004] 这些自主系统通常使用由摄像机拍摄的视频图像和关于跑道的数据来判断摄像 机的位姿（位姿估计），并且根据摄像机的位姿来推导飞行器相对于跑道的姿态和位置。然 后，根据以此方式确定的位置和姿态来计算飞行器的制导命令。然而，位姿估计是复杂的运 算，其通常需要机场的地形的机载数字模型是可用的，或者需要与着陆跑道相关的至少几 何数据和地形数据。此外，当含有数字模型的数据库不可用时，或者在随机地形上紧急着陆 的情况下，上述自主系统不起作用。
[0005] 由本 申请人:提交的申请FR-A-2835314提出了不需要获知着陆跑道的特征的着陆 辅助系统。然而，这种系统仅在飞行器距离地面数米时工作，并且使得不能在整个最后进场 阶段即在最后约10千米期间导引飞行器。
[0006] 本发明的目的为提出用于飞行器的自动着陆系统，该自动着陆系统特别稳健，以 及能够在与着陆跑道相关的数据全部或部分缺失的情况下工作并且能够在整个最后进场 阶段自主地导引飞行器。
【发明内容】
[0007] 本发明限定了一种用于使飞行器在着陆跑道上自动着陆的系统，该系统包括：
[0008] 在所述飞行器上的至少一个机载摄像机，其意在拍摄一系列连续的地面图像；
[0009] 图像处理装置，其能够从所述图像提取着陆跑道的视觉特征；以及
[0010] 制导装置，其能够根据在所述图像中的至少一个图像中着陆跑道的视觉特征的相 应位置来确定用于飞行器的制导命令，以将飞行器带入标称进场平面并且将飞行器与着陆 跑道的轴线对准。
[0011] 在进场阶段期间飞行器的制导命令因而仅基于图像中跑道的视觉特征的位置来 确定，而不需要获知跑道的几何和/或地形数据。
[0012] 在第一实施方式中，制导命令是通过对图像中跑道的视觉特征进行基于图像的视 觉伺服而获得的。
[0013] 在该第一实施方式中，制导装置包括基于图像的视觉伺服装置，该基于图像的视 觉伺服装置能够估计图像中在视觉特征的位置与这些特征的要求位置之间的距离，并且根 据所述距离来推导用于飞行器的制导命令以将视觉特征带至其在图像中的相应要求位置。
[0014] 图像中着陆跑道的视觉特征有利地为跑道的轴线和跑道上的触地点。
[0015] 如果不存在侧风，则跑道的轴线的要求位置为图像的中间垂直轴线，并且触地点 的要求位置为所述中间垂直轴线与如下线之间的交点：该线平行于水平线并且以与水平线 相距要求距离位于水平线下方。
[0016] 跑道的轴线与图像的中间垂直轴线之间的距离是通过距离(1Ω和角度吣来估计 的，该距离九将消失点Ω和在图像的中间垂直轴线与水平线之间的交点H分隔，并且角度 Θ ^为跑道的轴线与图像的水平轴线之间的角度。
[0017] 要求距离优选地等于(11)，。= 1&&11(0 + 6(|)4&11(0))，其中€为摄像机的焦距， Θ为飞行器的俯仰角，以及δ ^为标称进场平面与水平面之间的角度。
[0018] 在此情况下，用于飞行器的制导命令由下式确定：
【权利要求】
1. 一种用于使飞行器在着陆跑道上自动着陆的系统，其特征在于包括： 在所述飞行器上的至少一个机载摄像机（110,510)，所述至少一个机载摄像机意在拍 摄一系列连续的地面图像； 图像处理装置（120, 520)，所述图像处理装置能够从所述图像提取所述着陆跑道的视 觉特征；以及 制导装置（130 ;530, 540)，所述制导装置能够根据在所述图像中的至少一个图像中所 述着陆跑道的所述视觉特征的相应位置来确定所述飞行器的制导命令，以将所述飞行器带 入标称进场平面并且将所述飞行器与所述着陆跑道的轴线对准，其中所述制导装置包括视 觉伺服装置（130)，所述视觉伺服装置能够估计图像中在所述视觉特征的位置与这些特征 的要求位置之间的距离，并且根据所述距离来推导所述飞行器的制导命令以将所述视觉特 征带至其在所述图像中的相应要求位置，其中在所述图像中所述着陆跑道的所述视觉特征 为所述跑道的轴线（A)和所述跑道上的触地点（P)，并且其中如果不存在侧风则所述跑道 的轴线的要求位置为所述图像的中间垂直轴线，以及所述触地点的要求位置为所述中间垂 直轴线与如下线之间的交点：所述线平行于水平线（250)并且以与所述水平线相距要求距 离位于所述水平线下方。
2. 根据权利要求1所述的自动着陆系统，其特征在于，所述跑道的轴线与所述图像的 中间垂直轴线之间的距离是通过距离屯和角度吣来估计的，所述距离九将消失点Q和 在所述图像的中间垂直轴线与所述水平线（250)之间的交点H分隔，并且所述角度t为 所述跑道的轴线与所述图像的水平轴线之间的角度。
3. 根据权利要求2所述的自动着陆系统，其特征在于，所述要求距离等于dP，。= 1&811(0 + 6(|)4&11(0))，其中€为所述摄像机的焦距，0为所述飞行器的俯仰角，以及 S C1为所述标称进场平面与水平面之间的角度。
4. 根据权利要求2或3所述的自动着陆系统，其特征在于，所述飞行器的所述制导命令 由下式确定：
其中，<为要求滚转速率，Nz。为要求载荷因数，f和0分别为所述飞行器的瞬时滚转 角和瞬时滚转速率，以及h，i = 1，..，6为预定实数，0 V = 0和九，。为设定点值。
5. 根据权利要求4所述的自动着陆系统，其特征在于，要求值 为侧风速率的递增 函数，并且如果不存在这样的风则所述要求值九，。为零。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的自动着陆系统，其特征在于，所述图像处理装置 能够识别一个图像中的至少一个着陆跑道。
7. 根据权利要求6所述的自动着陆系统，其特征在于，所述自动着陆系统包括显示设 备（115,515)，所述显示设备显示所述摄像机（110,510)的图像并且所述显示设备被耦接 至用户接口（125,525)，其中所述用户接口使得能够从由所述显示设备显示的图像中的多 个着陆跑道选择着陆跑道。
8. 根据权利要求6所述的自动着陆系统，其特征在于，所述图像处理装置能够确定着 陆跑道的轴线和所述跑道上的触地点。
9. 根据权利要求1至5中的一项所述的自动着陆系统，其特征在于，所述自动着陆系统 包括显示设备（115,515)，所述显示设备显示所述摄像机（110,510)的图像并且所述显示 设备被耦接至用户接口（125, 525)，其中所述用户接口使得能够在所述图像上指定着陆跑 道的轴线以及所述跑道上的触地点。
10. -种用于使飞行器在着陆跑道上自动着陆的方法，其特征在于包括： 拍摄一系列连续的地面图像； 图像处理软件从所述图像提取所述着陆跑道的视觉特征；以及 根据在所述图像中的至少一个图像中所述着陆跑道的所述视觉特征的相应位置来确 定所述飞行器的制导命令，以将所述飞行器带入标称进场平面并且将所述飞行器与所述着 陆跑道的轴线对准，其中所述确定制导命令包括在所述图像中进行视觉伺服的步骤，以估 计图像中在所述视觉特征的位置与这些特征的要求位置之间的距离，并且根据所述距离来 推导所述飞行器的制导命令以将所述视觉特征带至其在所述图像中的相应要求位置，其中 所述视觉特征为所述跑道的轴线（△)和所述跑道上的触地点（P)，并且其中如果不存在侧 风则所述跑道的轴线的要求位置为所述图像的中间垂直轴线，以及所述触地点的要求位置 为所述中间垂直轴线与如下线之间的交点：所述线平行于水平线（250)并且以与所述水平 线相距要求距离位于所述水平线下方。
【文档编号】B64D45/04GK104340371SQ201410349014
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2013年7月24日
【发明者】吉扬·皮约, 维克托·吉贝尔, 法比安·佩林 申请人:空中客车营运有限公司