一种基于激光扫描的飞机入坞引导系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞机捕获、跟踪、识别的泊位引导系统，特别是涉及一种基于激光扫描 的飞机入坞引导和机型识别系统及方法。
【背景技术】
[0002] 飞机泊位引导是指将到港飞机从进入停机位导引至指定的准确停止位置的过程。 飞机泊位引导的目的是保障入坞飞机安全准确停泊，能方便飞机与各种地勤接口的准确对 接，并使得登机桥（PBB)能准确靠接飞机舱门，提高机场运行效率和安全。
[0003] 自动飞机泊位引导系统按使用传感器的类型不同主要分为：
[0004] (1)地埋线圈类；（2)激光扫描测距类；（3)视觉感知类。
[0005] 地埋感应线圈类自动引导系统通过探测是否有金属物体经过或停留来确定入坞 飞机的位置。地埋感应线圈的优点是响应速度快、成本低，对天气和照度无要求，但误差较 大、抗干扰能力低。同时，埋在地下的引线和电子元件存在容易被压坏、可靠性不高，测量精 度不高，不能识别机型，可调试可维修性差等缺陷。
[0006] 激光扫描泊位引导系统通过激光测距和激光扫描来确定飞机的位置、机型、实时 位置和实时速度。该种激光对目安全，且受环境和气候影响较小，定位确可达到毫米级别， 并且维护简单，因此激光扫描泊位引导系统完全能满足机场日益繁重的接机任务。
【发明内容】
[0007] 本发明解决的技术问题在于，提出一种基于激光扫描的飞机入坞引导系统及方 法，以实现对飞机的捕获、引导和跟踪，通过准确的激光扫描得到飞机的实时位置，便于为 飞行员提供泊位提示。
[0008] 另外，本发明还可对机型进行自动识别验证，提高飞机入坞的安全性。
[0009] 本发明公开了一种基于激光扫描的飞机入玛引导方法，包括：
[0010] 捕获步骤，对飞机机头的预计出现位置进行水平方向的激光扫描，获取激光扫描 的回波数据，根据一判断条件对该回波数据进行判断，以确定飞机是否出现；
[0011] 引导步骤，在飞机出现后，对飞机机头进行水平方向的激光扫描，获取激光扫描的 回波数据并据以判断飞机的机鼻位置；
[0012] 跟踪步骤，在飞机行进过程中，通过调整该激光扫描的垂直扫描角度，跟踪该机鼻 位置，并对该机鼻位置进行实时显示。
[0013] 该捕获步骤之前还包括零点标定步骤和引导线设置步骤，该零点标定步骤包括设 备安装零点标定步骤，执行于激光扫描系统初次安装时，该设备安装零点标定步骤包括水 平零点测量步骤和垂直零点测量步骤；
[0014] 该水平零点测量步骤包括：
[0015] 该激光扫描系统以固定垂直扫描角度向地面的一标定区域进行水平扫描，将该标 定区域等分为N个小区域，对每个小区域的边界点进行测距，从获得的测距值中找出最小 值，以具有最小值的边界点为中心，确定一扩展区域，以该扩展区域中的具有最小测距值时 水平反射镜所处的位置作为水平零点；
[0016] 该垂直零点测量步骤包括：
[0017] 该激光扫描系统在垂直扫描角度β i进行测距得到第一距离值Li，针对该垂直扫 描角度向上调整λ角度再次测距得到第二距离值1^2，利用公式
[0018] Ldsin β ! = L2*sin ( β「λ )
[0019] 计算，以垂直反射镜从当前位置向上转动（?^-λ)角度所处的位置为垂直零 点。
[0020] 该零点标定步骤还包括零点校正步骤，该零点校正步骤包括：
[0021] 在该设备安装零点标定步骤执行完毕后，该激光扫描系统从零点起逐步调整扫描 角度直至扫描到一预设参照物，记录此时的扫描角度作为校正角度；
[0022] 当该激光扫描系统重新开机时，该激光扫描系统在扫描到该预设参照物后，回调 该校正角度，以找到该零点。
[0023] 该引导线设置步骤包括：
[0024] 将一个标定物体分别立于引导线上的两个位置，该标定物体可以是人或者比人更 大的标定板，这两个位置中，一个是引导线与停止线的交点，即停止点，另一个是尽可能远、 最远可至100米、且仍处于引导线直线上的位置；分别对这两个位置上的标定物体进行多 次水平扫描，将扫描得到的点转换为χ-y-z三维坐标，截取ζ坐标在一定范围的点，作为扫 描标定物体得到的点，该范围的优选值是〇. 5米~1. 5米；分别对这两个位置，计算扫描标 定物体得到的点的平均坐标，由此得到这两个位置的χ-y坐标，做一条直线穿过这两个位 置，得到引导线的方程7 做一条垂直于引导线的直线，且穿过第一个位置，即停 止点位置，得到停止线的方程y = ksx+bs。对于多个停止线的引导线，设置不同的bs值并记 录该方程，得到多个停止点位置和停止线方程。
[0025] 该捕获步骤的判断条件进一步包括：
[0026] A、判断具有连续且具有最小测距值的感兴趣点的个数与回波数据的总数之比是 否大于一阈值；
[0027] B、根据该回波数据的总数计算飞机宽度，判断该飞机宽度是否不小于一宽度阈 值；以及
[0028] C、计算飞机高度，判断计算得到的飞机高度是否处于预定范围；
[0029] 其中，该感兴趣点的测距值在一规定的预测范围。
[0030] 该捕获步骤在获取该回波数据时，先对该回波数据进行中值滤波，再判断飞机是 否出现。
[0031] 该引导步骤进一步包括：
[0032] 从该回波数据中，截取落在机头的目标点，将该目标点从极坐标数据转换为三维 空间数据；
[0033] 从该目标点中提取Y方向值最小的点作为最近点；
[0034] 利用该目标点进行曲线拟合，获取曲线的顶点；
[0035] 根据该最近点的X值与该顶点的X值的差值，确定该最近点以及该顶点中之一为 该机鼻位置。
[0036] 该跟踪步骤进一步包括：
[0037] 在飞机进行过程中以预定垂直扫描角度扫描飞机的机鼻位置；
[0038] 根据回波数据计算飞机的当前机鼻点；
[0039] 对该当前机鼻点进行垂直扫描，根据扫描得到的抛物线的顶点计算垂直扫描角度 的改变量，并据以改变该垂直扫描角度，或者，根据该当前机鼻点计算垂直扫描角度的改变 量，并据以改变该垂直扫描角度。
[0040] 所述方法还包括机型识别的步骤，包括：机鼻高度验证、机舱宽度验证、机头俯视 轮廓验证、机头侧视轮廓验证和飞机引擎验证中的一种或几种；
[0041] 该机鼻高度验证包括：如果机鼻高度与预设机鼻高度之差在一预设范围内，视为 通过机鼻高度验证；
[0042] 该机舱宽度验证包括：寻找该回波数据中X坐标相差最大的两个点，将这两个点 的直线距离作为机舱宽度，如果该机舱宽度大于理论机舱宽度与一宽度系数的乘积，视为 通过机舱宽度验证；
[0043] 该机头俯视轮廓验证包括：将水平方向的激光扫描获得的回波数据（Xl，yi， Zl)代 入预设的俯视轮廓方程y = fn(x)，水平拟合点误差为
，水平拟合最大误 差
，若DH< ADH，则可认为机头的俯视轮廓验证通过，ADH为俯视验证阈值， i为回波数据的目标点的序号，η为俯视方程的拟合次数；
[0044] 该机头侧视轮廓验证包括：将垂直方向的激光扫描获得的回波数据（Xl，yi， Zl)代 入预设的俯视轮廓方程ζ = gm(y)，垂直拟合点误差为
垂直拟合最大误 备
，若Dv < Λ Dv，则可认为机头的侧视轮廓验证通过，Λ Dv为侧视验证阈值， i为回波数据的目标点的序号，m为侧视方程的拟合次数；
[0045] 该飞机引擎验证包括：
[0046] 根据该机鼻位置计算引擎位置，对该引擎位置进行水平方向的激光扫描以及垂直 方向的激光扫描；
[0047] 将水平方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引 擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最左端和最 右端的两个点的距离作为引擎宽度，该两个点的中点为引擎中心的水平坐标；
[0048] 将垂直方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引 擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最上端和最 下端的两个点的距离作为引擎高度，该两个点的中点为引擎中心的离地高度；
[0049] 判断引擎的个数与预定个数是否一致，如不一致，视为飞机引擎验证失败；
[0050] 判断该引擎中心的水平坐标或该引擎中心的离地高度与标准值的差距是否超过 阈值，如果是，视为飞机引擎验证失败；
[0051] 判断该引擎宽度或该引擎高度与标准值的差距是否超过阈值，如果是，视为引擎 验证失败。
[0052] 本发明还公开了一种基于激光扫描的飞机入玛引导系统，包括：
[0053] 捕获单元，用于对飞机机头的预计出现位置进行水平方向的激光扫描，获取激光 扫描的回波数据，根据一判断条件对该回波数据进行判断，以判断飞机是否出现；
[0054] 引导单元，用于在飞机出现后，对飞机机头进行水平方向的激光扫描，获取激光扫 描的回波数据并据以判断飞机的机鼻位置；以及
[0055] 跟踪单元，用于在飞机行进过程中，通过调整该激光扫描的垂直扫描角度，跟踪该 机鼻位置，并对该机鼻位置进行实时显示。
[0056] 该系统还包括零点标定单元，该零点标定单元包括水平零点测量单元和垂直零点 测量单元；
[0057] 该水平零点测量单元包括：
[0058] 使激光扫描系统以固定垂直扫描角度向地面的一标定区域进行水平扫描，将该标 定区域等分为N个小区域，对每个小区域的边界点进行测距，从获得的测距值中找出最小 值，以具有最小值的边界点为中心，确定一扩展区域，以该扩展区域中的具有最小测距值时 水平反射镜所处的位置作为水平零点的单元；
[0059] 该垂直零点测量单元包括：
[0060] 使该激光扫描系统在垂直扫描角度β i进行测距得到第一距离值Q，针对该垂直 扫描角度^调整λ度再次测距得到第二距离值l2，利用公式
[0061] Ldsin β 丄=L2*sin ( β「λ )
[0062] 计算，以垂直反射镜从当前位置向上转动（β「λ)角度所处的的位置为垂直 零点的单元。
[0063] 该零点标定单元还包括零点校正单元，该零点校正单元包括：
[0064] 使该激光扫描系统从零点起逐步调整扫描角度直至扫描到一预设参照物，记录此 时的扫描角度作为校正角度，并当该激光扫描系统重新开机时，该激光扫描系统在扫描到 该预设参照物后，回调该校正角度，以找到该零点的单元。
[0065] 该系统还包括引导线设置单元，具体包括：
[0066] 将一个标定物体分别立于引导线上的两个位置，该标定物体可以是人或者比人更 大的标定板，这两个位置中，一个是引导线与停止线的交点，即停止点，另一个是尽可能远、 最远可至100米、且仍处于引导线直线上的位置；分别对这两个位置上的标定物体进行多 次水平扫描，将扫描得到的