一种直升机训练飞行防撞预警方法

文档序号:6323065阅读:263来源:国知局
专利名称:一种直升机训练飞行防撞预警方法
技术领域
本发明涉及直升机防撞预警,特别涉及一种直升机训练飞行防撞预警的实现方法。
背景技术
直升机在保障国民经济建设中的作用日益突出,其可执行运送补给、城市巡逻、森林防火搜救等任务;在军事领域,直升机担负着执行战场人员物资投送、战场侦察、火力攻击等重要使命。然而目前国内直升机数量、直升机飞行教员都较少,飞行员也十分紧缺。在这种情况下培养大量直升机飞行员,保障直升机训练飞行安全也就尤为重要。直升机常飞行于城市上空、复杂低空,丘陵山区等区域。丘陵山区地形起伏大、气象复杂多变、可视距离短,还存在低空地面高压线纵横、电缆密集、突出建筑物多的情况,这些飞行条件和障碍物都对直升机训练飞行安全构成较大的威胁。此外,直升机飞离基地后一般缺乏地面引导,飞行员完全靠经验和目视搜寻规避障碍物,经验具有局限性,刚上机的飞行学员缺乏经验且一旦进入陌生空域后就不具备经验;目视搜索带有主观性并不可避免地增加了飞行员的精力支出,易造成飞行疲惫,埋下安全隐患。纵观2008年3-7月媒体报道的7起较大的直升机飞行事故中,除机械故障、飞行员违章驾驶所致的4起事故外,还有3 起就是直升机低空飞行因撞树、挂高压线造成。由此可见直升机低空飞行存在较为严重的碰撞障碍物的安全威胁,亟待解决。直升机在复杂低空训练飞行时存在碰撞障碍物的危险,为此国内外曾提出三种技术解决方案1.无源传感器探测;2.激光雷达探测;3.毫米波雷达探测。国外(如美国、法国、德国、以色列等国)在后两个方案上进行了研究和试验,取得了一定的成果,研发的产品也装备了部分直升机。微型计算机一般尺寸小、功耗低、主频高低可选范围广、性能稳定,能够进行实时处理,工业许多领域都将其作为应用系统(如嵌入式系统)的基础运行平台。市场上可选的微型计算机多,如PC104计算机、3寸单板机、5寸单板机等。显示技术经过长期的发展,目前TFT-IXD液晶显示器已经广泛应用于工业、社会等各领域。针对具体的应用,市场上TFT-LCD液晶显示器的尺寸、分辨率、对比度可选范围广,若有特殊用途还可定制。目前全球卫星定位系统有如下四种美国的GPS卫星定位系统、俄罗斯的GL0NASS 卫星定位系统、欧洲的“伽利略”卫星定位系统、我国的“北斗”卫星定位系统。GPS卫星定位系统是覆盖全球的定位系统,随着美国停止对GPS卫星实施SA技术, 使得全球广大用户能够用GPS动态载波相位测量获得厘米级精度的三维实时点位坐标,而且能够用C/A码伪距测量解获得米级的单点定位精度。市场上经济型GPS-OEM模块能够提供更新频率大于10Hz、水平定位误差小于2米的定位信号,其在高速移动过程中仍能保持前述的定位精度。随着俄罗斯对GL0NASS卫星定位系统的技术改进,GL0NASS卫星定位系统在民用领域的应用得到扩大。目前市场上高精度的GL0NASS-0EM板已能提供定位误差小于2m、数据更新频率小于等于IOOHz的单点定位信号。欧洲“伽利略”卫星定位系统正在建设中。“北斗”卫星定位系统是我国建设的覆盖我国的全天候卫星定位系统,其与GPS、 GL0NASS卫星定位系统相比增加了通讯功能,其定位精度与GPS卫星定位系统相当。随着科技的发展,地理测绘手段增多、测量精度提高,国家地理测绘有关部门已掌握覆盖我国较广范围的高精度地图数据;与此同时,国内GIS行业已有多家从事地图数据供应和电子地图绘制的商业公司,预示着地图数据产业的商业快速发展。目前获取地图数据的途径较多,如商业购买,高精度航拍,结合等高线地图实地调查等。

发明内容
本发明公开了一种直升机训练飞行防撞预警方法,该方法在直升机训练飞行中能对直升机训练飞行航线上的各障碍物和地形地貌提供预警,提醒飞行员采取规避动作,避免发生直升机碰撞障碍物或撞山事故。目前直升机训练飞行基本上完全依靠飞行员的经验和目视搜索来规避障碍物,以防止直升机碰撞障碍物事故。然而经验具有局限性,目视搜索带有主观性。此外,刚上机的新飞行员或飞行学员一般缺乏经验且一旦进入陌生空域后就不具备经验;而目视搜索会不可避免地增加飞行员的精力支出,易造成飞行疲惫,埋下安全隐患。本发明公开的一种直升机防撞预警方法,主要是针对培训飞行学员的直升机训练飞行。直升机训练飞行与作战飞行相比,训练飞行通常位于相对固定和有限空域,且该空域的地形地貌、障碍物数量和位置在一定时期内变化较小,从而使建立训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库相对容易。为解决直升机训练飞行防障碍物碰撞这个难题,本发明的技术方案是基于微型计算机技术、卫星定位技术及实时比对位置的原理提出一种直升机训练飞行防撞预警方法,直升机训练飞行前该方法事先建立训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库,直升机起飞后该方法通过实时计算、更新直升机与障碍物之间的水平距离和垂直距离,以及实时计算、更新直升机当前位置与地形地貌之间的最短水平距离和最短垂直距离,即可按 “预警算法”检测直升机“瞬时预警空域”内是否存在危险的障碍物,同时也可检测直升机是否存在撞山的危险,而后再根据这些检测结果报警。该方法涉及微型计算机(101)、定位模块(10 、数据存储模块(10 、显示模块(104)、报警模块(10 及通信接口模块(106)。该方法循环步骤如下1.直升机训练飞行前按特定的调查方法标记直升机训练飞行区域的地形地貌和训练飞行区域内的障碍物,而后再按“子区域冗余”方式建立地形地貌数据库和障碍物数据库,并将这些数据库存储在数据存储模块(103)。2.直升机起飞后,定位模块(10 按一定的频率持续提供直升机当前三维位置数据、直升机航向,该三维位置数据是直升机当前位置的经度、纬度和高度。3.微型计算机(101)通过串口异步通信取得定位模块实时传送的直升机三维位置数据、直升机航向。4.微型计算机(101)根据直升机当前位置首先选择地形地貌数据块和障碍物数据块,而后一方面确定直升机所处的地形环境,若直升机正处于各种地形地貌(如平原、丘陵)的上空,则计算直升机当前位置与地形地貌之间的最短距离,若直升机正处于山谷之间时,则计算直升机当前位置与山谷两侧、谷底之间的最短距离;另一方面计算直升机与选择的障碍物数据块中各障碍物之间的水平距离、垂直距离。5.微型计算机(101)以步骤4计算所得的直升机当前位置与地形地貌之间的最短距离、直升机与步骤4选择的障碍物数据块中各障碍物之间的水平距离、垂直距离为依据, 按“预警算法”检测直升机“瞬时预警空域”是否存在障碍物的同时,还检测直升机是否存在撞山的危险,而后根据检测结果控制报警模块(10 报警。6.显示模块(104)实时显示与更新直升机、危险障碍物的位置及预警信息,预警信息包括直升机与各个障碍物之间的水平距离、垂直距离及直升机当前所在位置的地理地貌。7.完成以上处理后微型计算机(101)等待定位模块(10 下一次送来新的直升机位置数据,而后重复进行步骤3、4、5、6、7,直到直升机降落退出预警。与步骤2、3、4、5、6、7还能并行处理的是该方法通过通信接口模块(106)连接直升机机载数据链系统,即可与装备数据链系统的其它终端(如塔台、其它直升机等)组网进行数据通信,从而可以在输出直升机当前位置数据的同时也可接收其它数据链终端传送的数据。直升机训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库可在地面通过有线数据通信的方式更新,也可在训练飞行过程中通过无线数据通信的方式更新。直升机训练飞行前调查标记直升机训练飞行区域的地形地貌和训练飞行区域内的障碍物时,将地形地貌以其表面上等间隔均勻分布的多个地形地貌单点表示并标记;将训练飞行区域内呈面状、线状分布的障碍物群以该障碍物群内等间隔均勻分布的多个障碍物单点表示并标记;将训练飞行区域内的高压线、电缆以线缆上等间隔均勻分布的多个线缆单点表示并标记;以及将孤立突出的建筑物、树木等障碍物以孤立单点表示并标记。标记地形地貌和障碍物时,各单点之间的间隔大小与直升机的机动性能、定位模块(10 的定位误差有关。“子区域冗余”是本发明存储地形地貌、障碍物数据的存储方式。建立地形地貌数据库和障碍物数据库时,按“子区域冗余”方式首先从二维平面将直升机训练飞行区域划分为多个正六边形子区域,然后将各子区域内标记的地形地貌数据和障碍物数据分别存储在各个地形地貌数据块和障碍物数据块中。正六边形子区域的边长与直升机的机动性能有关。此外,这些地形地貌数据块和障碍物数据块还分别存储一个附加区域内的地形地貌和障碍物数据,该附加区域是距本子区域边界的垂直距离小于预定阈值的区域。该阈值的大小与直升机的机动性能和定位模块(102)的定位误差有关。地形地貌数据库和障碍物数据库存储着标记的单点的经度、纬度、高度及名称。按“子区域冗余”方式存储地形地貌数据,一方面有助于在预警过程中快速地确定直升机当前位置所处的地理环境,另一方面有助于确保直升机飞跃子区域边界上空时仍能有效地确定直升机当前所在位置的地理环境;按“子区域冗余”方式存储障碍物数据,一方面有助于减少计算直升机与障碍物之间的水平距离、垂直距离及相对方位的数据处理量, 另一方面有助于确保直升机飞跃子区域边界上空时对障碍物预警的有效性。选择障碍物数据块和地形地貌数据块时,根据直升机位置确定直升机正处于的子区域或子区域边界,若直升机正处于某一子区域中,则选择该子区域的障碍物数据块和地形地貌数据块;若直升机正位于某一子区域边界上,则选择与该边界相临的任一子区域的障碍物数据块和地形地貌数据块。确定直升机所处地理环境时,首先根据直升机当前的位置选择地形地貌数据块, 而后在该地形地貌数据块中检测直升机当前位置的地形环境。报警模块(10 受微型计算机(101)控制从视觉和听觉两方面发出一种地理环境危险信号及四种不同危险等级的障碍物预警信号。“瞬时预警空域”是相对直升机当前位置、航向的时变立体空域,其按照危险等级从高到低划分为I到IV号空域。I号空域是半径为R1、高为2 圆柱体区域,II号空域是内径为R1、外径为&、高为2 的半圆环柱体区域,III号空域是内径为&、外径为R3、高为 2H3的半圆环柱体区域,IV号空域是内径为R3、外径为R4、高为2H4的半圆环柱体区域,其中 R1 < R2 < R3 < R4, H1 < H2 < H3 < H4。以直升机当前位置为坐标原点、直升机当前航向为 y轴,按右手法则建立空间直角坐标系,“瞬时预警空域”中I到IV号空域表示为如下I号空域为
\x2+y2<R^· {-/f, <z<Hx
II号空域为
(a)
R12 < X2+y2 < R2--H2 <z< H2 y>0
III号空域为 R22 <x2+y2<R^ -H,<z< H3 y>0
IV号空域为 R32 < χ2+y2 < R4 -H,<z<H, ^>0
(b)
(c)
(d)“瞬时预警空域”的设计是以增加一定的预警疲劳来避免预警过程的漏警。I到IV 号空域的范围参数(RpRyRyRpHpHyHyH4)是根据直升机最大巡航速率vh、最大垂直爬升速率Vv、定位模块定位精度Pe与数据更新频率f、装置预警处理时间tp、人员反应时间、、 操作驾驶时间t。及预警时间量tf联合确定,可根据不同直升机的机动性能做相应的调整。 范围参数计算公式如下各空域平面半径参数为pr= (tf+t0+tr+tp+l/f) Xvv+pe(e)各空域垂直高度参数为pv= (tf+t0+tr+tp+l/f) Xvv(f)在机型和硬件设备确定后,参数vh、vv, Pe, f、tp、tr, t。一般固定不变,此时各空域范围参数可随预警时间量tf的改变而相应地变化。该方法因综合考虑了系统误差使得预警空域各范围参数在一定程度上增大,从而也就使得预警空域在一定程度上扩大,进而在一定程度上增加了预警疲劳;此外,该“瞬时预警空域”的垂直截面为阶梯形,与常规的垂直截面为三角形的预警空域相比,本发明“瞬时预警空域”的空域范围大,会在一定程度上增加预警疲劳度,但预警空域的扩大使得该方法能避免定位模块(102)的垂直定位误差带来的漏警。“预警算法”是本发明检测直升机是否存在碰撞障碍物或撞山危险的方法,该方法处理流程包含如下两个并行步骤1.判定直升机是否存在撞山的危险;1. 1.若直升机处于各种地形地貌(如平原、丘陵、山区)的上空,就判断直升机当前位置与地形地貌之间的最短距离是否小于预定的安全距离阈值,若直升机当前位置与各地形地貌之间的最短距离小于垂直安全距离阈值则发出地形危险信号。1. 2.若直升机正处于山谷之间时,就判断直升机当前位置与山谷两侧、谷底之间的最短距离是否小于预定的安全距离阈值;若存在至少一个最短距离小于预定安全距离阈值则发出地形危险信号。步骤1. 1和1. 2中的安全距离阈值与直升机的机动性能、定位模块(102)的定位
误差有关。2.检测直升机“瞬时预警空域”是否存在危险障碍物;2. 1.根据直升机与各障碍物之间的水平距离、垂直距离检测I号预警空域是否存在障碍物,若I号空域存在障碍物,则发出一级危险障碍物预警信号,若I号空域不存在障碍物,则执行如下步骤2. 2。2. 2.比较前后两次预警处理时计算得到的直升机与各障碍物之间的水平距离,判定直升机是否正接近这些障碍物,而后结合本次预警处理得到的直升机与直升机当前正接近的各障碍物之间的水平距离、垂直距离检测II号空域是否存在障碍物,若II号空域存在障碍物则发出二级危险障碍物预警信号,若II号空域不存在障碍物,则执行如下步骤2. 3。2. 3.比较前后两次预警处理时计算得到的直升机与各障碍物之间的水平距离,判定直升机是否正接近这些障碍物,而后结合本次预警处理得到的直升机与直升机当前正接近的各障碍物之间的水平距离、垂直距离检测III号空域是否存在障碍物,若III号空域存在障碍物则发出三级危险障碍物预警信号,若III号空域不存在障碍物,则执行如下步骤 2. 4。2. 4.比较前后两次预警处理时计算得到的直升机与各障碍物之间的水平距离,判定直升机是否正接近这些障碍物,而后结合本次预警处理得到的直升机与直升机当前正接近的各障碍物之间的水平距离、垂直距离检测IV号空域是否存在障碍物,若IV号空域存在障碍物则发出四级危险障碍物预警信号,若IV号空域不存在障碍物,则发出安全信号。本发明与雷达防撞相比,本发明不需发射探测信号,只需接收外部提供的位置信号,成本低、性价比高,是一种被动防撞预警方法。本发明的有益效果是本发明能对直升机训练飞行航线上的地形地貌和障碍物提
供预警。
8


图1为本发明一种直升机训练飞行防撞预警方法的原理2为本发明一种直升机训练飞行防撞预警方法的实施例示意3为图2中预警装置00)的硬件连接示意1为本发明原理图,一种直升机训练飞行防撞预警方法涉及微型计算机(101)、 定位模块(102)、数据存储模块(103)、显示模块(104)、报警模块(10 及通信接口(106) 六部分,微型计算机(101)是本方法的运算处理核心,其循环进行如下四个步骤,直到直升机降落退出预警1.获取定位模块(102)传送的直升机位置(1011)。2.选择地形、障碍物数据块(101 根据直升机位置(1011)选择地形数据块和障碍物数据块。3.计算距离(101 计算直升机当前位置与地形环境之间水平和垂直方向上的最短距离、直升机与如上步骤2选择的障碍物数据块中各障碍物之间的水平距离、垂直距
1 O4.预警判断根据如上步骤3中计算距离(1013)得到的距离检测直升机是否存在撞山或碰撞障碍物的危险,并根据检测结果控制报警模块(105)报警。此外,微型计算机(101)还控制显示模块(104)实时显示、更新直升机及障碍物的位置和预警信息;微型计算机(101)可根据需要通过通信接口(106)进行数据通信 (1015),即可更新地形地貌数据库和障碍物数据库。图2为本发明实施例示意图,图中标记为1-直升机,2-塔台,3-GPS卫星,4-高压线标记点,5-高压线标记点,6-高压线标记点,7-高压线标记点,8-高压线标记点,9-高压线标记点,10-高压线标记点,11-高压线标记点,12-大树,13-大树,14-大树,15-大树, 16-大树,17-大树,18-地形地貌标记点,19-地形地貌标记点,22-地形地貌标记点,23-地形地貌标记点,24-地形地貌标记点,25-地形地貌标记点,26-地形地貌标记点,27-地形地貌标记点,28-地形地貌标记点,29-地形地貌标记点,30-地形地貌标记点,31-地形地貌标记点,20-预警装置,21-机载数据链系统。图3为图2中预警装置00)的硬件连接示意图,包括嵌入式计算机O001)、控制接口 Q002)、GPS-OEM 板 Q003)、GPS 天线 Q004)、抗震硬盘 Q005)、LCD 显示屏 Q006)、 数据链接口(2007)、蜂鸣器(2008)、蜂鸣器(2009)、信号灯(2010)、信号灯(2011)、信号灯(2012)、信号灯(2013)、信号灯(2014),其中控制接口(2002)、蜂鸣器(2008)、蜂鸣器 (2009)、信号灯(2010)、信号灯(2011)、信号灯(2012)、信号灯(2013)、信号灯(2014)完成报警功能。下面结合附图1、附图2、附图3对本发明具体实施方式
做进一步描述。
具体实施例方式本发明提出的一种直升机训练飞行防撞预警方法该方法基于微型计算机技术、 卫星定位技术及实时比对位置的原理,直升机训练飞行前该方法事先建立训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库,直升机起飞后该方法通过实时计算、更新直升机(1)与各障碍物之间的水平距离和垂直距离,以及实时计算、更新直升机(1)当前位置与地形地貌之间水平和垂直方向上的最短距离,即可按“预警算法”检测直升机(1)的“瞬时预警空域” 内是否存在障碍物及直升机(1)是否存在撞山的危险,而后再根据检测结果报警。其原理如图1所示,该方法涉及微型计算机(101)、定位模块(10 、数据存储模块(10 、显示模块 (104)、报警模块(105)及通信接口(106)。作为低空飞行器的直升机(1)对预警装置00)性能指标要求高,预警装置00) 须满足尺寸小、重量轻、功耗低、工作温度范围广、抗震性强等性能指标。微型计算机(101) 采用尺寸小、重量轻、主频高的嵌入式计算机O001)(如5寸单板计算机、3. 5寸单板计算机等);定位模块(10 采用能提供定位误差小于2米、数据更新频率大于IOHz的GPS-OEM板 (2003)与配套的GPS天线Q004);数据存储模块(10 采用抗震性强的抗震硬盘O005); 显示模块(104)采用功耗低、可视角度大、抗震性强的LCD显示屏Q006);报警模块105 采用控制接口(2002)、蜂鸣器(2008)、(2009)与5种不同颜色的信号灯(2010)、(2011)、 (2012), (2013), (2014);通信接口 (106)采用数据链接口(2007)。预警装置(20)的各部分连接如图3所示。需要说明的是微型计算机(101)还可以采用PC104计算机;定位模块 (102)也完全可以根据需要选用北斗定位模块或GL0NASS定位模块或“伽利略”定位模块, 甚至可以是双定位模块以提升定位可靠性。本发明是基于掌握较多的先验信息(地形数据、障碍物数据),采用位置比对的原理对训练飞行的直升机提供防撞预警,因此,先验信息越多越详尽,预警可靠性就越好。由于直升机训练飞行通常位于相对固定和有限的区域,该区域的地形地貌和障碍物信息可亲临现场调查得到,亦可由高精度航拍或卫星观测数据得到。如图2所示的直升机训练飞行防撞预警实施例,由于直升机(1)训练飞行区域是丘陵山区,调查标记地形地貌数据和障碍物数据时,则主要采集丘陵山体、孤立大树、高压线的三维位置数据。采集丘陵山体位置数据时,采集丘陵山体表面上间隔均勻的多个单点的位置数据,而后采用高阶曲面拟合的方法生成丘陵山体表面上等间隔均勻分布的其它多个单点的位置数据。采集丘陵山沟谷底位置数据时,采集丘陵山沟谷底表面上间隔均勻的多个单点的位置数据,而后采用高阶曲面拟合的方法生成丘陵山沟谷底表面上等间隔均勻分布的其它多个单点的位置数据。采集高压线位置数据时,采集各高压线桩的位置数据,而后采用高阶曲线拟合的方法生成高压线上其它等间隔均勻分布的多个单点的位置数据。采集孤立大树的位置数据时,首先采集大树在地面垂直投影点的位置数据,而后再把该投影点的位置数据的高度值加上一个修正量,修正量为大树的高度值,此后再将修正后的投影点位置数据作为大树的位置数据。调查完直升机训练飞行区域的地形地貌和障碍物后,就将标记或拟合生成的地形地貌数据和障碍物数据按“子区域冗余”方式分别建立地形地貌数据库和障碍物数据库并存储在抗震硬盘000 中。按“子区域冗余”方式建立数据库时,首先从二维平面将直升机训练飞行区域划分为多个正六边形子区域,然后将各子区域内标记的地形地貌数据和障碍物数据分别存储在各个地形地貌数据块和障碍物数据块中,这些地形地貌数据块和障碍物数据块还分别存储一个附加区域内的地形地貌和障碍物数据,该附加区域是距本子区域边界的垂直距离小于200米的区域。地形地貌数据库和障碍物数据库存储着调查标记或拟合生成的单点的经度、纬度、高度及名称。建立好直升机训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库后,直升机起飞开始预警,预警循环步骤如下1. GPS天线Q004)与GPS-OEM板Q003)实时接收GPS卫星(3)的定位信号,通过解算导航电文获得GPS天线Q004)的位置数据、移动方向,并以IOHz的频率更新这些数据,还将这些数据以NMEA-0183格式的ASCII码通过串口数据线送到嵌入式计算机Q001) 串口缓冲区。2.嵌入式计算机2001通过多线程编程技术实时监视自身串口缓冲区,一旦检测到GPS-OEM板送来数据就立即按异步通信方式将串口缓冲区中的数据读取到内存中,进行数据处理,并将GPS天线Q004)的位置数据、移动方向分别作为直升机(1)的位置数据、航向。3.嵌入式计算机Q001)获得串口数据后进行预警处理。预警处理时,嵌入式计算机Q001)根据直升机(1)的位置选择地形地貌数据块和障碍物数据块,并计算直升机(1) 当前位置与地形地貌之间的最短距离,以及计算直升机(1)与选择的障碍物数据块中各障碍物之间的水平距离、垂直距离。4.嵌入式计算机Q001)按“预警算法”检测直升机(1)是否存在撞山的危险和检测直升机(1)的“瞬时预警空域”内是否存在障碍物,并根据检测结果向控制接口 O002)发送直升机(1)的环境危险信号和障碍物危险等级信号。5.控制接口 000 根据嵌入式计算机Q001)送来的环境危险信号和障碍物危险等级信号控制蜂鸣器(2008)、(2009)和信号灯(2010)、(2011)、(2012), (2013), (2014) 从听觉和视觉上同时报警。6.在控制接口 000 控制报警的同时,IXD显示屏Q006)显示更新直升机与障碍物的平面位置,并通过文字信息更新显示直升机和障碍物的三维位置、直升机与障碍物之间的水平距离和垂直距离、以及直升机当前所处的地形地貌。7.嵌入式计算机Q001)等待GPS-OEM板^00 下一次送来直升机(1)新的位置数据,而后重复进行以上1到7的步骤,直到直升机降落退出预警。预警装置O0)可连接机载数据链系统(21),从而可以适时与塔台( 进行数据通信,即可适时接收塔台传送的地形地貌数据和障碍物数据,从而更新存储在抗震硬盘 (2005)中的地形地貌数据库和障碍物数据库。将控制接口 000 作为下位机负责报警功能,使得嵌入式计算机O001)能专心进行数据运算。此外,通过控制接口 000 还可以根据需要外接若干个输入按键,作为该方法的人机IO设备。嵌入式计算机Q001)根据直升机(1)的位置一方面选择地形地貌数据块,当得出直升机(1)当前正处于丘陵山沟间时,嵌入式计算机O001)首先选择该地形地貌数据块中高度数据与直升机(1)当前位置的高度值最相近的几个地形地貌单点地形地貌单点(19)、地形地貌单点(22)、地形地貌单点(23)、地形地貌单点(M)、地形地貌单点(25)、 地形地貌单点(沈),并计算直升机(1)与这几个地形地貌单点之间的水平距离,以这些水平距离中的最小值为直升机与丘陵山体之间的水平最短距离,与此同时,嵌入式计算机 (2001)选择该地形地貌数据块中经度、纬度数据与直升机(1)当前位置的经度、纬度值最相近的几个地形地貌单点地形地貌单点(18)、地形地貌单点(27)、地形地貌单点( )、地形地貌单点09)、地形地貌单点(30)、地形地貌单点(31),并计算直升机(1)与这几个地形地貌单点之间的垂直距离,以这些垂直距离中的最小值为直升机与丘陵山沟谷底之间的垂直最短距离,而后得到直升机(1)与该丘陵地形之间水平方向的最短距离为直升机(1)与地形地貌标记点(19)之间的水平距离,直升机(1)与该丘陵山沟谷底之间垂直方向的最短距离为直升机(1)与地形地貌标记点(18)之间的垂直距离;另一方面选择障碍物数据块, 并计算直升机(1)与高压线标记点G)、高压线标记点(5)、高压线标记点(6)、高压线标记点(7)、高压线标记点(8)、高压线标记点(9)、高压线标记点(10)、高压线标记点(11)、大树 (12)、大树(13)、大树(14)、大树(15)、大树(16)、大树(17)之间的水平距离、垂直距离,并将这些水平距离、垂直距离临时保存下来。直升机⑴的“瞬时预警空域”是相对直升机⑴的当前位置和当前航向的时变空域,按危险等级由高到低划分为I到IV号空域。I号空域是半径为R1、高为2 圆柱体区域,II号空域是内径为R1、外径为&、高为2 的半圆环柱体区域,III号空域是内径为R2、 外径为R3、高为巩的半圆环柱体区域,IV号空域是内径为R3、外径为R4、高为巩的半圆环柱体区域,其中队< & < R3 < R4, H1 < H2 < H3 < H4。以直升机(1)的当前位置为坐标原点、直升机(1)当前航向为y轴,按右手法则建立空间直角坐标系,I到IV号空域表示为如下I号空域为
权利要求
1.一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于该方法基于微型计算机技术、卫星定位技术及实时比对位置的原理,直升机训练飞行前该方法事先建立训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库,直升机起飞后该方法通过实时计算、更新直升机当前位置与地形地貌之间的最短距离,以及实时计算、更新直升机与障碍物之间的水平、垂直距离,即可按“预警算法”检测直升机是否存在碰撞障碍物或撞山的危险,并根据检测结果报警,该方法涉及微型计算机(101)、定位模块(10 、数据存储模块(10 、显示模块(104)、报警模块(105)、及通信接口(106),该方法包括如下循环步骤(a)直升机训练飞行前按特定的调查方法标记直升机训练飞行区域内的地形地貌和障碍物,而后按“子区域冗余”方式建立地形地貌数据库和障碍物数据库,并将这些数据库存储在数据存储模块(103);(b)直升机起飞后,定位模块(10 持续提供直升机当前三维位置数据;(c)微型计算机(101)通过串口异步通信取得定位模块实时传送的直升机三维位置数据;(d)微型计算机(101)根据直升机当前位置选择地形地貌数据块和障碍物数据块,而后一方面确定直升机所处的地形环境,并计算直升机当前位置与地形环境之间水平和垂直方向上的最短距离,另一方面计算直升机与选择的障碍物数据块中各障碍物之间的水平距离、垂直距离;(e)微型计算机(101)以直升机当前位置与地形环境之间水平和垂直方向上的最短距离、直升机与步骤(d)选择的障碍物数据块中的各障碍物之间的水平距离和垂直距离为依据,按“预警算法”检测直升机是否存在撞山危险的同时,还检测直升机“瞬时预警空域”是否存在障碍物,而后根据这些检测结果控制报警模块(10 报警;(f)显示模块(104)实时显示与更新直升机、障碍物的位置及预警信息;(g)完成以上处理后,微型计算机(101)等待定位模块(10 送来直升机新的位置数据,而后重复进行步骤(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g),直到直升机降落退出预警。
2.如权利要求1所述的一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于直升机训练飞行前调查标记直升机训练飞行区域的地形地貌和其内的障碍物时,将地形地貌用其表面上等间隔均勻分布的多个地形地貌单点表示并标记;将训练飞行区域内呈面状、线状分布的障碍物群用该障碍物群内等间隔均勻分布的多个障碍物单点表示并标记;将训练飞行区域内的高压线、电缆以线缆上等间隔均勻分布的多个线缆单点表示并标记;以及将孤立突出的建筑物、树木等障碍物以孤立单点表示并标记;
3.如权利要求1、2所述的一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于建立地形地貌数据库和障碍物数据库时,首先从二维平面将直升机训练飞行区域划分为多个正六边形子区域,然后将各子区域内标记的地形地貌数据和障碍物数据分别存储在各个地形地貌数据块和障碍物数据块中,此外,这些地形地貌数据块和障碍物数据块还分别存储一个附加区域内的地形地貌和障碍物数据,该附加区域是距本子区域边界的垂直距离小于预定阈值的区域。该阈值的大小与直升机的机动性能和定位模块(102)的定位误差有关;地形地貌数据库和障碍物数据库存储内容是标记的单点的经度、纬度、高度及名称;
4.如权利要求1、2所述的一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于选择地形地貌数据块和障碍物数据块时,首先根据直升机位置确定直升机正处于的子区域或子区域边界,若直升机正处于某一子区域中,则选择该子区域的地形地貌数据块和障碍物数据块; 若直升机正位于某一子区域边界上,则选择与该边界相临的任一子区域的地形地貌数据块和障碍物数据块;
5.如权利要求1、3所述的一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于“瞬时预警空域”是相对直升机当前位置、航向的时变空域,并按照危险等级从高到低划分为I到IV号空域。I号空域是半径为R1、高为巩圆柱体区域,II号空域是内径为R1、外径为&、高为 2 的半圆环柱体区域,III号空域是内径为&、外径为R3、高为巩的半圆环柱体区域,IV 号空域是内径为R3、外径为R4、高为巩的半圆环柱体区域,其中R1 < & < R3 < RpH1 < H2 < H3 < H4。以直升机当前位置为坐标原点、直升机当前航向为y轴,按右手法则建立空间直角坐标系,I到IV号空域为如下空域I号空域为
6.如权利要求1、2所述的一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于地形地貌数据库和障碍物数据库可根据需要通过通信接口(106)更新;
7.如权利要求1所述的一种直升机训练飞行防撞预警方法,其特征在于报警模块 (105)受微型计算机(101)控制从视觉和听觉两方面发出一种环境危险信号和四种不同危险等级的预警信号。
全文摘要
本发明公开一种直升机训练飞行防撞预警方法,其能对直升机训练飞行航线上的危险障碍物、地形地貌提供预警。该方法基于微型计算机技术、卫星定位技术及实时比对位置的原理,直升机训练飞行前事先建立训练飞行区域地形地貌数据库和障碍物数据库,直升机起飞后通过实时计算、更新直升机当前位置与地形地貌之间的最短距离,以及实时计算、更新直升机与障碍物之间的水平、垂直距离,即可检测直升机是否存在撞山或碰撞障碍物的危险,而后再根据检测结果报警。
文档编号G05D1/10GK102163060SQ20101055969
公开日2011年8月24日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者袁诚, 高勇, 黄永华 申请人:四川大学
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