基于视觉的飞机降落辅助装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空领域，更确切地说，涉及飞机的降落辅助装置。
【背景技术】
[0002]着陆是飞行中最具挑战性的部分。当飞机进入地面效应区域时，飞行员将机头拉起，以降低飞机的下降速度。该操作称为拉平，开始拉平操作的时刻和高度分别称为拉平时刻和拉平高度。对于小型飞机，拉平高度一般为地面上5m到1m以内。由于飞行学员通常较难判断拉平高度，他们需要练习几百次降落才能掌握拉平高度。如此大量的降落练习增加了训练时间，浪费大量的燃料，且对环境有负面影响。尽管雷达测高仪或者激光测高仪可以用来帮助拉平，但它们比较昂贵。最好用低成本的降落辅助装置来帮助飞行学员掌握降落技巧。
[0003]以往技术也采用计算机视觉来辅助飞机降落。美国专利8，315,748(发明人:Lee，授权日:2012年11月20日)提出了一种基于视觉的高度测量方法。它使用一种圆形标志作为垂直起降飞机(VTOL)垂直起降时的参考物。飞机中的相机首先获取圆形标志的图像，然后测量该图像中圆形标志的水平直径和竖直直径，最后飞机高度可以通过这些直径数据、圆形标志的实际直径、圆形标志和飞机起降点之间的距离，以及飞机的航向姿态(即航向角、俯仰角和倾侧角)计算出来。对于固定翼飞机来说，圆形标志与飞机在地面投影点之间的距离是变化的，因此这种方法不适用。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的是提供一种低成本的飞机降落辅助装置。
[0005]本发明的另一目的是帮助飞行学员掌握降落技巧。
[0006]本发明的另一目的是节约能源资源，并提高环境质量。
[0007]为了实现上述目的，本发明提出了一种基于视觉的飞机降落辅助装置。它由一个相机和一个处理器组成。相机安装在飞机前端，面向跑道并获取一系列原始跑道图像。处理器从原始跑道图像提取倾侧角γ。在得到γ后，将原始跑道图像围绕其光学原点旋转-γ以进行γ校正，校正后的跑道图像(校正跑道图像)的地平线变为水平(如果能够看见其地平线的话)。在此之后的图像处理均在校正跑道图像中进行。其通过光学原点的水平线被称为主水平线H，通过光学原点的垂直线被称为主垂直线V。同时，跑道左右边缘延长线的交点标记为P，其坐标Xp(即交点P与主水平线H的距离)可以用来计算俯仰角P =atan (Xp/f)，其坐标YP(即交点P与主垂直线V的距离)可以用来计算航向角a =atan[(YP/f)*cos(p )]。这里，f为相机的焦距。最后，跑道左右边缘延长线与主水平线H交点A、B的距离Λ可以用来计算飞机的高度A=W*sin ( P ) /cos ( α ) / ( Λ /f)，其中W为跑道宽度。此外，跑道左右边缘延长线与主水平线H之间的夹角94和Θ B也可以用来计算A=W*cos(P )/cos(a )/[cot( Θ A)- cot( θ B)]。
[0008]飞机降落辅助装置还可以包括一个传感器，如一个惯性传感器(如陀螺仪)或者一个磁场传感器(如磁场仪)。它可以用来测量姿态角(如俯仰角P、航向角α、倾侧角γ)。直接采用传感器测量的姿态角可以简化高度计算。例如说，测量的倾侧角γ可直接用来转动原始跑道图像；测量的俯仰角P和航向角α可之间用来计算高度。使用传感器数据可以减少处理器的工作量，加速图像处理。
[0009]基于视觉的高度测量尤其适合作为应用软件(app)安装在智能手机上。智能手机含有所有该高度测量所需的部件(包括相机、传感器和处理器)。由于智能手机无处不在，基于视觉的飞机降落辅助装置不需要增加硬件，仅需在智能手机上安装一个“降落辅助” app即可。这种基于软件的飞机降落辅助装置具有最低成本。
[0010]相应地，本发明提出一种基于视觉的飞机降落辅助装置，包括:一图像单元，该图像单元获取至少一原始跑道图像；一处理单元，该处理单元从校正跑道图像中测量跑道左右边缘延长线的特性，并根据所述特性和跑道宽度(W)计算飞机高度(A)，该校正跑道图像由该原始跑道图像转动得到。
【附图说明】
[0011]图1显不一架飞机和一条跑道的相对位置。
[0012]图2A —图2C为三个基于视觉的飞机降落辅助装置的功能框图。
[0013]图3说明倾侧角(γ )的定义。
[0014]图4为一个原始跑道图像。
[0015]图5为一个校正跑道图像。
[0016]图6说明俯仰角(P )的定义。
[0017]图7说明航向角(α )的定义。
[0018]图8表示一种基于视觉的高度测量方法。
[0019]图9Α —图9Β为具有定向功能的飞机降落辅助装置。
[0020]注意到，这些附图仅是概要图，它们不按比例绘图。为了显眼和方便起见，图中的部分尺寸和结构可能做了放大或缩小。在不同实施例中，相同的符号一般表示对应或类似的结构。
【具体实施方式】
[0021]在图1的实施例中，飞机10装有一台基于视觉的降落辅助装置20。该装置20安装在飞机10挡风玻璃的后面，面向前方。它可以是相机、带相机功能的计算机或类计算机装置、或智能手机。其光学原点标记为O’。降落辅助装置20利用计算机视觉测量它到地面O的高度Α。跑道100位于地面O上并处于飞机前方。其长度为L，宽度为W。此处，地面坐标定义为:其原点ο为O’在地面O上的投影，其X轴平行于跑道100的纵轴(跑道长度方向)，y轴平行于跑道的横轴(跑道宽度方向)，z轴垂直于x-y平面。z轴单独由跑道表面来定义，它被本说明书中许多坐标共用。
[0022]图2A —图2C表示三种基于视觉的飞机降落辅助装置20。图2A中的实施例含有一个相机30和一个处理器70。它利用跑道宽度W和相机30获取的跑道图像来计算高度A。用户可以从机场信息表(Airport Directory)中获取跑道宽度W，并手动输入；降落辅助装置20也可以直接从机场数据库通过电子检索获得跑道宽度W。该飞机降落辅助装置20可以测量高度，预测飞机的未来高度，并在决策点之前为飞行员提供指示(如视觉和/或声音指示)。比如，在飞机降落操作(如拉平或预着陆操作)前两秒，发出两个短哔声和一个长哔声。飞行员应该在前两次短哔声时做好准备，在最后的长哔声时进行操作。
[0023]与图2A相比，图2B中的实施例还包括一个传感器40，如一个惯性传感器(如陀螺仪)或者一个磁场传感器(如磁场仪)。它可以用来测量姿态角(如俯仰角P、航向角α、倾侧角γ)。直接采用传感器测量的姿态角可以简化高度计算。例如说，测量的倾侧角γ可直接用来转动原始跑道图像；测量的俯仰角P和航向角α可之间用来计算高度(参见图8)。使用传感器数据可以减少处理器的工作量，加速图像处理。
[0024]图2C中的实施例为一台智能手机80。它还包括一存储器50，该存储器50存储“飞机降落”应用软件(app)60。通过运行“飞机降落” app 60，智能手机80可以测量高度，预测飞机的未来高度，并在决策点之前为飞行员提供指示。智能手机含有所有高度测量所需的部件(包括相机、传感器和处理器)，它可以容易地辅助飞机降落。由于智能手机无处不在，基于视觉的飞机降落辅助装置不需要增加硬件，仅需在智能手机上安装一个“降落辅助” app即可。这种基于软件的飞机降落辅助装置具有最低成本。
[0025]图3 —图5描述了一种获取倾侧角(γ )的方法。图3定义了相机30的倾侧角(γ )。由于相机30的图像传感器32 (如CXD传感器或者CMOS传感器)在图像平面36中为长方形，原始图像坐标XYZ可以定义如下:，原点