[发明专利]基于视觉的飞机降落辅助装置

说明书

本申请要求申请号为61/767,792、申请日为2013年2月21日的美国专利申请的优先权。

技术领域

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

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10m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。

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

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。

本发明的另一目的是帮助飞行学员掌握降落技巧。

本发明的另一目的是节约能源资源，并提高环境质量。

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X_P（即交点P与主水平线H的距离）可以用来计算俯仰角ρ=atan(X_P/f)，其坐标Y_P（即交点P与主垂直线V的距离）可以用来计算航向角α=atan[(Y_P/f)*cos(ρ)]。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Δ可以用来计算飞机的高度A=W*sin(ρ)/cos(α)/(Δ/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θ_A和 θ_B也可以用来计算A=W*cos(ρ)/cos(α)/[cot(θ_A)- cot(θ_B)]。

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ρ、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ρ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。

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。

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

图1显示一架飞机和一条跑道的相对位置。

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。

图3说明倾侧角（γ）的定义。

图4为一个原始跑道图像。

图5为一个校正跑道图像。

图6说明俯仰角（ρ）的定义。

图7说明航向角（α）的定义。