CN101385059B - 检测和规避目标碰撞的图像询问器及其方法和包括该图像询问器的飞机 - Google Patents
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Abstract
碰撞感测和规避系统以及方法和飞机，诸如包括碰撞感测和规避系统的无人操纵的航空器(UAV)和/或遥控飞行器(RPV)。该碰撞感测和规避系统包括对飞机有可能的碰撞威胁的图像询问器，并且提供规避任何识别的威胁的策略。运动传感器(例如，图像和/或红外传感器)提供围绕杂波抑制和目标检测单元的图像帧，其在该帧中检测局部目标移动。视距(LOS)、多目标跟踪单元跟踪检测的局部目标，并且以LOS坐标保持用于每个检测的局部目标的轨迹史。威胁评价单元确定是否一些跟踪的局部目标引起碰撞威胁。规避策略单元以策略提供飞行控制和导航去规避任何识别的所述碰撞威胁。
Description
技术领域
本发明通常涉及在飞行中控制小的有效载荷航空器，尤其是，涉及自动地控制无人操纵的航空器(UAV)和遥控飞行器(RPV)，以感测和规避与当地其它的航空器有可能的碰撞。
背景技术
通常地，当在国有的大气空间活动(NAS)的时候，无人操纵的航空器(UAV)和/或遥控飞行器(RPV)是由有人操纵的“陪伴”飞机陪同的，以减轻碰撞危险。陪伴对于保证飞机(UAV或者RPV)不与活动在附近的其它的有人操纵的或者无人操纵的飞机的碰撞说来尤其是必需的，或者反之亦然。令人遗憾地，除了用于测试和示范目的以外，陪伴这样的飞行器是劳动密集的，并且尤其地是非有用的。
有人驾驶的航空器依赖空中交通管制、应答器和用于碰撞规避的引导显示。虽然应答器在所有商用飞机上是需要的，许多私人飞机不携带应答器，并且在格斗情形下不能使用应答器。此外，存在空中交通管制发出同应答器规避推荐矛盾的命令的情况。对于有人驾驶的航空器，驾驶员视觉上识别局部运动目标，并且进行是否每个目标引起碰撞威胁的判断通话。因此，基于视觉的检测是必要的，并且在检测局部附近的其它的飞机方面通常是决定性的。
通常地，联邦航空管理局(FAA)正在寻求一种与用于在NAS中操作这样的飞机的现有的有人驾驶的航空器相比“等效的安全等级”。虽然可以被围绕UAV或者UAV限制的大气空间可以限于空中禁区，以消除其它的飞机引起碰撞危险的可能性，这限制了在无人驾驶飞机可以采用其之下的使命和条件的范围。因此，一种无伴随的UAV也必须具有某些检测和避免任何附近的飞机的能力。无人操纵的航空器可以被配备以将从飞机(即，摄像机从“驾驶员座舱”转播风景)馈送的实时的影像提供给陆基的领航员，其在拥挤的空域中远程引导飞行器。令人遗憾地，具有在飞机上成像能力的远程引导的飞行器需要用于两者传输足够的带宽的影像和控制两者的额外的传输能力，和在作环行飞行中时连续地人领航。因此，配备和远程引导这样的飞行器是昂贵的。另外，对于遥控飞行器，在当其可视/查看从飞行器馈送的影像的时候和在远程控制机制(即，在当领航员进行路径校正的时候和当飞行器变换航向的时候之间)两者中存在增加的延迟。因此，虽然对普通的飞行是有用的，这样的远程成像对及时地威胁检测和规避是没有用的。
因此，存在对具有最小限度的覆盖区的小的、紧凑的、轻的、实时的、机载的碰撞感测和规避系统的需要，尤其对于无人驾驶飞行器，其可以检测和避免与其它的局部空中目标的碰撞。此外，存在对在任何飞行条件之下可以确定来自其它的局部空中目标的威胁的严重程度，和还确定适宜的规避策略这样的碰撞感测和规避系统的需要。
发明内容
本发明的一个实施例检测在飞机附近的目标，其可能引起碰撞危险。本发明的另一个实施例可以给飞机提出规避的策略，用于规避识别为对该飞机引起碰撞危险的任何局部目标。本发明的又一个实施例视觉上定位和自动地检测在无人操纵的飞机附近的目标，其可以引起对无人操纵的飞机的碰撞危险，并且自动地提出一种用于规避任何识别的碰撞危险的规避的策略。
尤其是，本发明的实施例包括碰撞感测和规避系统以及飞机，诸如包括碰撞感测和规避系统的无人操纵的航空器(UAV)和/或遥控飞行器(RPV)。该碰撞感测和规避系统包括识别对飞机有可能的碰撞威胁的图像询问器，并且提供规避任何识别的威胁的策略。运动传感器(例如，图像和/或红外传感器)提供围绕杂波抑制和目标检测单元的图像帧，其在该帧中检测局部目标移动。视距(LOS)、多目标跟踪单元跟踪检测的局部目标，并且以LOS坐标保持用于每个检测的局部目标的轨迹史。威胁评价单元确定是否一些跟踪的局部目标引起碰撞威胁。规避策略单元以策略提供飞行控制和导航去规避任何识别的所述碰撞威胁。
有利地，一种优选的碰撞感测和规避系统提供“查看和规避”或者“检测和规避”能力给任何飞机，不仅识别和监视局部目标，而且识别任何可能引起的碰撞威胁，并且提供实时规避策略。一种优选的图像询问器可以包含在一个或多个小的图像处理硬件模块内，其包含硬件和嵌入软件，并且重量仅仅是很少的盎司。这样显著地减小的尺寸和重量允许使典型的检测和跟踪能力甚至对于小的UAV，例如，ScanEagle或者更小的是可利用的。
虽然开发了无人操纵的飞机，一种优选的感测和规避系统具有对于警告有人驾驶的航空器对不被注意威胁的引导的应用，尤其是，在密集或者高应力环境中。因此，一种优选的碰撞感测和规避系统可以随着有人和无人操纵的飞机使用。在有人驾驶的航空器中，一种优选的碰撞感测和规避系统增加引导的显示。在一种无人驾驶飞机中，一种优选的碰撞感测和规避系统可以替换引导的显示，检测可能引起碰撞危险的飞机，并且必要时，提出对于无人驾驶飞机的飞行控制逃避的策略。
附图说明
从以下参考附图对本发明优选实施例的详细说明中，上述和其它的目的、方面和优点将更好地理解，其中：
图1示出一个具有按照本发明有益的实施例的碰撞感测和规避系统的飞机的例子，例如，无人操纵的航空器(UAV)或者遥控飞行器(RPV)。
图2示出从传感器接收运动数据并且传送防撞策略给飞行控制和导航的优选的图像询问器的例子。
图3示出确定是否每个检测的目标是在与主飞机可能的碰撞航向上的威胁评价1240的例子。
图4示出一旦确定目标表示碰撞威胁时展开规避策略的例子。
具体实施方式
现在转向附图，尤其是，图1示出具有按照本发明优选实施例的碰撞感测和规避系统的优选实施例飞机100的例子，例如，无人操纵的航空器(UAV)或者遥控飞行器(RPV)。适宜数目的典型的运动传感器102被安排以检测在主飞机100附近的运动目标。该运动传感器102例如可以是模拟人的视觉的任何适宜的可见频带传感器，或者用于在差的或者有限能见度的周期中，例如，在雾或者晚上检测目标运动的红外线(IR)传感器。该传感器102连接到在主飞机100中的优选实施例图像询问器，其从传感器102接受实时图像数据，并且处理该图像数据以检测空中目标，例如，其它的飞机，甚至相对于杂波的背景。该图像询问器建立在视距(LOS)空间中的时间历史。该目标历史表示检测的目标的相对运动。每个检测的目标被基于其相对运动分类，并且分配从无源传感器角度和明显的目标大小和/或强度确定的威胁等级类别。基于每个目标的威胁等级类别，该图像询问器确定是否一个逃避的策略就绪，并且如果是这样的话，提出一种适宜的逃避的策略以避免任何有可能的威胁。该优选实施例图像询问器还可以将对工作在高层上的其它的冲突规避例行程序的LOS目标跟踪和威胁评价例如提供给远程定位的控制站。
图2示出一个优选的碰撞感测和规避系统110的例子，其包括经由帧缓冲器114从传感器102接收运动数据，和根据需要将逃避的策略传送给飞行控制和导航116的图像询问器112。最好是，该碰撞感测和规避系统110是工作在适宜的增强视觉系统中的智能的工具。一个适宜的这样的增强视觉系统的例子在2004年9月14日由Sanders-Reed等等申请的，公布的美国专利申请公布号No.2006/0055628A1，称作“Situational Awareness Components of anEnhanced Vision System”中描述，分配给本发明的受让人。此外，该优选的图像询问器112是在具有嵌入的通用中央处理单元(CPU)核心的一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)处理器中实现的。FPGA处理器的典型技术现状，诸如Xilinx Virtex-II例如是与独立的处理器板的形状因数相符的几英寸。因此，不需要外部计算机总线或者其它的系统特定的结构外硬件，整个FPGA处理器可以是以单个3.5″，或者甚至更小的立方体实施的单个小的处理器板。在这样的FPGA处理器中实施，该图像询问器112可以差不多地粘到非常小的UAV的侧面上，诸如来自波音公司的ScanEagle。
来自一个或多个传感器102的图像数据可以临时地缓存在帧缓冲器114中，其可以仅仅是在FPGA处理器中，永久地或者临时地指定用于帧缓冲存储的本地随机存取存储器(RAM)、固有的或者动态的(SRAM或者DRAM)。每个传感器102可以提供有专用的帧缓冲器114，或者共享的帧缓冲器114可以临时地存储用于所有传感器的图像帧。该图像数据被从帧缓冲器114传送给在优选的图像询问器112中的杂波抑制和目标检测单元118。该杂波抑制和目标检测单元118能够在任何条件之下，例如，相对于自然天空，在云中和相对于地形背景，和在各种各样的照明条件之下识别目标。LOS、多目标跟踪单元120以LOS坐标跟踪在目标检测单元118中识别的目标。LOS、多目标跟踪单元120还保持对于每个识别的目标运动的历史122。威胁评价单元124监视识别的目标和用于每个的轨迹史以确定与每个目标碰撞的可能性。规避策略单元126确定用于视为在与主飞机的碰撞航向上的任何目标的适宜的规避策略。该规避策略单元126将规避策略传送给飞行控制和导航116用于执行。
该杂波抑制和目标检测单元118以及LOS、多目标跟踪单元120可以使用许多适宜的、在目标跟踪中广泛地使用的众所周知的算法的任何一个实现。最好是，杂波抑制和目标检测或者是在单个帧目标检测模式或者多个帧目标检测模式中实现的。在单个帧模式中，每个帧被以一个光点扩展功能(OPSF)卷积。因此，由于是所有大的特点，即，直径为大于几个像素的特点，单个像素噪声被拒绝，因此，仅仅未分解的或者几乎未分解的形状留待识别真实目标。一个通常称为活动目标指示器(MTI)的适宜的多帧活动目标检测方法的例子由Sanders-Reed等等于2002年4月在SPIE的Proc.，4727发表的“Multi-Target Tracking In Clutter”提供。Sanders-Reed等等教导假定活动目标相对于背景移动，由此，借助于仅仅剩下活动目标的结果，以恒定视速度(背景)移动的所有东西被拒绝。
该轨迹史122提供每个目标的运动的时间历程，并且可以包含在本地存储中，例如作为表或者数据库。以前，因为跟踪单元的典型的技术现状只是在聚焦平面像素坐标中跟踪目标，高级的坐标系为知晓目标移动所必需。但是，该优选实施例碰撞感测和规避系统110不需要这样的高级坐标系，并且作为替代，LOS、多目标跟踪单元120在LOS坐标中采集轨迹史122。对于一个显现、保持和使用适宜的轨迹史的系统的例子，参见，例如，由J.N.Sanders-Reed2004年4月在SPIE的J.Proc.，5430上发表的“Multi-Target，Multi-Sensor，Closed Loop Tracking”。
图3示出一个例如在威胁评价单元124中的威胁评价1240，以确定是否每个检测的目标是在与主飞机可能的碰撞航向上的例子。最好是，为简单起见，该威胁评价单元124确定是否每个目标的相对位置是基于用于“仅仅角度”成像方法的轨迹史而变化的。因此，例如，在1242开始，识别的目标是由威胁评价单元124选择的。然后，在1244，对于选择的目标的该轨迹史是从轨迹史存储器122中恢复的。接下来，在1246，LOS跟踪相对于主飞机对于选择的目标确定，例如，从目标的聚焦平面跟踪，和从已知的姿态和光学传感器特性。在1248，该威胁评价单元124从目标在大小和/或强度方面的明显的变化中确定明显的距离。然后，在1250，该威胁评价单元124将LOS跟踪与明显的范围相关，以重建三维(3D)相应的目标轨迹。3D轨迹可以相对于主飞机提取，并且在恒定的缩放因子内。其他条件都相同，变亮的目标接近，并且暗淡的目标退回。因此，即使不知道这个缩放因子，即，不知道真实的距离，该威胁评价单元124可以在1252相对于平均明显的目标直径确定精确的碰撞危险评价。在1252，如果其确定该目标太接近于主飞机通过，那么，目标是碰撞威胁1254的指示被传送给该规避策略单元126。在1252，如果该威胁评价单元124确定选择的目标没有碰撞威胁，在1256另一个目标被选择，并且返回到1242，该威胁评价单元124确定是否该目标是威胁。
因此，例如，在1250，该威胁评价单元124可以确定在接下来的30秒内目标将在主飞机的一个平均目标直径内接近。另外，在1252，该威胁评价单元124可以认为这个碰撞危险1254与该目标的真实尺寸和距离无关。
选择性地，该威胁评价单元124可以在1252进行是否真实的距离估算是想要的或者认为是必要的不确定性的估算。在真实的距离估算是想要的那些例子中，该威胁评价单元124可以从重建的标度三维轨迹中确定目标速度对尺寸比，例如，在1250。然后，在1252，目标速度对尺寸比可以与速度对尺寸比相比，并且已知的真实碰撞威胁的概率具有表示该目标是碰撞威胁的匹配。选择性地，主飞机相对于地面的运动可以，例如，通过目标检测单元118被跟踪，并且归结为用于更好的精度的这个不确定性的真实的距离确定。
短期的强度尖峰例如可以从瞬间的镜面反射导致。这些短期的强度尖峰趋向于导致范围抖动，其可以削弱碰撞威胁评价。因此，为了增强碰撞威胁评价精度和稳定度，该威胁评价单元124可以使用任何适用的技术，诸如在该技术中为大家所熟知的，除去或者滤除这些短期的强度尖峰，例如，在1248中。
图4示出一旦由威胁评价单元124确定目标表示碰撞威胁1254时，例如，由规避策略单元126显现规避策略的例子。在1262，该规避策略单元126从轨迹史存储器122中恢复用于其它的非威胁目标的跟踪历史。在1264，该规避策略单元126确定主飞机的轨迹。该规避策略单元126必须考虑所有本地目标的轨迹以避免生成另一个，并且或许，与另一个目标更加逼近的威胁。因此，在1266，该规避策略单元126确定安全区，以通过超过指定的最小安全距离的距离来避免碰撞威胁1254。但是，该飞机不必执行非常地猛烈的策略，这可能使它本身陷于危险中(例如，通过超出限定的飞行器安全参数或者操作限制)，同时避免一个识别的威胁。因此，在1268，该规避策略单元126确定策略约束。然后，在1270，该规避策略单元126与主飞机轨迹数据一起使用在附近所有跟踪的飞机的最好的估算，以确定逃避的策略1272，其通过一个超过指定的最小安全距离的距离将主飞机与识别的威胁(在附近所有其它的飞机)隔离。该逃避的策略1272被传送给用于无人操纵的飞行器或者用于有人操纵的飞行器的引导的飞行控制和导航(例如，在图2中的116)。在逃避的策略1272被执行之后，目标监控继续，采集成像，识别目标和确定是否识别的目标的任何一个引起碰撞威胁。
在供选择的实施例中，由于可以是该威胁评价和规避策略计算需要的，该图像询问器112可以使用一个或多个FPGA与用于高级计算能力的一个或多个并行处理设备的组合实现。
有利地，一种优选的碰撞感测和规避系统110提供“查看和规避”或者“检测和规避”能力给任何飞机，不仅识别和监视本地目标，而且识别任何可能引起的碰撞威胁，并且提供实时规避策略。该优选的图像询问器112可以包含在小的图像处理硬件模块内，该图像处理硬件模块包含硬件和嵌入软件，并且其重量仅仅是几盎司。这样显著地减小的尺寸和重量允许使典型的检测和跟踪能力甚至对于小的UAV，例如，ScanEagle或者更小的是可利用的。因此，该优选的碰撞感测和规避系统110可以随着有人和无人操纵的飞机使用。在有人驾驶的航空器中，该优选的碰撞感测和规避系统110增加引导的显示。在无人驾驶飞机中，该优选的碰撞感测和规避系统110可以替换引导的显示，检测可能引起碰撞危险的飞机，并且必要时，提出对于无人驾驶飞机的飞行控制逃避的策略。
虽然已经就优选实施例而言描述了本发明，那些本领域技术人员将认识到，可以在所附的权利要求的精神和范围内借助于修改实践本发明。希望的是所有这样的变化和修改落在所附的权利要求的范围内。因此，举例和附图被认为是说明性的而不是限制性的。
Claims (22)
1.一种识别和规避有可能的碰撞威胁的图像询问器，所述图像询问器包括：
从局部图像中检测移动目标的杂波抑制和目标检测单元；
跟踪检测的所述目标的视距、多目标跟踪单元；
目标轨迹史，所述视距、多目标跟踪单元在所述目标轨迹史中保持每个跟踪目标的轨迹史；
确定任意跟踪目标是否引起碰撞威胁的威胁评价单元；和
确定策略以规避任何识别的所述碰撞威胁的规避策略单元，其中所述威胁评价单元基于相应的轨迹史确定是否每个所述跟踪目标引起碰撞威胁，和所述威胁评价单元将每个所述跟踪目标分类为或者不在可能的碰撞航向上，或者在可能的碰撞航向上，分类为在可能的碰撞航向上的所述每个跟踪目标以与包含所述图像询问器的主飞机成恒定角度保持跟踪。
2.根据权利要求1所述的图像询问器，其中所述威胁评价单元进一步将分类为在可能的碰撞航向上的每个所述跟踪目标分类为或者有可能的碰撞威胁，或者不大可能的碰撞威胁。
3.根据权利要求2所述的图像询问器，其中在可能的碰撞航向上变亮的所述目标被分类为可能的碰撞威胁，并且在可能的碰撞航向上暗淡的所述目标被分类为不大可能的碰撞威胁。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的图像询问器，其中所述规避策略单元选择策略以规避对于包含所述图像询问器的主飞机的碰撞，所述策略是基于所有所述目标的轨迹选择的，并且规避与所述所有目标碰撞。
5.根据权利要求4所述的图像询问器，其中所述图像询问器包括至少一个现场可编程门阵列处理器。
6.一种飞机，包括：
多个运动传感器；
图像询问器，其包括：
从局部图像中检测移动目标的杂波抑制和目标检测单元，
跟踪检测的所述目标的视距、多目标跟踪单元，
目标轨迹史，所述视距、多目标跟踪单元在所述目标轨迹史中保持每个检测目标的视距坐标的轨迹史；
确定任意跟踪目标是否引起碰撞威胁的威胁评价单元，和
确定策略以规避任何识别的所述碰撞威胁的规避策略单元；和
从所述规避策略单元接收规避策略，并且有选择地执行所述接收的规避策略的飞行控制和导航单元，其中所述威胁评价单元基于相应的目标轨迹史确定是否每个所述跟踪目标引起碰撞威胁，所述威胁评价单元将每个所述跟踪目标分类为或者不在可能的碰撞航向上，或者在与所述飞机可能碰撞的航向上，并且分类为在可能碰撞的航向上的每个所述跟踪目标以与所述飞机成恒定角度保持跟踪。
7.根据权利要求6所述的飞机，其中所述图像询问器是在至少一个现场可编程门阵列处理器中实现的。
8.根据权利要求6或7所述的飞机，其中所述威胁评价单元将每个所述跟踪目标分类为或者不在可能的碰撞航向上，或者在与所述飞机可能碰撞的航向上，分类为在可能碰撞的航向上的每个所述跟踪目标进一步分类为或者对所述飞机有可能的碰撞威胁，或者不大可能的碰撞威胁。
9.根据权利要求8所述的飞机，其中变亮的所述目标被分类为可能的碰撞威胁，并且暗淡的所述目标被分类为不大可能的碰撞威胁。
10.根据权利要求6-7或9中任一权利要求所述的飞机，其中所述规避策略单元基于所有所述目标的轨迹选择用于所述飞机的策略，并且规避与所述所有目标碰撞。
11.根据权利要求6-7或9中任一权利要求所述的飞机，其中所述多个传感器包括多个成像传感器。
12.根据权利要求6-7或9中任一权利要求所述的飞机，其中所述多个传感器包括多个红外传感器。
13.根据权利要求6-7或9中任一权利要求所述的飞机，其中所述飞机是无人操纵的航空器。
14.一种通过飞行器检测和规避目标碰撞的方法，该飞行器具有多个成像传感器，所述方法包括：
提供用于从在飞行器上的多个成像传感器接收输入的模块，该模块具有用于处理来自多个成像传感器的多个图像的逻辑电路，该模块包括现场可编程门阵列处理器；
处理所述多个图像以相对于杂波背景检测目标；
生成所述目标的相对运动的时间历史；
评价与一个或多个所述目标的碰撞威胁的等级；和
命令飞行器去规避与所述一个或多个目标的碰撞，其中评价碰撞威胁的所述等级，包括：
从所述检测的目标中选择一个目标；
确定所述选择的目标的轨迹，所述目标轨迹是三维轨迹，并且确定所述三维轨迹包括：
确定所述选择的目标到所述飞行器的视距轨迹；和
确定在所述选择的目标和所述飞行器之间明显的距离变化；
确定所述轨迹是否通过所述飞行器大于选择的最小安全距离；
从所述检测的目标中选择另一个目标；和
返回到确定用于所述选择的目标的轨迹的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中每当所述选择的目标的所述轨迹被确定是通过所述飞行器小于所述选择的最小安全距离时，所述目标被识别为碰撞威胁。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述选择的目标的所述轨迹是否通过所述飞行器小于所述选择的最小安全距离包括将目标速度与尺寸比和已知的真实碰撞威胁的概率比较，并且所述目标速度与尺寸比是从所述三维轨迹确定的。
17.根据权利要求14-16中任一权利要求所述的方法，进一步包括在确定所述最小安全距离之前确定所述飞行器的轨迹。
18.根据权利要求14-16中任一权利要求所述的方法，进一步包括确定策略，其中确定所述策略包括：
确定所述飞行器的策略限制，所述策略限制约束所述飞行器执行超出限定的飞行器操作限制的策略；和
确定在所述策略限制内的所述飞行器的规避策略去规避每个所述碰撞威胁。
19.根据权利要求14-16中任一权利要求所述的方法，其中该模块被提供在无人操纵的飞行器上。
20.根据权利要求14-16中任一权利要求所述的方法，其中该模块被提供在有人操纵的飞行器上。
21.根据权利要求14-16中任一权利要求所述的方法，其中处理所述多个图像包括使用单帧处理和具有光点扩展功能的卷积。
22.根据权利要求14-16中任一权利要求所述的方法，其中处理所述多个图像包括使用多帧活动目标检测算法。
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