CN102929297B - 一种飞机起飞降落跟踪系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机起飞降落跟踪系统及其方法，该系统包括触发云台和联动云台，在触发云台上安装有热成像仪、可见光镜头和触发云台控制板，在联动云台上安装可见光镜头和联动云台控制板，联动云台控制板与触发云台控制板进行通信实现飞机起飞降落的跟踪功能；该方法包括：⑴设置触发云台是起飞跟踪还是降落跟踪；⑵判断是否有飞机进入触发区域；⑶触发云台开始转动进入跟踪状态；⑷触发云台控制可见光镜头的变倍聚焦；⑸触发云台将当前水平垂直角度传输给联动云台；⑹联动云台计算所需转动的角度并旋转。本发明自动调整两个云台位置始终保持飞机在画面中心，并能自动使可见光镜头变倍，实现全天候跟踪功能，降低了起飞降落出现的危险性。

Description

一种飞机起飞降落跟踪系统及其方法

技术领域

本发明属于视频监控领域，尤其是一种飞机起飞降落跟踪系统及其方法。

背景技术

随着空中交通流量的逐年增加，机场的控制区变得越来越繁忙和复杂,飞机起降安全也成为安全保障工作的重中之重。在机场控制区，从飞机降落至跑道时或者飞机从跑道滑行起飞时，指令和引导通过信号和灯光等视觉方式、以及管制人员的口头表达传递至机组成员，以保障飞机降落和起飞的安全。目前，普通机场的安全监控系统仍停留在传统监控阶段，其存在的问题是：监控人员需要长时间地注视视频画面使得视觉疲劳，导致实际监控效果降低；同时监控系统观察范围有限，反应的灵敏度和速度也很难满足对飞机起降进行智能监控的需求；再加上机场环境复杂多变，大风等恶劣天气等因素对监控设备的影响，已经很难满足机场对飞行安全的实际需求。

随着计算机视觉技术的不断发展，智能视频分析技术的出现及日臻成熟，为解决这一问题提供了很好的技术手段。但是，目前智能视频分析技术多数仅限于小范围定点监控环境，对于像飞机起降监控等特殊需求应用，是远远不能不能满足的。飞机起降监控包括对飞机的起飞和降落的运行状态，如空中姿态、起落架运行情况、行进方向等进行监控。飞机的起降状态，对飞机安全是至关重要的，很多事故都是由于飞机的起降状态异常而引起的，例如：飞机的起落架工作异常会导致机体冲撞地面，飞机空中姿态异常会导致尾部摩擦地面，飞机行进方向异常会导致偏出跑道等等。由于飞机起降活动范围非常大，起降区域非常接近地面，是雷达系统的盲区，确认飞机的各种运行状态，必须有专人使用大型旋转云台摄像机进行监控，但是飞机在起飞及降落时距离地面很近，加上飞行速度快，准确的全程监控，仅依靠人工进行云台和摄像机操作是很难实现的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、快速准确的飞机起飞降落跟踪系统及其方法。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种飞机起飞降落跟踪系统，包括安装在机场起飞降落监控区的触发云台和联动云台，在触发云台上安装有热成像仪、可见光镜头和触发云台控制板，热成像仪、大倍率三可变镜头分别与触发云台控制板相连接，在联动云台上安装可见光镜头和联动云台控制板，联动云台控制板与触发云台控制板进行通信实现触发云台及联动云台对飞机起飞降落的跟踪功能。

而且，所述的触发云台控制板包括：

功能设置单元，用于设置触发云台执行起飞跟踪或者降落跟踪，以及向联动云台提供被跟踪飞机高度；

图像获取单元，用于获取被跟踪飞机的图像信息，包括可见光图像信息及热成像图像信息；

图像处理单元，用于分析图像获取单元获取的图像，判断是否执行跟踪以及云台以何种速度及角度进行跟踪，并控制可见光镜头变倍聚焦；

通信单元，用于触发云台和联动云台间传输触发云台的水平及垂直角度信息；

而且，所述的联动云台控制板包括：

联动云台通信单元，用于联动云台与触发云台进行通信，接收触发云台传输的角度信息；

图像处理单元，用于计算联动云台所需转动的角度并分析可见光图像并通过联动云台控制可见光镜头变倍聚焦。

而且，所述的可见光镜头为大倍率三可变镜头。

一种飞机起飞降落跟踪方法，包括以下步骤：

⑴触发云台根据设置指令，设置触发云台是起飞跟踪还是降落跟踪；

⑵触发云台分析热成像仪图像，判断是否有飞机进入触发区域；

⑶当飞机进入可跟踪区域，触发云台开始转动，进入跟踪状态；

⑷触发云台分析可见光图像，控制可见光镜头的变倍聚焦，使被跟踪飞机始终充满画面；

⑸触发云台与联动云台正常通信，将触发云台当前的水平垂直角度传输给联动云台；

⑹联动云台根据获取的触发云台当前的水平垂直角度信息计算联动云台所需转动的角度并驱动联动云台旋转；分析可见光图像并控制联动云台上的可见光镜头变倍聚焦，使被跟踪飞机始终充满画面。

而且，所述步骤⑹计算联动云台当前需要运动到的水平角度β的方法为：

$\mathrm{\β}=\arcsin \frac{L3}{\sqrt{{L4}^2+{L2}^2-2L2L4\cos (\mathrm{\γ}-\mathrm{\α})\sqrt{1+{\arctan }^2\mathrm{\α}}}};$

上式中，α为触发云台传输给联动云台的水平角度值，L2为触发云台与飞行跑道水平面的垂直距离，L3为联动云台与飞行跑道水平面垂直距离，L4为触发云台与联动云台水平面的距离，γ为L4与触发云台水平角度零度的夹角；

所述步骤⑹计算联动云台当前需要运动到的垂直角度ξ的方法为：

$\mathrm{\ζ}=\arctan \frac{H2-H1-H5}{(H2-H5)\arctan \mathrm{\δ}-L7};$

上式中，δ为触发云台传输给联动云台的垂直角度值；H1为触发云台与联动云台垂直高度差，H2为联动云台获取的当前被跟踪飞机飞行高度，H5为触发云台与飞行跑道的垂直高度，L7触发云台与联动云台垂直面水平距离。

而且，所述的L2、L3、L4、H1、H5、L7、γ均为预设在联动云台内的参数。

本发明的优点和积极效果是：

本发明对飞机进入预定起飞或降落线路后，开始全程进行跟踪，通过自动调整云台位置，始终保持飞机在画面中心，并能自动使可见光镜头变倍，清晰地观察到飞机的运行情况，可以全天候全实时地完成跟踪，补充雷达系统的盲区，大大降低飞机起飞降落出现的危险性，同时，本跟踪系统智能化程度极高，无需人为参与，真正做到科技服务人类、人类驾驭科技的理念。

附图说明

图1是本发明的跟踪方法的处理流程图；

图2是本发明的跟踪系统的连接示意图；

图3是本发明的触发云台进行飞机跟踪的处理流程图；

图4是本发明的联动云台进行飞机跟踪的处理流程图；

图5是本发明的水平面上触发云台、联动云台与被跟踪飞机之间的距离及相关角度示意图；

图6是本发明的垂直面上触发云台、联动云台与被跟踪飞机之间的距离及相关角度示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种飞机起飞降落跟踪系统，如图2所示，包括安装在机场起飞降落监控区的触发云台和联动云台，在触发云台上安装有热成像仪、可见光镜头（大倍率三可变镜头）和触发云台控制板，热成像仪、大倍率三可变镜头分别与触发云台控制板相连接，热成像仪用于采集监控区域的热成像图像并传输给触发云台控制板，可见光镜头（大倍率三可变镜头）在触发云台控制板的控制下用于采集监控区域的可见光图像；在触发云台内安装可见光镜头（大倍率三可变镜头）和联动云台控制板，可见光镜头（大倍率三可变镜头）在联动云台控制板的控制下用于采集监控区域的图像，联动云台控制板接收触发云台控制板的数据实现触发云台及联动云台对飞机起飞降落的跟踪功能。

触发云台控制板内置有如下功能单元：

功能设置单元，用于设置触发云台执行起飞跟踪或者降落跟踪，以及向联动云台提供被跟踪飞机高度；

图像获取单元，用于获取被跟踪飞机的图像信息，包括可见光图像信息及热成像图像信息；

图像处理单元，用于分析图像获取单元获取的图像，判断是否执行跟踪以及云台以何种速度及角度进行跟踪，并控制可见光镜头（大倍率三可变镜头）变倍聚焦；

通信单元，用于触发云台和联动云台间传输触发云台的水平及垂直角度信息。

联动云台控制板内置有如下功能单元：

联动云台通信单元，用于联动云台与触发云台进行通信，接收触发云台传输的角度信息；

图像处理单元，用于计算联动云台所需转动的角度并分析可见光图像并通过联动云台控制可见光镜头（大倍率三可变镜头）变倍聚焦。

一种飞机起飞降落跟踪方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101：接收设置指令，设置触发云台是起飞跟踪还是降落跟踪；

步骤S102：触发云台通过图像处理单元分析热成像仪图像，判断是否有飞机进入触发区域；

步骤S103：当飞机进入可跟踪区域，触发云台开始转动，系统进入跟踪状态；

步骤S104：触发云台通过图像处理单元分析可见光图像，控制可见光镜头的变倍聚焦，使被跟踪飞机始终充满画面；

步骤S105：触发云台与联动云台正常通信，将触发云台当前的水平垂直角度传输给联动云台；

步骤S106：联动云台根据获取的触发云台当前的水平垂直角度信息计算联动云台所需转动的角度并驱动联动云台旋转；分析可见光图像并控制联动云台上的可见光镜头变倍聚焦。

下面分别对触发云台和联动云台的处理过程为例，详细说明本发明的处理过程。

触发云台进行飞机跟踪处理的具体流程，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S301：触发云台自检；

步骤S302：设置触发云台水平角度垂直角度零点，设置计时器最大时间Tmax；设置水平角度零点时，控制触发云台使可见光图像指向飞机起飞或降落方向且可见光图像画面水平中轴线与飞机跑道成垂直90度，此时将触发云台的水平角度设置为零点，即水平0度；设置垂直角度零点时，触发云台垂直方向的机械水平位置为垂直零点，即垂直0度；

步骤S303：触发云台接收起飞或降落跟踪指令，同时将该指令传输给联动云台；

步骤S304：触发云台的图像处理单元分析热成像仪图像，判断是否有飞机进入触发区域，是则继续步骤S305，否则重复步骤S304；

步骤S305：触发云台启动跟踪，计时器开始计时，触发云台以热成像仪图像中飞机始终处于画面中心为基准云台；

步骤S306：图像处理单元分析可见光图像，通过触发云台控制大倍率三可变镜头变倍聚焦；

步骤S307：触发云台获取当前云台的水平角度值α、垂直角度值δ，同时将α、δ值传输给联动云台；

步骤S308：判断计时器时间是否大于Tmax，是则继续步骤S309，否则重复步骤S306；

步骤S309：触发云台停止跟踪，同时将停止指令传输给联动云台，触发云台回到初始位置，初始位置为水平零点及垂直零点，并重复步骤S303。

联动云台进行飞机跟踪处理的具体流程，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S401：联动云台自检；

步骤S402：设置联动云台水平角度垂直角度零点；设置水平角度零点时，控制联动云台使可见光图像指向飞机起飞或降落方向且可见光图像画面水平中轴线与飞机跑道成垂直90度，此时将联动云台的水平角度设置为零点，即水平0度；设置垂直角度零点时，联动云台垂直方向的机械水平位置为垂直零点，即垂直0度；

步骤S403：联动云台获取当前被跟踪飞机飞行高度H2；

步骤S404：联动云台读取储存器中的数据，包括触发云台与飞行跑道水平面的垂直距离L2，联动云台与飞行跑道水平面垂直距离L3，触发云台与联动云台水平面的距离L4，触发云台与联动云台水平面距离L4与触发云台水平角度零度的夹角γ，触发云台与联动云台垂直面水平距离L7，触发云台与联动云台垂直高度差H1，触发云台与飞行跑道的垂直高度H5；

步骤S405：判断联动云台是否接收到触发云台传输的启动指令，是则继续步骤S406，否则重复步骤S405；

步骤S406：联动云台开始跟踪；

步骤S407：联动云台获取触发云台水平角度值α垂直角度值δ，通过算法计算出联动云台当前需要运动到的水平角度β和垂直角度ξ并驱动联动云台旋转相应的角度；

本步骤计算水平角度β和垂直角度ξ的具体方法如下：

图5给出了水平面上触发云台、联动云台与被跟踪飞机之间的距离及相关角度示意图。计算联动云台当前需要运动到的水平角度β的方法为：

已知数据包括：触发云台传输给联动云台的水平角度值α；通过联动云台读取储存器中触发云台与飞行跑道水平面的垂直距离L2，联动云台与飞行跑道水平面垂直距离L3，触发云台与联动云台水平面的距离L4，触发云台与联动云台水平面距离L4与触发云台水平角度零度的夹角γ；

通过上述已知数据可得到：

L1=L2arctanα；

式中L1为触发云台与被跟踪飞机水平面同跑道平行方向距离；

${L6=}^{\sqrt{{L1}^2+{L2}^2}}={L2}^{\sqrt{1+{\arctan }^2}\mathrm{\α}};$

式中L6为触发云台与被跟踪飞机水平面距离；

${L5=}^{\sqrt{{L4}^2+{L6}^2-2L4L6\cos (\mathrm{\γ}-\mathrm{\α})}}$

$=\sqrt{{L2}^2+{L4}^2-2L2L4\cos (\mathrm{\γ}-\mathrm{\α})\sqrt{1+{\arctan }^2\mathrm{\α}}};$

式中L5为联动云台与被跟踪飞机水平面距离；

$\mathrm{\β}={\arcsin }^{\frac{L3}{L5}}={\arcsin }^{\frac{L3}{\sqrt{{L4}^2+{L2}^2-2L2L4\cos (\mathrm{\γ}-\mathrm{\α})\sqrt{1+{\arctan }^2\mathrm{\α}}}}}\·$

图6给出了垂直面上触发云台、联动云台与被跟踪飞机之间的距离及相关角度示意图。计算联动云台当前需要运动到的垂直角度ξ的方法为：

已知数据包括：触发云台传输给联动云台的垂直角度值δ；联动云台获取的当前被跟踪飞机飞行高度H2；触发云台与联动云台垂直面水平距离L7，触发云台与联动云台垂直高度差H1，触发云台与飞行跑道的垂直高度H5。

通过上述已知数据可得到：

H4=H2-H5；

式中H4为触发云台与被跟踪飞机垂直面上的高度差；

H3=H4-H1=H2-H1-H5；

式中H3为联动云台与被跟踪飞机垂直面上的高度差；

L8=H4arctanδ=(H2-H5)arctanδ；

其中L8为触发云台与被跟踪飞机垂直面上的水平距离；

L9=L8-L7=(H2-H5)arctanδ-L7；

其中L9为联动云台与被跟踪飞机垂直面上的水平距离；

$\mathrm{\ζ}={\arctan }^{\frac{H3}{L9}}=\mathrm{arcta}{n}^{\frac{H2-H1-H5}{(H2-H5)\arctan \mathrm{\δ}-L7}}\·$

步骤S408：图像处理单元分析可见光图像，通过联动云台控制大倍率三可变镜头变倍聚焦，使被跟踪飞机始终充满画面；

步骤S409：判断联动云台是否接收到触发云台传输的停止跟踪指令，是则继续执行步骤S410，否则重复步骤S407；

步骤S410：联动云台跟踪接收，回到初始位置，初始位置为水平零点及垂直零点，并重复步骤S405。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种飞机起飞降落跟踪系统，其特征在于：包括安装在机场起飞降落监控区的触发云台和联动云台，在触发云台上安装有热成像仪、可见光镜头和触发云台控制板，热成像仪、大倍率三可变镜头分别与触发云台控制板相连接，在联动云台上安装可见光镜头和联动云台控制板，联动云台控制板与触发云台控制板进行通信实现触发云台及联动云台对飞机起飞降落的跟踪功能；

所述的触发云台控制板包括：

功能设置单元，用于设置触发云台执行起飞跟踪或者降落跟踪，以及向联动云台提供被跟踪飞机高度；

图像获取单元，用于获取被跟踪飞机的图像信息，包括可见光图像信息及热成像图像信息；

图像处理单元，用于分析图像获取单元获取的图像，判断是否执行跟踪以及云台以何种速度及角度进行跟踪，并控制可见光镜头变倍聚焦；

通信单元，用于触发云台和联动云台间传输触发云台的水平及垂直角度信息。

2.根据权利要求1所述的一种飞机起飞降落跟踪系统，其特征在于：所述的联动云台控制板包括：

联动云台通信单元，用于联动云台与触发云台进行通信，接收触发云台传输的角度信息；

图像处理单元，用于计算联动云台所需转动的角度并分析可见光图像并通过联动云台控制可见光镜头变倍聚焦。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种飞机起飞降落跟踪系统，其特征在于：所述的可见光镜头为大倍率三可变镜头。

4.一种如权利要求1至3任一项所述飞机起飞降落跟踪系统的跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴触发云台根据设置指令，设置触发云台是起飞跟踪还是降落跟踪；

⑵触发云台分析热成像仪图像，判断是否有飞机进入触发区域；

⑶当飞机进入可跟踪区域，触发云台开始转动，进入跟踪状态；

⑷触发云台分析可见光图像，控制可见光镜头的变倍聚焦，使被跟踪飞机始终充满画面；

⑸触发云台与联动云台正常通信，将触发云台当前的水平垂直角度传输给联动云台；

⑹联动云台根据获取的触发云台当前的水平垂直角度信息计算联动云台所需转动的角度并驱动联动云台旋转；分析可见光图像并控制联动云台上的可见光镜头变倍聚焦，使被跟踪飞机始终充满画面。