CN103786893B - 一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞机自动泊位技术，尤其涉及飞机泊位过程中姿态的测量与引导的一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置<b>。</b>本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置。装置包括扇形激光扫描仪，俯仰转动电机，处理器和显示屏，安装在飞机停泊位的尽头飞机机身高度的位置上。通过本装置及算法从飞机进入距离停机位100米范围开始，实时检测飞机的姿态，并提供引导（距离、偏移和速度）和机型匹配信息，并在显示屏上实时提供以上信息，指引飞机驾驶员停泊飞机。使用本装置可以不需要地面人工协助，由飞机驾驶员依靠提示信息，独立准确完成泊机操作。装置基于激光技术，准确性高，实时性好，在雾霾、雨雪等能见度差的天气环境下适应能力强。

Description

一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置

技术领域

本发明涉及飞机自动泊位技术，尤其涉及飞机泊位过程中姿态的测量与引导的一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置。

背景技术

飞机泊位自动引导系统能够为飞机在停机坪安全、高效停泊提供准确和规范的引导，指引飞行员以最优程序停泊飞机。飞机泊位过程是航班运行中的一个组成部分，使用辅助设备提高航班运行的效率和安全性也是机场现代化建设的一个组成部分。

在没有飞机泊位自动引导系统的情况下，飞机的停靠需要多个地面人员的协助来进行，且执行效率有可以提升的空间。飞机泊位自动引导系统的主要任务是从飞机离开滑行道进入停机坪开始，指引飞行员控制飞机运动的速度和方向，同时对停靠的飞机尺寸大小是否适合停在当前停机位做出判定，直到飞机完全停泊在指定停机位上。在实际运用中，对系统的测量准确性，反馈实时性、天气适应性和设备可靠性都有比较高的要求。

多种技术方案被提出来解决这一问题。早期的技术方案依靠在多个位置安装的传感器实现飞机泊位自动引导。一部分传感器安装于停机坪地面上，承受地表压力容易坏损，且不易维护和更换。较新的技术方案倾向于集成传感设备并且安装于地表之上，如航站楼或廊桥上。新技术主要包含雷达、图像和激光技术等。雷达信号对细节的分辨力较差，可以准确探测飞机的距离，但是对飞机的姿态较难精准测量。图像技术在光照弱和能见度差的环境下适应能力差，且图像识别算法的准确度在复杂背景环境下还有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于激光测距技术的飞机泊位自动引导方法及装置，装置安装在飞机停泊位的尽头飞机机身高度的位置上，从飞机进入距离停机位100米范围开始，实时检测飞机的姿态，并提供引导（距离、偏移和速度）和机型匹配信息，并在显示屏上实时提供以上信息，指引飞机驾驶员停泊飞机。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法包括：

步骤1：飞机泊位自动引导装置以扫描周期T1对飞机泊位区域进行待机扫描，并通过处理器获得泊位区域点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态，并以扫描周期T2对飞机泊位区域进行自动扫描，执行步骤2到5；否则，返回步骤1，T1为1秒到10秒，T2为0.1秒到2秒；

步骤2：在自动引导状态下，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示，否则执行步骤3；

步骤3：飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机已经基本正对泊机位，执行步骤4；如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作；如果飞机在距离泊位区域A1A2为Q，则确定飞机未正对泊机位，则发出重新泊位操作建议，否则执行步骤4，Q范围是20米到50米；

步骤4：飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机机鼻所在的位置，根据机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描周期T2扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示；

步骤5：飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据预测飞机泊位自动引导装置下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，控制下一周期激光扫描仪水平旋转范围和俯仰转动范围，从而达到追踪飞机的目的。

进一步的，所述步骤1具体步骤包括：

步骤11：滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在在水平方向上进行扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，飞机泊位自动引导装置每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；处理器对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，俯仰转动电机控制激光扫描仪以俯仰转动角σ为-45度到45度转动；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角θ和俯仰转角σ在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r,θ,σ)向飞机位置坐标系下(x,y,z)的转化公式为x=rcosσcosθ，y=rcosσsinθ-D₁，z=rsinσ+H，其中H为飞机泊位自动引导装置安装的高度，D1指的是激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离，一组点云数据来自一个独立物体，参数为扫描点的距离r和水平转角θ，r为1～150米，θ为-60度～60度，其中邻近点快速合并算法具体步骤是：把激光扫描仪每条扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角θ间距小于阈值水平转角T_q，该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新的组的起始点，前一个点是前一个组的终止点；T_q为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距；

步骤12：每条水平扫描的起始点和终止点间的距离是该组扫描点的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米；

步骤13：如果有X条跨度的水平扫描出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。

进一步的，所述步骤2中包括：

步骤21：飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离A₁A₂边80～100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)的扫描线，P_N点为点云数据中_y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)和每条扫描线终点P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)；飞机翼展的宽度W是乙组扫描线的跨度 $\sqrt{{(P_{\mathrm{LX}}-P_{\mathrm{RX}})}^2+{(P_{\mathrm{LY}}-P_{\mathrm{RY}})}^2+{(P_{\mathrm{LZ}}-P_{\mathrm{RZ}})}^2},$ 飞机机身的高度H=P_NZ，其中P_NZ是机鼻高度;如果飞机泊位自动引导装置连续三个扫描周期T2获取的飞机翼展宽度W和机鼻P_NZ高度变化范围不超过5%，则表示扫描周期获取的点云数据准确，否则表示未能获取有效点云数据，激光扫描仪继续扫描；

步骤22：如果飞机翼展宽度W和机鼻P_NZ不在泊机位区域范围，则处理器通过显示屏发出泊机位不适合警告。

进一步的，所述步骤3具体步骤包括：

步骤31：假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)为飞机左翼顶点，P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)为飞机右翼顶点；如果P_LY-P_RY>S或者则认为飞行需要右转；如果P_RY-P_LY>S或者则认为飞行需要左转；否则认为飞机正对泊机位，其中S范围是0.4米～4米,Q范围是0.2～2米。

所述步骤4具体包括：

步骤41：以飞机机鼻P_N代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时飞机机鼻所在的点P_P(P_PX,P_PY,P_PZ)为泊机操作的目的点，飞机到泊机位的距离为飞机距离泊位区域宽度方向的左右偏移量为P_NX-P_PX；步骤42：假定连续两个扫描周期T2测定的飞机机鼻位置分别为P_N1和P_N2，则飞机的速度是P_N1和P_N2之间的距离除以T2；

步骤43：飞机的距离、偏移量和速度均通过显示屏实时显示；处理器预设不同距离段上允许的速度范围，对于超出速度范围的情况发出警报。

进一步的，所述步骤5具体步骤包括：

根据当前飞机机身被扫描表面的空间分布范围和飞机的运行速度，计算出此范围对应激光扫描仪工作的水平和俯仰角度范围；将计算出的扫描角度范围扩大20%，设定为下一个扫描周期T2实际的扫描范围预测出下一个扫描周期T2同样被扫描表面出现的空间分布范围。

一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置包括：

激光扫描仪，对飞机泊位区域进行周期性循环性扫描，从而实现获取以点云数据形式表达泊位区域物体轮廓信息，点云数据参数为扫描点的距离r和水平转角θ，r为1～150米，θ为-60度～60度；

俯仰转动电机，控制激光扫描仪进行俯仰转动，其俯仰转动角为σ，σ为-45度到45度；

处理器，接收飞机泊位自动引导装置以扫描周期T1进行待机扫描时获得的点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态；随后处理器接收飞机泊位自动引导装置以T2周期进行自动扫描时的点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示；否则，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作，调节飞机正对泊机位，然后根据飞机机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示；同时处理器根据点云数据预测下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，追踪飞机位置；

显示屏，用于显示处理器计算出泊机指引信息；

所述激光扫描仪、处理器、俯仰转动电机和显示屏安装在飞机停泊位置的正前方，正对机鼻，距离泊位区域近端D1，D1为1～15米。

进一步的，所述激光扫描仪工作步骤：

步骤111：滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在水平方向上扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，一组点云数据表示一个独立物体；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角θ和俯仰转角σ在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r,θ,σ)向飞机位置坐标系下(x,y,z)的转化公式为x=rcosσcosθ，y=rcosσsinθ-D₁，z=rsinσ+H，其中H为飞机泊位自动引导装置安装的高度，D1指的是激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离，其中邻近点快速合并算法具体步骤是：把每条扫水平扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角θ间距小于阈值水平转角T_q，该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新水平扫描线的起始点，前一个点是前一个水平扫描线的终止点；T_q为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距；步骤112：每条水平扫描线的起始点和终止点间的距离是该条水平扫描仪的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米；

步骤113：如果有X条跨度的水平扫描线出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。

进一步的，所述处理器检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示具体步骤包括：

步骤121：飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离A₁A₂边80～100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)的扫描线，P_N点为点云数据中_y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)和每条扫描线终点P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)；飞机翼展的宽度W是乙组扫描线的跨度 $\sqrt{{(P_{\mathrm{LX}}-P_{\mathrm{RX}})}^2+{(P_{\mathrm{LY}}-P_{\mathrm{RY}})}^2+{(P_{\mathrm{LZ}}-P_{\mathrm{RZ}})}^2},$ 飞机机身的高度H=P_NZ，其中P_NZ是机鼻高度;如果飞机泊位自动引导装置连续三个扫描周期T2获取的飞机翼展宽度W和机鼻P_NZ高度变化范围不超过5%，则认为扫描周期T2获取的点云数据准确，否则认为未能获取有效点云数据，激光扫描仪继续扫描；

步骤122：如果飞机翼展宽度W和机鼻P_NZ不在泊机位区域范围，则处理器通过显示屏发出泊机位不适合警告。

进一步的，所述飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位具体步骤包括：

假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)为飞机左翼顶点，P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)为飞机右翼顶点；如果P_LY-P_RY>S或者则认为飞行需要右转；如果P_RY-P_LY>S或者则认为飞行需要左转；否则认为飞机正对泊机位，其中S范围是0.4米～4米,Q范围是0.2～2米。

所述机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过屏幕实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描位置和时间差计算速度，通过屏幕实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示具体步骤包括：

步骤141：以飞机机鼻P_N代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时飞机机鼻所在的点P_P(P_PX,P_PY,P_PZ)为泊机操作的目的点，飞机到泊机位的距离为飞机距离泊位区域宽度方向的左右偏移量为P_NX-P_PX；步骤142：假定连续两个扫描周期测定的飞机机鼻位置分别为P_N1和P_N2，则飞机的速度是P_N1和P_N2之间的距离除以T2；

步骤143：飞机的距离、偏移量和速度均通过显示屏实时显示；处理器预设不同距离段上允许的速度范围，对于超出速度范围的情况发出警报。

进一步的，所述处理器根据点云数据预测下一扫描周期飞机出现的空间范围，追踪飞机位置具体步骤包括：根据当前飞机机身被扫描表面的空间分布范围和飞机的运行速度，计算出此范围对应激光扫描仪工作的水平和俯仰角度范围；将计算出的扫描角度范围扩大20%，设定为下一个扫描周期实际的扫描范围预测出下一个扫描周期同样被扫描表面出现的空间分布范围。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）实现了一种高度集成的飞机泊位自动引导系统，使用激光扫描技术感知飞机，并在显示屏上实时提供信息，指引飞机驾驶员停泊飞机。摆脱了地面人工协助的依赖，由飞机驾驶员依靠提示信息，独立准确完成泊机操作。

2）使用本装置可以不需要地面人工协助，由飞机驾驶员依靠提示信息，独立准确完成泊机操作。装置基于激光技术，准确性高，实时性好，在雾霾、雨雪等能见度差的天气环境下适应能力强。

3）针对本装置，提出了泊机自动引导算法，通过距离、偏移、速度和机型匹配信息指引飞行员泊机。方法快速，实时操作性强，且方法判定准确，提供信息安全可靠。

4）装置基于激光技术，准确性高，实时性好，在雾霾、雨雪等能见度差的天气环境下适应能力强。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1a是激光扫描仪极坐标系。

图1b是激光扫描仪三维坐标系

图2泊位区域示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一、本发明相关说明：

1、激光技术测量准确性高分辨力强且对天气环境适应能力强。

2、激光扫描仪工作方式：通过处理器控制俯仰运动电机，俯仰运动电机控制激光扫描仪，每个扫描周期里，激光扫描仪在水平方向上高速扇形扫描，同时在垂直方向上相对较慢从最上到最下或者最下到最上转动。因此一个扫描周期获得的点云数据相当于由若干条水平扫描线构成。

3、如图2所示，长方形区域为泊位区域，即飞机离开滑行道驶向泊机位的工作区域，其中有斜划线区域为泊机位。两条半圆弧虚线及一条垂直曲线都是飞机的地面指引线。图2中飞机泊位自动引导装置距离泊位区域最近一边A₁A₂的距离为D1，以A₁A₂中点为原点，A₁A₂边为X轴，垂直于X轴为Y轴。垂直于X轴与Y轴组成平面的轴为Z轴。泊位区域X轴方向为N米，泊位区域Y轴方向为M米。M可最大延伸至100米，Ｎ是常规停放飞机的宽度，每个泊位区域Ｎ值不同。

4、飞机泊位自动引导装置扫描周期T1、T2指的是整幅泊位区域全部图像。当激光扫描仪在水平方向上高速扇形扫描F1、F2（扫描一行的时间为激光扫描仪扫描周期，F1*N=T1，F2*N=T2，N为扫描周期中列扫描数，F1为激光扫描仪在待机状态时的扫描工作周期，F2是激光扫描仪在自动引导状态时的扫描工作周期），同时在垂直方向上以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动。垂直方向角速度V范围转速小于激光扫描仪水平方向转速的1/10。

5、滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据。扫描周期获得的点云数据相当于由若干条水平扫描线构成；

6、飞机机鼻P_N点为经过步骤11～15过滤后保留点中y值最小的点，即飞机最前端点。甲组扫描线和乙组扫描线可以是同一组水平扫描线。

7、机鼻顶点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)中P_NX表示机鼻顶点X轴坐标，P_NY表示机鼻顶点Y轴坐标，P_NZ表示机鼻顶点Z轴坐标，飞机左翼顶点P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)中P_LX为飞机左侧机翼顶点X轴坐标，P_LY为飞机左侧机翼顶点Y轴坐标，P_LZ为飞机左侧机翼顶点Z轴坐标。飞机右翼顶点P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)中为P_RX为飞机右侧机翼顶点X轴坐标，P_RY为飞机右侧机翼顶点Y轴坐标，P_RZ为飞机右翼机翼顶点Z轴坐标。

8、本装置联入网络后，可以接受远程服务器调度控制，获取停泊机型信息。如果检测到飞机形态与调度信息不符合，可以警示飞机撤离错误泊机位。二：基本工作原理：

装置平时处于待机状态，每隔时间T1（一般设定1秒到10秒之间）对飞机泊位区域进行待机扫描，并通过处理器获得泊位区域点云数据，若探测到飞机进入泊位区域则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态，改变扫描周期为T2（一般设定0.1秒到2秒之间），否则保持待机状态。

装置进入自动引导状态后，首先根据点云数据检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示。然后检测飞机的旋转姿态，以确定飞机是否正对泊机位，提示飞机需进行左转或右转操作，或者发出重新泊位操作建议。最后根据位置计算到泊机位的距离、速度以及左右偏移量，并通过屏幕实时显示，对超速的操作通过显示屏发出警示。同时，处理器预测下一扫描周期飞机可能出现的空间范围，控制下一自动引导周期扫描仪水平旋转范围和俯仰转动范围，从而达到追踪飞机的目的。

装置联入网络后，可以远程接受调度控制，获取停泊机型信息。如果检测到飞机形态与调度信息不符合，可以警示飞机进入错误泊机位。

●硬件构成

装置高度集成为一体，安装在飞机停泊位置的正前方中点。装置主要由一个扇形发射的激光扫描仪，一个俯仰转动电机，一个处理器和一个显示屏组成。激光扫描仪用于实时获取飞机三维轮廓信息；俯仰转动电机用于调节激光扫描仪的高度，适应不同高度的机型；处理器根据激光扫描仪获取的数据计算飞机姿态，同时控制俯仰转动电机，并将计算出的引导信息发送到显示屏。

●坐标体系

如图1建立极坐标体系。r为扇形激光扫描仪获得扫描点到激光扫描仪的距离，θ为当前点与上一点之间的水平转角，σ为激光扫描仪沿高度方向的俯仰转角。泊位区域包括从飞机停泊位置向跑道延伸100米的区域，参见图2。以泊位区域近端尽头中点为原点，宽度方向为X轴，长度方向为Y轴，垂直高度方向为Z轴，建立飞机位置坐标系。从飞机极坐标系下(r,θ,σ)向飞机位置坐标系下(x,y,z)的转化公式为x=rcosσcosθ，y=rcosσsinθ-D₁，z=rsinσ+H，其中H为装置安装的高度。

●检测存在算法

泊位区域是一个长方体无障碍空间，一般紧邻机场航站楼，空间范围固定。泊位背景环境在长方体空间之外，在泊位区域空间外采集的样本点可以根据扫描点的坐标直接滤除。

每个扫描周期里，装置在水平方向上高速扇形扫描，同时在垂直方向上相对较慢从最上到最下或者最下到最上摆动。因此一个扫描周期获得的点云数据相当于由若干条水平扫描线构成。对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组，认为一组点云表示一个独立物体。邻近点快速合并算法把每条扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角θ间距小于阈值水平转角T_q（一般取2-5倍最小扫描角间距），该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新的组的起始点，前一个点是前一个组的终止点。

每组扫描点的起始点和终止点间的距离是该组扫描点的跨度，如果跨度小于阈值（通常取5～8米）则认为该组点对应小物体，被滤除。如果有多组（通常取不少于5～10组）大跨度的扫描点出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域。

●飞机形态和姿态的计算方法

每个扫描周期会产生大量点云数据，整体处理计算时间较长，因此计算方法第一步是对关键信息进行提取。在每个扫描周期产生的所有分组扫描线中，有两组扫描线最重要：甲组经过机鼻顶点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)，P_N点定义为大物体表面y值最小的点，即飞机最前端点；乙组有最大跨度，即起点P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)和终点P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)的直线距离最大，甲组和乙组可以是同一组扫描线。

飞机翼展的宽度W可以近似等同于乙组扫描线的跨度 $\sqrt{{(P_{\mathrm{LX}}-P_{\mathrm{RX}})}^2+{(P_{\mathrm{LY}}-P_{\mathrm{RY}})}^2+{(P_{\mathrm{LZ}}-P_{\mathrm{RZ}})}^2},$ 飞机机身的高度H可以用机鼻高度H=P_NZ近似表示;如果连续三个周期获取的翼展宽度和机鼻高度变化范围不超过5%则认为测定值准确，否则认为未能获取有效数值，继续扫描测量。

●操作引导方法

左右转：假定扫描仪水平方向从飞机左侧扫描到右侧，则P_L可以近似左侧机翼顶点，P_R可以近似右侧机翼顶点；如果P_LY-P_RY的值大于判定阈值（通常取0.4～4米）或者的值大于判定阈值（通常取0.2～2米）则认为飞行需要右转；如果P_RY-P_LY的值大于判定阈值（通常取0.4～4米）或者的值大于判定阈值（通常取0.2～2米）则认为飞行需要左转；否则认为飞机已经基本正对泊机位。

距离及偏移：以机鼻点P_N代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时机鼻所在的点P_P(P_PX,P_PY,P_PZ)为泊机操作的目的点，因为飞机高度不变，飞机的距离为飞机的偏移量为P_NX-P_PX。

速度：假定连续两个扫描周期测定的飞机位置分别为P_N1和P_N2，则飞机的速度可以近似认为是P_N1和P_N2之间的距离除以时间间隔T2。

●追踪方法

在自动引导状态下，装置并不是对整个泊位区域进行扫描，而是对飞机的运动进行跟踪并预测，仅对可能存在飞机的空间进行扫描。根据当前飞机被扫描表面的空间分布范围和飞机的运行速度预测出下一个扫描周期同样被扫描表面出现的空间分布范围，计算出此范围对应扫描仪工作的水平和俯仰角度范围。将计算出的扫描角度范围扩大20%，设定为下一个扫描周期实际的扫描范围。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于包括：

步骤1：飞机泊位自动引导装置以扫描周期T1对飞机泊位区域进行待机扫描，并通过处理器获得泊位区域点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态，并以扫描周期T2对飞机泊位区域进行自动扫描，执行步骤2到5；否则，返回步骤1，T1为1秒到10秒，T2为0.1秒到2秒；

步骤2：在自动引导状态下，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示，否则执行步骤3；

步骤3：飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机已经基本正对泊机位，执行步骤4；如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作；如果飞机在距离泊位区域A₁A₂边为Q1，则确定飞机未正对泊机位，则发出重新泊位操作建议，否则执行步骤4，Q1范围是20米到50米；

步骤4：飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机机鼻所在的位置，根据机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过显示屏实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描周期T2扫描位置和时间差计算速度，通过显示屏实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示；

步骤5：飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据预测飞机泊位自动引导装置下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，控制下一周期T2激光扫描仪水平旋转范围和俯仰转动范围，从而达到追踪飞机的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤1具体步骤包括：

步骤11：滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在在水平方向上进行扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，飞机泊位自动引导装置每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；处理器对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，俯仰转动电机控制激光扫描仪以俯仰转动角为-45度到45度转动；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角和俯仰转角在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r，θ，σ)向飞机位置坐标系下的转化公式为x＝rcosσcosθ，y＝rcosσsinθ-D₁，z＝rsinσ+H，其中H1为飞机泊位自动引导装置安装的高度，D1指的是激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离，一组点云数据来自一个独立物体，参数为扫描点的距离r和水平转角q，r为1～150米，θ为-60度～60度，其中邻近点快速合并算法具体步骤是：把激光扫描仪每条扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角θ间距小于阈值水平转角Tq，该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新的组的起始点，前一个点是前一个组的终止点；Tq为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距；

步骤12：每条水平扫描的起始点和终止点间的距离是该组扫描点的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米；

步骤13：如果有X条跨度的水平扫描出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤2中包括：

步骤21：飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离泊位区域A1A2边80～100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)的扫描线，P_N点为点云数据中y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)和每条扫描线终点P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)；飞机翼展的宽度W是乙组扫描线的跨度 $W=\sqrt{{(P_{LX}-P_{RX})}^2+{(P_{LY}-P_{RY})}^2+{(P_{LZ}-P_{RZ})}^2},$ 飞机机身的高度H＝P_NZ，其中P_NZ是机鼻高度；如果飞机泊位自动引导装置连续三个扫描周期T2获取的飞机翼展宽度W和机鼻高度P_NZ变化范围不超过5％，则表示扫描周期T2获取的点云数据准确，否则表示未能获取有效点云数据，激光扫描仪继续扫描；

步骤22：如果飞机翼展宽度W和机鼻高度P_NZ不在泊机位区域范围，则处理器通过显示屏发出泊机位不适合警告。

4.根据权利要求2所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤3具体步骤包括：

步骤31：假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)为飞机左翼顶点，P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)为飞机右翼顶点；如果P_LY-P_RY>S或者则认为飞行需要右转；如果P_RY-P_LY>S或者则认为飞行需要左转；否则认为飞机正对泊机位，其中S范围是0.4米～4米,Q范围是0.2～2米，所述Q是机翼中心与机鼻顶点在X轴上的坐标差的判定阈值。

5.根据权利要求2所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导方法，其特征在于所述步骤4具体包括：

步骤41：以飞机机鼻P_N代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时飞机机鼻所在的点P_P(P_PX,P_PY,P_PZ)为泊机操作的目的点，飞机到泊机位的距离为飞机距离泊位区域宽度方向的左右偏移量为P_NX-P_PX；

步骤42：假定连续两个扫描周期T2测定的飞机机鼻位置分别为P_N1和P_N2，则飞机的速度是P_N1和P_N2之间的距离除以T2；

步骤43：飞机的距离、偏移量和速度均通过显示屏实时显示；处理器预设不同距离段上允许的速度范围，对于超出速度范围的情况发出警报。

6.一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于包括：

激光扫描仪，对飞机泊位区域进行周期性循环性扫描，从而实现获取以点云数据形式表达泊位区域物体轮廓信息，点云数据参数为扫描点的距离r和水平转角θ，r为1～150米，θ为-60度～60度；

俯仰转动电机，控制激光扫描仪进行俯仰转动，其俯仰转动角为σ，σ为-45度到45度；处理器，接收飞机泊位自动引导装置以扫描周期T1进行待机扫描时获得的点云数据，若探测到飞机进入泊位区域，则飞机泊位自动引导装置进入自动引导状态；随后处理器接收飞机泊位自动引导装置以扫描周期T2进行自动扫描时的点云数据，检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示；否则，飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位；如果飞机尚未正对泊机位，处理器通过显示屏发出提示飞机需进行左转或右转操作，调节飞机正对泊机位，然后根据飞机机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过显示屏实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描位置和时间差计算速度，通过显示屏实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示；同时处理器根据点云数据预测下一扫描周期T2飞机出现的空间范围，追踪飞机位置；

显示屏，用于显示处理器计算出泊机指引信息；

所述激光扫描仪、处理器、俯仰转动电机和显示屏安装在飞机停泊位置的正前方，正对机鼻，激光扫描仪距离泊位区域最近一边的距离D1，D1为1～15米；所述激光扫描仪工作步骤：

步骤111：滤除在泊位区域范围外采集到的点云数据；飞机泊位自动引导装置的激光扫描仪在水平方向上扇形扫描，同时在以角速度V从最上到最下或者最下到最上转动，每个扫描周期T2包括N条水平扫描线；对每条水平扫描线通过邻近点快速合并算法划分成组点云数据，一组点云数据表示一个独立物体；其中飞机泊位自动引导装置获得的原始点云数据是以扫描点的距离r、水平转角θ和俯仰转角σ在极坐标体系下表达的，从飞机泊位自动引导装置激光扫描仪极坐标系下(r,θ,σ)向飞机位置坐标系下(x,y,z)的转化公式为x＝rcosσcosθ，y＝rcosσsinθ-D₁，z＝rsinσ+H其中H为飞机泊位自动引导装置安装的高度，其中邻近点快速合并算法具体步骤是：把每条扫水平扫描线中第一个点作为一个组的起点，随后的点中，如果一个点与前一个点的极坐标下水平转角θ间距小于阈值水平转角T_θ，该点与处于前一个点所在的组，否则认为该点是一个新水平扫描线的起始点，前一个点是前一个水平扫描线的终止点；T_q为激光扫描仪2-5倍最小扫描角间距；

步骤112：每条水平扫描线的起始点和终止点间的距离是该条水平扫描仪的跨度，如果跨度小于阈值P则认为该组点对应小物体，P为5米到8米；

步骤113：如果有X条跨度的水平扫描线出现，则认为探测到了飞机进入泊机区域，X为5条到10条。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于所述处理器检测飞机的形态信息，如果经计算飞机不适合停泊在当前泊机位，则处理器通过显示屏发出禁止进入的警示具体步骤包括：

步骤121：飞机沿地面指引线向泊机位区域行驶，当飞机距离泊位区域A₁A₂边80～100米时，飞机机身已经转向泊机位；处理器根据点云数据得到甲组扫描线和乙组扫描线，甲组扫描线经过飞机机鼻顶点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)的扫描线，P_N点为点云数据中y值最小的点；乙组扫描线是每条扫描线起点P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)和每条扫描线终点P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)的直线距离最大的扫描线；在组点云数据中搜索寻找到甲组扫面线、乙组扫描线和点P_N(P_NX,P_NY,P_NZ)；飞机翼展的宽度W是乙组扫描线的跨度 $W=\sqrt{{(P_{LX}-P_{RX})}^2+{(P_{LY}-P_{RY})}^2+{(P_{LZ}-P_{RZ})}^2},$ 飞机机身的高度H＝P_NZ，其中P_NZ是机鼻高度；如果飞机泊位自动引导装置连续三个扫描周期T2获取的飞机翼展宽度W和机鼻高度P_NZ变化范围不超过5％，则认为扫描周期T2获取的点云数据准确，否则认为未能获取有效点云数据，激光扫描仪继续扫描；

步骤122：如果飞机翼展宽度W和机鼻高度P_NZ不在泊机位区域范围，则处理器通过显示屏发出泊机位不适合警告。

8.根据权利要求6所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于所述飞机泊位自动引导装置的处理器根据点云数据检测飞机的旋转姿态，确定飞机是否正对泊机位具体步骤包括：

假定激光扫描仪水平方向从飞机左翼扫描到飞机右翼，则P_L(P_LX,P_LY,P_LZ)为飞机左翼顶点，P_R(P_RX,P_RY,P_RZ)为飞机右翼顶点；如果P_LY-P_RY>S或者则认为飞行需要右转；如果P_RY-P_LY>S或者则认为飞行需要左转；否则认为飞机正对泊机位，其中S范围是0.4米～4米,Q范围是0.2～2米，所述Q是机翼中心与机鼻顶点在X轴上的坐标差的判定阈值。

9.根据权利要求6所述的一种基于激光测距技术的飞机探测及泊位自动引导装置，其特征在于机鼻位置计算飞机到泊机位的距离以及距离泊位区域宽度方向的左右偏移量，并通过显示屏实时显示飞机到泊机位的距离以及泊位区域宽度方向的左右偏移量；处理器根据飞机当前位置、前次扫描位置和时间差计算速度，通过显示屏实时显示；不同的距离段上有不同的速度要求，对超速的操作通过显示屏发出警示具体步骤包括：

步骤141：以飞机机鼻P_N代表飞机当前位置，以飞机停泊完毕时飞机机鼻所在的点P_P(P_PX,P_PY,P_PZ)为泊机操作的目的点，飞机到泊机位的距离为飞机距离泊位区域宽度方向的左右偏移量为P_NX-P_PX；

步骤142：假定连续两个扫描周期T2测定的飞机机鼻位置分别为P_N1和P_N2，则飞机的速度是P_N1和P_N2之间的距离除以T2；

步骤143：飞机的距离、偏移量和速度均通过显示屏实时显示；处理器预设不同距离段上允许的速度范围，对于超出速度范围的情况发出警报。