CN104443423A - 航空器进场引导系统的校正定位方法 - Google Patents

Abstract

一种航空器进场引导系统的校正定位方法，包括步骤如下，提供一激光扫描器以产生射向一反射镜组的激光束；分别沿着水平轴及垂直轴旋转上述反射镜组；提供一定位方法，使激光束对特定位置的水平角度及平行于测量地面的垂直角度可以被精确地测出。并根据以上方法，针对J-LINE上前后两不同位置点算出对应的定位角度，进而提供航空器进场停靠闸门时，其所依循的进场引导线与进场引导系统不在同一直线上时的偏移校正方法。

Description

航空器进场引导系统的校正定位方法

技术领域

本发明涉及一种航空器进场引导系统的校正定位方法。特别是指一种利用激光束及信息显示看板用以定位、识别并且引导目标物到特定地点停靠过程的校正定位方法。

背景技术

航空器的进场引导作业，先前使用的技术包括人工引导方式、以环路线圈感测技术的引导方式及较为先进的以激光检测技术的引导方式。

以激光检测方式的引导方式在处理定位及J-LINE每位移的方式上，先前的专利例如有美国专利号US6,023,665及US6,324,489，以距离角度分布图的方式，在垂直方向上激光引导设备前约1至100米，每隔一米做一记录点，及在水平方向上，从-5°到5°之间，每隔0.1°的范围内做一记录点，交叉成一个100X100的数据库记录区。当航空器进入此一区域时，再对比实际检测到的数值与预存数据库之间的差异性，以判定航空器的所在距离及左右偏移情形。

该做法虽然在技术上是可行的，但由于一方面牵涉到数量庞大的数值对比，另一方面现行市面上大部分的激光测距设备已不支持纯粹对激光脉波做发射/收集的操作，只提供激光所在角度上所测得的距离数据。对于此类的应用方式，必须使用特别的激光测距设备才能达到，所以在应用上并不方便。

本发明人基于已申请的中国台湾专利申请号102211977“航空器进场引导系统”，使用现有先进的激光测距设备及步进马达，配合所提出的演算法即可达到对特定位置点的马达初始位置（home position）定位及对航空器进场引导线偏移校正的目的，改善引导作业中所需要的设备等级及运算效率。例如航空器在降落后，要停靠到机场闸门特定停止线上时，需借助于引导系统执行引导及机型辨识作业。引导系统的装设位置受限于机场的建筑物结构，而航空器的进场路线与机坪位置有关，当两者无法在同一直线上时，引导过程中的检测作业就必须有一套偏移校正方法，以确保机型辨识与引导距离及偏移角度检测的正确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种航空器进场引导系统的校正定位方法，首先需要先能执行定位作业，也就是激光束的定位作业，包括垂直方向与水平方向的初始位置定位。所谓垂直方向的定位，就是设定用以控制激光束的垂直马达的初始位置（vertical home position），可以使此时的激光束刚好平行于测量物所在的地平面，例如机坪地面。上述水平方向的定位，就是针对激光扫描器前方的某一点，设定用以控制激光束的水平马达的初始位置（horizental home position），可以使此时的激光束可以刚好打在目标点上。

此外，本发明所要解决的技术问题，还在于提供偏移校正的方法，对于进场引导线与引导设备不在一直线上时的偏移调整的校正方法，以使激光扫描器能针对航空器在不同的位置点上，做中心位置点的修正，对准正确的扫描区域，产生正确的扫描结果。

为了解决上述技术问题，根据本发明的方案，提供一种航空器进场引导系统的校正定位方法，包括下列步骤：

提供一激光扫描器以产生激光束射向一反射镜组；

分别沿着水平轴及垂直轴旋转上述反射镜组；

扫描位于一前进线上的被检测物；

在一电脑的数据库内设定激光束扫描范围的水平中心坐标及垂直的中心坐标；

设定激光束沿着水平方向的取样间隔；

设定激光束沿着垂直方向的取样间隔；

执行取样作业，沿着上述的中心坐标分别向外相隔上述的取样间隔沿着水平方向及垂直方向取多个扫描点；

执行扫描作业，依上述取样的扫描点，测量每一点并记录测得的距离；

依照每点显示的距离，判断是否需要改变上述的中心坐标；以及

判断上述取样间隔是否需要调整；若要调整取样间隔，则回到上述执行取样作业的步骤，若不需要调整取样间隔，则完成。

其中依本发明的一实施例，为着完成上述另一技术问题，其中当该激光扫描器的位置未位于上述前进线的线上，进一步执行偏移调整方法，利用线性插植法推估一预定点的距离。

本发明具有以下有益效果：本发明可供激光扫描器对准于正确的扫描位置，再者，当进场引导线与激光束没有办法设定在同一条线上时，不管这两条线之间是不是平行线，都可以依照此方法求得任何一位置的对应偏移校正量。

为了能更进一步了解本发明为达成既定目的所采取的技术、方法及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明、图式，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得以深入且具体的了解，然而所附图式与附件仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明利用的航空器进场引导系统。

图2为航空器沿着地面的进场引导线前进的示意图。

图3为本发明的校正定位方法沿着X轴取样的示意图。

图4为本发明的校正定位方法沿着Y轴取样的示意图。

图5为本发明的校正定位方法的流程图。

图6为本发明的偏移调整的俯视示意图。

图7为本发明的偏移调整的流程图。

【符号说明】

激光扫描器  100

基座  10

信息显示板  102

固定框架  20

可动框架  30

反射镜组  40

第一旋转模块  50

第一马达  52

第二旋转模块  60

第二马达  62

光源模块  70

台车  200

杆体  201

检测板  202

垂直参考杆  2021

水平参考杆  2022

取样间隔  Xa、Ya

激光束  R

进场引导线  J

空桥  A

机场建筑物  B

前进线  F

停止线  S

扫描区域  M

具体实施方式

本发明人利用基于上述先前专利的结构分散且安装复杂，已申请中国台湾专利申请号102211977“航空器进场引导系统”，特别是指一种用以定位、识别并且追踪目标物体，例如应用于机场在航空器降落后，测量航空器距离预定点（SPOT）的距离，以引导航空器移动至正确的位置，或者应用于其他的地面交通工具。

基于上述专利，本实施例以上述航空器进场引导系统（以下简称引导系统，或称之为激光扫描器）配合说明本发明的校正定位方法。请参阅图1以下再简述本发明利用的航空器进场引导系统，其包括一基座10、一固定于该基座10上且大体呈方形的固定框架20、一架设于固定框架20内且大体呈Ｕ形的可动框架30、一架设于可动框架30内的反射镜组40、用以驱动可动框架30沿Ｙ轴转动的第一旋转模块50、用以驱动反射镜组40沿Ｘ轴转动的第二旋转模块60、及一光源模块70。其中可动框架30沿着一垂直于基座10的垂直轴Y可旋转地架设于固定框架20上。反射镜组40沿着一平行于基座10的水平轴X可旋转地架设于可动框架30上。第一旋转模块50利用第一马达52沿着上述垂直轴Y以驱动上述可动框架30；第二旋转模块60利用第二马达62沿着上述水平轴X以驱动上述反射镜组。光源模块70固定地架设于可动框架30上且提供射向一反射镜组40的激光束R。上述主要是本发明使用的引导系统的激光扫描器100，引导系统还包括信息显示板102等，关于引导系统的细节已载于上述本发明人的专利申请案，因此不再赘述。

本实施例利用高精密的步进控制马达，配合反射镜面来定位激光束的角度，定位分辨率可以达到水平0.018°/step,垂直方向0.036°/step。由于步进马达的刻度很精细，在360°的角度内，可以区分为10,000步的分辨率，所使用的激光又是在红外线范围内的不可见光。如何可以达到设定目的，可使激光光刚好投射到目标物的位置上，就是本发明所谓的校正定位作业。

如图2所示，为航空器沿着地面的进场引导线J（J-LINE），进场引导线J为航空器进场靠近空桥A时所依循的前进线，进场引导线J的画设取决于机场为航空器的前进动线，无法任意更改。因此，本发明提供该方法以使得激光扫描器100能对准于正确的扫描区域，例如可应用于引导系统安装完成以后，或者使用一段时间以后，甚至在每次使用前，均执行本发明的校正定位方法，藉此以产生正确并有效的距离扫描结果。

再者，航空器引导系统的位置常需受限在机场建筑物B的水泥墙面上才可以装设，玻璃墙面无法装设，以图2的位置，显然激光束R与引导航空器的进场引导线J无法为同一条线或甚至是平行线上。因此，本发明还进一步在此环境下，做到能引导航空器。即使上述引导系统不是位于航空器前进的路线上，每一个扫描点都要能估算其中心点位置。因此本发明进一步提出一偏移调整方法来补偿，以取得正确的距离。

[校正定位方法原理说明]

首先，说明本发明的校正定位方法的原理。激光束碰到被检测物（例如航空器）时会依照光学原理反射回来，利用光线来回所经过的时间，即可回算出激光扫描器（或引导系统）与被检测物之间的距离。如图2所示，假设将激光扫描器100放置在一预定高度H上对一固定角度扫描，若该扫描位置上没有任何遮蔽物，那么激光束将会碰到地面后反射回来，传回激光扫描器100与地面间的距离。如果激光扫描器100与地面间有一遮蔽物，则激光检测到的距离便会是其与该被检测物之间的距离。因为被检测物（例如航空器）有一定的高度，所以测得的距离与没有该被检测物的情况有明显的分别。根据这样距离的分别，本实施例可由此推定被检测物（例如航空器）的存在。

请配合图3及图4，为本发明的定位方法的示意图，并请参阅图5，为本发明的校正定位方法的流程图。本发明设计一个特殊形状的被检测物，此实施例为一台车200，台车200主要包括由两根杆体201立起的检测板202。检测板202还需要设有一垂直参考杆2021及一水平参考杆2022以模拟飞机的横向机翼或引擎。当以激光扫描附近区域时，就可以扫出一个特定的距离分布图。根据此分布情形，本发明即可以据以判定被检测物相对于激光扫描器100所在的方位。

如图5所示，首先，校正开始，如步骤A10，在校正目标点放置一校正用的被检测物，在本实施例中，校正目标点可以是位于地面的一前进线上，前进线可以是机场的进场引导线J-LINE，或在室内用于校正的临时划设的直线。用于校正的被检测物，可以是一台车200来代替飞机，即可由人员方便配合校正定位过程进行移动。

如步骤A11，在一电脑的数据库内设定水平及垂直的中心坐标（X₀，Y₀）。此中心坐标（X₀，Y₀）在开始时不一定就对准于台车200的检测板202，可以经过扫描后，依据扫描数据，推出被检测物（台车200）的存在处的坐标而进行调整。

如步骤A12，设定激光束沿着水平方向（X轴）取样间隔（scan interval）Xa，请配合图3所示。此处的取样间隔Xa，例如可以是20个步阶（step），每一步阶的角度依激光扫描器的设备而定；步骤A13，设定激光束沿着垂直方向（Y轴）取样间隔（scan interval）Ya，请配合图4所示。此处的取样间隔Ya，例如可以是20至30个步阶（step），此数值可以针对被检测物调整。依本发明的激光扫描器的垂直马达（也即上述第一马达52）的定位分辨率的每一步阶（step），垂直方向（Y轴）可达到0.036°/step。水平马达的定位分辨率（也即第二马达62）的水平方向（X轴）可达到0.018°/step。

如步骤A14所示，执行取样作业，本实施例的取样作业是沿着上述的中心坐标分别向外相隔上述的取样间隔Xa、Ya，沿着水平方向及垂直方向取多个扫描点。具体地说，X轴方向从X₀-N₁*Xa到X₀+N₁*Xa，每隔一取样间隔Xa取一点；Y轴方向从Y₀-N₂*Ya到Y₀+N₂*Ya，每隔一取样间隔Ya取一点。此范围也就是扫描区域M（参图4）。在本实施例中，N₁以及N₂为取点数量，可以是5到7点，视实际需要加以调整。当取得的点越多，扫描时间越长，范围越广。若取点数量N₁以5点计算，N₂以7点计算，本实施例在X轴上将有11个扫描点（2*N₁+1，左右各5点再加上中心坐标点），Y轴将有15个扫描点（2*N₂+1，上下各7点再加上中心坐标点）。关于上述取样间隔Xa、Ya，以及取样中心坐标（X₀，Y₀）可以是由操作人员在电脑输入设定。

如步骤A15所示，执行扫描作业，依上述取样的扫描点，测量每一点并记录测得的距离。本实施例中，共扫描（2*N₁+1）*（2*N₂+1）的矩阵数列，每一点记录其测得的距离。本实施例中，扫描点的数量为11*15=165点的矩阵数列。在X轴可以根据取样间隔Xa标明坐标的距离数值，在Y轴可以根据取样间隔Ya标明坐标的距离数值。此实施例中，优选地，扫描作业的结果，也就是上述矩阵数列可以根据水平及垂直位置显示测得的距离在屏幕上，更方便操作人员实时判断。

如步骤A16所示，依照每点显示的距离，判断是否需要改变中心坐标（X₀，Y₀），主要是根据该扫描区域是否为被检测物200所在位置，考虑是否需要改变中心坐标（X₀，Y₀）。若是需要改变（Y），改变后再回到步骤A11，重新在电脑的数据库内设定水平及垂直的中心坐标（X₀，Y₀）；若否（N），则不需要改变中心坐标，意思是判断中心坐标所在的位置及其扫描区域，已显示出被检测物（台车200）。此处判断的依据，也就是上述的校正定位原理，因为被检测物（主要是观察台车200的检测板202）有一定的高度，所以测得的距离与没有该被检测物（台车200的检测板202）遮蔽的情况有明显的分别。藉此判断被检测物是否落在上述的扫描区域内。

如步骤A17，判断取样间隔（Xa及Ya）是否需要调整，以更能对焦于被检测物（台车200）。例如若取样间隔更小，可以更明确地知道被检测物的边缘所在位置。若是（Y），要调整取样间隔，则回到步骤A12，若不需要（N）调整取样间隔，则校正作业完成。

本发明以图4在具有天花板的室内实验为例，配合图5的流程图，以扫描后的矩阵数列为例，说明如下：

首先，使用一台高度接近于激光扫描器高度的检测物，将该被检测物（台车200）移到所希望定位的位置上，然后调整激光扫描器100的扫描区域角度，经过几次的扫描与修正后，就可以得到该位置在激光扫描器上的相对坐标。

例如，设定校正的中心坐标（X₀，Y₀）=（1200,2200），此坐标值为激光扫描器100默认的相对坐标。补充说明的是，上述坐标值依据本发明使用的激光扫描器100的马达可以达到10000步阶（step）的分辨率，然而，配合反射镜组40的反射范围，约在2500步阶（step）以内。换言之，上述坐标值主要是相对于激光扫描器100的第二马达62（水平马达）及第一马达52（垂直马达）的位置点。

本实施例中，X轴的取样间隔为20步,Y轴的取样间隔为20步，单位为步阶（step）；如下表一显示的，矩阵数列的X轴坐标值以1200为中心，向左依序减20，向右依序加20。Y轴坐标值以2200为中心，向上依序减20，向下依序加20。X轴方向每一点的对应角度数值为0.018度；Y轴方向每一点的对应角度数值为0.036度。

表一，为本发明的实例的矩阵数列表。

从扫描结果来看，X轴位置在1160的位置会是被检测物所在的位置,因为在Y轴部分,该处位置遮蔽高度较高。

X轴坐标大于1320,Y轴坐标大于2140的部分，都读到>=149的数值，相较其他地方，较大的数值表示反射回来的检测距离较远，表示该方位没有被台车200遮蔽，Y轴数值小于120的部分表示读到天花板位置，此部分是因为配合本实施例的激光扫描器置于室内较靠近天花板的较高位置，进行测试。

X轴坐标在小于1300的部分在相对于Y轴数值2320的位置距离数值变小为91，可以明显看出该方位已经被台车200的检测板202挡住。

X轴坐标在1160的部分被挡住的高度最高，在相对于Y轴数值在2240的位置，距离数值为97，在该点的左右数据比较之下较大而没有被遮蔽到，表示此位置就是测试用台车200的中心线，也就是检测板202的位置。根据以上数据即可判断出,该台车200的检测板202所在的水平位置是在1160的位置，垂直位置在2240的位置。

然后，可以考虑修改X₀到1160的位置,Y₀到2240的位置，作为本实施例的初始位置（home position）。垂直的初始位置，在应用上取水平所在位置，因检测时激光扫描器100的高度与被检测物的高度大致上相同，所以可以推估垂直的初始位置在2240的位置上。

当本发明的激光扫描器未位于上述前进线的线上，也就是引导系统的装设位置与航空器的进场路线两者无法在同一直线上时，本发明进一步提供一偏移调整方法，以确保机型辨识与引导距离及偏移检测的正确性。以下描述其原理及其操作步骤。请参阅图6及图7，分别为本发明的偏移调整的俯视示意图及其流程图。本发明利用线性插植法（linear interpolation），在直线上的斜率为固定值的原理，推估其中间点的距离。

如图6所示，本发明的特点及功能在于激光扫描器100的位置并没有与前进线F（例如可以是进场引导线J）在同一线上，倾斜地扫描在进场引导线J上的点。根据图7，在偏移调整开始时，步骤B10选取前进线F与停止线S相交的点（参图6）为位置一，此点距离为D1，测量出该点水平坐标为X1。步骤B20选择前进线F上的一点作为位置二，此点距离为D2，测量出该点水平坐标为X2。

如步骤B30所示，当被检测物前进至前进线F上的某一预定点，假设此点的距离为D时，则当时的水平偏移量X可以用以下方式预估：

根据线性插植法在直线上的斜率为固定值的原理：

（X-X1）/（X2-X1）=（D-D1）/（D2-D1）；

所以上述预定点的水平坐标X=X1+（（D-D1）/（D2-D1））*（X2-X1）。

接着，如步骤B40所示，若继续测量（Y），则再回到步骤B30，若不继续测量（N），则结束偏移调整的流程。

依照上述方式可以得到每个距离的对应水平偏移量，当进场引导线J（J-LINE）与激光束没有办法设定在同一条线上时，不管这两条线之间是不是平行线，都可以依照此方法求得任何一位置的对应偏移量。

依照国际民航公约（ICAO）飞航标准Annex14机场设计与运作的建议，当飞机偏离中心线的距离达到飞机与激光检测设备距离的百分之一时，即应出现偏离警告。依照本发明的方法，当进场引导线J-LINE与激光束偏移达9度时，仍能正确测量出飞机的距离及相对于J-LINE的偏移量，并进行引导。

以上所述仅为本发明的优选可行实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，均应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种航空器进场引导系统的校正定位方法，以使激光束对特定位置的水平角度及平行于测量地面的垂直角度能被正确地定位，其特征在于，所述校正定位方法包括下列步骤：

提供一激光扫描器以产生射向一反射镜组的激光束；

分别沿着水平轴及垂直轴旋转所述反射镜组；

对位于一前进线上的被检测物进行扫描；

在一电脑的数据库内设定所述激光束扫描范围的水平的中心坐标及垂直的中心坐标；

设定所述激光束沿着水平方向的取样间隔；

设定所述激光束沿着垂直方向的取样间隔；

执行取样作业，以沿着所述中心坐标分别向外相隔所述取样间隔的方式沿着所述水平方向与所述垂直方向取多个扫描点；

执行扫描作业，根据取样的所述扫描点，测量每一点并记录测得的距离；

依照每点显示的距离来判断是否需要改变所述中心坐标；以及

判断所述取样间隔是否需要调整；若要调整所述取样间隔，则回到所述执行取样作业的步骤，若不需要调整所述取样间隔，则完成。

2.根据权利要求1所述的航空器进场引导系统的校正定位方法，其特征在于，所述扫描作业的结果安排成一矩阵数列，并且将测得的每点距离依据水平及垂直位置显示于一屏幕上。

3.根据权利要求2所述的航空器进场引导系统的校正定位方法，其特征在于，在执行所述取样作业中，X轴方向从X₀-N₁*Xa到X₀+N₁*Xa，每隔一取样间隔Xa取一点；Y轴方向从Y₀-N₂*Ya到Y₀+N₂*Ya，每隔一取样间隔Ya取一点；其中，N₁和N₂为取点数量；其中共扫描（2*N₁+1）*（2*N₂+1）点。

4.根据权利要求3所述的航空器进场引导系统的校正定位方法，其特征在于，N₁以及N₂为5到7个点。

5.根据权利要求1所述的航空器进场引导系统的校正定位方法，其特征在于，判断是否需要改变所述中心坐标依据扫描区域是否为被检测物所在位置，若是，则重新在电脑的数据库内设定水平及垂直的中心坐标；若否，则不需要改变所述中心坐标。

6.根据权利要求1所述的航空器进场引导系统的校正定位方法，其特征在于，当所述激光扫描器的位置未位于所述前进线的线上时，进一步执行偏移调整方法，以利用线性插植法推估一预定点的距离。

7.根据权利要求6所述的航空器进场引导系统的校正定位方法，其特征在于，所述校正定位方法包括步骤如下：

选取所述前进线与停止线相交的点为位置一，此点距离为D1，测量出所述点的水平坐标为X1；

选择所述前进线上的另一点作为位置二，此点距离为D2，测量出所述另一点的水平坐标为X2；

其中当被检测物前进至所述前进线上的所述预定点，假设所述预定点的距离为D时；

所述预定点的水平坐标X=X1+（（D-D1）/（D2-D1））*（X2-X1）。