CN104925267A - 用于在旋翼飞行器系统上显示垂直参考的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于在旋翼飞行器系统上显示垂直参考的系统和方法。提供了一种用于在旋翼飞行器着陆期间保持旋翼飞行器显示器上的视觉垂直参考的方法和系统。该方法生成垂直杆并将其定位于旋翼飞行器显示器上，使得垂直参考以及滚动信息可快速地且容易地被飞行员领会。

Description

用于在旋翼飞行器系统上显示垂直参考的系统和方法

关于联邦赞助研究或开发的声明

本发明是根据由DARPA-Synthetic Vision Avionics Backbone授予的HR0011-11-C-0138在政府支持的情况下完成的。政府在本发明中具有某些权限。

技术领域

本文所述的主题的实施例一般地涉及旋翼飞行器显示系统，并且更具体地涉及在旋翼飞行器显示器上提供视觉垂直参考。

背景技术

现代旋翼飞行器显示系统视觉地传送从各种数据库、传感器和应答器获得的信息，组织为“信息层”（例如，飞行路径信息、导航设备（NAVAID）、空域信息、地形信息、天气信息、交通信息等）。将各种信息层组合以提供用各种符号和文本表示覆盖的地形的统一三维（3D）图形显示（通常是3D合成视觉显示）。此统一3D图形显示是旋翼飞行器显示系统的一部分。在旋翼飞行器操作期间，要求飞行员进行由旋翼飞行器显示系统的所有部件呈现的信息的准确且快速的解释。

当代旋翼飞行器显示系统一般地利用静态低分辨率和动态高分辨率地理信息的组合来生成3D图形显示的海拔和地形组成部分。在旋翼飞行器显示系统的主飞行显示器（PFD）上生成基于这两个信息源的3D图形显示，并且旋翼飞行器飞行员在旋翼飞行器操作的过程期间很大地依赖于此信息。

着陆是复杂的旋翼飞行器操作。在着陆操作中，旋翼飞行器着陆点常常是非常特定的地理位置。该特定地理位置要求飞行员快速地且完全地领会包含且围绕着陆点的海拔和地形，并且用精确的动作对旋翼飞行器显示系统的所有部件作出反应。飞行员在着陆操作期间利用由旋翼飞行器3D图形显示器提供的海拔和地形信息。除与快速地且完全地领会由旋翼飞行器显示系统的所有部件提供的信息相关联的压力之外，在3D图形显示器上提供的海拔和地形数据的垂直组成部分在围绕着陆点的地形不熟悉或没有改善时可能是尤其复杂的。在海拔和地形数据内缺乏熟悉、可靠的垂直参考使得（1）在不熟悉的地形中着陆特别困难，以及（2）计量（gauging）旋翼飞行器滚动（围绕从鼻部延伸到尾部的轴旋转）更加困难。

因此，期望一种用于在旋翼飞行器着陆操作期间在旋翼飞行器3D图形显示器上提供视觉垂直参考的方法。该期望方法将生成预定高度的两个静态垂直参考杆（pole）并将其定位于旋翼飞行器显示器上，使得垂直参考以及滚动信息可快速地且容易地被飞行员领会。此期望方法将减少飞行员认知工作负荷，并且因此增加飞行员态势感知。

发明内容

提供本概要是为了介绍下面在具体实施方式小节中进一步描述的以简化形式的概念的选择。本概要并不意图识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不意图用作确定要求保护的主题的范围的辅助。

提供了用于在旋翼飞行器着陆期间保持视觉垂直指导的方法。显示着陆点，并且显示相对于着陆点而言在第一预定位置处具有第一、静态、预定高度的第一参考符号。还显示相对于着陆点而言在第二预定位置处具有第二、静态、预定高度的第二参考符号。

提供了一种用于在旋翼飞行器着陆期间提供视觉垂直指导的系统。该系统包括地形海拔数据的第一源、旋翼飞行器位置数据的第二源、提供着陆点的用户输入设备、以及显示系统。处理器被耦合到第一源、第二源、用户输入设备以及显示系统。该处理器被配置成：接收着陆点；根据所述至少一个参数来创建预定高度的至少两个垂直参考杆，并以图形方式在显示器上生成符号系统，其表示位于分开的预定位置处的所述至少两个垂直参考杆和接近于着陆点的地形海拔数据的合成图像。

提供了一种用于在旋翼飞行器着陆期间提供视觉垂直指导的另一方法。获得地形数据和着陆点。显示围绕着陆点的预定直径的基本上圆形线。在圆形线上的第一预定位置处显示第一杆，并在圆形线上的第二预定位置处显示第二杆。

根据结合附图和本背景进行的以下具体实施方式和所附权利要求，其它期望特征将变得显而易见。

附图说明

根据结合附图进行的以下具体实施方式可导出对本主题的更全面理解，其中，相似的参考数字表示相似的元件，并且：

图1是根据示例性实施例的一般化旋翼飞行器显示系统的框图；

图2图示出根据示例性实施例的典型垂直参考显示系统图形；

图3图示出根据示例性实施例的典型垂直参考显示系统图形；

图4图示出根据示例性实施例的典型垂直参考显示系统图形，其中描述了旋翼飞行器向右滚动；

图5图示出根据示例性实施例的典型垂直参考显示系统图形500，其中描述了旋翼飞行器向左滚动；以及

图6是描述根据示例性实施例的垂直参考显示过程600的步骤的流程图。

具体实施方式

以下具体实施方式本质上仅仅是示例性的且并不意图限制主题的实施例或此类实施例的应用和使用。如本文所使用的，词语“示例性”意指“充当示例、实例或图示”。在本文中被描述为示例性的任何实施方式不一定要解释为相比于任何其它实施方式是优选或有利的。此外，并不存在被在先前的技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明示或默示理论束缚的意图。

在本文中可就功能和/或逻辑块部件且参考可由各种计算部件或设备执行的操作、处理任务以及功能的符号表示来描述技术和工艺。此类操作、任务和功能有时称为计算机执行、计算机化、软件实施或计算机实施的。实际上，一个或多个处理器设备可以通过操纵表示系统存储器中的存储器位置处的数据位的电信号以及信号的其它处理来执行所述操作、任务和功能。其中保持数据位的存储器位置是具有对应于该数据位的特定电、磁、光学或有机性质的物理位置。应认识到的是可用被配置成执行指定功能的任何数目的硬件、软件和/或固件部件来实现图中所示的各种块部件。例如，系统或部件的实施例可采用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，其可在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行多种功能。

以下描述可参考被“耦合”在一起的元件或节点或特征。除非另外明确地说明，如本文所使用的“耦合”意指一个元件/节点/特征被直接地或间接地接合到另一元件/节点/特征（或者直接地或间接地与之通信）并且不一定是机械地。因此，虽然附图可描述元件的一个示例性布置，但在所述主题的实施例中可存在附加中间元件、设备、特征或部件。另外，还可仅仅出于参考的目的在以下描述中使用某些术语，并且因此其并不意图是限制性的。

图1是根据示例性实施例的一般化旋翼飞行器显示系统的框图。旋翼飞行器显示系统100包括用户输入设备101、显示系统103、飞行数据服务105以及地形数据库118。显示系统103包括至少一个处理器102以及至少一个监视器104，其包括显示器106，其中的每一个被操作耦合到处理器102。用户输入设备101、显示系统103、飞行数据服务105、以及地形数据库118也被操作耦合到显示系统103内的处理器102。

飞行数据服务105包括无线收发机108和导航系统110，其被操作耦合到处理器102。导航系统110包括机载雷达112及其它机载仪表114，诸如无线电测高计、气压测高计、全球定位系统（GPS）单元等。导航系统110还包括地形传感器120，并且取决于主飞行器（host aircraft），可将导航系统110包括在FMS内。可将机载雷达112和地形传感器120包括在地形提示和警告系统（TAWS），诸如增强型近地警告系统（EGPWS）内。地形传感器可以是附加机载雷达，或者可以是能够动态地确定海拔和地形信息的机载激光雷达或其它仪表。

飞行数据服务105从无线收发机108和包括在导航系统110内的传感器和仪表接收数据。飞行数据服务105连续地将此数据中继到处理器102。取决于其中采用实施例的飞行器的类型，无线收发机108可从外部控制源，诸如卫星和各种基于地面设施（包括空中交通管制中心、终端雷达进场控制设施、飞行服务站、控制塔等）接收交通信息服务广播（TIS-B）数据。另外，无线收发机108可接收来自相邻飞行器的广播式自动相关监视（ADS-B）数据和空中防撞系统（TCAS）数据以及天气信息。TIS-B数据、ADS-B数据、TCAS数据及其它此类外部源数据优选地被格式化以包括空中交通状态矢量信息，其可用来确定相邻飞行器的当前位置和速度。

在显示系统103内，处理器102可包括任何适当数目的单个微处理器、飞行控制计算机、导航设备、存储器、电源、存储设备、接口卡以及本领域中已知的其它标准部件或与之相关联。在这方面，处理器102可包括被设计成执行下述各种方法、过程任务、计算以及控制/显示功能的任何数目的软件程序（例如，旋翼飞行器显示程序）或指令或者与之合作。取决于主飞行器，可将处理器102包括在一般地部署于飞行管理系统（FMS）内的类型的飞行管理计算机内。处理器102从飞行数据服务105、地形数据库118、地形传感器120以及用户输入设备102接收或获得输入，并处理组合的信息。响应于各种输入，处理器102驱动监视器104以生成和更新显示器106。

适用于作为监视器104使用的图像生成设备包括各种模拟（例如，阴极射线管）和数字（例如，液晶、有源矩阵、等离子体等）显示设备。在某些实施例中，监视器104可采取包括在飞行器的电子飞行仪表系统（EFIS）内的俯视显示器（HDD）或平视显示器（HUD）的形式。可将监视器104设置在遍布驾驶室的各种位置处。例如，监视器104可包括主飞行显示器（PFD）并存在于飞行员的主视场内的中央位置处。替换地，监视器104可包括辅助飞行甲板显示器，诸如发动机仪表和机组人员咨询系统（EICAS）显示器，安装在方便由飞行器机组人员观察的位置处，但是其一般地存在于飞行员的主视场之外。在又一实施例中，监视器104可被飞行机组人员的一个或多个成员穿戴。

在旋翼飞行器显示系统100的操作期间，飞行数据服务105连续地为处理器102提供关于地形、天气、相邻飞行器等的导航数据。相比之下，一般地在飞行之前上载来自一个或多个地形数据库118的数据。响应于输入数据的此组合，处理器102驱动监视器104以产生3D图形显示106，其在视觉上为飞行员和机组人员提供关于主飞行器、天气、导航设备（NAVAID）、海拔和地形、以及飞行器交通的导航信息的合成。处理器102可以以二维格式（例如，作为移动地图显示）或三维格式（例如，作为透视显示）或以混合格式（例如，以画中画或分区屏幕布置）为显示器106提供合成图像。

海拔和地形信息可以是低分辨率和高分辨率地理信息的组合。地形信息一般地是从一个或多个现有地形数据库118获得的并被先验地加载；示例地理数据库包括但不限于DTED以及裸地（bare earth）和激光雷达勘测数字海拔地图数据。地形数据库118可提供配置文件和旋翼飞行器着陆表面信息。还可以获得并动态地更新来自地形传感器120的高分辨率数据。如上文所述，地形传感器可以是适合于动态地提供海拔和地形信息的雷达、激光雷达或其它设备。

可将用户输入设备101实现为按键、触控板、键盘、鼠标、触摸屏、操纵杆、旋钮、扩音器、语音识别、手势或适于从用户接收输入的另一适当设备。飞行员可通过在用户输入设备101处输入准则来对显示和方法的各方面进行调整和定制（customize）。根据用户输入的调整由处理器102执行。

用户输入参数的示例包括但不限于：垂直参考杆的默认高度和默认位置；旋翼飞行器叶片直径、着陆点数据、以及称为“后推距离（push-back distance）”的距离（下面描述）。另外，用户输入设备101可用来设置垂直参考杆的视觉可区别性效果，诸如色带。色带在垂直参考杆上提供视觉可区别区段，并且可称为温度计带。实施例可如下利用色带。首先，可将垂直参考杆划分成相等长度的杆区段，并且可将每个区段呈现为在视觉上可与下一区段可区别。其次，可使用色彩来提供视觉可区别性（在其它情况下，使用灰度等级或不依赖于色彩的其它技术）。当旋翼飞行器进入低于垂直参考杆的高度的位置时，可以以视觉上可区别方式来呈现杆区段以表示飞行器的位置。视觉上可区别色带或杆区段给予飞行员在垂直参考杆上的旋翼飞行器的当前高度的视觉描述。这可以被用作附加视觉辅助以将飞行员向下引导通过最后的盘旋至飞行的着陆部分。

还可利用色带来辅助飞行员计量旋翼飞行器滚动。如在图4和5中展现的，当旋翼飞行器处于其中已发生任何滚动的位置上时，可在视觉可区别杆区段中呈现两个垂直参考杆以指示滚动的方向和量值。这将向飞行员提供视觉参考并允许对交通工具滚动的修正，否则其在着陆和/或起飞操作期间可能不是明显的。再次地，可利用色彩来呈现视觉可区别性。

本示例性实施例的可定制特征是为了改善态势感知而提供的用户输入参数“后推距离”。后推距离是在其处所显示静态垂直参考杆自动地从着陆区移开但在显示器上停留在飞行员的视场内的距离。完成这个是为了随着直升机接近着陆点而将由垂直参考杆提供的视觉参考保持在3D显示器中。缺少用户偏好输入，后推距离基本上为200英尺。

图2图示出根据示例性实施例的典型垂直参考显示系统图形200，亦即，图2描述了被着陆点202和圆形边界线204覆盖的着陆区域中的地形和障碍物的合成3D图形显示。圆形边界线204描述了着陆区的边界，并且可与等效于直升机主旋翼直径的默认直径一致地来生成。示出了在圆形边界线204上的可选择位置处被覆盖的两个静态垂直参考杆。

如下生成诸如垂直参考显示系统图形200的旋翼飞行器显示系统图形。旋翼飞行器着陆点或目标信息是经由到用户输入设备101中的用户输入、飞行数据服务105而获得的，或者从地形数据库118获得。应注意的是虽然在图示中可将“着陆点”参考或描述为奇点（singular point），但本文所使用的“着陆点”包括三个地理点，其表示旋翼飞行器上的两个前轮和单个后轮的位置。圆形边界线204被称为着陆区的边界；连同着陆点202一起显示。在某些实施例中，圆形边界线204等效于直升机的主旋翼直径，并且可调整圆形边界线204以反映不同的旋翼飞行器叶片对准。

在相对于着陆点的默认位置处在圆形边界线上显示两个静态垂直参考杆。在相对于着陆点202的基本上十点钟位置处示出了第一杆206，并且在相对于着陆点202的基本上两点钟位置处示出了第二杆208（在替换实施例中，垂直参考杆可默认为对于第一杆而言基本上300度且对于第二杆而言基本上60度）。杆的默认位置被选择成允许参考点在视场中而不使合成图中的前视野模糊。用景观显示，可将杆的位置进一步向外推动以提供允许前向方向上的更不模糊视野的参考。该杆具有默认静态高度，例如二十英尺。

如本文所述，参考杆高度、参考杆位置、以及着陆区直径，连同本文所述的其它用户可选择参数一起是用户可选择参数。用户向用户输入设备101中输入用户可选择定制参数，并且显示系统103内的处理器102通过生成或更新包括在着陆区（其中根据用户输入，静态垂直参考杆覆盖在3D图形显示中的海拔和地形数据上）中的着陆点（上文所述）的合成图像来对用户输入参数进行响应。缺少飞行员输入调整的情况下，如上所述地将位置、高度和视觉特性设置成默认值。两个参考杆的组合（包括可视化效果）除充当熟悉的垂直参考之外还使得飞行员能够计量旋翼飞行器滚动。

图3图示出根据示例性实施例的典型垂直参考显示系统图形300，描述了在时间上在图2中所示的图像之后、即当旋翼飞行器更接近于着陆点时可发生什么。在图3中，示出了圆形边界线204的一部分。图3中的图像图示出在旋翼飞行器接近着陆点时的海拔和地形数据上的覆盖图像的变化。图3描述了两个静态参考杆（第一杆302和第二杆304）在3D图形显示器中保持在屏幕上（且因此在飞行员的视场内），但是已被从边界线204“后推”。

图4图示出根据示例性实施例的描述旋翼飞行器向右滚动的典型垂直参考显示系统图形400。示出了围绕着陆点402的着陆区404。描述了垂直参考杆406和垂直参考杆408。垂直参考杆采用分区段的视觉可区别色带来指示旋翼飞行器向右滚动。如所描述的，垂直参考杆408的段412大于垂直参考杆406的段410，指示向右滚动。

图5图示出根据示例性实施例的描述旋翼飞行器向左滚动的典型垂直参考显示系统图形500。示出了围绕着陆点502的着陆区504。描述了垂直参考杆506和垂直参考杆508。垂直参考杆采用分区段的视觉可区别色带来指示旋翼飞行器向左滚动。如所描述的，垂直参考杆506的段510大于垂直参考杆508的段512，指示向左滚动。图4和5图示出由本示例性实施例提供以帮助飞行员检测并修正否则在着陆和/或起飞操作期间可能不明显的旋翼飞行器滚动的视觉指示器。

图6是描述根据示例性实施例的垂直参考显示过程600的步骤的流程图。虽然步骤602—步骤620被任意地示为按序列发生，但实际上，可重新布置这些步骤，并且可添加附加定制步骤。

飞行员向用户输入设备101中输入定制请求，诸如垂直参考杆高度、位置和视觉效果要求，垂直参考显示过程600从该用户输入设备101在步骤602处获得用户输入参数。在步骤604处一般地以纬度、经度和高度为单位来获得3D着陆点。旋翼飞行器位置被垂直参考显示过程600连续地监视，但是在步骤606处示为离散步骤。响应于旋翼飞行器位置信息，垂直参考显示过程600确定旋翼飞行器与着陆点之间的距离（步骤608）。

当旋翼飞行器与着陆点之间的距离大于或等于后推距离时（步骤610），过程600基于着陆点数据来确定垂直参考杆的位置（步骤614）。在此情形中，垂直参考杆看起来位于着陆区的边界线上。如上文所述，着陆区一般地反映旋翼飞行器叶片直径。

当旋翼飞行器与着陆点之间的距离小于后推距离时（步骤610），垂直参考显示过程600调整着陆区的显示，使得垂直参考杆被从着陆区有效地推开（“后推”）；然而，在飞行员的视场内继续显示参考杆（步骤612）（参见例如图3）。该过程一般地在飞行员的视场内显示垂直参考杆，但是被从着陆区推开直至飞行员将旋翼飞行器着陆为止。直至旋翼飞行器距离大于或等于后推距离位置垂直参考杆才被再次移动，在该时间，将垂直参考杆重新定位于着陆区的边界线上。

在过程600确定垂直参考杆的位置之后，确定视觉上可区别边界的垂直位置。如上所述，在某些实施例中，可沿着杆将视觉可区别性呈现为着色过渡边界（步骤616）。此步骤利用经由用户输入设备101供应的用户偏好输入。

在步骤618处，过程600调整视觉上可区别边界以在视觉上指示旋翼飞行器滚动。再次地，可将视觉可区别性呈现为色彩过渡边界。在步骤620处，显示根据用户输入参数的海拔和地形数据、着陆点、着陆区和静态垂直参考杆的合成3D图像。

因此，已提供了用于在旋翼飞行器着陆期间保持旋翼飞行器显示器上的视觉垂直参考的方法和系统。该方法生成两个垂直参考杆并将其定位于旋翼飞行器显示器上，使得垂直参考以及滚动信息可快速地且容易地被飞行员领会。

虽然在前述具体实施方式中已提出了至少一个示例性实施例，但应认识到的是存在许多变体。还应认识到的是本文所述的一个或多个示例性实施例并不意图以任何方式限制要求保护的主题的范围、适用性或配置。更确切地说，前述具体实施方式将为本领域的技术人员提供用于实施一个或多个所述实施例的方便道路图。应理解的是在不脱离由权利要求限定的范围的情况下可以在元件的功能和布置方面进行各种改变，其包括在提交本专利申请时已知的等价物和可预见等价物。

Claims (10)

1.一种用于在旋翼飞行器着陆期间提供视觉垂直指导的方法，该方法包括：

显示着陆点；

在相对于着陆点的第一预定位置处显示具有第一、静态、预定高度的第一参考符号；以及

在相对于着陆点的第二预定位置处显示具有第二、静态、预定高度的第二参考符号。

2.权利要求1的方法，其中，显示第一参考符号包括显示第一杆且显示第二参考符号包括显示第二杆。

3.权利要求2的方法，其中，显示第一杆还包括：

将第一杆划分成预定尺寸的相等的第一杆区段；以及

使得第一杆区段在视觉上相互可区别。

4.权利要求3的方法，还包括：

将第二杆划分成预定尺寸的相等区段；以及

使得第二杆区段在视觉上相互可区别。

5.权利要求2的方法，还包括：

获得地形数据；

获得旋翼飞行器位置数据；以及

在视觉上可区别杆区段中呈现第一杆和第二杆，其指示在地形之上的旋翼飞行器位置。

6.权利要求5的方法，还包括：

（1）将第一杆定位于表示着陆区的圆上的基本上符合300度的位置处，（2）将第二杆定位于表示着陆区的圆上的基本上符合60度的位置处，以及（3）改变视觉上可区别杆区段以指示旋翼飞行器滚动。

7.权利要求2的方法，还包括：

获得旋翼飞行器位置数据；以及

根据旋翼飞行器位置而选择性地改变第一预定位置和第二预定位置。

8.一种用于在旋翼飞行器着陆期间提供视觉垂直指导的系统，该系统包括：

地形海拔数据的第一源；

旋翼飞行器位置数据的第二源；

用户输入设备，其提供着陆点；

显示系统；以及

处理器，被耦合到所述第一源、所述第二源、所述用户输入设备以及显示系统，该处理器被配置成：

获得着陆点；

创建预定高度的至少两个垂直参考杆，并以图形方式在显示器上生成符号系统，其表示位于分开的预定位置处的所述至少两个垂直参考杆和接近于着陆点的地形海拔数据的合成图像。

9.权利要求10的系统，其中，所述处理器还被配置成选择性地相对于（1）着陆点，和（2）旋翼飞行器位置中的至少一个对所述至少两个垂直参考杆进行定位。

10.权利要求10的系统，其中，所述处理器还被配置成在表示（1）地形之上的旋翼飞行器位置，和（2）地形之上的旋翼飞行器滚动中的至少一个的视觉上可区别区段中呈现所述至少两个垂直参考杆。