CN105438493A - 一种基于激光扫描的飞机入坞跟踪定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统及方法，该方法包括：步骤1，飞机进入泊位飞机跟踪与定位区后，在一垂直扫描角度对该飞机的机头进行水平方向的激光扫描；步骤2，获取激光扫描的回波数据，利用该回波数据，计算飞机的机鼻位置以及飞机相对机位的引导线的偏移数据；步骤3，根据该机鼻位置以及该偏移数据，实时显示该飞机与该引导线的相对位置；步骤4，根据该机鼻位置，判断扫描得到的机鼻高度是否处于一有效区间，并据以对垂直扫描角度进行调整。本发明可实现准确的激光扫描得到飞机的实时位置并进行显示，以给予飞行员泊位提示，另外，在跟踪定位过程中可对入坞飞机的机型进行验证。

Description

一种基于激光扫描的飞机入坞跟踪定位系统及方法

技术领域

本发明涉及飞机定位识别和泊位引导系统，特别是涉及一种基于激光扫描的飞机入坞跟踪定位系统及方法。

背景技术

近年来，随着客运飞机、货运飞机起降架次不断增多。相应的，需要配备更多地资源和更好的控制去满足日益繁多的机场接机任务，提高机场资源流通速率。

飞机泊位引导是指将到港飞机从滑行道末端导引至机坪的停机位置并准确停泊的过程。飞机泊位引导的目的是保障入坞飞机安全准确停泊，能方便飞机与各种地勤接口的准确对接，并使登机桥能有效靠接飞机舱门，提高机场运行效率和安全。自动飞机泊位引导系统按使用传感器的类型不同主要分为：(1)地埋线圈类；(2)激光扫描测距类；(3)视觉感知类。

地埋感应线圈类自动引导系统通过探测是否有金属物体经过或停留来确定入坞飞机的位置。地埋感应线圈的优点是响应速度快、成本低，对天气和照度无要求，但误差较大、抗干扰能力低。同时，埋在地下的引线和电子元件容易被压坏、可靠性不高，测量精度不高，不能识别机型，可调试可维修性差。

激光扫描测距类自动引导系统通过激光测距和激光扫描来确定飞机位置、速度和机型等信息，不受环境照度的影响、且受天气影响较小，精度较高，可调试可维修性好。

视觉感知类自动引导系统通过光学成像方式获取飞机入坞过程的图像信息，进而通过智能化信息处理技术确定入坞飞机的位置、速度和机型等信息，系统架构简单、成本低，具有高的智能化水平，可调性可维护性较好，但对天气和照度有要求、适应性较差。

目前，用于机场站坪引导飞机快速正确泊位的系统现在已经达到规模化，其中包括中国专利申请00815802以及PCT申请WO93/13104等申请公开的系统。

但上述系统中还存在一些缺陷，即需要保证设备非常正对引导线，且在开关机后需要重新做好零点标定和调试。现有方案不能完全做到安装调试方便，引导飞机入坞泊位快速安全准确。

同时，对于机型识别和身份验证，还难以有满意的表现。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，利用激光快速准确的对飞机进行跟踪定位，随时的准确的跟踪到飞机机鼻的位置。

另外，还可检测飞机的机型，避免泊位错误。

本发明公开了一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位方法，包括：

步骤1，飞机进入泊位飞机跟踪与定位区后，在一垂直扫描角度对该飞机的机头进行水平方向的激光扫描；

步骤2，获取激光扫描的回波数据，利用该回波数据，计算飞机的机鼻位置以及飞机相对机位的引导线的偏移数据；

步骤3，根据该机鼻位置以及该偏移数据，实时显示该飞机与该引导线的相对位置；

步骤4，根据该机鼻位置，判断扫描得到的机鼻高度是否处于一有效区间，并据以对垂直扫描角度进行调整。

步骤2进一步包括：

步骤21，对该回波数据进行滤波；

步骤22，从滤波后的回波数据中，截取落在机头的目标点；

步骤23，将该目标点从极坐标数据转换为三维空间数据；

步骤24，利用该目标点进行曲线拟合，以曲线的顶点作为该机鼻位置，以曲线的对称轴作为该飞机的对称轴，通过该机鼻位置计算机轮位置；

步骤25，将该机轮位置的水平坐标与引导线的水平坐标之差作为该偏移数据。

该步骤22选择同时满足如下规则的回波数据作为该目标点：

距离值与理论距离值的差别小于预定阈值；

在多个连续的距离值中，选取拥有最小值者作为该目标点。

步骤4进一步包括：

步骤41，将该机鼻位置的Z轴数据作为机鼻高度；

步骤42，当该机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描角度偏转一个预设角度，重复执行步骤1。

所述方法还包括垂直方向的激光扫描的步骤，包括：

步骤51，在该机鼻位置的X轴点进行垂直方向的激光扫描；

步骤52，找出垂直方向的激光扫描的回波数据中距离值最小的点P_min；

步骤53，将所找出的点及与其相邻且连续的点，形成一集合；

步骤54，判断该集合中的点的总数是否大于等于一数量阈值，如果是，以该所找出的点作为机鼻位置，如果否，放弃该所找出的点，寻找除该所找出的点之外，回波数据中距离值最小的点P_min’，执行步骤53；

步骤55，以步骤54所找到的机鼻位置的Z轴数据作为机鼻高度；

步骤56，当该扫描得到的机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描角度偏转一个预设角度。

飞机距离机位的停止线越近，执行该垂直方向的激光扫描的步骤的频率越高。

所述方法还包括机型识别的步骤，包括：机鼻高度验证、机舱宽度验证、机头俯视轮廓验证、机头侧视轮廓验证和飞机引擎验证中的一种或几种；

该机鼻高度验证包括：如果该机鼻高度与预设机鼻高度之差在一预设范围内，视为通过机鼻高度验证；

该机舱宽度验证包括：寻找该回波数据中x坐标相差最大的两个点，将这两个点的直线距离作为机舱宽度，如果该机舱宽度大于理论机舱宽度与一宽度系数的乘积，视为通过机舱宽度验证；

该机头俯视轮廓验证包括：将水平方向的激光扫描获得的回波数据(x_i,y_i,z_i)代入预设的俯视轮廓方程y＝fⁿ(x)，水平拟合点误差为水平拟合最大误差若D_H＜ΔD_H，则可认为机头的俯视轮廓验证通过，ΔD_H为俯视验证阈值，i为回波数据的目标点的序号，n为俯视方程的拟合次数；

该机头侧视轮廓验证包括：将垂直方向的激光扫描获得的回波数据(x_i,y_i,z_i)代入预设的俯视轮廓方程z＝g^m(y)，垂直拟合点误差为垂直拟合最大误差若D_V＜ΔD_V，则可认为机头的侧视轮廓验证通过，ΔD_V为侧视验证阈值，i为回波数据的目标点的序号，m为侧视方程的拟合次数；

该飞机引擎验证包括：

根据该机鼻位置计算引擎位置，对该引擎位置进行水平方向的激光扫描以及垂直方向的激光扫描；

将水平方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最左端和最右端的两个点的距离作为引擎宽度，该两个点的中点为引擎中心的水平坐标；

将垂直方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最上端和最下端的两个点的距离作为引擎高度，该两个点的中点为引擎中心的离地高度；

判断引擎的个数与预定个数是否一致，如不一致，视为飞机引擎验证失败；

判断该引擎中心的水平坐标或该引擎中心的离地高度与标准值的差距是否超过阈值，如果是，视为飞机引擎验证失败；

判断该引擎宽度或该引擎高度与标准值的差距是否超过阈值，如果是，视为引擎验证失败。

本发明还公开了一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统，包括：

激光测距装置；

水平激光扫描装置，用于在一垂直扫描角度，进行水平方向的激光扫描；

垂直激光扫描装置，用于在垂直方向进行激光扫描；

扫描控制装置，该激光测距装置、该水平激光扫描装置和该垂直激光扫描装置均分别与扫描控制装置连接，该扫描控制装置用于接收激光扫描的回波数据；

信息处理单元，与该扫描控制装置连接，利用该回波数据，计算飞机的机鼻位置以及飞机相对机位的引导线的偏移数据；

信息显示单元，该信息显示单元与该信息处理单元连接，用于根据该机鼻位置以及该偏移数据实时显示该飞机与该引导线的相对位置；

其中，该信息处理单元根据该机鼻位置，判断机鼻高度是否处于一有效区间，并据以对该垂直扫描角度进行调整。

该水平激光扫描装置包括水平扫描步进电机及水平反射镜，该垂直激光扫描装置包括垂直扫描步进电机及垂直反射镜。

该信息处理单元对该回波数据进行滤波，从滤波后的回波数据中，截取落在机头的目标点，将该目标点从极坐标数据转换为三维空间数据，并利用该目标点进行曲线拟合，以曲线的顶点作为该机鼻位置，以曲线的对称轴作为该飞机的对称轴，通过该机鼻位置计算机轮位置，再将该机轮位置的水平坐标与引导线的水平坐标之差作为该偏移数据。

该信息处理单元将该机鼻位置的Z轴数据作为该机鼻高度，当该机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描步进电机的垂直扫描角度偏转一个预设角度

本发明可实现准确的激光扫描得到飞机的实时位置并进行显示，以给予飞行员泊位提示，另外，可并对机型进行自动识别验证，提高飞机入坞的安全性。

附图说明

图1所示为跟踪与定位区的位置示意图。

图2所示为基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统的结构示意图。

图3所示为本发明的基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统与飞机的相对位置示意图。

图4、5、6所示为本发明的一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位方法的流程图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统，用于对飞机泊位进行准确的监控、跟踪，实时的并准确的获得飞机的位置，并向飞行员提供引导信息。

由于飞机从开始进入机位到最终停止需要经历一个较长的距离，将入坞过程分为多个阶段，每个阶段的监测内容不同，则对于飞机的泊位引导来说，需要分段进行各自的监测处理，也就是说，需要提前进行飞机泊位场景定义。飞机泊位场景定义是指通过实地测量与分析，在计算机上将监测场景划分成不同的信息处理功能区，包括泊位飞机捕获区、泊位飞机机型识别与身份验证区、泊位飞机跟踪与定位区，使得相应的引导过程可以在各自的区域内进行，并且确定场景中的一些重要的参照物的具体位置，包括引导线和停止线的坐标位置。

本发明所涉及的技术方案，处于泊位飞机跟踪与定位区，用于实现对于飞机泊位的跟踪和引导。如图1所示，为跟踪与定位区的位置示意图。飞机的跟踪和定位区为从停止线71开始到机头入坞第一次摆正时的机轮(或机鼻)的位置结束。飞机沿引导线72行进。

鉴于飞机外形是对称结构，故本发明将飞机对称轴上机鼻点作为整个飞机位置判读的基准点，并且，以引导线和停止线建立坐标系。

本发明中建立的坐标系如图2所示，以引导线72和停止线71的交点为零点；以垂直引导线72且平行地面的方向为x轴方向，正方向为飞机入坞的方向的左手方向；以平行地面且平行引导线71方向为y轴方向，正方向和飞机入坞的方向相反；以垂直地面且垂直引导线的方向为z轴方向，正方向为垂直地面向上。

本发明的主要功能为对飞机实时位置进行计算和显示，以对飞机的行进位置进行引导。为此，本发明公开了一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统100，其设置在跟踪与定位区以外、引导线72的延长线上的正对机头的位置。如图2所示为基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统100的结构示意图。

基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统100包括激光测距装置1、水平激光扫描装置2、垂直激光扫描装置3、扫描控制装置4、信息处理单元5和信息显示单元6。

该激光测距装置1、水平激光扫描装置2、垂直激光扫描装置3和信息处理单元5均分别与扫描控制装置4连接，信息处理单元5还与信息显示单元6连接。

本发明的激光扫描装置采用水平、垂直的双振镜结构，即，该水平激光扫描装置2包括水平扫描步进电机21及水平反射镜22，垂直激光扫描装置3包括垂直扫描步进电机31和垂直反射镜32。通过在扫描过程中，水平扫描步进电机21的转动角度α，垂直扫描步进电机31的转动角度β和激光测距装置1获得的激光测距数据l，可以得到空间某个点的极坐标。

本发明中的水平方向的激光扫描指：水平扫描步进电机21转动角度α，带动水平反射镜22转动角度α，使得激光测距装置1在水平方向进行测距。且垂直扫描步进电机31不转动，仅水平扫描步进电机21转动，同时激光测距装置1不断地进行测距，得到水平方向上的一组测距数据，便是一次水平方向的激光扫描。

本发明中的垂直方向的激光扫描指：垂直扫描步进电机31转动角度β，带动垂直反射镜32转动角度β,使得激光测距装置1在垂直方向进行测距，且水平扫描步进电机21不转动，仅垂直扫描步进电机31转动，同时激光测距装置1不断地进行测距，得到垂直方向上的一组测距数据，便是一次垂直方向的激光扫描。

激光测距装置1、水平激光扫描装置2和垂直激光扫描装置3组成了跟踪定位系统的信息采集系统。

扫描控制装置4接受信息处理单元5的命令对信息采集系统分别配置和发送控制命令，且将信息采集系统的采集到的飞机入坞的相关数据传输至信息处理单元5。信息处理单元5对数据进行处理，并将处理后信息显示在信息显示单元6上，飞行员可以依照信息显示单元6上显示的飞机位置，对飞机行进方向进行调整。

为实时反映入坞飞机的位置信息，信息采集系统和信息处理单元5特点是快速和精确。

参照图3所示为本发明的基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统100与飞机的相对位置示意图。

对于特定机位，通常已经预先分配好该机位将停靠的机型或特定的某架飞机，则应该停放的飞机的机鼻高度h是预先知道的，系统100的安装高度为H，场景定义中系统100距离跟踪与定位区的远端边界位置的距离为s。因而可知，系统100的垂直激光扫描装置3的初始的垂直扫描角度β为：

飞机进入泊位飞机跟踪与定位区后，随时循环执行如图4所示的步骤1-4：

步骤1，水平激光扫描装置在一垂直扫描角度对该飞机的机头进行水平方向的激光扫描。

第一次执行水平方向的激光扫描时，保持在该初始的垂直扫描角度β进行该水平方向的激光扫描。

步骤2，信息处理单元5获取激光扫描的回波数据，利用该回波数据，计算飞机的机鼻位置以及飞机相对机位的引导线的偏移数据。

步骤2具体包括步骤21-25，参见图5所示：

步骤21，对该回波数据进行滤波；

对回波数据进行滤波，是用以去除噪声点和错误点。由于激光扫描装置会因为环境因素会产生噪声点，噪声点的个数一般为单个噪声连续两个噪声。因此，本发明采用中值滤波算法对回波数据进行滤波，算法所需的距离阈值设置为2m，窗口长度设置为5，可以滤除噪声中的单个噪声点和连续两个噪声点。

步骤22，从滤波后的回波数据中，截取落在机头的目标点；

该步骤22选择同时满足如下规则的回波数据作为该目标点：1、距离值与理论距离值的差别小于预定阈值；2、在多个连续的距离值中，选取拥有最小值者作为该目标点。

具体来说，在泊位飞机跟踪与定位区的场景定义的范围内，预先设置有一理论距离值，该理论距离值为该机位所应该停放的飞机在进入该泊位飞机跟踪与定位区后，机鼻距离激光测距装置1的理论距离。

在首次执行步骤22时，理论距离值采用一个预设值，该预设值根据飞机入坞的直线运动的长度而定，如60m。在后续重复执行步骤22时，理论距离值通过如下方式计算得到：

激光测距装置1与机鼻的水平高度差、激光测距装置1相距前一次执行步骤2所测量得到的机鼻位置的水平距离，这两者构成直角三角形，求其斜边长度作为该理论距离值。

该预定阈值例如预先设置为5米。

对于滤波后的回波数据，从中选择其距离值与理论距离值差别小于预定阈值5米的点作为有效点，组成第一集合。从第一集合中，选择距离值连续且拥有所有距离值中的最小值的一组有效点作为目标点。

该距离值连续指，某一有效点的距离值为l_ex，与其左右相邻的有效点距离值的差小于一预设值，例如，小于1m。

以真实数据为例：激光测距装置1与机鼻的水平高度差为3674mm，激光测距装置1与前一次测量的机鼻位置的水平距离为31126mm，那么使用勾股定理计算理论距离为31342mm,激光测距装置1的每个回波数据的距离值如下表：

50664	50664	50664	33048	33016	32844	32860	32860	32860	32844
										32768	32516	32516	32204	31844	31488	31392	31284	31256	31256
31256	31256	31268	31272	31276	31364	31412	31620	31964	32420
										32420	32420	4	4	4	4	4	4	4	4
50936	50936	50936	4	4	4	4	4	4	51040
										51040	51076	51040	50804	4	4	4	51024	51028	51040
51176	51212	51212	51212	51252	51152	51072	51072	51040	44824
										44824	44792	44820	44820	44796	44796	44796	44796	44796	44840
44840	44916	44916	44916	44880	44872	44872	4	4	51400
										51408	51408	51408	51528	51528	51540	51556	51556

根据以上规则，上表中的回波数据中的第1行第4个到第4行第2个距离值，可被截取作为目标点。

步骤23，将该目标点从极坐标数据转换为三维空间数据；

实际测量的得到的目标点是以距离值、水平扫描步进电机21的转动角度α、垂直扫描步进电机31的转动角度β来标记的，其属于极坐标。为了更加明确的获得每个目标点的位置数据，须将极坐标转换为x-y-z的三维空间坐标数据。

其转换公式为：

$\left\{\begin{array}{c}x=l*\sin \mathrm{\α}*\cos \mathrm{\β}\\ y=l*\cos \mathrm{\α}*\cos \mathrm{\β}\\ z=l*\cos \mathrm{\α}*\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

通过上述坐标转换公式解算各目标点的三维坐标，可以得到每个目标点的坐标点(x_i,y_i,z_i)，i为目标点的序号。

步骤24，利用该目标点进行曲线拟合，以曲线的顶点作为该机鼻位置，以曲线的对称轴作为该飞机的对称轴，通过该机鼻位置计算机轮位置。

假设落在机头上的目标点的点集为S(p₁、p₂…p_i…p_I)，i为目标点的序号，I为目标点的总数。其中取每个目标点p_i的X轴、Y轴坐标为(x_i,y_i)，对所有目标点进行用二次多项式拟合，即

p(x)＝a₀+a₁x+a₂x²

根据最小二乘法则，可以得到a₀,a₁,a₂的值。

求出二次曲线方程之后便可求出该曲线的顶点(X₀，Y₀)，记该点的坐标为(x_min,y_min)，该点为机鼻位置点。其中根据(x_min,y_min)到目标点的点集S中去进行匹配，找到X轴Y轴数据与(x_min,y_min)一致的点，以(x_min,y_min)以及该点的Z轴数据共同组成机鼻位置的三维坐标(x_n,y_n,z_n)。

通过上述二次曲线拟合，还可以拟合出该曲线的对称轴的斜率k，该对称轴可以作为飞机的对称轴。该斜率k可以反映出飞机的偏移角度φ。

对于在该机位中泊位的特定飞机，机鼻和机轮的相关位置关系固定且为已知，机鼻和机轮的纵向距离为d_w-n，扫描得到的机鼻位置(x_n,y_n,z_n)。则通过上述可获得机鼻坐标和机轮坐标(x_w,y_w)的转换关系为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_w=x_n+\frac{l}{\sqrt{k^2+1}}\\ y_w=y_n+\frac{k\·l}{\sqrt{k^2+1}}\end{array}\right]$

k为拟合曲线的对称轴的斜率，l为机鼻位置与激光测距装置1的距离。

步骤25，将该机轮位置的水平坐标与引导线的水平坐标之差作为该偏移数据。

求出机轮坐标后，便可以判断飞机的位置。通过现有技术中的走步测试，可以获得当前引导线的实际水平坐标为x_g。

在此处定义飞机的水平偏离数据Δx_s＝x_w-x_g。定义偏离阈值距离值为δ_s＝10cm。若|Δx_s|＜10cm，认为飞机在水平方向没有偏离。若Δx_s＜-10cm，可认为飞机向左偏离，若Δx_s＞10cm，则可认为飞机向右偏离。

另外，由于飞机在机头摆正后飞机机鼻和机轮的运动轨迹基本在同一条直线上。因此在判断飞机的左右偏移情况可以通过步骤24中拟合得到的曲线的顶点，p(x₀,y₀)中x₀的正负判断。若为正，则飞机偏右，若为负，则飞机偏左。飞机机鼻和停止线的纵向距离为y0。计算飞机前轮和停止线的距离为其中k为飞机轴线的斜率，d_w-n为飞机前轮和机鼻的纵向距离。因此为当前飞机的前轮坐标。

由于斜率会随着角度接近90°而迅速增大，因此规定对于超过89.95°即认为是垂直，即K大于1146时，认为

步骤3，根据该机鼻位置以及该偏移数据，实时显示该飞机与该引导线的相对位置。

以引导线以及停止线为坐标系，在信息显示单元6上显示飞机与引导线、停止线的相对位置关系，以供飞行员借助该信息显示单元6，判断飞机与指定停机位置的距离和方位偏差并作出相应操作，以尽量保证机轮完全依照引导线的方向前进。

步骤4，信息处理单元5根据该机鼻位置，判断扫描得到的机鼻高度是否处于一有效区间，并据以对垂直扫描角度进行调整。

步骤4进一步包括，参见图6所示：

步骤41，将该机鼻位置的Z轴数据作为扫描得到机鼻高度。

将机鼻位置(x_n,y_n,z_n)中的Zn作为扫描得到的机鼻高度h_scan。

步骤42，当扫描得到的机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描角度偏转一个预设角度，重复执行步骤1。

由于该机位应该停靠的飞机的型号已知，所以该型号所对应的机鼻高度即可作为该预定机鼻高度设定高度阈值Δh＝0.5m。

如果则可认为激光已经扫过机鼻位置，扫描激光的垂直扫描角度即为飞机机鼻的垂直偏转角，则保持当前的垂直扫描角度不变，后续可继续执行步骤1。

如果则可认为激光光斑落在机鼻下方，扫描激光的垂直扫描角度需要向上偏转一个最小步进角δ。

如果则可认为激光光斑落在机鼻上方，扫描激光的垂直扫描角度需要向下偏转一个最小步进角δ。

该角度偏转通过垂直扫描步进电机31转动，带动垂直反射镜32偏转该最小步进角δ来实现。以调整后的垂直扫描角度，再次执行步骤1，直至飞机完全停止行进。

该角度偏转是用于保证下次跳转执行步骤1以进行水平激光扫描时，激光可以准确的扫过机鼻位置，以提高扫描以及计算的准确度。

以上为通过水平方向的激光扫描进行的跟踪定位，除以上方式以外，本发明还借助垂直方向的激光扫描，对垂直扫描角度进行调整，以保证跟踪定位的准确度，随时掌握飞机的行进位置。

具体的，本发明还包括垂直方向的激光扫描的步骤，该步骤至少在第一次执行完步骤1-4完毕后，才开始执行，并与循环执行的步骤1-4基本同步执行。

该垂直方向的激光扫描的步骤包括：

步骤51，在该机鼻位置的X轴点进行垂直方向的激光扫描。

前次执行的步骤1-4已经得到了最新的机鼻位置，将水平激光扫描装置2定位在该机鼻位置的X轴位置处并作垂直方向的激光扫描。

步骤52，找出垂直方向的激光扫描的回波数据中距离值最小的点P_min。

步骤53，将所找出的点及与其相邻且连续的点，形成一集合。

此处相邻且连续的意思是：相邻两个回波数据的距离值之差Δl＝l_i-l_i-1满足Δl小于一连续阈值，例如1m，Δl＜1m。即，从所找到的点P_min开始，寻找距离值之差在1m以内的下一个点，以找到的下一个点为基准，再寻找距离值之差在1m以内的点，如此循环，直至找不到距离值之差在1m以内的点，则所找到的所有点以及点P_min组成该集合。

步骤54，判断该集合中的点的总数是否大于等于一数量阈值，如果是，以该所找出的点作为机鼻位置，如果否，放弃该所找出的点，寻找除该所找出的点之外，回波数据中距离值最小的点P_min’，执行步骤53。

如果集合中的点的总数大于等于该数量阈值，说明这些点确为扫过机鼻的激光所发回的回波数据，则以起点P_min作为机鼻位置。因为机鼻是突起的，离激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统100最近，故而以最小点作为机鼻位置。如果集合中的点的总数小于该数量阈值，说明可能是其他噪声，应当予以滤除，因为机鼻突起，其回波数据中达到该数量阈值的应该具有一定数量，则如果回波数据中达到该数量阈值且连续的点较少，则可以视为是噪声，而非真正的机鼻上的点。因此，放弃起点P_min，在集合中剩余的点中寻找距离值最小的点P_min’，以此点为基准，执行步骤53，继续寻找该点对应的集合，直到找到机鼻位置。

步骤55，以步骤54所找到的机鼻位置的Z轴数据作为机鼻高度；

步骤56，当该机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描角度偏转一个预设角度。

步骤56与步骤42执行的内容一样，均用于保证在下一次执行步骤1时，水平方向的激光扫描能够处于准确的垂直扫描角度上，使得水平扫描恰扫过机鼻位置，使得跟踪与引导更加准确。

更为具体的，飞机距离机位的停止线越近，执行该垂直方向的激光扫描的步骤的频率越高。

参阅图3可知，若飞机在某一段时刻前进的距离为s'，则垂直扫描步进电机31的转动角度β’(也就是垂直扫描角度)，式中系统100安装后H便为常量，s、h也是固定的，因此垂直扫描角度仅和飞机的前进距离s'有关。但该种关系并非线性的。

由此规定：在飞机机鼻距离停止线纵向(y方向)距离大于20m时，飞机每前进5m进行一次垂直方向的激光扫描以重新调整垂直反射镜32的偏转角度。若飞机机鼻距离停止线的纵向(y方向)距离小于20m，飞机每前进1m进行一次垂直方向的激光扫描以重新调整垂直反射镜32的偏转角度。

步骤1-4在随时调整垂直扫描角度，步骤51-56为独立于步骤1-4之外的，根据飞机的实际位置，随机的调整垂直扫描角度。

除上述步骤外，本发明在飞机进入泊位飞机跟踪与定位区后，还包括机型识别的步骤，如果在机型识别的步骤中发现当前飞机与该机位应当停放的飞机的机型不符，未通过对应的验证条件，则发出警示信息。机型识别包括：机鼻高度验证、机舱宽度验证、机头俯视轮廓验证、机头侧视轮廓验证和飞机引擎验证中的一种或几种。

针对不同需求，可对上述验证条件进行分级，可以获得以下几个级别：

Level1——验证机鼻高度和机舱宽度；

Level2——验证机鼻高度，机舱宽度和机头俯视轮廓正确；

Level3——验证机鼻高度，机舱宽度，机头俯视轮廓和机头侧视轮廓正确；

Level4——验证机鼻高度，机舱宽度，机头俯视轮廓和机头测视轮廓正确，以及飞机引擎个数正确，引擎间距离正确。

安全等级越高，飞机机型验证和身份识别正确的条件越苛刻，也需要更多的时间。因此可以根据机场站坪引导线长度和飞机机型选择相应的验证等级。

另外，扫描引擎的同时，也可以通过得到的位置和机鼻-引擎之间的相对位置关系，解算出机鼻的位置，以用于对飞机进行定位。

该机鼻高度验证包括：提取步骤55中获得的机鼻高度，如果该机鼻高度与预设机鼻高度之差在一预设范围(例如50cm)内，视为通过机鼻高度验证。

该机舱宽度验证包括：寻找步骤2中获得的该回波数据中x坐标相差最大的两个点，将这两个点的直线距离作为机舱宽度，如果该机舱宽度大于理论机舱宽度与一宽度系数(例如0.6)的乘积，视为通过机舱宽度验证。

该机头俯视轮廓验证包括：将步骤2中水平方向的激光扫描获得的多个回波数据(x_i,y_i,z_i)代入预设的机头的俯视轮廓方程y＝fⁿ(x)。预设的机头的俯视轮廓方程对应通过机头机鼻的截面，且该截面和地面平行，该截面轮廓投影在地面上为一条曲线。水平拟合点误差为水平拟合最大误差设ΔD_H＝0.3m，若D_H＜ΔD_H，则可认为机头的俯视轮廓验证通过，ΔD_H为俯视验证阈值，i为回波数据的目标点的序号，n为俯视方程的拟合次数，一般取n＝7。

该机头侧视轮廓验证包括：将步骤52中进行的垂直方向的激光扫描获得的多个回波数据(x_i,y_i,z_i)代入预设的机头的侧视轮廓方程z＝g^m(y)。预设的机头的侧视轮廓方程对应通过机头机鼻的截面且该截面和地面垂直，在坐标系中将该截面轮廓投影在yoz平面上并对该曲面边界进行高次曲线拟合。垂直拟合点误差为垂直拟合最大误差设ΔD_V＝0.3m，若D_V＜ΔD_V，则可认为机头的侧视轮廓验证通过，ΔD_V为侧视验证阈值，i为回波数据的目标点的序号，m为侧视方程的拟合次数，一般取m＝11。

该飞机引擎验证包括：

步骤61，根据该机鼻位置计算引擎位置，对该引擎位置进行水平方向的激光扫描以及垂直方向的激光扫描。

由于应当停放于该机位的机型是确定的，故而机鼻位置与每个引擎位置的相对位置关系是确定的，根据机鼻位置可以换算出每个引擎位置。

已知飞机机鼻和引擎中心的坐标差为(Δx_n,Δy_n,Δz_n)，已获取的机鼻坐标为(x_n,y_n,z_n)。则理论引擎中心坐标为p_egn(x_n+Δx_n,y_n+Δy_n,z_n+Δz_n)。调制激光垂直反射镜32的偏转角度，使激光可以扫描到该理论上的引擎中心，并进行水平扫描。

步骤62，将水平方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最左端和最右端的两个点的距离作为引擎宽度，该两个点的中点为引擎中心的水平坐标x_egn。

“连续的点”要求是其中相邻点的距离不超过20cm。

步骤63，将垂直方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最上端和最下端的两个点的距离作为引擎高度，该两个点的中点为引擎中心的离地高度z_egb。

步骤64，如果可以找到一组x_egn和z_egb，视为找到一个引擎，多次扫描不同的引擎可以获得引擎的个数n_egn。

步骤65，判断引擎的个数与预定个数是否一致，如不一致，视为飞机引擎验证失败。

步骤66，判断该引擎中心的水平坐标或该引擎中心的离地高度与标准值的差距是否超过阈值(例如30cm)，如果是，视为飞机引擎验证失败。

步骤67，判断该引擎宽度或该引擎高度与标准值的差距是否超过阈值(例如20cm)，如果是，视为引擎验证失败。

本发明可实现准确的激光扫描得到飞机的实时位置并进行显示，以给予飞行员泊位提示，另外，可并对机型进行自动识别验证，避免机位中停放错误的机型。

Claims (11)

1.一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，飞机进入泊位飞机跟踪与定位区后，在一垂直扫描角度对该飞机的机头进行水平方向的激光扫描；

步骤2，获取激光扫描的回波数据，利用该回波数据，计算飞机的机鼻位置以及飞机相对引导线的偏移数据；

步骤3，根据该机鼻位置以及该偏移数据，实时显示该飞机与该引导线的相对位置；

步骤4，根据该机鼻位置，判断扫描得到的机鼻高度是否处于一有效区间，并据以对垂直扫描角度进行调整。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2进一步包括：

步骤21，对该回波数据进行滤波；

步骤22，从滤波后的回波数据中，截取落在机头的目标点；

步骤23，将该目标点从极坐标数据转换为三维空间数据；

步骤24，利用该目标点进行曲线拟合，以曲线的顶点作为该机鼻位置，以曲线的对称轴作为该飞机的对称轴，通过该机鼻位置计算机轮位置；

步骤25，将该机轮位置的水平坐标与引导线的水平坐标之差作为该偏移数据。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该步骤22选择同时满足如下规则的回波数据作为该目标点：

距离值与理论距离值的差别小于预定阈值；

在多个连续的距离值中，选取拥有最小值者作为该目标点。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4进一步包括：

步骤41，将该机鼻位置的Z轴数据作为机鼻高度；

步骤42，当该机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描角度偏转一个预设角度，重复执行步骤1。

5.如权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，还包括垂直方向的激光扫描的步骤，包括：

步骤51，在该机鼻位置的X轴点进行垂直方向的激光扫描；

步骤52，找出垂直方向的激光扫描的回波数据中距离值最小的点P_min；

步骤53，将所找出的点及与其相邻且连续的点，形成一集合；

步骤54，判断该集合中的点的总数是否大于等于一数量阈值，如果是，以该所找出的点作为机鼻位置，如果否，放弃该所找出的点，寻找除该所找出的点之外，回波数据中距离值最小的点P_min’，执行步骤53；

步骤55，以步骤54所找到的机鼻位置的Z轴数据作为机鼻高度；

步骤56，当该扫描得到的机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描角度偏转一个预设角度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：飞机距离机位的停止线越近，执行该垂直方向的激光扫描的步骤的频率越高。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括机型识别的步骤，包括：机鼻高度验证、机舱宽度验证、机头俯视轮廓验证、机头侧视轮廓验证和飞机引擎验证中的一种或几种；

该机鼻高度验证包括：如果该机鼻高度与预设机鼻高度之差在一预设范围内，视为通过机鼻高度验证；

该机舱宽度验证包括：寻找该回波数据中x坐标相差最大的两个点，将这两个点的直线距离作为机舱宽度，如果该机舱宽度大于理论机舱宽度与一宽度系数的乘积，视为通过机舱宽度验证；

该机头俯视轮廓验证包括：将水平方向的激光扫描获得的回波数据(x_i,y_i,z_i)代入预设的俯视轮廓方程y＝fⁿ(x)，水平拟合点误差为水平拟合最大误差若D_H＜ΔD_H，则可认为机头的俯视轮廓验证通过，ΔD_H为俯视验证阈值，i为回波数据的目标点的序号，n为俯视方程的拟合次数；

该机头侧视轮廓验证包括：将垂直方向的激光扫描获得的回波数据(x_i,y_i,z_i)代入预设的俯视轮廓方程z＝g^m(y)，垂直拟合点误差为垂直拟合最大误差若D_V＜ΔD_V，则可认为机头的侧视轮廓验证通过，ΔD_V为侧视验证阈值，i为回波数据的目标点的序号，m为侧视方程的拟合次数；

该飞机引擎验证包括：

根据该机鼻位置计算引擎位置，对该引擎位置进行水平方向的激光扫描以及垂直方向的激光扫描；

将水平方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最左端和最右端的两个点的距离作为引擎宽度，该两个点的中点为引擎中心的水平坐标；

将垂直方向的激光扫描得到的回波数据转换到x-y-z三维坐标，寻找距离理论引擎中心最近的坐标点，并寻找与该最近的坐标点连续的点，得到一点集，点集中最上端和最下端的两个点的距离作为引擎高度，该两个点的中点为引擎中心的离地高度；

判断引擎的个数与预定个数是否一致，如不一致，视为飞机引擎验证失败；

判断该引擎中心的水平坐标或该引擎中心的离地高度与标准值的差距是否超过阈值，如果是，视为飞机引擎验证失败；

判断该引擎宽度或该引擎高度与标准值的差距是否超过阈值，如果是，视为引擎验证失败。

8.一种基于激光扫描的入坞飞机跟踪定位系统，其特征在于，包括：

激光测距装置；

水平激光扫描装置，用于在一垂直扫描角度，进行水平方向的激光扫描；

垂直激光扫描装置，用于在垂直方向进行激光扫描；

扫描控制装置，该激光测距装置、该水平激光扫描装置和该垂直激光扫描装置均与扫描控制装置连接，该扫描控制装置用于接收激光扫描的回波数据；

信息处理单元，与该扫描控制装置连接，利用该回波数据，计算飞机的机鼻位置以及飞机相对引导线的偏移数据；

信息显示单元，该信息显示单元与该信息处理单元连接，用于根据该机鼻位置以及该偏移数据实时显示该飞机与该引导线的相对位置；

其中，该信息处理单元根据该机鼻位置，判断扫描得到的机鼻高度是否处于一有效区间，并据以对该垂直扫描角度进行调整。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，该水平激光扫描装置包括水平扫描步进电机及水平反射镜，该垂直激光扫描装置包括垂直扫描步进电机及垂直反射镜。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，该信息处理单元对该回波数据进行滤波，从滤波后的回波数据中，截取落在机头的目标点，将该目标点从极坐标数据转换为三维空间数据，并利用该目标点进行曲线拟合，以曲线的顶点作为该机鼻位置，以曲线的对称轴作为该飞机的对称轴，通过该机鼻位置计算机轮位置，再将该机轮位置的水平坐标与引导线的水平坐标之差作为该偏移数据。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，该信息处理单元将该机鼻位置的Z轴数据作为扫描得到的机鼻高度，当该扫描得到的机鼻高度与一预定机鼻高度之间的差值大于一高度阈值时，将该垂直扫描步进电机的垂直扫描角度偏转一个预设角度。