CN107390285B - 一种基于结构光的机场跑道异物检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，所述系统包括检测车和安装于检测车上的线激光器模块、图像采集模块、计算机控制与处理模块，线激光器模块安装于检测车后端，以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面上形成结构光光条；图像采集模块位于检测车后端，与线激光器模块位于垂直于跑道路面的同一平面上，以一定姿态采集跑道路面的光条图像，然后将光条图像数据传输到计算机中；计算机控制与处理模块位于检测车内部，控制图像采集模块采集跑道路面的光条图像，同时通过相关软件实时处理光条图像数据，判断跑道上是否存在异物。

Description

一种基于结构光的机场跑道异物检测系统

技术领域

本发明提供了一种检测系统，涉及基于结构光的机场跑道异物检测系统，属于基于计算机视觉的机场跑道异物检测技术领域。

背景技术

机场跑道异物(Foreign Object Debris，FOD)指的是外来物，即可能损伤或破坏航空器或系统的某种外来的物质、碎屑或物体。FOD对飞机起飞和降落的安全造成了严重的威胁。很多案例都表明，飞机的发动机很容易吸入机场跑道上的外来物，一小块塑料布或一只小鸟吸入发动机都可能引起空停，一个小螺钉或金属片等尖锐物品都可能扎破轮胎引起爆破，而产生的橡胶碎片可能击伤飞机机体或重要部件，如油箱、液压管等。据保守估计，每年全球因FOD造成的损失至少30-40亿美元。

自2000年法航协和号飞机悲剧发生后，各国纷纷开始FOD探测系统的研究与开发，目前世界上较为典型的4种系统，它们分别是英国的Tarsier系统、以色列的FODetect系统、美国的FODFinder系统和新加坡的iFerret系统。

(1)Tarsier系统

Tarsier系统使用的探测传感器为毫米波雷达。该系统具有探测距离长、高分辨率的特点，能够对目标进行实时自动探测、识别和定位。

(2)FODetect系统

FODetect系统使用的探测传感器为毫米波雷达和光学摄像设备。该系统是由多个安装于跑道边灯上的检测单元所组成，对跑道中线附近的区域进行检测，发现FOD后，可立即报警、定位并提供FOD的视频图像，在夜间还可使用激光指示器协助将碎片取出。

(3)FODFinder系统

FODFinder系统是一套移动式FOD监控系统，使用的探测传感器是由毫米波雷达、光学摄像设备和高精度GPS定位系统组成，安装在监测车顶部，这套系统的独特之处在于其是可移动的。

(4)iFerret系统

iFerret系统使用的探测传感器为光学摄像设备，通过在跑道上每隔一定间距装置先进的高分辨率功能的摄像机，自动探测和辨认跑道上的障碍物。但是该系统在能见度低的情况下具有很多局限性，性能易受到黑夜和阴雨天气环境的影响和制约。

综上所述，现有机场跑道异物检测系统所用的探测传感器主要分为毫米波雷达、可见光及红外摄像机。它们各有优缺点：毫米波雷达具有高精度测角和测距等优点，但信号处理复杂，目标特征信息较少。可见光摄像机的图像细节信息丰富，对目标特征的描述准确，但也易受背景环境及天气的影响。红外摄像机可以测得目标的红外图像信息，在夜晚有很大优势，具有测角精度高、测量连续，干扰较少等优点，但测距距离有限，硬件成本较高。

授权公告号为CN202583489U、授权公告日为2012年12月5日的中国实用新型专利公开了一种机场跑道异物检测装置。该系统在机场跑道的同一侧放置两个塔台，在每个塔台上设有雷达和摄像设备，利用雷达、摄像设备实现交互检测。该系统的缺点在于由雷达和摄像设备构建了两套相互独立又能相互验证的异物检测系统，系统复杂度高且成本较高。

授权公告号为CN 203113264U、授权公告日为2013年8月7日的中国实用新型专利公开了车载机场跑道异物检测系统。该系统以机场清扫车辆为载体，在清扫车身前后各部位加装工业CCD相机和图像处理技术，实现对异物的实时检测、识别和报警，并及时对道面异物进行清除。该系统的缺点在于系统检测范围受清扫车高度与宽度的限制，对异物检测及清理范围有限。

授权公告号为CN203299402U、授权公告日为2013年11月20日的中国实用新型专利公开了一种用于机场跑道的异物检测系统。该系统在机场跑道放置4～10个检测雷达，在机场跑道的多个路灯旁或路灯上设有摄像设备。该系统的缺点在于为检测一条机场跑道需要在不同位置设置多个检测雷达和摄像设备，系统成本较高。

授权公告号为CN 205653690U、授权公告日为2016年10月19日的中国实用新型专利公开了一种夜间机场跑道异物、磨损检测系统。该系统利用栅格的形变来反映跑道的磨损或者异物情况，在夜间快速检测机场跑道磨损情况。该系统的缺点在于系统需要在夜间工作无法适用全天候的机场跑道检测，且系统能够检测到异物、破损的大小受栅格的大小影响较大，如果栅格过小会在两个光束之间形成一个光束间的干涉作用，影响检测结果，所以系统实用性较差。

授权公告号为CN 104536059U、授权公告日为2017年3月8日的中国发明专利公开了图像/激光测距机场跑道异物监控一体化系统。该系统根据connect相机确定天气情况，并按照天气分类分辨给出不同的检测方法。该系统的缺点在于系统需要由多路可见光和红外CCD、互联网相机和激光测距仪等设备组成，系统成本较高，且在恶劣天气下机场航班停运，此时对机场跑道异物检测已无实际意义。

发明内容

本发明公开了一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，包括检测车和安装于检测车上的线激光器模块、图像采集模块和计算机控制与处理模块。其中，线激光器模块位于检测车后端，以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面上形成两条结构光光条；图像采集模块位于检测车后端，与线激光器模块在同一直线上垂直于跑道路面，以一定姿态采集跑道路面的光条图像，然后将光条图像数据传输到计算机中；计算机控制与处理模块位于检测车内部，控制图像采集模块采集跑道路面的光条图像，同时通过相关软件实时处理光条图像数据，判断跑道上是否存在异物。该系统采用结构光检测技术，相对雷达检测系统和激光扫描仪系统，其原理与结构简单有效地降低了系统成本，而相对二维图像检测系统，其能够有效地检测被测物的深度信息，提高系统检测的准确率，同时也有效地解决了外部环境的光照条件对检测精度的影响。另外上述线激光器模块和图像采集模块的组合结构方式，由于不受检测车高度的限制，大大增加了系统检测跑道路面的有效宽度，提高了系统的检测效率。

具体来说，本发明采用以下技术方案：

一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述系统包括检测车2和安装于检测车2上的线激光器模块3、图像采集模块4、计算机控制与处理模块5，所述线激光器模块3安装于检测车2后端，以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面1上形成结构光光条；图像采集模块4位于检测车2后端，与线激光器模块3位于垂直于跑道路面1的同一平面上，以一定姿态采集跑道路面1的光条图像，然后将光条图像数据传输到计算机中；计算机控制与处理模块5位于检测车2内部，控制图像采集模块4采集跑道路面1的光条图像，同时通过相关软件实时处理光条图像数据，判断跑道上是否存在异物。该系统采用结构光检测技术，相对雷达检测系统和激光扫描仪系统，其原理与结构简单有效地降低了系统成本，而相对二维图像检测系统，其能够有效地检测被测物的深度信息，提高系统检测的准确率，同时也有效地解决了外部环境的光照条件对检测精度的影响。另外上述线激光器模块3和图像采集模块4的组合结构方式，由于不受检测车2高度的限制，大大增加了系统检测跑道路面1的有效宽度，提高了系统的检测效率。

优选地，所述线激光器模块3包括两套线激光器，且两套线激光器处于同一横向水平线上相距的距离为L₁，距离跑道路面高度为H，该两套线激光器以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面1上形成两条结构光光条。

进一步，所述图像采集模块4由两套设备组成，每套设备均包括高速相机、窄带滤光片和高速图像采集卡，其中高速相机分辨率为X，Y，且两台高速相机处于同一横向水平线上相距的距离为L₁，距离跑道路面高度为h。

另外，所述线激光器模块3在跑道路面1上形成两条结构光光条，每条光条长度L₂，应满足以下关系式：

L₂＝X*σ_x

式中：X为高速相机的横向分辨率；

σ_x为系统的横向检测精度。

另外进一步，所述线激光器模块3的俯仰投射角度β₁，应满足以下关系式：

式中：θ为线激光器的扇形角；

H为线激光器距离跑道路面的高度；

L₂为每条光条长度。

在另一个更优选实施方案中，所述图像采集模块4的高速相机光轴与跑道平面垂线的夹角β₂，应满足以下关系式：

式中：h为高速相机距离跑道路面的高度；

β₁为线激光器模块3的俯仰投射角度。

更优选，线激光器模块3和图像采集模块4处于同一跑道路面的垂直面上，且位于检测车同侧的线激光器和高速相机处于同一跑道路面的垂线上，高速相机位于线激光器下方。

另外，检测系统能够检测跑道路面的横向宽度为L₃，具体关系如下：

L₃＝2L₂*cosα₂

式中：

式中：h为高速相机距离跑道路面的高度；

β₂为图像采集模块4的高速相机光轴与跑道平面垂线的夹角；

L₁为两套线激光器的距离；

L₂为每条光条长度。

更进一步，检测系统的结构参数γ为：

与现有系统相比，本发明具有的有益效果是：

1、提供一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，该系统采用结构光检测技术，相对雷达检测系统，其原理与结构简单有效地降低了系统成本，而相对二维图像检测系统，其能够有效地检测被测物的深度信息，提高系统检测的准确率，同时也有效地解决了外部环境的光照条件对检测精度的影响。

2、提供一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，该系统的线激光器模块与图像采集模块的组合结构方式，由于不受检测车高度的限制，大大增加了系统检测跑道路面的有效宽度，提高了系统的检测效率。

附图说明

图1为本发明一种基于结构光的机场跑道异物检测系统的结构示意图；

图2为系统的俯视图；

图3为系统的线激光器及图像采集模块结构参数示意图。

在图中：1、路面；2、检测车；3、线激光器模块；4、图像采集模块；5、计算机控制与处理模块。

具体实施方式

本发明的主要目的在于，克服现有机场跑道异物检测系统存在的不足，提供一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，特别适用于实时、便捷和高精度的机场跑道异物检测。

本发明所要解决的技术问题是提供结构合理、拆装方便、安全可靠、实用性强的基于结构光的机场跑道异物检测系统，不仅可以达到高精度的机场跑道异物检测，而且大大降低了检测系统成本，并有效地解决了外部环境的光照条件对检测精度的影响。另外上述线激光器模块和图像采集模块的组合结构方式，由于不受检测车高度的限制，大大增加了系统检测跑道路面的有效宽度，提高了系统的检测效率。

本发明所要解决的另一技术问题是设计系统模块的结构参数，提高系统的检测效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的系统方案是：

一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，所述系统包括检测车和安装于检测车上的线激光器模块、图像采集模块和计算机控制与处理模块。

其中，线激光器模块位于检测车后端，以一定角度将结构光平面投射到跑道路面上形成两条结构光光条；图像采集模块位于检测车后端，与线激光器模块在同一直线上垂直于跑道路面，以一定角度采集跑道路面的光条图像，然后将光条图像数据传输到计算机中；计算机控制与处理模块位于检测车内部，控制图像采集模块采集跑道路面的光条图像，同时通过相关软件实时处理光条图像数据，判断跑道上是否存在异物。

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

参见图1，所示的是本发明的一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，其中所述系统包括检测车2和安装于检测车2上的线激光器模块3、图像采集模块4、计算机控制与处理模块5，所述线激光器模块3安装于检测车2后端，以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面1上形成两条结构光光条；图像采集模块4位于检测车2后端，与线激光器模块3在同一直线上垂直于跑道路面1，以一定姿态采集跑道路面1的光条图像，然后将光条图像数据传输到计算机中；计算机控制与处理模块5位于检测车2内部，控制图像采集模块4采集跑道路面1的光条图像，同时通过相关软件实时处理光条图像数据，判断跑道上是否存在异物。

参见图2，示出了本发明所述系统的俯视图，可以更清楚地看出各模块的位置关系。

所述线激光器模块3包括两套线激光器，且两套线激光器处于同一横向水平线上，距离跑道路面高度为H。

所述图像采集模块4由两套设备组成，每套设备包括高速相机、窄带滤光片和高速图像采集卡。其中，高速相机分辨率为X，Y，且两台高速相机处于同一横向水平线上，距离跑道路面高度为h。

参见图3，所述线激光器模块3在跑道路面1上形成两条结构光光条，每条光条长度L₂，应满足以下关系式：

L₂＝X*σ_x

式中：X为高速相机的横向分辨率；

σ_x为系统的横向检测精度。

所述线激光器模块3的俯仰投射角度β₁，应满足以下关系式：

式中：θ为线激光器的扇形角；

H为线激光器距离跑道路面的高度。

所述图像采集模块4的高速相机光轴与跑道平面垂线的夹角β₂，应满足以下关系式：

式中：h为高速相机距离跑道路面的高度。

所述线激光器模块3和图像采集模块4处于同一跑道路面的垂直面上，且位于检测车同侧的线激光器和高速相机处于同一跑道路面的垂线上，高速相机位于线激光器下方。

所述检测系统能够检测跑道路面的横向宽度为L₃，具体关系如下：

L₃＝2L₂*cosα₂

式中：

所述检测系统的结构参数γ为：

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述系统包括检测车(2)和安装于检测车(2)上的线激光器模块(3)、图像采集模块(4)、计算机控制与处理模块(5)，所述线激光器模块(3)安装于检测车(2)后端，以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面(1)上形成结构光光条；图像采集模块(4)位于检测车(2)后端，与线激光器模块(3)位于垂直于跑道路面(1)的同一平面上，以一定姿态采集跑道路面(1)的光条图像，然后将光条图像数据传输到计算机中；计算机控制与处理模块(5)位于检测车(2)内部，控制图像采集模块(4)采集跑道路面(1)的光条图像，同时通过相关软件实时处理光条图像数据，判断跑道上是否存在异物，所述线激光器模块(3)包括两套线激光器，且两套线激光器处于同一横向水平线上相距的距离为L₁，距离跑道路面高度为H，该两套线激光器以一定姿态将结构光平面投射到跑道路面(1)上形成两条结构光光条，其中所述线激光器模块(3)的俯仰投射角度β₁，应满足以下关系式：

式中：θ为线激光器的扇形角；

H为线激光器距离跑道路面的高度；

L₂为每条光条长度。

2.根据权利要求1所述的基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述图像采集模块(4)由两套设备组成，每套设备均包括高速相机、窄带滤光片和高速图像采集卡，其中高速相机分辨率为(X，Y)，且两台高速相机处于同一横向水平线上相距的距离为L₁，距离跑道路面高度为h。

3.根据权利要求1所述的基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述线激光器模块(3)在跑道路面(1)上形成两条结构光光条，每条光条长度L₂，应满足以下关系式：

L₂＝X*σ_x

式中：X为高速相机的横向分辨率；

σ_x为系统的横向检测精度。

4.根据权利要求2所述的基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述图像采集模块(4)的高速相机光轴与跑道平面垂线的夹角β₂，应满足以下关系式：

式中：h为高速相机距离跑道路面的高度；

β₁为线激光器模块(3)的俯仰投射角度。

5.根据权利要求1所述的基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，线激光器模块(3)和图像采集模块(4)处于同一跑道路面的垂直面上，且位于检测车同侧的线激光器和高速相机处于同一跑道路面的垂线上，高速相机位于线激光器下方。

6.根据权利要求1所述的基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，检测系统能够检测跑道路面的横向宽度为L₃，具体关系如下：

L₃＝2L₂*cosα₂

式中：

式中：h为高速相机距离跑道路面的高度；

β₂为图像采集模块(3)的高速相机光轴与跑道平面垂线的夹角；

L₁为两套线激光器的距离；

L₂为每条光条长度。

7.根据权利要求6所述的基于结构光的机场跑道异物检测系统，其特征在于，检测系统的结构参数γ为：