CN108983796A - 用于调整飞行器的视觉显示视角与飞行路径之间的相关性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于调整飞行器的视觉显示视角与飞行路径之间的相关性的系统和方法。提供一种用于调整飞行器的视觉显示视角与默认显示视图之间的任何相关性的方法。该方法包括确定用于飞行中的飞行器的默认显示视图并确定用于飞行器的机组人员的视觉显示的朝向。将默认显示视图与视觉显示的朝向进行比较以确定是否需要转变视觉显示的视角来反映默认显示视图。如果显示确实需要改变，则基于当前的飞行器性能参数来选择视觉显示的视角的转变的速率。

Description

用于调整飞行器的视觉显示视角与飞行路径之间的相关性的 系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及用于飞行器的视觉显示系统，并且更特别地，涉及用于调整飞行器的视觉显示视角与飞行路径之间的相关性的系统和方法。

背景技术

现代飞行器包含视觉显示系统，其为飞行员和/或飞行机组人员提供大量的重要导航、操作和情境认知信息，包括关于飞行器外部的环境和地形的信息。事实上，多功能飞行器显示器可以为飞行机组人员提供地形的计算机增强的三维视角图像，尤其是在低能见度的条件期间。这些图像可以包括三维背景和地形信息以及表示俯仰（pitch）参考线、空速、飞行路径信息、高度、姿态等的图形。在一些实现中，背景的地形形象化（imagery）可以是从数据库和机载视觉传感器系统导出的高分辨率的、由计算机生成的地形图像数据。

用于飞行器的视觉显示的一个问题是飞行器的飞行路径和飞行显示的视角可能明显偏离。对于直升机和其他旋翼飞行器（roto-aircraft）尤其如此。通常，飞行显示系统将转变它的视角以与飞行器的真实飞行路径的视角对准。然而，显示的视角的突然改变可能导致飞行员迷失方向。因此，存在对于用于调整飞行器的视觉显示视角与飞行路径之间的相关性的系统和方法的需要。

发明内容

提供本发明内容以便以具体实施方式中进一步描述的简化的形式来描述选择概念。本发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用作确定所要求保护主题的范围的帮助。

提供了一种用于调整飞行器的视觉显示视角与默认显示视图之间的任何相关性的方法。该方法包括：确定用于飞行中的飞行器的默认显示视图; 确定用于飞行中的飞行器的机组人员的视觉显示的当前朝向; 比较默认的显示视图与视觉显示的朝向来确定视觉显示的视角是否需要转变以反映默认显示视图; 并且选择视觉显示的视角的转变的速率（a rate of transition），其基于当前飞行器性能参数。

提供了一种用于用于调整飞行中的飞行器的机载视觉显示视角与飞行路径之间的任何相关性的系统的装置。该装置包括：显示元件，其为飞行中的飞行器的机组人员提供视觉显示; 传感器系统，其确定飞行中的飞行器的飞行路径和当前飞行器性能参数; 以及处理器，其与显示元件和传感器系统可操作通信，处理器被配置为将飞行路径与视觉显示的朝向进行比较，以确定视觉显示视角是否需要转变以反映飞行路径，其中处理器基于当前飞行器性能参数选择视觉显示的视角的转变的速率。

此外，从随后的详细描述和所附权利要求书，结合附图和前面的背景技术，系统和方法的其他期望的特征和特性将变得清楚。

附图说明

在下文中将结合以下附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元素，并且其中：

图1描绘了根据示例性实施例的视觉显示系统的框图;

图2描绘了示出根据示例性实施例的用于调整飞行器的视觉显示视角和飞行路径之间的相关性的方法的流程图;

图3描绘了根据示例性实施例的用于直升机的视觉显示; 和

图4描绘了根据示例性实施例的已经相对于图3中所示的显示进行了调整的用于直升机的视觉显示。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。如本文所使用的，词语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”。因此，本文描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其他实施例更优选或更有利。在此描述的所有实施例是提供用于使本领域技术人员能够制造或使用本发明的示例性实施例，不是限制由权利要求书所限定的本发明的范围的。此外，不存在由在前面的技术领域、背景技术、发明内容或以下的具体实施方式中呈现的明示或暗示的理论约束的意图。

已经开发了一种用于调整飞行器的视觉显示视角与其飞行路径之间的相关性的系统和方法。本系统和方法的实施例提供了以平滑和自然转变过程调整飞行器的视觉显示和飞行路径之间的相关性。转变是基于飞行器性能参数的并且旨在避免意想不到的飞行员反应或迷失方向。

图1描绘了根据示例性实施例的用于诸如直升机或其他类型飞行器之类的 飞行器的视觉显示系统100的框图。系统100包括处理器102、用户输入元件106、视觉显示元件108、传感器系统110、导航系统112和数据库114，它们用高速数据通信总线104或另一种连接方案彼此耦合。处理器102、用户输入元件106、显示元件108、传感器系统110、导航系统112和数据库114可以是单独的部件或者彼此集成，在飞行器上或者在飞行器的外部。而且，例如，系统100可以被布置为集成系统（例如，飞行器显示系统、PFD系统等）或更综合的飞行器系统的子系统（例如，飞行管理系统、导航和控制系统、目标瞄准和控制系统、碰撞告警和/或回避系统、天气避免（weather avoidance）系统等）。首先将一般地描述系统100的各种部件，并且然后跟着是它们与示例性实施例的关系的更详细解释。

处理器102可以是计算机处理器，诸如例如微处理器、数字信号处理器或能够至少接收和/或取回飞行器状态信息、导航和控制信息（例如，从导航系统112和/或传感器系统110）以及高分辨率地形信息（例如，从数据库114和传感器系统110），并且为显示元件108生成适当的显示控制信号的任何适合的处理器。显示控制信号可以被用于利用例如飞行器状态信息、导航和控制信息（包括例如零俯仰参考线、航向指示符、用于空速和高度的带（tape）、飞行路径信息或类似类型的飞行器瞄准符号等）以及三维地形和其他背景信息来生成显示。如下面更详细讨论的那样，处理器102可以包括可以以特定视角比较当前或预期飞行路径信息与背景信息，并且动态地调整显示信号使得飞行路径信息可以被准确地显示的算法。

数据库114可以是存储器设备（例如，非易失性存储器、盘、驱动器、带、光存储设备、大容量存储设备等）。数据库114可以包括作为绝对坐标数据或作为飞行器的位置的函数而存储的地形和其他背景信息。数据库114可以包括例如自然地形障碍物的位置和标高（elevation），自然地形障碍物诸如山或其他高架地面区域; 人造障碍物的位置和标高，人造障碍物诸如无线电天线塔、建筑物、桥梁等; 限制空域的边界和标高; 和导航数据，诸如本地化目标、跑道、导航航点和位置信标。

传感器系统110可以包括为数据库114和/或处理器102提供信息的一个或多个视觉传感器和其他类型的传感器。由传感器系统110提供的信息可以包括导航和控制信息以及背景和地形信息。

导航系统112可以向处理器102提供与飞行器的当前状态、位置和飞行方向（例如航向（heading）、航道（course）、航迹、姿态以及任何飞行路径信息）相关联的导航数据。导航系统112可以形成更大的飞行管理系统的部分并且可以包括例如惯性导航系统和卫星导航系统（例如全球定位系统）。对于一个示例性实施例，导航系统112可以包括合适的位置和方向确定设备，其可以向处理器102提供至少飞行器的当前位置（例如，纬度和经度形式）、飞行器在其飞行路径中的实时方向（例如航向、航道、航迹等）以及其他重要的飞行信息（例如，俯仰、空速、高度、姿态等）。

显示元件108可以包括适合于显示各种类型的计算机生成的符号和信息的任何设备或装置，各种类型的计算机生成的符号和信息表示例如自然和人造地形以及其他背景信息、俯仰、航向、飞行路径、空速、高度、姿态、目标数据、飞行路径标记数据以及集成的多色或单色形式（例如，平板彩色显示器）的任何类型的飞行路径信息。尽管可以使用驾驶舱显示屏来显示上述飞行信息以及地形符号和数据，但是本文所讨论的示例性实施例并非旨在被如此限制，并且可以包括能够针对飞行员或其他飞行机组成员，并且特别地但是不排他地在连续的三维视角视图飞行器显示器上可视地呈现多色或单色的飞行信息以及地形符号和数据的任何合适类型的显示介质。如此，许多已知的显示监视器适合于显示这样的信息、符号和数据，诸如例如各种CRT和平板显示系统（例如，CRT显示器、LCD、OLED显示器、等离子显示器、投影显示器、HDD、平视显示器/HUD等）。

用户输入元件106包括但不限于键盘、指针设备、触摸屏、麦克风等。在一些实施例中，用户输入元件106包括多于一种类型的输入元件。在其他实施例中，系统100不包括任何用户输入元件106，和/或用户输入元件106仅用于超控（override）系统100的自动功能。

图2继续参考图1描绘了示出根据一个实施例的、用于调整飞行器200的视觉显示视角和飞行路径之间的相关性的方法的流程图。该飞行器的视觉显示最初以默认视角来提供显示210。默认视角取决于飞行器的飞行阶段中的当前任务的重点。例如，默认视图可以是当前的飞行路径朝向、当前的航向朝向等。如果飞行器的轨迹在当前飞行阶段比当前航向更重要，则轨迹的显示将优先。例如，随着飞行器开始针对着陆进近（approach），显示将集中于着陆目标。相反，如果当前飞行阶段要求航向作为更重要的测量（例如，直升机的缓慢盘旋），则显示将集中于飞行器的当前航向。

飞行器100上的系统将确定飞行器的飞行路径、航向、姿态等，以及对于当前飞行阶段而言最佳的视觉显示的朝向，并比较和确定两者是否充分相关212。在一定的速度下沿着路径飞行的飞行器的示例中，行进的方向是最重要的。如果视觉显示中的飞行路径之间存在足够的相关性，系统将沿路径保持默认视角。但是，如果飞行路径和默认视觉显示明显不同，则系统将开始视觉显示的转变以反映飞行器的飞行路径。在直升机放慢至悬停操作的示例中，针对悬停操作的最佳视觉视角或默认视角是在当前的航向朝向。因此，当视觉视角和默认视角明显不同时，系统将开始视觉显示向航向朝向的转变。

如果需要转变，则由传感器系统110、导航系统112和数据库114取回214当前的飞行器性能参数。飞行器性能参数可以包括：飞行器的航向改变率（即转向率）; 飞行器的横向加速度; 飞行器的垂直加速度; 飞行器的偏航率; 飞行器的地面速度; 等等。性能参数由飞行器上的软件模块收集并提供给系统100的处理器102。处理器102基于性能参数确定视觉显示的转变速率以反映默认的视图朝向，诸如飞行路径216或航向，并且转变视觉显示以反映飞行路径218或航向。

在一些实施例中，转变速率以度每秒（degrees per second）来测量。转变速率可能广泛地变化。例如，1°每秒的转变速率被认为非常慢，而20°每秒的转变速率被认为非常快。在一些实施例中，转变速率可以在5°-15°每秒的范围内，默认速率10°每秒。在其他实施例中，转变事件的转变速率不需要是固定值。

实现在显示视图和飞行器航向之间的平滑和自然的转变是基于使用飞行器动力学（aircraft dynamics）作为转变速率的主要驱动源。例如，如果飞行器参数改变率或加速度小，则显示视图转变将在较长时段上缓慢发生。相反，参数的大改变率通常导致显示视角的更快改变。总体目标是避免飞行员混乱和迷失方向。在其他实施例中，飞行器的飞行员可以基于个人偏好手动地选择转变速率。

图3继续参考图1和图2描绘了根据示例性实施例的用于直升机的视觉显示。如果可以以默认视角准确显示飞行路径信息212，则方法200将继续以默认视角显示210。方法200还将继续接收飞行路径信息并继续在持续的基础上评估默认视角内的飞行路径信息。

然而，图3描绘的例子示出了直升机正在起飞并且实际飞行路径几乎直线上升（straight up）。这样，飞行路径信息将被以过大角度准确地呈现在有限尺寸的显示器上。在图3中，飞行路径信息由标记304表示，其不是相对于背景310的真实飞行路径的准确表示。飞行路径标记304提供一般指导，但是如向飞行员所指示的那样，因为它的虚线/幻影性质（dashed/ghosted nature）其不是准确的。该差异可以潜在地引起飞行员的混乱，并且至少不能提供有用的飞行路径信息。

如果面临图3中所示的情况，则方法200将继续以取回当前的飞行器性能参数214、确定转变速率216并且转变视觉显示以反映飞行路径218。继续参考图3，在图4中示出了转变的显示400。作为转变的结果，背景410 已经向上并向右移动。标记404准确地指示了相对于显示的背景410的飞行路径信息。从图3的默认显示300到图4的调整的显示400的转变是平滑并且自然的，从而不使飞行员迷失方向。尽管图3和图4中所示的示例使用飞行路径的垂直分量来指示通过使用飞行器动态参数来控制的转变过程，但应当理解的是，当默认视图从航向转变到当前地面轨迹方向或从当前地面轨迹方向转变到航向时，这样的受控转变也可以应用于飞行路径（地面轨迹）的横向分量。

在确定转变速率时，系统100一般考虑的飞行路径信息的角度和方向，并确保飞行路径标记404可以在显示器的观看区域内相对于背景410被显示。系统100在水平和/或垂直方向中的一个或多个上改变视角以适应角度和方向。这为飞行机组人员提供了相对于背景410的实际飞行路径信息的准确表示。在直观感觉上，该调整表示飞行员转动他或她的头以得到直升机的窗户外的预期飞行方向的更好视野的动作。显示器利用三维背景410和飞行路径信息来模拟该视角。可以通过零俯仰参考线402的虚线性质或显示器上的飞行器符号的大小、位置和颜色变化来指示调整的视角。也可以提供某些文本通告（annunciation）或指示。在其他实施例中，可以通过增加或减少视角的缩放比例（scaling）来调整显示。 换言之，系统100可以“缩小”，使得飞行路径信息可以相对于背景410准确地显示。在替代实施例中，可以由飞行机组人员利用用户输入元件106手动调整视角。

如上所述，方法200对于在诸如例如起飞和着陆之类的某些飞行阶段期间显示准确的飞行路径信息可以特别有用。飞行路径信息可以包括当前的或预期的飞行路径信息和/或可以包括用户选择的飞行路径信息。还应该理解的是，示例性方法可以包括附加的或更少的步骤，或者可以在更大的处理方案的背景下执行。 此外，本领域技术人员将理解，虽然下面示出的具体实施例针对直升机，但是该方法和系统可以用在采用各种类型的显示器的各种实施例中，各种类型的显示器诸如太空飞行器、飞行器、旋翼飞行器和无人空中交通工具（UAV）中的显示器。此外，本发明的实施例适用于在CRT、LCD、等离子显示器或任何其他现有的显示技术上使用。

本领域技术人员将认识到，结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。 上面根据功能和/或逻辑块部件（或模块）和各种处理步骤描述了实施例和实现中的一些。然而，应该理解的是，可以通过被配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件来实现这种块部件（或模块）。为了清楚地说明硬件和软件的该可互换性，上面已经按照其功能性一般性地描述了各种说明性的部件、块、模块、电路和步骤。这样的功能性是实现为硬件还是软件取决于特定的应用和对整个系统施加的设计约束。本领域技术人员可以针对每个特定应用以各种方式来实现所描述的功能性，但是这样的实现决定不应该被解释为引起从本发明的范围的偏离。例如，系统或部件的实施例可以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、查找表或诸如此类，其可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员将会理解，本文描述的实施例仅仅是示例性实现。

结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件，或被设计为执行本文所述功能的其任何组合实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP与微处理器、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器，或者任何其他这样的配置的组合。

结合本文公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接以硬件、以处理器执行的软件模块或以两者的组合实现。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息并将信息写到存储介质。替代地，存储介质可以集成到处理器。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。替代地，处理器和存储介质可以作为分立部件驻留在用户终端中。

在本文中，诸如第一和第二等的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。数字序号，如“第一”、“第二”、“第三”等仅简单地表示多个中的不同单个，并且不暗示任何次序或序列，除非由权利要求语言特别定义。 任何权利要求中的文本的顺序并不暗示着必须根据这样的顺序以时间或逻辑顺序执行处理步骤，除非其被权利要求的语言具体定义。这些处理步骤可以以任何顺序互换而不脱离本发明的范围，只要这种互换不与权利要求语言相矛盾并且不是逻辑上无意义的。

此外，根据上下文，用于描述不同元素之间的关系的诸如“连接”或“耦合到”之类的词语并不意味着必须在这些元素之间进行直接的物理连接。例如，两个元素可以通过一个或多个附加元素物理地、电地、逻辑地或以任何其他方式彼此连接。

尽管在本发明的前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但应该认识到，还存在大量的变化。还应该理解的是，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。而是，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例的便利的路线图。应该理解，可以在示例性实施例中描述的元素的功能和布置中做出各种改变，而不偏离如所附权利要求书中记载的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种用于调整飞行中的飞行器的机载视觉显示视角与默认显示视图之间的任何相关性的方法，包括：

确定用于飞行中的飞行器的默认显示视图;

确定用于飞行中的飞行器的机组人员的视觉显示的当前朝向;

将默认显示视图与视觉显示的朝向进行比较以确定视觉显示视角是否需要转变来反映默认显示视图; 和

选择基于当前飞行器性能参数的视觉显示的视角的转变的速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中默认显示视图是当前飞行路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其中默认显示视图是当前的航向朝向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中当前飞行器性能参数包括飞行器的航向改变率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中当前飞行器性能参数包括飞行器的横向加速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中当前飞行器性能参数包括飞行器的垂直加速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中当前飞行器性能参数包括飞行器的偏航率。

8.根据权利要求1所述的方法，其中当前飞行器性能参数包括飞行器的地面速度。

9. 根据权利要求1所述的方法，其中转变的速率是从1°- 20°每秒。

10. 根据权利要求1所述的方法，其中转变的速率是从5°- 15°每秒。

11.根据权利要求1所述的方法，其中转变的速率大约是10°每秒。

12.根据权利要求1所述的方法，其中转变的速率由飞行器的飞行员手动选择。

13.一种用于调整飞行中的飞行器的机载视觉显示视角与飞行路径之间的任何相关性的系统，包括：

显示元件，其为飞行中的飞行器的机组人员提供视觉显示;

传感器系统，其确定飞行中的飞行器的飞行路径和当前飞行器性能参数; 和

处理器，其与显示元件和传感器系统可操作通信，所述处理器被配置为将飞行路径与视觉显示的朝向进行比较以确定视觉显示视角是否需要转变来反映飞行路径，其中处理器基于当前飞行器性能参数选择视觉显示的视角的转变的速率。