CN109459107B - 一种非接触式飞机燃油油量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式飞机燃油油量测量方法及系统，测量方法包括如下步骤：控制激光器向油箱内发射十字形探测光线；获取油箱内燃油油面的图像，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标；根据飞机的飞行姿态对油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标进行校正，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中的坐标；根据油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系，得到油箱内燃油油量的体积。本发明所提供的技术方案，能够解决现有技术中在对飞机油箱内燃油油量进行检测时存在检测结果准确性较低的问题。

Description

一种非接触式飞机燃油油量测量方法及系统

技术领域

本发明属于飞机燃油油量测量技术领域，具体涉及一种非接触式飞机燃油油量测量方法及系统。

技术背景

飞机油箱的剩余油量是飞行的重要参数，根据其能够计算出飞机的持续航行时间，因此实时、准确测量并显示飞机油箱的剩余油量对完成飞行任务至关重要。

在飞机燃油测量方面，目前主要是采用电容式油位传感器，这种传感器长期浸泡在油中，使用寿命短，并且由于其采用机械方法改变电阻值，导致检测的精度不高，并且还存在引线放电导致爆炸的潜在危险；磁性浮子液位计直接与介质直接接触，对密封要求严格，不能测量黏性介质，并且在将机械信号转换成电信号的过程中需要涉及多个移动部件，导致检测的精度降低。超声波传感器虽然经济耐用并使用与安装方便，但这种超声波传感器功耗大，当飞机飞行姿态发生改变时燃油的液面有较大波动时，因此检测时存在测量盲区，导致测量的结果存在较大的误差。

在液位测量方面，有许多新型传感器，如：光纤传感器，具有代表性的是微弯式压力光纤传感器和光纤光栅传感器，前者机械结构较为复杂，并且飞机的加速度效应使其性能恶化，不易取得较高的测量精度，后者的信号处理电路复杂，需要用校准机制补偿误差。虽然现今已经有一些机型采用了数字式燃油测量系统，但系统的测量精度、可靠性、自动化、维修性等技术指标均不高。

当油箱随飞机姿态变化时，重力的作用使油箱内的油面始终保持水平，导致油箱与油面的相对位置改变，从而传感器与油面的相对位置也发生改变。由于偏航角不影响位置关系，所以当飞机俯仰和倾斜(滚转)时产生姿态误差，这些都会导致对飞机油箱内燃油油量检测结果的准确性降低。

综上所述，目前采用液位传感器检测油箱内油量的技术方案普遍存在检测结果准确性较低的问题。

发明内容

本发明提供一种非接触式飞机燃油油量测量方法及系统，用于解决现有技术中在对飞机油箱内燃油油量进行检测时存在检测结果准确性较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种非接触式飞机燃油油量测量方法，包括如下步骤：

(1)控制激光器向油箱内发射十字形探测光线；

(2)获取油箱内燃油油面的图像，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标；

(3)根据飞机的飞行姿态对油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标进行校正，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中的坐标；

(4)根据油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系，得到油箱内燃油油量的体积。

进一步的，飞机的俯仰角为α，滚转角为β，燃油液面图像中十字型光线交点在飞机机身坐标系中的坐标为(x₀，y₀，z₀)，在参考坐标系中对应的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，则：

X₀＝x₀cosα+y₀cosαsinβ+z₀sinαcosβ

Y₀＝y₀cosβ-z₀sinβ

Z₀＝-x₀sinα+y₀cosαsinβ+z₀cosαcosβ。

进一步的，油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系通过标定得到，标定方法为：

控制油箱内燃油以设定的速度放出；

在油箱内燃油放出的过程中，控制激光器向油箱内燃油液面发出十字型检测光线，并采用摄像头摄取油箱内燃油液面的图像，同时采用油量传感器检测油箱内的燃油量；

获取油箱内燃油液面图像中十字光线交点在参考坐标系中的坐标；

将摄像头摄取的图像与油量传感器检测到的数据时间同步，得到相同时刻油箱内燃油图像中十字光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内燃油量之间的对应关系。

进一步的，所述参考坐标系和飞机机身坐标系的原点均设置在油箱内油量最低的位置。

进一步的，获取油箱内燃油油面的图像后，对其进行图像处理，处理方法为：

根据设定阈值，将通过摄像机获取飞机燃油油箱内燃油的图像由灰度级图像转换为二进制图像；

将所述二进制图像中的线条细化至单像素；

使用中值滤波器去除图像中的斑点，得到处理后的图像。

进一步的，还包括检测油箱内燃油密度，根据燃油密度和燃油体积计算燃油质量的步骤。

一种非接触式飞机燃油油量测量系统，包括控制器和存储器，所述控制器连接有滚转角传感器和俯仰角传感器，所述存储器上存储有用于在控制器上执行的计算机程序；所述控制器还连接有激光器和摄像机；所述控制器执行所述存储器上存储的计算机程序时，执行如下非接触式飞机燃油油量测量方法：

(1)控制激光器向油箱内发射十字形探测光线；

(2)获取油箱内燃油油面的图像，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标；

(3)根据飞机的飞行姿态对油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标进行校正，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中的坐标；

(4)根据油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系，得到油箱内燃油油量的体积。

进一步的，飞机的俯仰角为α，滚转角为β，燃油液面图像中十字型光线交点在飞机机身坐标系中的坐标为(x₀，y₀，z₀)，在参考坐标系中对应的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，则：

X₀＝x₀cosα+y₀cosαsinβ+z₀sinαcosβ

Y₀＝y₀cosβ-z₀sinβ

Z₀＝-x₀sinα+y₀cosαsinβ+z₀cosαcosβ。

进一步的，油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系通过标定得到，标定方法为：

控制油箱内燃油以设定的速度放出；

在油箱内燃油放出的过程中，控制激光器向油箱内燃油液面发出十字型检测光线，并采用摄像头摄取油箱内燃油液面的图像，同时采用油量传感器检测油箱内的燃油量；

获取油箱内燃油液面图像中十字光线交点在参考坐标系中的坐标；

将摄像头摄取的图像与油量传感器检测到的数据时间同步，得到相同时刻油箱内燃油图像中十字光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内燃油量之间的对应关系。

进一步的，所述参考坐标系和飞机机身坐标系的原点均设置在油箱内油量最低的位置。

进一步的，获取油箱内燃油油面的图像后，对其进行图像处理，处理方法为：

根据设定阈值，将通过摄像机获取飞机燃油油箱内燃油的图像由灰度级图像转换为二进制图像；

将所述二进制图像中的线条细化至单像素；

使用中值滤波器去除图像中的斑点，得到处理后的图像。

进一步的，所述控制器还连接有密度传感器，密度传感器用于检测油箱内燃油的密度；所述控制器执行所述存储器上存储的计算机程序，还执行根据燃油密度和燃油体积计算燃油质量的步骤。

本发明所提供的技术方案，采用激光器与摄像机配合，根据油箱内燃油液面的图像得到油箱内燃油的油量，由于激光器和摄像机均不与燃油接触，所以不会被磨损；并且还根据飞机的飞行姿态对检测到的图像进行校正，所以得到油箱内燃油油量的体积更加准确，能够解决现有技术中在对飞机油箱内燃油油量进行检测时存在检测结果准确性较低的问题。

附图说明

图1为系统实施例中非接触式飞机燃油测量系统的结构原理图；

图2为系统实施例中计算飞机燃油油箱燃油量方法的流程图；

图3为系统实施例中获取的飞机燃油油箱内燃油图像；

图4为系统实施例中对飞机燃油油箱内燃油图像进行图像处理的流程图；

图5为系统实施例中图像处理后飞机燃油油箱内燃油图像；

图6为系统实施例中标定时获取的飞机燃油油箱内燃油图像。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。

系统实施例：

本实施例所提供的非接触式飞机燃油测量系统，其结构如图1所示，在飞机燃油油箱1的顶部设置有激光器2、摄像机3、滚转角传感器4和俯仰角传感器5，控制器连接激光器2的控制端，并连接摄像机3、滚转角传感器4、俯仰角传感器5信号输出端；控制器还连接有存储器，存储器上存储有用于在控制器上执行的计算机程序，控制器执行该计算机程序时，根据摄像机3、滚转角传感器4和俯仰角传感器5采集到的数据，实现非接触式飞机燃油油量测量方法，计算出飞机燃油箱内的燃油量。

为了保证获取的燃油油箱内燃油图像的清晰度，本实施例中激光器采用的是型号为MITSUBISHI LVP-S50UX型LCD高亮投影仪，其亮度达到1000流明，图像分辨率达到1024×768像素，能够达到较高的清晰度。摄像机采用的是CCD相机型号为敏通MTV-1881EX，为高灵敏度黑白摄像机。

本实施例所提供的非接触式飞机燃油测量系统，其中控制器执行存储器上存储的计算机程序时，实现的非接触式飞机燃油油量测量方法的流程如图2所示，包括如下步骤：

(1)控制激光器2向燃油发出探测光；本实施例中激光器2发出的探测光为十字线性光。

(2)通过摄像机3获取飞机燃油油箱内燃油液面的图像。

获取到飞机燃油油箱内燃油的图像后，如图3所示，为了保证改图像的清晰度，需要对其进行图像处理，处理的流程如图4所示，具体为：

根据设定阈值，将通过摄像机3获取飞机燃油油箱内燃油的图像由灰度级图像转换为二进制图像；

将图像中的线条细化至单像素；

使用中值滤波器去除图像中的斑点，得到清晰的图像，如图5所示。

(3)根据飞机燃油油箱内燃油图像中计算出飞机燃油油箱内的燃油量。

计算飞机燃油油箱内燃油量的具体方法为：

根据飞机燃油油箱内燃油液面图像中十字型光线交点在飞机机身坐标系中的坐标，得到其在参考坐标系中的坐标，具体方法为：

设根据滚转角传感器4和俯仰角传感器5检测到当前时刻飞机的俯仰角为α，滚转角为β，若飞机机身坐标系中点的坐标为(x,y,z)，该点在参考坐标系中的坐标为(X,Y,Z)，则两者之间的关系为：

X＝xcosα+ycosαsinβ+zsinαcosβ

Y＝ycosβ-zsinβ

Z＝-xsinα+ycosαsinβ+zcosαcosβ

因此，当检测出当前时刻油箱内燃油液面图像中十字型光线交点在飞机机身坐标系中的坐标为(x₀，y₀，z₀)时，设其在参考坐标系中对应的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，则：

X₀＝x₀cosα+y₀cosαsinβ+z₀sinαcosβ

Y₀＝y₀cosβ-z₀sinβ

Z₀＝-x₀sinα+y₀cosαsinβ+z₀cosαcosβ

根据飞机燃油油箱内燃油液面图像中十字型光线在参考坐标系中的坐标与油箱内燃油量之间的对应关系得到油箱内燃油油量的体积。

控制器还连接有油量显示面板，当控制器计算出油箱内燃油的油量后，将其显示在油量显示面板上。

飞机燃油油箱内燃油液面图像中十字型光线在参考坐标系中的坐标与油箱内燃油量之间的对应关系通过标定得到，标定的方法为：

打开油箱的出油孔，控制油箱内燃油以设定的速度放出；打开出油孔的操作可以由人工操作，也可用控制器控制其自动打开；

在油箱内燃油放出的过程中，控制激光器向油箱内燃油液面发出十字型检测光线，并采用摄像头摄取油箱内燃油液面的图像，如图6所示，同时采用油量传感器检测油箱内的燃油量；

获取油箱内燃油液面图像中十字光线交点在参考坐标系中的坐标；获取图像中的点在坐标系中的坐标属于现有技术，这里不多做说明；

将摄像头摄取的图像与油量传感器检测到的数据时间同步，得到相同时刻油箱内燃油图像中十字光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内燃油量之间的对应关系。

在计算油箱内燃油油量时，首先获取飞机的飞行姿态，然后根据飞机的飞行姿态对获取的燃油液面图像中十字型光线交点的坐标进行校正，得到燃油液面图像中十字型光线交点在参考坐标系中的坐标，最后根据油箱内燃油图像中十字光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内燃油量之间的对应关系得到油箱内燃油的油量。

为了简化对油箱内燃油量的计算，本实施例中将参考坐标系和飞机机身坐标系的原点都设置在油箱内油量最低的位置，即当飞机油箱内油量达到最低时，燃油液面图像中十字型光线交点在参考坐标系和飞机机身坐标系中的坐标均为(0,0,0)，此时计算出的燃油液面图像中十字型光线交点在参考坐标系中Z轴上的坐标即为燃油在油箱内的深度，此时：

由于参考坐标系和飞机机身坐标系的原点都设置在油箱内油量最低的位置，因此上式可简化为：

可得

Z₀＝z₀cosαcosβ

再结合飞机油箱的长度和宽度，即可计算出油箱内的燃油量：

设飞机油箱的长度为l，宽度为d，则油箱内的燃油体积V为：

V＝Z₀*l*d

为了由于飞机飞行过程中油箱的温度会发生变化，燃油的温度也会发生变化，因此为了获取飞机内燃油的质量T，本实施例中控制器还连接有密度传感器6，密度传感器6设置在油箱内，用于以检测油箱内燃油的密度ρ，控制器根据如下公式计算出油箱内燃油的质量T：

T＝V*ρ。

控制器获取油箱内燃油的质量后，将其显示在油量显示面板上。

方法实施例：

本实施例提供一种非接触式飞机燃油油量测量方法，与上述系统实施例中控制器执行存储器上计算机程序时实现的非接触式飞机燃油油量测量方法相同。

Claims (8)

1.一种非接触式飞机燃油油量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)控制激光器向油箱内发射十字形探测光线；

(2)获取油箱内燃油油面的图像，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标；

(3)根据飞机的飞行姿态对油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在飞机机身坐标系中的坐标进行校正，得到油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中的坐标；

(4)根据油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系，得到油箱内燃油油量的体积。

2.根据权利要求1所述的非接触式飞机燃油油量测量方法，其特征在于，飞机的俯仰角为α，滚转角为β，燃油液面图像中十字型光线交点在飞机机身坐标系中的坐标为(x₀，y₀，z₀)，在参考坐标系中对应的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，则：

X₀＝x₀cosα+y₀cosαsinβ+z₀sinαcosβ

Y₀＝y₀cosβ-z₀sinβ

Z₀＝-x₀sinα+y₀cosαsinβ+z₀cosαcosβ。

3.根据权利要求1所述的非接触式飞机燃油油量测量方法，其特征在于，油箱内燃油油面图像中十字形光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内油量之间的对应关系通过标定得到，标定方法为：

控制油箱内燃油以设定的速度放出；

在油箱内燃油放出的过程中，控制激光器向油箱内燃油液面发出十字型检测光线，并采用摄像头摄取油箱内燃油液面的图像，同时采用油量传感器检测油箱内的燃油量；

获取油箱内燃油液面图像中十字光线交点在参考坐标系中的坐标；

将摄像头摄取的图像与油量传感器检测到的数据时间同步，得到相同时刻油箱内燃油图像中十字光线交点在参考坐标系中坐标与油箱内燃油量之间的对应关系。

4.根据权利要求1所述的非接触式飞机燃油油量测量方法，其特征在于，所述参考坐标系和飞机机身坐标系的原点均设置在油箱内油量最低的位置。

5.根据权利要求1所述的非接触式飞机燃油油量测量方法，其特征在于，获取油箱内燃油油面的图像后，对其进行图像处理，处理方法为：

根据设定阈值，将通过摄像机获取飞机燃油油箱内燃油的图像由灰度级图像转换为二进制图像；

将所述二进制图像中的线条细化至单像素；

使用中值滤波器去除图像中的斑点，得到处理后的图像。

6.根据权利要求1所述的非接触式飞机燃油油量测量方法，其特征在于，还包括检测油箱内燃油密度，根据燃油密度和燃油体积计算燃油质量的步骤。

7.一种非接触式飞机燃油油量测量系统，包括控制器和存储器，所述控制器连接有滚转角传感器和俯仰角传感器，所述存储器上存储有用于在控制器上执行的计算机程序；其特征在于，所述控制器还连接有激光器和摄像机；所述控制器执行所述存储器上存储的计算机程序时，执行如权利要求1-5任意一项所述的非接触式飞机燃油油量测量方法。

8.根据权利要求7所述的非接触式飞机燃油油量测量系统，其特征在于，所述控制器还连接有密度传感器，密度传感器用于检测油箱内燃油的密度；所述控制器执行所述存储器上存储的计算机程序，还执行根据燃油密度和燃油体积计算燃油质量的步骤。

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