CN110838247B - 用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统 - Google Patents

用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统，该预警方法包括：采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速；采集飞机周围的障碍物信息，其中障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；基于飞机构型数据、转向角度及地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界；基于障碍物信息生成飞机环境图像；通过在飞机环境图像的基础上添加用于表征安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并向驾驶员显示预警图像。根据本发明的用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统，能够自动感知或监测地面的周围环境，并结合飞机自身构型数据，自动实时向飞行员发出必要的预警提示，从而能够避免飞机地面碰撞的风险。

Description

用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统
技术领域
本发明涉及飞机的机载设备，尤其涉及用于防止飞机地面碰撞的预警方法及预警系统。
背景技术
目前，飞机在起飞前或降落后的地面滑行阶段，主要依靠飞行员目视或塔台指挥，以防止飞机发生地面碰撞的事故。这种方式过于依赖相关人员的经验及判断，安全性、可靠性不够高，尤其是在机场地面有非常规情况发生时，飞行员可能无法凭经验做出最佳的判断和决策。
因此，亟需提供一种可自动感知或监测地面的周围环境，及时自动向飞行员发出必要的预警提示，有效辅助飞行员更安全、可靠地在地面滑行阶段操控飞机以防范飞机地面碰撞的预警方法及系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的飞机在起飞前或降落后的地面滑行阶段仅依赖飞行员目视或塔台指挥进行操控，安全性、可靠性不够高，有发生地面碰撞的风险的缺陷，提出一种用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了用于防止飞机地面碰撞的预警方法，其特点在于，所述预警方法包括以下步骤：
采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速；
采集飞机周围的障碍物信息，其中所述障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；
基于飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界；
基于所述障碍物信息生成飞机环境图像；
通过在所述飞机环境图像的基础上添加用于表征所述安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并向驾驶员显示所述预警图像。
根据本发明的一种实施方式，利用布置于飞机上的多个位置并具有多个朝向的传感设备采集所述障碍物信息。
根据本发明的一种实施方式，所述飞机构型数据包括飞机的前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径中的部分或全部。
根据本发明的一种实施方式，所述预警方法还包括：采集起落架前轮的轮速，并在采集地速失败的情况下在所述安全边界的计算过程中用所述轮速代替所述地速。
根据本发明的一种实施方式，计算飞机的安全边界的步骤包括：
基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内不变的条件下，计算飞机的第一安全边界；
基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内以预设的合理变化率变化的条件下，计算飞机的第二安全边界。
根据本发明的一种实施方式，所述预警方法中预设有对应于多个风险等级的多个碰撞风险反应时间，据此计算得出所述多个风险等级分别对应的多个安全边界；以及
在所述预警图像中，对对应于多个风险等级的各个安全边界和/或处于各个安全边界以内的障碍物分别添加各自不同的标示。
根据本发明的一种实施方式，所述预警方法还包括：
响应于飞机的起落架系统发出表征飞机在地面的轮载信号，开始采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速，以及开始采集飞机周围的障碍物信息。
根据本发明的一种实施方式，所述传感设备包括分别布置于机头、翼尖、起落架前轮和平尾处的测距传感器及图像传感器，布置于各处的所述测距传感器及所述图像传感器均包括朝向飞机前方及朝向飞机两侧的测距传感器及图像传感器。
本发明还提供了一种用于防止飞机地面碰撞的预警系统，其特点在于，所述预警系统包括：
起落架监测装置，其被配置为能够采集飞机的起落架前轮的转向角度及轮速，并将采集到的所述转向角度数据及所述轮速数据发送至安全边界计算模块；
惯性导航装置，其被配置为能够采集飞机的地速并将所述地速数据发送至所述安全边界计算模块；
飞机构型模块，其存储有飞机构型数据；
安全边界计算模块，其被配置为能够接收所述飞机构型数据，所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界，随后将计算得到的所述安全边界发送至所述预警图像合成模块；
布置于飞机上的多个位置并具有多个朝向的传感设备，所述传感设备被配置为能够采集飞机周围的障碍物信息，并将所述障碍物信息发送至环境图像生成模块，其中所述障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；
环境图像生成模块，其被配置为能够基于所述障碍物信息生成飞机环境图像并将其发送至所述预警模块；以及
预警装置，其被配置为能够通过在所述飞机环境图像的基础上添加用于表征所述安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并显示所述预警图像。
根据本发明的一种实施方式，所述飞机构型数据包括飞机的前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径中的部分或全部。
根据本发明的一种实施方式，所述安全边界计算模块还被配置为能够在未收到实时的地速的情况下，基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述轮速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算所述安全边界并将其发送至所述预警图像合成模块。
根据本发明的一种实施方式，所述安全边界计算模块被配置为能够基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内不变的条件下，计算飞机的第一安全边界，以及，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内以预设的合理变化率变化的条件下，计算飞机的第二安全边界。
根据本发明的一种实施方式，所述安全边界计算模块预设有对应于多个风险等级的多个碰撞风险反应时间，并进一步被配置为能够据此计算得出所述多个风险等级分别对应的多个所述安全边界；
所述预警装置还被配置为能够在所述预警图像中对对应于多个风险等级的各个安全边界和/或处于各个安全边界以内的障碍物分别添加各自不同的标示。
根据本发明的一种实施方式，所述起落架监测装置还被配置为监测飞机是否落地并且在监测到飞机落地时，开启所述安全边界计算模块、所述传感设备、所述环境图像生成模块以及所述预警装置。
根据本发明的一种实施方式，所述传感设备包括分别布置于机头、翼尖、起落架前轮和平尾处的测距传感器及图像传感器，其中布置于各处的所述测距传感器及所述图像传感器均包括朝向飞机前方及朝向飞机两侧的测距传感器及图像传感器。
根据本发明的一种实施方式，所述预警装置还被配置为能够在所述安全边界内存在障碍物的情况下发出报警声。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的用于防止飞机地面碰撞的预警方法及系统，能够自动感知或监测地面的周围环境，并结合飞机自身构型数据，自动实时向飞行员发出必要的预警提示，从而能够有效辅助飞行员更安全、可靠地在地面滑行阶段操控飞机，避免飞机地面碰撞的风险。
附图说明
图1为根据本发明的较佳实施方式的用于防止飞机地面碰撞的预警方法的流程图。
图2为根据本发明的较佳实施方式的用于防止飞机地面碰撞的预警方法中采用的飞机构型数据的示意图。
图3为根据本发明的较佳实施方式的用于防止飞机地面碰撞的预警方法中所显示出的包含安全边界的预警图像的示意图，该示例中前轮的转向角度为零。
图4为根据本发明的较佳实施方式的用于防止飞机地面碰撞的预警方法中所显示出的包含安全边界的预警图像的示意图，该示例中前轮的转向角度大约为45°。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
如图1所示，根据本发明的较佳实施方式的用于防止飞机地面碰撞的预警方法，其包括以下步骤：
采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速；
采集飞机周围的障碍物信息，其中障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；
基于飞机构型数据、转向角度及地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界；
基于障碍物信息生成飞机环境图像；
通过在飞机环境图像的基础上添加用于表征安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并向驾驶员显示预警图像。
其中，举例来说，可采用布置于飞机上的适当位置的多个本体测距传感器和多个本体视频传感器对飞机周围的障碍物信息进行采集。其中，多个本体测距传感器和多个本体视频传感器可分别布置于多个位置并具有多个朝向。
根据本发明的一些优选实施方式，本体测距传感器可分别安装在飞机的前轮、机头、翼尖和平尾，并用于探测飞机与周围障碍物的距离，本体视频传感器也可分别安装在前轮、机头、翼尖和平尾，用于采集飞机周围的图像信息。考虑到飞机落地后的地面滑行的运动特点，布置于各处的本体测距传感器及本体图像传感器均包括朝向飞机前方及朝向飞机两侧的本体测距传感器及本体图像传感器，从而较为全面地在生成的环境图像中直观反映出飞机前方及两侧的环境。
根据本发明的一些优选实施方式，飞机构型数据包括飞机的前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径。这是考虑到，对于绝大多数飞机而言，前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径可决定飞机在地面滑行过程中整个机身所可能到达或者占据的区域，因而，结合这些飞机构型数据可较准确地对飞机潜在的地面碰撞风险边界进行估算，同时又无需大量运算。
根据本发明的一些优选实施方式，预警方法中预设有对应于多个风险等级的多个碰撞风险反应时间，据此计算得出多个风险等级分别对应的多个安全边界；以及
在预警图像中，对对应于多个风险等级的各个安全边界和/或处于各个安全边界以内的障碍物分别添加各自不同的标示。
根据本发明的一些优选实施方式，预警方法还包括：
响应于飞机的起落架系统发出表征飞机在地面的轮载信号，开始采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速，以及开始采集飞机周围的障碍物信息。
根据本发明的一些优选实施方式，预警方法还包括：采集起落架前轮的轮速，并在采集地速失败的情况下在安全边界的计算过程中用轮速代替地速。
以下结合图2-4对根据本发明的上述优选实施方式的用于防止飞机地面碰撞的预警方法的一个应用实例，对其中安全边界的计算作举例说明。
参考图2所示的一种型号的飞机1包括起落架前轮11和起落架主轮15，如图所示地，其前轮11的最小转弯半径为R1、机头12的最小转弯半径为R2、翼尖13的最小转弯半径为R3，平尾14的最小转弯半径为R4。
当飞机降落至地面，通过接收起落架系统发出轮载信号，上述预警方法所涉及的各个装置诸如传感器等使能，并获取起落架系统发出的前轮转向角度和轮速，惯性基准系统发出的地速。其中，在后续计算过程中，地速的优先级大于轮速，如果地速丢失，则用轮速代替其进行计算。
读取飞机构型模块数据得到飞机的前轮11的最小转弯半径R1、机头12的最小转弯半径R2、翼尖13的最小转弯半径R3和平尾14的最小转弯半径R4，取其中的极大值Rs，即，Rs＝max(R1,R2,R3,R4)。
然后，可根据以下公式(1)-(3)分别计算低碰撞风险的边界、可能有潜在碰撞风险的边界以及高碰撞风险的边界：
L1＝Rs+v*t1 (1)；
L2＝Rs+v*t2 (2)；
L3＝Rs+v*t2 (3)；
其中，t1、t2、t3分别为预设的、对应于上述三个风险等级的三个碰撞风险反应时间，v为飞机地速，L1、L2、L3依次分别为对应于上述三个风险等级的安全距离门限值。
根据飞机的起落架前轮的转向角度，可估算飞机的运行轨迹，结合该运行轨迹和风险等级的安全距离门限值L1、L2、L3，即可分别计算并在显示装置2上显示出低碰撞风险的边界B1、可能有潜在碰撞风险的边界B2以及高碰撞风险的边界B3。可选地，可在显示装置2上显示飞机自身及周围环境的基础上，以不同的颜色分别描绘上述三个风险等级对应的边界B1、B2、B3。其中，图3示例性地示出了在前轮的转向角度为零时，在显示装置2上显示的飞机自身及描绘的边界B1、B2、B3，图4则示例性地示出了在前轮的转向角度不为零(诸如为45°)时，在显示装置2上显示的飞机自身及描绘的边界B1、B2、B3。
在此基础上，根据采集得到的障碍物信息，可至少将位于上述三种边界B1、B2、B3以内的预警区域3内的障碍物直观显示在显示装置2上，以图像或者视频显示的方式向机组人员提供直观的视觉预警。
可选地，也可根据低碰撞风险的边界B1、可能有潜在碰撞风险的边界B2以及高碰撞风险的边界B3以内的预警区域3分别是否有障碍物的不同情形，提供声音告警或者语音告警，以进一步提高安全性。
根据本发明的另外一些优选实施方式，计算飞机的安全边界的步骤也可包括：
基于飞机构型数据、转向角度及地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在转向角度在碰撞风险反应时间内不变的条件下，计算飞机的第一安全边界；
基于飞机构型数据、转向角度及地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在转向角度在碰撞风险反应时间内以预设的合理变化率变化的条件下，计算飞机的第二安全边界。
由此，可对于飞机未来短时间内可能的转向可能引发的碰撞风险进行提前预警。
根据本发明的一些优选实施方式还提供了用于防止飞机地面碰撞的预警系统，该预警系统包括：
起落架监测装置，其被配置为能够采集飞机的起落架前轮的转向角度及轮速，并将采集到的转向角度数据及轮速数据发送至安全边界计算模块；
惯性导航装置，其被配置为能够采集飞机的地速并将地速数据发送至安全边界计算模块；
飞机构型模块，其存储有飞机构型数据；
安全边界计算模块，其被配置为能够接收飞机构型数据，转向角度及地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界，随后将计算得到的安全边界发送至预警图像合成模块；
布置于飞机上的多个位置并具有多个朝向的传感设备，传感设备被配置为能够采集飞机周围的障碍物信息，并将障碍物信息发送至环境图像生成模块，其中障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；
环境图像生成模块，其被配置为能够基于障碍物信息生成飞机环境图像并将其发送至预警模块；以及
预警装置，其被配置为能够通过在飞机环境图像的基础上添加用于表征安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并显示预警图像。
其中，优选地，飞机构型数据包括飞机的前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径中的部分或全部。
根据本发明的一些优选实施方式，安全边界计算模块还被配置为能够在未收到实时的地速的情况下，基于飞机构型数据、转向角度及轮速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算安全边界并将其发送至预警图像合成模块。
根据本发明的一些优选实施方式，安全边界计算模块被配置为能够基于飞机构型数据、转向角度及地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在转向角度在碰撞风险反应时间内不变的条件下，计算飞机的第一安全边界，以及，在转向角度在碰撞风险反应时间内以预设的合理变化率变化的条件下，计算飞机的第二安全边界。
根据本发明的一些优选实施方式，安全边界计算模块预设有对应于多个风险等级的多个碰撞风险反应时间，并进一步被配置为能够据此计算得出多个风险等级分别对应的多个安全边界；
预警装置还被配置为能够在预警图像中对对应于多个风险等级的各个安全边界和/或处于各个安全边界以内的障碍物分别添加各自不同的标示。
根据本发明的一些优选实施方式，起落架监测装置还被配置为监测飞机是否落地并且在监测到飞机落地时，开启安全边界计算模块、传感设备、环境图像生成模块以及预警装置。
根据本发明的一些优选实施方式，传感设备包括分别布置于机头、翼尖、起落架前轮和平尾处的测距传感器及图像传感器，其中布置于各处的测距传感器及图像传感器均包括朝向飞机前方及朝向飞机两侧的测距传感器及图像传感器。
根据本发明的一些优选实施方式，预警装置还被配置为能够在安全边界内存在障碍物的情况下发出报警声。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于防止飞机地面碰撞的预警方法，其特征在于，所述预警方法包括以下步骤：
采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速；
采集飞机周围的障碍物信息，其中所述障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；
基于飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界；
基于所述障碍物信息生成飞机环境图像；
通过在所述飞机环境图像的基础上添加用于表征所述安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并向驾驶员显示所述预警图像；
其中，计算飞机的安全边界的步骤包括：
基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内不变的条件下，计算飞机的第一安全边界；
基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内以预设的合理变化率变化的条件下，计算飞机的第二安全边界。
2.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于，利用布置于飞机上的多个位置并具有多个朝向的传感设备采集所述障碍物信息。
3.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于，所述飞机构型数据包括飞机的前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径中的部分或全部。
4.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于，所述预警方法还包括：采集起落架前轮的轮速，并在采集地速失败的情况下在所述安全边界的计算过程中用所述轮速代替所述地速。
5.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于，所述预警方法中预设有对应于多个风险等级的多个碰撞风险反应时间，据此计算得出所述多个风险等级分别对应的多个安全边界；以及
在所述预警图像中，对对应于多个风险等级的各个安全边界和/或处于各个安全边界以内的障碍物分别添加各自不同的标示。
6.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于，所述预警方法还包括：
响应于飞机的起落架系统发出表征飞机在地面的轮载信号，开始采集飞机的起落架前轮的转向角度以及飞机的地速，以及开始采集飞机周围的障碍物信息。
7.如权利要求2所述的预警方法，其特征在于，所述传感设备包括分别布置于机头、翼尖、起落架前轮和平尾处的测距传感器及图像传感器，布置于各处的所述测距传感器及所述图像传感器均包括朝向飞机前方及朝向飞机两侧的测距传感器及图像传感器。
8.一种用于防止飞机地面碰撞的预警系统，其特征在于，所述预警系统包括：
起落架监测装置，其被配置为能够采集飞机的起落架前轮的转向角度及轮速，并将采集到的所述转向角度数据及所述轮速数据发送至安全边界计算模块；
惯性导航装置，其被配置为能够采集飞机的地速并将所述地速数据发送至所述安全边界计算模块；
飞机构型模块，其存储有飞机构型数据；
安全边界计算模块，其被配置为能够接收所述飞机构型数据，所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算飞机的安全边界，随后将计算得到的所述安全边界发送至所述预警图像合成模块；
布置于飞机上的多个位置并具有多个朝向的传感设备，所述传感设备被配置为能够采集飞机周围的障碍物信息，并将所述障碍物信息发送至环境图像生成模块，其中所述障碍物信息包括距离信息、方向信息和图像信息；
环境图像生成模块，其被配置为能够基于所述障碍物信息生成飞机环境图像并将其发送至所述预警模块；以及
预警装置，其被配置为能够通过在所述飞机环境图像的基础上添加用于表征所述安全边界的虚拟图像，形成预警图像，并显示所述预警图像；
其中，所述安全边界计算模块还被配置为能够基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述地速，并结合预设的碰撞风险反应时间，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内不变的条件下，计算飞机的第一安全边界，以及，在所述转向角度在所述碰撞风险反应时间内以预设的合理变化率变化的条件下，计算飞机的第二安全边界。
9.如权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述飞机构型数据包括飞机的前轮、机头、翼尖和平尾的最小转弯半径中的部分或全部。
10.如权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述安全边界计算模块还被配置为能够在未收到实时的地速的情况下，基于所述飞机构型数据、所述转向角度及所述轮速，并结合预设的碰撞风险反应时间，计算所述安全边界并将其发送至所述预警图像合成模块。
11.如权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述安全边界计算模块预设有对应于多个风险等级的多个碰撞风险反应时间，并进一步被配置为能够据此计算得出所述多个风险等级分别对应的多个所述安全边界；
所述预警装置还被配置为能够在所述预警图像中对对应于多个风险等级的各个安全边界和/或处于各个安全边界以内的障碍物分别添加各自不同的标示。
12.如权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述起落架监测装置还被配置为监测飞机是否落地并且在监测到飞机落地时，开启所述安全边界计算模块、所述传感设备、所述环境图像生成模块以及所述预警装置。
13.如权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述传感设备包括分别布置于机头、翼尖、起落架前轮和平尾处的测距传感器及图像传感器，其中布置于各处的所述测距传感器及所述图像传感器均包括朝向飞机前方及朝向飞机两侧的测距传感器及图像传感器。
14.如权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述预警装置还被配置为能够在所述安全边界内存在障碍物的情况下发出报警声。
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