CN112185180B - 一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法，其包括着陆点选择模块，着陆区域引导模块，三维着陆地标模块和数据融合模块；着陆点选择模块用于着陆选择阶段，为飞行员提供一种自主选择着陆点的人机交互接口；着陆区引导模块用于着陆引导阶段，为飞行员提供视觉显著的着陆区提示以及着陆进场的路径引导；三维着陆地标模块用于降落着陆阶段，为飞行员提供着陆过程中的空间位置参考；数据融合模块，激光雷达数据以8*8网格的形式与三维着陆地标融合显示，增强视觉线索受限情况下飞行员的着陆区环境感知能力。本发明清晰、直观、便于理解，辅助直升机的安全着陆。

Description

一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法

技术领域

本发明属于机载信息处理、合成视觉技术领域，涉及一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法。

背景技术

着陆是旋翼直升机的常规操作，也是事故的频发阶段，尤其是在土质松散的环境或者积雪环境中，当直升机垂直下降到接近地面的位置，下洗气流会引起严重的扬尘或者雪盲现象，导致飞行员丢失了外部视觉参考线索，仅靠可视飞行规则，并不能够全面的认知着陆区宏观环境，面对潜在的着陆威胁(如草地、积雪覆盖的大坑、凸起的障碍等)，如果飞行员据此做出错误的选择和操作，将严重威胁着自身的飞行安全，甚至导致机毁人亡。

现代化的合成视觉技术提供了全天候的外部飞行场景，另外借助成像激光雷达的穿透能力，实时感知着陆区域环境，基于合成视觉技术构造虚拟三维着陆地标，并将其与激光雷达数据融合处理，达到虚与实融合显示，可增强直升机在着陆过程的态势感知能力，提升直升机光电系统智能化处理能力。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种清晰、直观、便于理解的三维着陆地标，辅助旋翼直升机安全着陆，能够为飞行员提供着陆点的位置信息、着陆点的路径引导信息、着陆区域的地形起伏状况以及着陆过程中飞行状态信息等。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆系统，其包括着陆点选择模块，着陆区域引导模块，三维着陆地标模块和数据融合模块。

所述着陆选择器模块，用于着陆选择阶段，旨在为飞行员提供一种自主选择着陆点的人机交互接口，包括载机着陆范围指示，载机着陆点位置，预设着陆方位控制器和着陆方位指示仪。所述载机着陆范围指示，通过半径为10米的线型圆表示；所述载机着陆点位置，通过十字交叉点表示；所述着陆方位控制器为实心圆锥，在十字线的延长线与着陆区范围指示圆相交的四个位置各放置一个，通过拖拽的方式控制预设着陆方位，拖动实心圆锥可使得着陆区范围绕其圆心旋转，拖动过程为激活状态，圆锥以红色高亮显示。所述方位指示，通过折线表示，颜色为黄色，折线的内角为30度，平铺于着陆范围内，折线的箭头指示着陆进场的方位。

所述着陆区引导模块，用于着陆引导阶段，包括着陆位置引导及进场路径引导，所述着陆位置引导由着陆标靶、着陆方位指示仪和着陆标杆组成。着陆标靶为圆形气泡式符号，半径为5米，由着陆标杆连接起来，位于着陆选择器模块十字中心正上方200米处，圆形气泡始终面向飞行员的视点，便于及时感知着陆位置，起到引导的作用；方位指示符号为线框形子弹头样式，内嵌于着陆标靶气泡正中心，绕圆心可旋转，子弹头所指方向为预期着陆进场方位，当直升机距离载机着陆点位置大于800米时，着陆标靶的高度始终为200米，当直升机距离载机着陆点位置小于800米时，着陆标靶的高度与直升机的飞行高度动态保持一致；所述进场路径引导由一系列折线组成，折线角度120度，折线间距15米，折线的方向指示飞行路径，结合路径规划算法，将折线映射到地形表面，形成路径引导符号，引导直升机飞行至目标着陆区附近。

所述着陆地标辅助模块，用于着陆开始阶段，旨在为飞行员提供着陆过程中的空间参考，包括目标着陆区、着陆区中心点、载机着陆区、相对安全区、着陆区地形表面、着陆参考大三棱柱、着陆参考小三棱柱和着陆高度仪。所述目标着陆区为40米*40米正方形线框；所述着陆区中心点由垂直相交的十字组成，十字中心位于目标着陆区几何中心；所述载机着陆区为直升机期望的着陆位置，由半径为20米的圆和以圆心为中心的十字组成；所述相对安全区为40米*40米着陆区的内接圆，底色为绿色，透明度为50％，用于凸显整个着陆区的相对安全区域，相对安全是指在该区域内具有完整的着陆地形数据，超过该区域会面临不确定的地形状况，相对安全区在外部线索正常的情况下默认不显示，在视觉线索受限的情况可手动触发显示；所述着陆参考大三棱柱和着陆参考小三棱柱，旨在提供着陆期间的空间信息参考；所述着陆高度指示仪，用于显示直升机距离地面的垂直距离。

所述数据融合模块，旨在为飞行员提供视觉线索受限情况下着陆区地形起伏概貌，所述的数据融合是指激光雷达数据与着陆地标的融合，融合的过程是：以着陆区十字中心和着陆方位为参考点，以着陆区域为边界，5米等间距采样激光雷达数据，共采样81个目标点的高度值，将高度值与采样点经纬度坐标转换为空间直角坐标系坐标，动态绘制8*8网格，融合处理，用于表示地形的起伏概貌。

本发明还提供一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法，包括以下步骤：

步骤201：飞行员启动着陆降落程序；

步骤202：飞行员通过着陆选择器101初始化定位预期着陆点和着陆进场方位角；

步骤203：在着陆选择器101锁定之后，着陆区引导模块102随即显示着陆点定位符号集(着陆标靶401，着陆方位指示402和着陆标杆403)和路径引导符号404；

步骤204：重复计算当前直升机位置与着陆点之间的距离，如果距离大于500米，利用着陆标靶401和路径引导符号404继续引导飞机飞行，如果距离小于500米，则显示初始状态的三维着陆地标，此时，着陆标靶401的高度与直升机的飞行高度保持一致，且着陆标靶401始终面向飞行员视角；

步骤205：初始状态下，三维着陆地标几何中心502与着陆选择器101中心302重合，方位一致；

步骤206：飞行员判断着陆区域目视线索是否正常，在目视环境下，使用电视或红外传感器数据结合三维着陆地标辅助降落；如果目视线索受限，则系统采样处理先验激光雷达数据，与三维着陆地标融合处理，动态生成目标着陆区的地形网格，辅助着陆；

步骤207：激光雷达数据处理，激光雷达数据是距离着陆进场50～100米处预先扫描着陆区并保存的数据，激光雷达具有扬尘、积雪、雾等障碍物的穿透能力，主要应对电视或红外传感器失效飞行员无法感知着陆区地面起伏状况，通过对激光雷达数据采样，动态绘制地形网格，模拟视觉线索受限情况下的地形起伏概况，与步骤208进行融合处理后，辅助降落着陆；

步骤208：三维着陆地标辅助降落，在着陆降落期间提供直升机的空间方位、地面高度、着陆点位置和着陆区地形表面等参考信息；

步骤209：飞行员参考三维着陆地标降落着陆。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法，可应用于复杂环境下、未知区域的紧急着陆，着陆地标生动、形象的展示了着陆飞行过程和着陆过程需要注意的细节。据此设计飞行员可以及时的判断所选择着陆地点是否符合着陆要求，避免未知风险的硬着陆。另外，借助于激光雷达传感器的实时感知能力，增强了着陆区域的可信度，弥补了地形数据库具有时效性的缺点。本发明应用在合成视觉的基础上可以显著增强着陆期间飞行员的环境感知能力，减少飞行员的着陆压力，提升直升机的快速作战力。

附图说明

图1为三维着陆地标体系组成图。

图2为三维着陆地标辅助降落着陆过程图。

图3为着陆选择器示意图。

图4为着陆位置引导和进场路径引导示意图。

图5为三维着陆地标示意图。

图6为融合激光雷达数据后三维着陆地标示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明首先提供一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆系统，该系统包括着陆选择器模块101、着陆区引导模块102、三维着陆地标模块103和数据融合模块104。

图2说明了三维着陆地标辅助降落着陆过程示意图。

步骤201：飞行员启动着陆降落程序；

步骤202：飞行员通过着陆选择器101初始化定位预期着陆点和着陆进场方位角；

步骤203：在着陆选择器101锁定之后，着陆区引导模块102随即显示着陆点定位符号集(着陆标靶401，着陆方位指示402和着陆标杆403)和路径引导符号404；

步骤204：重复计算当前直升机位置与着陆点之间的距离，如果距离大于500米，利用着陆标靶401和路径引导符号404继续引导飞机飞行，如果距离小于500米，则显示初始状态的三维着陆地标，此时，着陆标靶401的高度与直升机的飞行高度保持一致，且着陆标靶401始终面向飞行员视角；

步骤205：初始状态下，三维着陆地标几何中心502与着陆选择器101中心302重合，方位一致；

步骤206：飞行员判断着陆区域目视线索是否正常，在目视环境下，使用电视或红外传感器数据结合三维着陆地标辅助降落；如果目视线索受限，则系统采样处理先验激光雷达数据，与三维着陆地标融合处理，动态生成目标着陆区的地形网格，辅助着陆；

步骤207：激光雷达数据处理，激光雷达数据是距离着陆进场50～100米处预先扫描着陆区并保存的数据，激光雷达具有扬尘、积雪、雾等障碍物的穿透能力，主要应对电视或红外传感器失效飞行员无法感知着陆区地面起伏状况，通过对激光雷达数据采样，动态绘制地形网格，模拟视觉线索受限情况下的地形起伏概况，与步骤208进行融合处理后，辅助降落着陆；

步骤208：三维着陆地标辅助降落，在着陆降落期间提供直升机的空间方位、地面高度、着陆点位置和着陆区地形表面等参考信息；

步骤209：飞行员参考三维着陆地标降落着陆。

图3为着陆选择器的显示实例，所述着陆选择器包括载机着陆范围指示301，载机着陆点位置302，预设着陆方位控制器303和着陆方位指示仪304。载机着陆范围指示301，包括两种状态：激活状态为点划线形式，表示接受外部事件处理，飞行员可拖动着陆选择器到目标位置；锁定状态为实线形式，此时着陆选择器只允许进行方位调整。载机着陆点位置302为垂直相交的十字线，颜色为红色，用于指示着陆区的中心位置。预设着陆方位控制器303为实心圆锥，在十字线302的延长线与着陆区范围指示301相交的四个位置各放置一个，通过拖拽的方式控制着陆方位，拖动实心圆锥可使得着陆区范围301绕其圆心旋转，拖动过程为激活状态，圆锥以红色高亮显示，松开后即锁定。方位指示304用折线表示，颜色为黄色，折线的内角为30度，平铺于载机着陆范围指示301内，折线的箭头方向指示着陆进场的方位。

图4为着陆位置引导和进场路径引导实例，所述着陆位置引导为一符号集，包括着陆标靶401，着陆方位指示402和着陆标杆403。着陆标靶401为圆形气泡式符号，半径为5米，由着陆标杆403连接起来，位于着陆选择器模块十字中心正上方200米处；着陆方位指示符号402为线框形子弹头样式，内嵌于着陆标靶气泡中心，可绕圆心自由旋转，子弹头所指方向为预期着陆进场方位，当直升机距离载机着陆点位置302大于800米时，着陆标靶401的高度始终为200米，当直升机距离载机着陆点位置302小于800米时，着陆标靶401的高度与直升机的飞行高度动态保持一致；所述进场路径引导404由一系列折线组成，折线角度120度，折线间距15米，折线的方向指示飞行路径，结合路径规划算法，将折线映射到路径所在地形表面，形成路径引导符号，引导直升机飞行至目标着陆区附近。

图5为初始状态的三维着陆地标实例，图6为融合激光雷达数据后的三维着陆地标实例，两者之间的区别在于图6中的三维着陆地标融合了激光雷达数据，数据以动态8*8网格形式呈现。

如图5所示，初始状态的三维着陆地标，包括目标着陆区501、着陆区中心点502、着陆参考大三棱柱503、着陆参考小三角棱柱504和着陆高度指示仪505。所述目标着陆区501为40米*40米线框，表示设定的着陆区大小；所述着陆区中心点502为线框几何中心，以十字形式表示，颜色为红色；所述着陆参考大三棱柱503，由四个等腰三角形组装起来，垂直于着陆区，提供了直升机着陆期间的空间参考，其放置位置可由飞行员自主配置，三棱柱的顶角方向表示着陆方向，每个三角形之间的垂直距离为10米，大三棱柱共30米，提供着陆高度大于10米的空间信息参考；所述着陆参考小三棱柱504，由三个等腰三角形组装起来，每个三角形之间的距离为5米，小三棱柱共10米，提供着陆高度小于10米的空间信息参考；着陆高度仪505，用于显示当前直升机距离地面的高度值，当直升机距离地面高度大于30米，高度计位置不变，当直升机距离地面高度大于10米小于30米时，大三棱柱上高度计实时显示当前载机距离地面的高度信息，当直升机距离地面高度小于10米时，小三棱柱高度计激活，高度计实时显示当前载机距地面高度，当载机高度距离小于5米时，高度计颜色显示为红色，用于近地告警提示。

图6为融合激光雷达数据后的三维着陆地标实例，其在图5的基础上添加了着陆区地形表面601和相对安全区602。融合激光雷达数据是为了解决视觉受限情况下着陆的安全性，所述着陆区地形表面601，是以着陆区中心点502和着陆方位为参考信息，以着陆区域为边界，5米等间距采样激光雷达数据，将高度值与采样点经纬度坐标转换为空间直角坐标系坐标，动态绘制8*8网格，融合处理后，用于表示地形的起伏概貌。所述相对安全区602为目标着陆区501的内接圆，底色为绿色，透明度50％，用于凸显着陆区域的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆系统，其特征在于，包括着陆点选择模块，着陆区域引导模块，三维着陆地标模块和数据融合模块；着陆点选择模块用于着陆选择阶段，为飞行员提供一种自主选择着陆点的人机交互接口；着陆区引导模块用于着陆引导阶段，为飞行员提供视觉显著的着陆区提示以及着陆进场的路径引导；三维着陆地标模块用于降落着陆阶段，为飞行员提供着陆过程中的空间位置参考；数据融合模块，将激光雷达数据以8*8网格的形式与三维着陆地标融合显示，增强视觉线索受限情况下飞行员的着陆区环境感知能力；

所述着陆点 选择模块包括载机着陆范围指示、载机着陆点位置、预设着陆方位控制器和着陆方位指示仪；所述载机着陆范围指示通过线型圆表示；所述载机着陆点位置通过十字交叉点表示；所述着陆方位控制器为实心圆锥，在十字交叉线的延长线与载机着陆范围指示圆相交的四个位置各放置一个，通过拖拽的方式控制预设着陆方位，拖动实心圆锥使得载机着陆范围绕其圆心旋转，拖动过程为激活状态，圆锥高亮显示；着陆方位指示仪的方位指示通过折线表示，平铺于着陆范围内，折线的箭头指示着陆进场的方位；

所述着陆区引导模块包括着陆标靶、着陆方位指示和着陆标杆；着陆标靶为圆形气泡式，通过着陆标杆连接，位于着陆选择器模块十字中心正上方，圆形气泡面向飞行员的视点；着陆方位指示为线框形子弹头样式，内嵌于着陆标靶气泡正中心，绕圆心可旋转，子弹头所指方向为预期着陆进场方位；

所述着陆区引导模块还包括：进场路径引导，由一系列折线组成，折线的方向指示飞行路径，结合路径规划，将折线映射到地形表面，形成路径引导符号，引导直升机飞行至目标着陆区周围；

所述着陆地标辅助模块包括目标着陆区、着陆区中心点、载机着陆区、相对安全区、着陆参考大三棱柱、着陆参考小三棱柱和着陆高度仪；所述目标着陆区为方形线框；所述着陆区中心点为垂直相交的十字中心，十字中心位于目标着陆区几何中心；所述载机着陆区为直升机期望的着陆位置；所述相对安全区为目标着陆区的内接圆；所述着陆参考大三棱柱和着陆参考小三棱柱，布置在目标着陆区上，提供着陆期间的空间信息参考；所述着陆高度指示仪，布置在目标着陆区上，用于显示直升机距离地面的垂直距离；

所述数据融合模块对激光雷达数据与着陆地标融合的过程是：以着陆区十字中心和着陆方位为参考点，以着陆区域为边界，等间距采样激光雷达数据，共采样81个目标点的高度值，将高度值与采样点经纬度坐标转换为空间直角坐标系坐标，动态绘制8*8网格，融合处理，用于表示地形的起伏概貌；

所述载机着陆范围指示通过半径为10米的线型圆表示，着陆方位指示的折线的内角为30度。

2.如权利要求1所述的虚拟三维着陆地标辅助降落着陆系统，其特征在于，所述着陆标靶的圆形气泡半径为5米，位于着陆选择器模块十字中心正上方200米处；当直升机距离载机着陆点位置大于800米时，着陆标靶的高度始终为200米，当直升机距离载机着陆点位置小于800米时，着陆标靶的高度与直升机的飞行高度动态保持一致；进场路径引导的折线角度120度，折线间距15米。

3.如权利要求2所述的虚拟三维着陆地标辅助降落着陆系统，其特征在于，所述目标着陆区为40米*40米正方形线框；所述载机着陆区由半径为20米的圆和以圆心为中心的十字组成；所述相对安全区底色涂绿色，透明度为50％。

4.一种虚拟三维着陆地标辅助降落着陆方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤201：飞行员启动着陆降落程序；

步骤202：飞行员通过着陆选择器初始化定位预期着陆点和着陆进场方位角；

步骤203：在着陆选择器锁定之后，着陆区引导模块随即显示着陆点定位符号集和路径引导符号；

步骤204：重复计算当前直升机位置与着陆点之间的距离，如果距离大于500米，利用着陆标靶和路径引导符号继续引导飞机飞行，如果距离小于500米，则显示初始状态的三维着陆地标，此时，着陆标靶的高度与直升机的飞行高度保持一致，且着陆标靶始终面向飞行员视角；

步骤205：初始状态下，三维着陆地标几何中心与着陆选择器中心重合，方位一致；

步骤206：飞行员判断着陆区域目视线索是否正常，在目视环境下，使用电视或红外传感器数据结合三维着陆地标辅助降落；如果目视线索受限，则系统采样处理先验激光雷达数据，与三维着陆地标融合处理，动态生成目标着陆区的地形网格，辅助着陆；

步骤207：激光雷达数据处理，激光雷达数据是距离着陆进场50～100米处预先扫描着陆区并保存的数据，通过对激光雷达数据采样，动态绘制地形网格，模拟视觉线索受限情况下的地形起伏概况，与步骤208进行融合处理后，辅助降落着陆；

步骤208：三维着陆地标辅助降落，在着陆降落期间提供直升机的空间方位、地面高度、着陆点位置和着陆区地形表面参考信息；

步骤209：飞行员参考三维着陆地标降落着陆。

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