CN112673620B - 用于辅助驾驶飞行器的光电装备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于辅助驾驶飞行器的光电装备，所述装备包括布置在所述飞行器上的第一组(101)三个相机，用于根据由所述第一组的三个相机传送的数据来生成全景条，以及布置在所述飞行器上的第二组(102)三个相机，用于根据由所述第二组的三个相机传送的数据来生成全景条，其中诸相机中的相对于第一组和第二组的诸相机占据所述飞行器上的极限位置的至少一个相机被布置成具有水平大于垂直的视野。

Description

用于辅助驾驶飞行器的光电装备

本发明涉及用于辅助驾驶飞行器的光电装备。

本发明的背景技术

在军事领域，前视红外(FLIR)系统已知用于辅助驾驶飞行器。此类系统通常包括连接到飞行员头盔上的长波段红外(LWIR)相机，以便从相机提供的数据中导出的视频流被投影到其面罩上，从而在夜间或在困难的环境条件下为飞行员提供引导。

尤其已知的是其中相机在仰角和方位角上是可操纵的系统，其中相机指向的方向被伺服控制在飞行员的头盔所面向的方向上，以便投影到头盔面罩上的视频流与头盔所面向的方向相关。

然而，此类系统需要在头盔和相机之间安装精密的伺服控制。

结果，大约十年前，出现了被称为“分布式孔径系统”的另一类型的架构：用于辅助驾驶的系统包括分布在飞行器前部并且具有各自的视野的多个红外相机，这些视野以如下方式进行介入：使得可以从各相机所提供的数据中生成全景条。

此后，从该条中提取与飞行员的头盔所面向的方向相对应的视图，以便将相应视图投影到头盔的面罩上，从而人工地再现被伺服控制在头盔所面向的方向上的可操纵相机。

因而，此类系统使得免除复杂的相机/头盔伺服控制成为可能，并且它也是多用户的。具体而言，从全景条中提取与所存在的用户一样多的独立视图是可能的。

该系统的难点在于创建没有实质性缺陷的大尺寸全景条。因此，目前使用大量相机和/或沉重且昂贵的相机。

发明目的

本发明的目的是提出一种用于辅助驾驶飞行器的光电装备，该光电装备基于简化的分布式孔径系统。

发明简述

为了实现该目的，提供了一种用于辅助驾驶飞行器的光电装备，该装备包括布置在飞行器上的第一组三个相机，用于根据由该第一组的三个相机传送的数据来生成全景条，以及布置在飞行器上的第二组三个相机，用于根据由该第二组的三个相机传送的数据来生成全景条，其中诸相机中的相对于第一组和第二组的诸相机占据飞行器上的极限位置的至少一个相机被布置成具有水平大于垂直的视野。

结果，通过适当地转动相对于其他相机的外围相机中的至少一者，在不需要增加相机数量的情况下在方位方面增加全景条的视野是可能的，并且这样做的同时在条的中心保持在垂直上很大的视野。

这使得限制光电装备的重量和尺寸成为可能。

可任选地，两组中的六个相机中只有两个相机被布置成具有水平大于垂直的视野。

在这种情况下，所述两个相机可任选地是包围(bracket)其他四个相机的相机。

可任选地，至少两个相邻的相机以凹形配置来布置。

可任选地，布置在该六个相机的中心的两个相机交叉，使得第一组的第一相机和第二组的第一相机以凹形配置来布置，并且使得第一组的第二相机和第二组的第二相机也以凹形配置布置。

可任选地，属于各自不同组的两个相机在仰角上相对彼此偏移。

可任选地，以使得条至少部分交叠的方式来布置这两个组。

然后有利地，所述装备包括电子处理器单元，其连接到相机并且被布置成以立体方式显示这两个图像条和/或根据这两个图像条形成至少一个宽视野图像。

可任选地，第一组的相机由第一电源供电，第二组的相机由独立于第一电源的第二电源供电。

可任选地，所述装备包括其中布置有相机的至少一个块。

可任选地，相机在红外范围内工作。

可任选地，相机是LWIR类型。

可任选地，相机不被冷却。

优选地，该装备包括连接到相机和头盔的处理器单元，该头盔配备有用于显示佩戴该头盔的飞行员的眼睛可见的图像的设备。

附图说明

参照附图，依照本发明的特定非限制性实施例的如下描述，本发明将被更好地理解，附图中：

图1是本发明的特定实施例中的光电装备的示图；

图2是使用图1所示的装备创建的全景条的示图；

图3是与图2的视图类似的视图，考虑到装备的相机的视野中的畸变现象和球面几何；以及

图4是图1所示的装备的一部分的示意图。

具体实施方式

参考图1，本发明的第一实施例中的用于辅助驾驶飞行器的光电装备包括布置在飞行器上的第一组101三个相机111、112和113和以及布置在飞行器上的第二组102的三个相机114、115和116。每一组正好有三个相机，使得该装备正好有六个相机。

应当观察到，相机安装在飞行器上，而无需借助转台。

举例而言，相机可以独立地安装在飞行器上，或者相反，该装备可包括其中布置有三个相机的第一块和其中布置有其他三个相机的第二块，从而使得能够在单个步骤中一次将三个相机安装在飞行器上。在一变型中，该装备具有两组的相机都布置在其中的单个块，从而使六个相机能够在单个步骤中一次全部安装在飞行器上。相机相对于飞行器是静止的。

相机通常安装在飞行器前部的机鼻处。在这一示例中，三个相机位于飞行器机鼻的右侧，且三个相机位于飞行器机鼻的左侧。

优选地，第一组101的相机111、112和113由第一电源供电，第二组102的相机114、115和116由独立于第一电源的第二电源供电。结果，失去电源之一使得由这两个电源中的另一者供电的那一组被保留。

第一组101包括第一相机111、第二相机112和第三相机113，且第二组102包括第四相机114、第五相机115和第六相机116。在这一示例中，所有六个相机是等同的。

举例而言，这六个相机是红外相机。优选地，这六个相机是LWIR类型。这使得在LWIR波段中工作成为可能，这在飞行条件降级(夜间、风暴、大雾、……)的情况下给出更好的结果。

同样优选的是，所有六个相机未被冷却。这使得拥有较不贵且更稳健的相机成为可能。

具体而言，第一和第二相机111和112中的每一者以如下方式布置：呈现垂直(在仰角上)大于水平(在方位上)的视野，而相对于第一和第二相机111和112占据极端横向位置的第三相机113被布置成具有水平大于垂直的视野。

以对称方式，第五和第六相机115和116中的每一者被布置成具有垂直大于水平的视野，而相对于第五和第六相机115和116占据极端横向位置的第四相机114被布置成具有水平大于垂直的视野。

第三相机113和第四相机114相对于其他四个相机并且相对于飞行器的纵轴X布置得尽可能远，即尽可能远离飞行器的纵轴X。因此，第三相机113和第四相机114“包围”其他四个相机(即，它们之间有其他四个相机)。

在本示例中，并且如从飞行员的位置看到的，第三相机113位于飞行器的纵轴X的左侧且第四相机114位于右侧。

结果，通过将第三和第四相机113和114相对于其他四个相机绕其视线转动90°，非常简单地增加下面描述的相应全景条的水平视野(即，在方位上)，这适用于横向视野，同时保留了大量仰角以用于前视野。

为了进一步改善全景条的尺寸，每组101、102中的三个相机中的一个是前相机(用于前视野)，而另外两个相机是侧相机(用于侧视野)。因此，每一组都具有基本上与飞行器纵轴X对齐的一个相机以及相对于该轴倾斜的两个相机。

优选地，前相机的视线在飞行器的水平面上的投影平行于飞行器的纵轴X。横向相机的视线相对于飞行器的纵轴X倾斜。

为了进一步改善全景条的尺寸，在每一相应设定点中的两个横向相机以使得它们各自的视线相对彼此倾斜的方式进行设置。每组的横向相机之一因而具有指向右侧的视线，而同一组的另一横向相机具有指向左侧的视线，从而在飞行器的左右两侧提供视野。

通常，第二相机112和第五相机115是前相机，而其他四个相机111、113、114和116是横向相机。

优选地，为了限制全景条中的盲区，第一组101的三个相机111、112和113以使得它们的各个视野部分地、至少在无限远处交叠的方式来布置。优选地，这些交叠区在水平上占据至少1°到5°，并且对于第一条的不同区而言，交叠区可以不同。

以相同的方式，第二组102的三个相机114、115和116以使得它们的各个视野部分地、至少在无限远处交叠的方式来布置。优选地，这些交叠区在水平上占据至少1°到5°，并且对于第二条的不同区而言，交叠区可以不同。°

优选地，这两组的前相机112、115中的每一者以相对于该装备的横向相机中的与其相邻的至少一者的凹形配置来被布置。

这用于进一步限制盲区(即全景条未覆盖的区域)的任何风险，特别是对于短距离视觉而言。

在本示例中，两个布置在中央的横向相机交叉，使得第一组101的第一相机111与第二组102的第五相机115(前相机)相关联，并且使得第二组102的第六相机116与第一组101的第二相机112(也是前相机)相关联。

通常，第一相机111与第五相机115相邻并且指向第五相机115。以对称方式，第六相机116与第二相机112相邻并且指向第二相机112。

因此，第一相机111的视线指向第五相机115的视线，并且第六相机116的视线指向第二相机112的视线。

因此，图4示出了装备的两个块之一，其中第二相机112和第六相机116处于凹形配置中，第三相机113也是可见的。

从飞行员的观点来看，相机是从左到右如下布置的：

·第三相机113，其是指向左侧的具有水平大于垂直的视野的横向相机；

·第二相机112，其是前相机；

·第六相机116，其是横向相机且指向左侧；

·第一相机111，其是横向相机且指向右侧；

·第五相机115，其是前相机；以及

·第四相机114，其是指向右侧的具有水平大于垂直的视野的横向相机；

因此，每一前相机都被包围以位于属于相应不同组的两个横向相机之间。此外，在飞行器纵轴的任一侧，有一个前相机和两个横向相机(左侧的第三、第二和第六相机113、112和116，右侧的第一、第五和第四相机111、115和114)。飞行器左侧的两个横向相机113和116都指向左侧，飞行器右侧的两个横向相机111和114都指向右侧。

因此，相机相对于飞行器的纵轴X对称分布。

具体而言，两个前相机112和115在仰角(而不是方位)上彼此偏移。因此，尽管两个前相机112和115的视线在飞行器的水平面上的投影是平行的，但是两个前相机112和115的视线在飞行器的垂直面上的投影是相对彼此倾斜的。

这使得可以增加由两组101和102覆盖的垂直视野。通常，两个前相机112、115的视线在1°到10°的范围内偏移(在仰角上但不在方位上)，并且优选在3°到5°的范围内偏移。

优选地，前相机的视线在飞行器的纵向平面上的投影平行于飞行器的纵轴X。横向相机的视线相对于飞行器的纵轴X倾斜。

该光电装备还包括计算机类型的电子处理器单元103，其连接到第一组101的三个相机111、112和113以基于第一组101的三个相机111、112和113传送的数据来生成第一全景条104，以及还连接到第二组102的三个相机114、115、116以根据第二组102的三个相机114、115和116传送的数据来生成第二全景条105。处理器单元103布置在飞行器内部，并且它被连接到安装在飞行员头盔上的图像投影设备，以将图像投影到飞行员每只眼睛前面的头盔面罩上，如下所述。这一类型的头盔本身是已知的并且在此不再详细描述。

因此，定义对应于叠加第一条104和第二条105的通用全景条是可能的，如图2中的粗体框所示。图3是比图2更少图解的视图，因为它考虑了视野的畸变和球面几何。

在本示例中，提供图2和图3以便于理解所描述的实施例，但事实上并且如下所述，处理器单元103或其他计算部件没有创建通用全景条。

应当观察到，第一条104和第二条105在大的垂直和水平范围上交叠。结果，将图像投影到飞行员的面罩上，从而为飞行员提供立体视觉是可能的。

在该示例中，第一组101与用户的左眼相关联，第二组102与用户的右眼相关联。第一条104的视图被提取并显示在飞行员面罩的左侧，第二条105的视图被提取并显示在飞行员面罩的右侧，其中飞行员的大脑自然地将这两个视图相组合以获得三维视图。

因此，飞行员看到的图像不再是平面的，而是立体的，尽可能接近自然视觉。

再次，在本实施例中，没有生成通用条，并且实际上仅生成第一条和第二条就足以使得飞行员通过将每只眼睛与所述条中的相应一者相关联来具有立体视觉。

如上所述，第一和第二组101和102的各相机优选地布置为使得第一和第二条104和105尽可能多地交叠，以便具有尽可能大的立体视野。

有利的是，如果其中一组发生故障，则另一组继续在飞行员的面罩上显示图像(但不是三维)。通常，相同的图像显示在面罩的右侧和左侧，或者图像仅显示在面罩的一侧。

以这种方式描述的第二实施例用于提供冗余。因此，应观察到，每组101和102完全能够在没有另一组的情况下独立操作。因此，失去组101或102中的一者不对应于丢失一半视野，而仅仅对应于丢失立体视觉，因为视野从一组到另一组基本等同。

优选地，相机以符合冗余相机之间的指定瞳孔间距(即，所考虑的相机的孔径或视线之间的指定距离)的方式来被定位。

两个前相机之间的瞳孔间距d1优选地大于250毫米(mm)。

以相同的方式，指向右侧的两个横向相机之间的瞳孔间距d2和指向左侧的两个横向相机之间的瞳孔间距d3同样大于250mm。在本示例中，对于指向右侧的相机和指向左侧的相机，瞳孔间距d2和d3是相同的。横向瞳孔间距d2，d3基本上是280mm。

优选地，前瞳孔间距d1大于横向瞳孔间距d2、d3。通常，前瞳孔间距d1大于350mm，并且优选大于或等于400mm。

在服务中，相机将其数据传送到处理器单元103，处理器单元103基于该数据生成第一条104和第二条105。取决于用户头盔的位置，处理器单元103从条中提取相应的右视图和左视图，并将其显示在用户头盔中。

有利的是，通过从条中提取与所存在的用户一样多的独立视图来供多个用户利用该光电装备是可能的。因此，该实施例在水平上和垂直上都很大的视野上提供具有非常好的分辨率的立体视觉，并且仅使用六个相机来实现这一点。

因此，发明人能够获得具有基本上180°×90°(对于180°水平视野在正负5°范围内，对于90°垂直视野在正负2°范围内)且分辨率在1毫弧度(mrad)到1.5mrad范围内的视野的原型。

自然地，这一应用不是限制性的。因此，本发明的特定实施例中的装备可以设计为能够具有基本上240°×90°(对于240°水平视野在正负5°范围内，对于90°垂直视野在正负2°范围内)并且最小分辨率为1.1mrad的总视野。该视野的立体部分是基本上水平205°(在正负5°范围内)乘以侧面垂直69°(在正负2°范围内)以及前面垂直90°(在正负2°范围内)。

自然地，本发明不限于以上描述，并且可提供变型实施例而不超出由权利要求书限定的本发明的范围。

具体而言，尽管在所描述的各实施例中，相机是LWIR类型的，但是相机自然可以是不同的，并且它们可以是冷却类型的、非冷却类型的、中波段红外(MWIR)类型的、……。以相同的方式，该光电装备可以在红外范围之外的电磁频谱范围中操作。在一变型中或者另外地，该光电装备可以在可见光范围、紫外线范围、……内操作。相机随后应是对应类型的。在给定的组中，或者逐组地，相机不必彼此等同。

尽管每组中只有一个相机相对于另外两个相机转动，但是可以转动更多相机，以便具有水平大于垂直的视野。

尽管所有六个相机都连接到单个处理器单元，但每组都可以连接到专用处理器单元，其中每一控制单元随后生成相关联的组的全景条。在其中相机组之一发生故障的情况下，可以规定仅显示由没有发生故障的相机组提供的全景条(然后用户的左眼和右眼将看到相同的图像条)。如有必要，还可为两个处理器单元中的每一者作出规定以能够与两个相机组通信：因此，在其中失去处理器单元之一的情况下，另一个可以继续为每个相机组生成相应的全景条。因此，处理器单元将是冗余的。举例而言，处理器单元中的每一者可并入包含相关联组的诸相机的壳体中。

尽管如上所述，为了具有右通道和左通道，每个相机组与用户眼睛的相应一只相关联，但这两个组都可以与这两只眼睛都相关联。然后，单个视图将投影到面罩上，由此将两个组组合在一起。举例而言，可以根据针对每一个组生成的条来生成通用全景条，并且可以提取视图以投影在面罩上(针对每一个组生成的条可以单独地生成，并且然后彼此相关联，或者可以生成它们以便直接合并在通用全景条中)。

相机的布置可能与上述不同。例如，出于布置、尺寸、……等原因，因此优选的是，以凸形方式而不是如上所述的凹形方式来布置相机。因此，第一组的相机可都在一边，而第二组的相机可都在另一边。

可以按第一和第二条完全交叠的方式布置这两组，以便具有尽可能大的立体视野，或者它们可以仅部分交叠，以便扩大总体视野。

当飞行器安装有全都分布在其周围的多个相机组时(例如，如上所述的两个前相机组，以及布置在后方的两个组，以及也可能布置在飞行器任一侧的两个组)，处理器单元应当被布置成使来自位于飞行器上处于飞行员注视方向上的相机的图像得以显示。飞行员的注视方向应根据飞行员头盔相对于飞行器驾驶舱的所面向的方向来进行估计。作为检测头盔相对于飞行器驾驶舱的所面向的方向的示例，头盔可装配有用于检测头盔在三维空间中所面向的方向(然后可以通过还知悉由飞行器的惯性单元确定的飞行器在三维空间中的方向来确定头盔相对于驾驶舱所面向的方向)的惯性单元，或驾驶舱可装有用于检测头盔上的光学目标并从而使得能够确定头盔相对于驾驶舱的所面向的方向的相机。

本发明可以与连接到处理器单元103的任何显示设备一起使用。代替具有用于投影到飞行员头盔的面罩上的设备，飞行员头盔可以具有两个显示器，每一显示器被布置在飞行员眼睛的相应一只眼睛的前方，以显示全景条。

本发明可以与任何类型的空中、陆地或水上交通工具一起使用。

Claims (15)

1.一种用于辅助驾驶交通工具的光电装备，所述装备包括布置在所述交通工具上的第一组(101)三个相机，用于根据由所述第一组的三个相机传送的数据来生成第一全景条，以及布置在所述交通工具上的第二组(102)的三个相机，用于根据由所述第二组的三个相机传送的数据来生成第二全景条，其中诸相机中的相对于第一组和第二组的诸相机占据所述交通工具上的极限横向位置的至少一个相机被布置成具有水平大于垂直的视野，

所述第一组和所述第二组被布置成使得所述第一全景条和所述第二全景条至少部分地交叠以向飞行员提供立体视觉，

每一组能够在没有另一组的情况下独立操作，从而在失去这两组中的一组的情况下，另一组仍能够向飞行员复原平面图像。

2.如权利要求1所述的装备，其特征在于，这两组中的六个相机中只有两个相机(113，114)被布置成具有水平大于垂直的视野。

3.如权利要求2所述的装备，其特征在于，这两个相机(113，114)是包围其他四个相机(111，112，115，116)的相机。

4.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，至少两个相邻相机(112，116，111，115)是以凹形配置来布置的。

5.如权利要求4所述的装备，其特征在于，布置在这六个相机的中心处的两个相机交叉，使得所述第一组的第一相机(112)和所述第二组的第一相机(116)以凹形配置来布置，并且使得所述第一组的第二相机(111)和所述第二组的第二相机(115)也以凹形配置来布置。

6.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，属于不同组的两个相机(112，115)在仰角上彼此偏移开。

7.如权利要求1所述的装备，其特征在于，包括连接到相机并被布置成根据这两个图像条来形成至少一个图像的电子处理器单元。

8.如权利要求7所述的装备，其特征在于，根据这两个图像条形成的图像是宽视野图像。

9.如权利要求1所述的装备，其特征在于，包括连接到相机并被布置成以立体方式显示这两个图像条的电子处理器单元。

10.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，所述第一组(101)的相机(111、112、113)由第一电源供电，且所述第二组(102)的相机(114、115、116)由独立于所述第一电源的第二电源供电。

11.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，包括其中布置有诸相机的至少一个块。

12.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，诸相机在红外范围中操作。

13.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，诸相机是LWIR类型的。

14.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，诸相机未被冷却。

15.如权利要求1到3中的任一项所述的装备，其特征在于，包括连接到相机和头盔的处理器单元，所述头盔配备有用于显示佩戴所述头盔的飞行员的眼睛可见的图像的设备。

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