CN202649486U - 机场跑道外来入侵物组合定位系统 - Google Patents

Abstract

一种机场跑道外来入侵物组合定位系统。其由多套监测定位装置、多个边缘固定标志及主控计算机组成；监测定位装置包括支撑杆、电控旋转台、扫描监测像机支撑架、扫描监测像机和控制部；多个边缘固定标志排列在机场跑道两侧；主控计算机与多套监测定位装置相连。本实用新型的组合定位系统是根据扫描监测像机二维成像平面上的成像特征，结合扫描监测像机旋转扫描到当前状态相对于机场跑道上固定参照物的相对方位，通过反推投影射线与机场跑道道面的交点确定出机场跑道外来入侵物在机场跑道上的具体位置。本系统能够克服外界干扰因素对定位精度的影响，因此定位精度高、速度快，这样就能够满足对机场跑道外来入侵物实时精确定位的要求。

Description

机场跑道外来入侵物组合定位系统

技术领域

本实用新型属于民用航空技术领域，特别是涉及一种机场跑道外来入侵物组合定位系统。 

背景技术

机场跑道外来入侵物会严重影响飞机的起降安全，并可能引起航空事故或空难，因此需要对机场跑道外来入侵物进行监测。目前采用的机场跑道外来入侵物人工巡检方式存在需要人员众多、存在漏检，以及大型枢纽机场飞机起降密度大，因此不能提供足够的时间供人工检查等缺陷。为此，在国内首次提出并研制出机场跑道外来入侵物视觉自动检测系统，以此来实现机场跑道外来入侵物的实时自动监测及定位，该系统包含8套分布在3600米长跑道外侧的扫描监测像机，并通过每套像机扫描50米宽600米长的跑道区域，从而实现部分重叠的全跑道无遗漏实时监测。但是，这种已有技术的机场跑道外来入侵物视觉自动检测系统存在下列问题：扫描监测像机通常通过转台安装在垂直设置的支撑杆顶部，由于支撑杆较高且设置在空旷场地上，受诸如风、飞机起降震动等因素的影响，支撑杆极易产生晃动，这样就会造成转台旋转角度累积误差以及转台旋转中心和像机原点不重合等造成的位姿误差，结果导致定位精度低、定位速度慢，因此无法满足对机场跑道外来入侵物实时精确定位的要求。 

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能够对机场跑道外来入侵物实时精确定位的机场跑道外来入侵物组合定位 系统。 

为了达到上述目的，本实用新型提供的机场跑道外来入侵物组合定位系统由多套监测定位装置、多个边缘固定标志以及主控计算机组成； 

其中监测定位装置包括：支撑杆、电控旋转台、扫描监测像机支撑架、扫描监测像机和控制部；其中：支撑杆的下端固定在地面上，上端与电控旋转台相连接；控制部安装在支撑杆的中部，其由嵌入式计算机和电机驱动控制器组成，嵌入式计算机上具有通讯接口和控制接口；电控旋转台的上端与扫描监测像机支撑架相连接，其内部安装有控制电机和相应的传动机构，并且控制部内部的嵌入式计算机上的控制接口通过电机驱动控制器与电控旋转台内部的控制电机相连接，用于在控制部的控制下推动上部的扫描监测像机支撑架旋转；扫描监测像机支撑架的上部与扫描监测像机的下端中部相连接；扫描监测像机为视频图像采集设备，用于获取检测图像，并且其上具有图像输出端，用于输出图像信号；支撑杆、电控旋转台、扫描监测像机支撑架、扫描监测像机和控制部组合在一起构成一套监测定位装置，一条3600米长50米宽的机场跑道外侧等间距安装至少8套监测定位装置； 

边缘固定标志为杆状，其上标有编号，多个边缘固定标志相隔距离分两列垂直均匀排列在机场跑道的两侧，用于利用视觉成像姿态估计方法确定扫描监测像机坐标系与机场跑道坐标系之间的相互方位关系； 

主控计算机为整个系统的操控核心，其与多套监测定位装置之中扫描监测像机的图像输出端和控制部内部的嵌入式计算机的通信接口相连接，用于完成图像扫描控制、图像提取以及入侵物识别 和定位的相关运算及操作。 

所述的相邻的边缘固定标志之间的距离为小于等于100米，与机场跑道边缘之间的直线距离为小于等于3米。 

所述的控制电机为步进电机。 

所述的支撑杆的高度为8米，其与机场跑道边缘之间的最短距离为400米。 

本实用新型提供的机场跑道外来入侵物组合定位系统是根据扫描监测像机二维成像平面上的成像特征，结合扫描监测像机旋转扫描到当前状态相对于机场跑道上固定参照物的相对方位，通过反推投影射线与机场跑道道面的交点确定出机场跑道外来入侵物在机场跑道上的具体位置。本系统能够克服外界干扰因素对定位精度的影响，因此定位精度高、速度快，这样就能够满足对机场跑道外来入侵物实时精确定位的要求，并且结构简单，便于操作和维护。 

附图说明

图1为本实用新型提供的机场跑道外来入侵物监测定位系统部分结构示意图。 

图2为本实用新型提供的机场跑道外来入侵物监测定位系统中扫描监测像机扫描过程示意图。 

图3为采用图1示出的监测定位系统中扫描监测像机确定边缘固定标志方位示意图。 

图4为采用图1示出的监测定位系统对机场跑道外来入侵物定位示意图。 

图中：1为机场跑道；2为支撑杆；3为电控旋转台；4为扫描监测像机支撑架；5为扫描监测像机；6为控制部；7为边缘固定标志；8为机场跑道外来入侵物；9为单次成像视场范围；10为单套 扫描监测像机扫描范围；11为扫描监测像机主光轴扫描圆弧；13为机场跑道入侵物二维成像特征；Ⅱ为成像平面。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的机场跑道外来入侵物组合定位系统进行详细说明。 

如图1所示，本实用新型提供的机场跑道外来入侵物组合定位系统由多套监测定位装置、多个边缘固定标志7以及主控计算机组成； 

其中监测定位装置包括：支撑杆2、电控旋转台3、扫描监测像机支撑架4、扫描监测像机5和控制部6；其中：支撑杆2的下端固定在地面上，上端与电控旋转台3相连接；控制部6安装在支撑杆2的中部，其由嵌入式计算机和电机驱动控制器组成，嵌入式计算机上具有通讯接口和控制接口；电控旋转台3的上端与扫描监测像机支撑架4相连接，其内部安装有控制电机和相应的传动机构，并且控制部2内部的嵌入式计算机上的控制接口通过电机驱动控制器与电控旋转台3内部的控制电机相连接，用于在控制部6的控制下推动上部的扫描监测像机支撑架4旋转；扫描监测像机支撑架4的上部与扫描监测像机5的下端中部相连接；扫描监测像机5为视频图像采集设备，用于获取检测图像，并且其上具有图像输出端，用于输出图像信号；支撑杆2、电控旋转台3、扫描监测像机支撑架4、扫描监测像机5和控制部6组合在一起构成一套监测定位装置，一条3600米长50米宽的机场跑道1外侧等间距安装至少8套监测定位装置； 

边缘固定标志7为杆状，其上标有编号，多个边缘固定标志7相隔距离分两列垂直均匀排列在机场跑道1的两侧，用于利用视觉 成像姿态估计方法确定扫描监测像机5坐标系与机场跑道1坐标系之间的相互方位关系； 

主控计算机为整个系统的操控核心，其与多套监测定位装置之中扫描监测像机5的图像输出端和控制部6内部的嵌入式计算机的通信接口相连接，用于完成图像扫描控制、图像提取以及入侵物识别和定位的相关运算及操作。 

所述的相邻的边缘固定标志7之间的距离为小于等于100米，与机场跑道1边缘之间的直线距离为小于等于3米。 

所述的控制电机为步进电机。 

所述的支撑杆2的高度为8米，其与机场跑道1边缘之间的最短距离为400米。 

本实用新型提供的机场跑道外来入侵物组合定位系统在工作时，由主控计算机发出指令，通过控制部6控制电控旋转台3转动，并利用扫描监测像机5对机场跑道1进行区域扫描，同时在扫描过程中主控计算机根据电控旋转台3的旋转角度确定处于扫描监测像机5视场范围内各边缘固定标志7的编号，并根据上述各边缘固定标志7在机场跑道坐标系下已确定的已知空间坐标，利用视觉成像姿态估计方法确定出扫描监测像机5坐标系与机场跑道1坐标系之间的相互方位关系。一旦发现机场跑道1上存在机场跑道外来入侵物8，主控计算机将通过该机场跑道外来入侵物8的成像特征，通过透视投影关系确定出该机场跑道外来入侵物8在机场跑道1上的具体位置。 

如图1-图4所示，本实用新型提供的机场跑道外来入侵物组合定位系统的具体安装、运行步骤如下： 

1、安装监测定位装置：机场跑道外来入侵物8可能的分布范 围为长3600米、宽50米的整个机场跑道1，因此为实现机场跑道外来入侵物8的自动监测定位，需要按图1所示在与机场跑道1外侧边缘最短距离为400米处以与机场跑道1平行的方式安装至少一列8根支撑杆2，在支撑杆2上依次安装电控旋转台3、扫描监测像机支撑架4和扫描监测像机5，并将每套监测定位装置中扫描监测像机5的图像输出端和控制部6内部的嵌入式计算机的通信接口与主控计算机相连接。 

2、旋转扫描 

在实际运行中，电控旋转台3内的嵌入式计算机将在电机驱动控制器的控制下控制步进电机按照定间隔旋转，固定在电控旋转台3上的扫描监测像机5也将随电控旋转台3一同进行旋转。每套监测定位装置的扫描范围为50米宽600米长的跑道区域，扫描区域10如图2所示，扫描监测像机5的主光轴按照圆弧11运动。 

3、确定扫描监测像机相对机场跑道位姿 

如图3所示，该图中共有两个坐标系：机场跑道坐标系(X_W，Y_W，Z_W)和像机坐标系(X_C1，Y_C1，Z_C1)。其中定义机场跑道坐标系位于机场跑道1的左侧，坐标原点位于机场跑道1中心线上，其X_W轴为机场跑道1的长度方向，Y_W轴为机场跑道1的宽度方向，Z_W轴为垂直于机场跑道1的平面方向。定义扫描监测像机5的转动中心点为像机坐标系的坐标原点，其X_C1轴和Y_C1轴方向与扫描监测像机5成像平面中的X轴和Y轴平行，Z_C1轴是扫描监测像机5光轴。扫描监测像机5每转动扫描一次，视场范围近端包括3个边缘固定标志7，从点(X_Lm，Y_Lm，Z_Lm)到点(X_Lm+3，Y_Lm+3，Z_Lm+3)，远端包括5个边缘固定标志7，从 点(X_Ln，Y_Ln，Z_Ln)到点(X_Ln+5，Y_Ln+5，Z_Ln+5)。 

机场跑道坐标系和像机坐标系之间的旋转关系可以用旋转矩阵来表示： 

$=\left[\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right]$

由机场跑道坐标系到像机坐标系的转换关系为： 

$\left[\begin{array}{c}{X}_c\\ Y_c\\ Z_c\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{X}_w\\ Y_w\\ Z_w\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\\ Z_0\end{array}\right]$

根据边缘固定标志7在机场跑道坐标系下的空间坐标和其在扫描监测像机5中的二维成像特征，采用空间交会姿态估计方法实时确定监测成像瞬间的扫描监测像机5的初始绝对方位(扫描监测像机5的旋转矩阵和平移矩阵)。 

4、机场跑道外来入侵物定位 

工作人员通过主控计算机采用数字图像处理技术对监测画面进行分析。如图4所示，一旦在扫描监测像机5的监测成像平面Ⅱ中发现机场跑道外来入侵物8的二维成像特征13，则通过该二维成像特征13的反推投影射线与机场跑道1道面的交点，再根据扫描监测像机5相对于机场跑道1的相对方位即可精确确定出机场跑道外来入侵物8在机场跑道1上的精确位置。 

Claims (4)

1.一种机场跑道外来入侵物组合定位系统，其特征在于：所述的机场跑道外来入侵物组合定位系统由多套监测定位装置、多个边缘固定标志(7)以及主控计算机组成；

其中监测定位装置包括：支撑杆(2)、电控旋转台(3)、扫描监测像机支撑架(4)、扫描监测像机(5)和控制部(6)；其中：支撑杆(2)的下端固定在地面上，上端与电控旋转台(3)相连接；控制部(6)安装在支撑杆(2)的中部，其由嵌入式计算机和电机驱动控制器组成，嵌入式计算机上具有通讯接口和控制接口；电控旋转台(3)的上端与扫描监测像机支撑架(4)相连接，其内部安装有控制电机和相应的传动机构，并且控制部(2)内部的嵌入式计算机上的控制接口通过电机驱动控制器与电控旋转台(3)内部的控制电机相连接，用于在控制部(6)的控制下推动上部的扫描监测像机支撑架(4)旋转；扫描监测像机支撑架(4)的上部与扫描监测像机(5)的下端中部相连接；扫描监测像机(5)为视频图像采集设备，用于获取检测图像，并且其上具有图像输出端，用于输出图像信号；支撑杆(2)、电控旋转台(3)、扫描监测像机支撑架(4)、扫描监测像机(5)和控制部(6)组合在一起构成一套监测定位装置，一条3600米长50米宽的机场跑道(1)外侧等间距安装至少8套监测定位装置；

边缘固定标志(7)为杆状，其上标有编号，多个边缘固定标志(7)相隔距离分两列垂直均匀排列在机场跑道(1)的两侧；

主控计算机为整个系统的操控核心，其与多套监测定位装置之中扫描监测像机(5)的图像输出端和控制部(6)内部的嵌入式计算机的通信接口相连接。 

2.根据权利要求1所述的机场跑道外来入侵物组合定位系统，其特征在于：所述的相邻的边缘固定标志(7)之间的距离为小于等于100米，与机场跑道(1)边缘之间的直线距离为小于等于3米。

3.根据权利要求1所述的机场跑道外来入侵物组合定位系统，其特征在于：所述的控制电机为步进电机。

4.根据权利要求1所述的机场跑道外来入侵物组合定位系统，其特征在于：所述的支撑杆(2)的高度为8米，其与机场跑道(1)边缘之间的最短距离为400米。 

Images