DE19605218C1 - Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte - Google Patents

Description

Zur sicheren Erfassung von Hindernissen, die dem Piloten eines tieffliegen­ den Fluggeräts oder eines Fahrzeugs gefährlich werden können, reichen die natürliche Sicht, Restlichtverstärker oder Nachtsichtgeräte häufig nicht aus. Hochauflösende, bildgebende Entfernungsbildsensoren auf Laserradarbasis liefern zusätzlich Hindernisinformation. Das Problem besteht in der Auswer­ tung und ergonomisch optimalen Darstellung dieser Zusatzinformation im Rahmen eines Gesamtsystems zur Hinderniswarnung für den manuell fliegen­ den Piloten. Eine besonders wichtige Klasse von Hindernissen sind hierbei Leitungen.

Aufgabe der Erfindung ist die Unterstützung des Piloten bei der sicheren Er­ fassung von Hindernissen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs und der Un­ teransprüche gelöst.

Durch den Gegenstand der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

• - Optimale Ergonomie durch eine graphische (nicht symbolische) Dar­ stellung der Hindernisse; ein Mensch kann anhand von Objektkonturen sehr viel besser klassifizieren als jeder Algorithmus.
• - Hinderniskonturen sind das graphisch "sparsamste" Mittel der Hinder­ nisdarstellung ohne wesentlichen Informationsverlust; dies führt zu geringen Datenraten am Ausgang des Auswerterechners und zu einer minimalen Verdeckung des Basisbildes durch die zusätzliche Hinder­ nisinformation.
• - Das Verfahren zur Konturenextraktion nutzt den Informationsgehalt des Entfernungsbildes optimal aus; dies führt zu einfachen Algorithmen, die auch bei komplexen Hindernisszenen robust arbeiten, und zu gerin­ ger Rechenleistung, die beim Auswerterechner erforderlich ist.
• - Für Entfernungsbildsensoren, deren Bildrate unter 25 Hz liegt, wurde eine Methode zur Synchronisation mit dem Basisbild entwickelt, die ohne Navigationsdaten auskommt.

Die Erfindung wird anhand von Fig. näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Systemkomponenten einschließlich des Inputs und Outputs,

Fig. 2 die Eigenschaft eines Entfernungsbildes, die Konturen von Hindernis­ sen mit erhöhtem Kontrast abzubilden,

Fig. 3 ein Basisbild, ein falschfarbenkodiertes Entfernungsbild, die Anwen­ dung eines Hochpaßfilters auf ein Entfernungsbild und ein Basisbild mit nachgezeichneten Randkonturen von Hindernissen.

Das erfindungsgemäße Hinderniswarnsystem besteht aus einem Basissensor (gegebenenfalls mit Restlichtverstärker, Nachtsichtgerät), einem Entfernungs­ bildsensor, einem Auswerterechner zur Entfernungsbildverarbeitung, einem Display mit Einblendfunktion für ein zweites Bild zum Basisbild (z. B. Head-Up- Display, Helmet-Mounted-Display) sowie optional einem Navigationssystem. Fig. 1 stellt diese Systemkomponenten einschließlich ihres In- und Outputs dar.

Da der Pilot nach dem Basisbild fliegt, wird die vom Entfernungsbildsensor zusätzlich generierte Hindernisinformation in dieses eingeblendet. Diese Zusatzinformation ist aus ergonomischen Gründen nicht alphanumerisch, symbolisch oder anderweitig abstrahiert, sondern besteht aus den realen, eindimensionalen Randkonturen der erfaßten Hindernisse mit denen die im bloßen Basisbild eventuell weniger gut abgebildeten Hinderniskonturen nach­ gezeichnet werden. Insgesamt vervollständigt das Hinderniswarnsystem das Basisbild, nach dem der Pilot fliegt oder fährt, durch die Randkonturen der Hindernisse im Entfernungsbild.

Dazu ist es erforderlich, daß der zusätzliche Sensor ein Entfernungsbildsen­ sor ist. Denn nur das Entfernungsbild erlaubt die robuste Extraktion von Kon­ turen beliebiger Hindernisse in Echtzeit. Dazu reicht es aus, im Entfernungs­ bild nach "Sprüngen" zwischen benachbarten Bildpixeln zu suchen. Ein stetig verlaufendes Gelände z. B. weist keine derartigen Sprünge auf. Jedes Hindernis im Gelände dagegen führt zu einem Sprung des Entfer­ nungsmeßwertes an seinem Rand (Fig. 2). Hinderniskonturen sind daher im Entfernungsbild durch Hochpaßbilder extrahierbar.

Bei Entfernungsbildsensoren, die eine geringere Bildfrequenz als 25-30 Hz besitzen, ergibt sich bei der Einblendung in das Basisbild das Problem, daß wegen der raschen Änderung des Basisbildes die Lage einer einzublenden­ den Objektkontur nicht einfach aus dem Sensorbild übernommen werden kann. Es werden zwei Lösungen dieses Problems vorgeschlagen:

Bei Vorhandensein eines Navigationssystems kann die korrekte Lage der Hinderniskontur im Basisbild zu jedem Zeitpunkt aus dessen Lage im Entfer­ nungsbild berechnet werden, unter Berücksichtigung des Bewegungsverlaufs des Fahrzeugs oder Fluggeräts in allen sechs Freiheitsgraden. Dazu ist ledig­ lich eine entsprechende Software im Auswerterechner zu implementieren.

Eine kostengünstigere Lösung ist ohne Navigationssystem möglich. Der Ent­ fernungsbildsensor generiert sein Bild in der Regel durch vertikalen oder hori­ zontalen Scan, d. h. das Bild wird im Zeitverlauf zeilen- oder spaltenweise auf­ gebaut. Deshalb werden - z. B. bei vertikalem Scan - nur diejenigen Hindernis­ konturen in das Basisbild eingeblendet, die in der aktuell generierten Entfer­ nungsbildzeile auftreten. Deren Lage im Basisbild ist wegen der sehr gerin­ gen Totzeit zwischen der Erfassung im Entfernungsbild und der Einblendung im Basisbild bekannt. Beim weiteren Entfernungsbildaufbau verlöschen die eingeblendeten Objektkonturen nicht sofort sondern sie werden allmählich schwächer. Diese Darstellung wirkt auf den Piloten insgesamt wie ein vertikal durch sein Bild wandernder Streifen, der die Konturen von Hindernissen her­ vortreten läßt (ähnlich Radarschirm). Dieser Streifen besitzt dieselbe Fre­ quenz wie der Bildaufbau beim Sensor. Je mehr sich diese Frequenz dem Wert 25 Hz nähert, desto besser wird die Ergonomie der Konturdarstellung.

Die Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Hinderniswarnsystems für Fahrzeuge oder tieffliegende Fluggeräte werden nachfolgend zusammen­ gefaßt:

• - Verwendung geeigneter Software (digitale Hochpaßfilter) in Verbindung mit einer Entfernungsbildkamera zur datenmäßigen Erfassung der Um­ risse ("Konturen") aller Hindernisse;
• - Robustheit, Echtzeitfähigkeit und geringe Komplexität der Software wegen des Informationsgehaltes des Entfernungsbildes
• - Extraktion graphischer statt symbolischer Information aus dem Entfer­ nungsbild
• - hohe Datenredution durch Beschränkung auf die Konturen der Hinder­ nisse.

Echtzeitbildfusion der gewonnenen graphischen Konturinformation mit dem Basisbild, nach dem der Pilot fährt/fliegt, als graphische Mensch-Maschine- Schnittstelle zwischen Pilot und Hinderniswarnsystem

• - optimale Ergonomie der Hinderniswarnung durch Einblendung realisti­ scher, graphischer Hindernisinformation statt symbolischer Information
• - minimale Beeinträchtigung des Basisbildes durch Einblendung bloßer Umrisse von Hindernissen
• - Szeneninterpretation durch den Menschen, nicht durch die Maschine.

Echtzeitbildfusion innerhalb eines wandernden Streifens bei Entfernungsbild­ kameras mit Bildraten kleiner 25 Hz

• - auf ein präzises Fahrzeugnavigationssystem für die fehlerfreie Bildfu­ sion kann für eine kostengünstigere Lösung verzichtet werden.

Claims (4)

1. Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte mit natürlicher Sicht aus einem Cockpitfenster oder mit einer Kamera, die auf einem Display ein Bild der vor dem Fluggerät liegenden Landschaft (Basisbild) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entfernungsbildsensor vorhanden ist, der mit­ tels digitaler Hochpaßfilter einem Head-Up-Display oder dem Display des Basisbilds eindimensional Randkonturen der erfaßten Hindernisse im Landschaftsbild nachzeichnet und dadurch sichtbar macht.

2. Verfahren zur Sichtbarmachung der Randkonturen von Hindernissen im Display eines Piloten, dadurch gekennzeichnet, daß digitale Hochpaß­ filter auf das Entfernungsbild angewendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 mit Entfernungsbildsensoren, die eine geringe­ re Bildfrequenz als 25 bis 30 Hz besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsbildsensor sein Bild zum Beispiel durch vertikalen Scan generiert und das Bild im Zeitverlauf zeilenweise aufgebaut wird, wobei nur diejenigen Hinderniskonturen in das Basisbild eingeblendet werden, die in der aktuell generierten Entfernungsbildzeile auftreten und deren Lage wegen der geringen Totzeit zwischen der Erfassung im Entfer­ nungsbild und der Einblendung im Basisbild bekannt ist und daß beim wei­ teren Entfernungsbildaufbau die bereits eingeblendeten Objektkonturen allmählich schwächer werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 mit Entfernungsbildsensoren, die eine geringe­ re Bildfrequenz als 25-30 Hz besitzen und bei Vorhandensein eines Navi­ gationssystems, dadurch gekennzeichnet, daß die korrekte Lage der Hinderniskontur im Basisbild zu jedem Zeitpunkt aus dessen Lage im Ent­ fernungsbild berechnet wird, unter Berücksichtigung des Bewegungsver­ laufs des Fluggeräts in allen sechs Freiheitsgraden.