机载合成视觉系统仿真关键技术.doc

引言航空器在低能见度下的进近着 陆一直是航空安全关注的热点问 题 。 尽管已有各种先进的地面导航 系统和机载导航设备,低能见度仍 然对航空器安全进近着陆产生很大 威 胁 , 它 是 造 成 可 控 飞 行 撞 地 (CFIT:Controlled Flight into Terrain 和 跑 道 侵 入 (Runway Intrusion两类事故的主要因素 。 飞行员在低能见度条件下操纵航 空器进近着陆时,由于缺乏有效 的目视参考,无法准确判断航空 器当前所处位置及周边状况,导 致操作失误,使得航空器在完全 可控的正常条件下意外地和地面 或障碍物相撞 。机载合成视觉系统即是通过计 算机视景仿真 、 合成视觉等技术手 段,再现当前情景,增强飞行员在 低能见度下的空间感知和情景意识 能力,以有效防止因低能见度而导 致的航空事故,保障飞行安全,提 高航空运输运营效率 。一 、 机载合成视觉仿真平台 1. 合成视觉与机载合成视觉系统合 成 视 觉 (SV, SyntheticVision指用合成的方式,生成反映外界客观真实的视觉信息 。 合成视觉信息一般不能用单个或多个图像传感器直接获得,它需要由多个同类或异类图像源经过处理 、 变换 、 配准 、 融合而得到 。合 成 视 觉 主 要 “ 实 实 合 成 ”(RRS, Real-Real-Synthesize 、“ 实 虚 合 成 ” (RVS,Real-Virtual-Synthesize 和“ 虚实校正合成 ” (VBRC,VirtualBased on Real Calibration 等 几类,主要特点是能扩大图像传感 器监视范围和精度 、 提高在低能见 度下的视觉能力 、 摆脱原传感器位 置和指向限制等,这些特点使合成 视觉在交通运输 、 国防军事等领域 有着重要而且广泛的应用 。机载合成视觉,是综合 “ 实虚 合成 ” 和 “ 虚实校正合成 ” 两方面 技术的一个重要应用领域 。 机载合 成视觉的主要目的是解决航空器在 低能见度下的安全进近着陆问题, 将多源传感器序列影像 、 导航信息机载合成视觉系统仿真关键技术 The key technologies of simulation foronboard synthetic vision system四川大学计算机学院 王彦成视觉合成图形图像技术国防重点学科实验室 冯子亮 柳 岸四川大学电气信息学院 刘函林图 1机载合成视觉仿真平台的组成专题:空管新技术研究与应用 9Air Traffic Management/2009(7空中交通管理 2009年 第 7期以及对应的 3D 地形数据和目标数 据库进行 “ 实虚合成 ” 和 “ 虚实校 正合成 ” ,最终构成具有真实地理 数据的 3D 地形场景,在低能见度 下给飞行员提供对外部环境的情况 感知能力,防止低能见度下的航空 事故,减少航班延误 。机载合成视觉的组成结构如图 1所示 。2. 地形数据表示方法及其精 度要求3D 地形数据由于的探测手段 、 处理算法和生成方法的不同,其表 示方法 、 分辨率等都有很大差别 。 在机载合成视觉系统中,需要研究 这些数据的表示方法和精度评价方 法 。 在应用中,主要采用的表示方 法有规则网格模型 、 等高线模型 、 不规则三角网格模型和层次细节模 型等几种方法 。由于飞行活动的首要任务是保 证安全,要在低能见度下实施进近 着陆过程,采用的合成视觉技术必 须具有非常高的精度要求 。 美国 FAA 经过多年的研究,给出了合成 视觉系统对地形数据精度的要求, 如附表所示:3. 地形及地物的融合算法及 绘制对于空中飞行,其范围均在几百公里之上,3D 地形数据量巨大, 需要选择合适的海量地形绘制算 法,达到实时高效的目标 。 机载合 成视觉系统中,采用的连续层次细 节模型,由对应绘制算法自动地生 成与视点相关的细节层次,同一视 域范围内根据距离视点的不同绘制 不同分辨率的地形块,通过拼接不 同分辨率地形块,可以得到具有层 次细节模型的地形绘制结果,如图 2所示 。其中 e(x,y,z为观察视点位 置, 为观察视角, 为观察视线 与垂直方向的夹角, P 为地形上的视点中心,则在 实线圆所在的区 域内需要较高精 度 的 LOD 层 次 。 为了计算上的方 便,用该圆的外 切正方形代替该 圆,则各个 LOD 层次形成大小不 同的嵌套正方形 区域 。不同分辨率的地形数据之间拼接时,存在 “ 裂缝 ” 现象,同时由于地形数据分辨率远 不及地物 (机场等 数据分辨率高,因此在地形与地物之间同样存 在 “ 裂缝 ”,需要通过融合算法进 行修补,否则视景之上将出现模型 “ 漂浮 ” 或 “ 镶嵌 ” 在地形上的现 象 。 解决 “ 裂缝 ” 问题,可以采用 对不同分辨率地形块的边缘进行 “ 超采样 ” 或 “ 欠采样 ” 处理,使 得地形块边缘具有相同的分辨率; 解决 “ 漂浮 ” 或 “ 镶嵌 ” 问题,可 以通过对地形数据的插值来匹配地 物模型 。4. 基本地貌形态特征提取 由于 HUD 显示介质为半透明玻 璃,合成视觉不能完整投影其上, 只能重点显示某些基本地貌形态特 征 (如山脊线 、 山谷线 、 峰和地 物特征线 (跑道外框线 、 标志线 等 。 地物特征可以直接由机场数据 获得,而基本地貌形态特征则需要 从地形数据中提取 。 基于 DEM 进行 基本地貌系统特征提取时,首先计 算各种地形因子,包括坡度 、 坡向 和曲率等信息,这些地形因子反映 了地形曲面的固有特征,然后通过 这些地形因子对 DEM 数据进行分 类,从而提取基本地貌形态特征 。5. 飞参数据处理飞参数据是仿真平台进行机载 视觉合成的驱动数据,进近着陆的性质 航路 终端区 Cat II 、 III水平精度 50m 5m 2.5m 垂直精度 30m 3m 1m 垂直分辨率 1m 0.1m 0.1m 信任等级 90%90%90%数据完好性 10-310-510-5分辨率3弧秒1弧秒0.3弧秒附表 FAA 定义的合成视觉系统中地形数据精度要求(1 视点与 LOD(2LOD 分层区域划分递归方式图 2LOD 分层专业探索专题 /FOCUS10实时仿真过程,就是根据连续变化 的飞参数据,调整仿真参数和绘制 参数进行绘制的过程 。可用的飞参数据来源有三种: (1由雷达模拟机生成的模拟飞参 数据; (2 记录的 QAR 数据; (3 空气动力学模型生成的数据 。 由于模拟飞参数据的数据更新率为 1Hz,大多数 QAR 数据中位置 (经纬度和高度数据的更新率为 2Hz,姿态数据 (航向 、 俯仰 、 横滚 和速度数据的更新率为 1Hz, 飞参数据的低刷新率无法匹 配视景仿真的帧率,因此要 采用线性插值 、 样条插值等 方法对飞参数据进行插值处 理 。二 、 仿真结果以第 2节中的关键技术为 基础,在机载合成视觉系统 原型系统上进行了九黄机场 QAR 数据仿真,其中进近阶 段 、 着 陆 阶 段 的 PFD 、 HUD 和 PFD+HUD 仿真结果,如图 3所示 。近年来,我国航空运输业 一致保持持续高速发展,预 计未来 15年,我国民航飞 行 流 量 将 增 加 2030倍 , 通 用 航 空 将 得 到 更 大 的 发 展 。 在有限的空域资源条件 下,飞行流量的持续增加, 对机场利用率提出了更高的 要求,航空安全生产压力越 来越大 。 实现低能见度下的 可视进近与着陆,对促进我 国航空运输业的持续快速发 展具有重要的经济和社会意 义 。在原型系统基础上,需要 进一步研究的内容有: (1探索 SVS 视景上更直 观丰富的显示内容:如用颜 色区分不同的空域,用颜色