入坞导航系统中的中心线识别.pdf

本发明实现了入坞导航系统中的精确且快速的中心线识别，以及进一步实现了中心线配置的验证。迄今为止，提出了使用测距仪来扫描入坞位之前的停机坪，和记录每个扫描点的反射亮度和位置。然后，使用中心线(14)和围绕中心线(14)的停机坪表面之间的反射亮度中的差值，来识别入坞位之前的中心线(14)。此外，根据中心线轮廓，定义至少两个中心线定义点(38、40)。

1.  一种入坞导航系统中的中心线识别方法，包括步骤：
a)使用测距仪(22)来扫描入坞位(16)之前的停机坪(S1)，和记录每个扫描点的反射亮度和位置；和
b)使用反射亮度之间的差值，来识别入坞位(16)之前的中心线(14)(S2)。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：根据中心线轮廓，定义至少两个中心线定义点(38、40)(S3)。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：将预定义的中心线定义点(38、40)与所识别的中心线(14)相比较(S4)。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于还包括步骤：当所识别的中心线和现有中心线定义点之间的偏差超过预定阈值时，再次配置入坞导航系统(S5)。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：使用中心线和围绕中心线(14)的停机坪表面之间的反射亮度中的差值，来实现对入坞位(16)之前的中心线(14)的识别。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：自动实现对中心线(14)的识别。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：在扫描停机坪之前，将具有高反射率的至少一个反射物体(42，44)放置在中心线(14)上。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于：反射物体(42，44)是高达0.5m宽和高达0.5m高的高反射平板。

9.  如权利要求4所述的方法，其特征在于：再次配置入坞导航系统的步骤包括步骤：根据所识别的中心线(14)重新定义至少两个中心线定义点。

10.  一种用于入坞导航系统的中心线识别系统，包括：
a)扫描单元(22)，适于扫描入坞位(16)之前的停机坪；
b)记录单元(64)，适于记录每个扫描点的反射亮度和位置；和
c)处理单元(62)，适于使用反射亮度中的差值，来识别入坞位(16)之前的中心线(14)。

11.  如权利要求10所述的系统，其特征在于：该处理单元(62)还适于根据中心线轮廓，定义至少两个中心线定义点(38、40)。

12.  如权利要求10所述的系统，其特征在于：该处理单元(62)还适于将预定义的中心线定义点(38、40)与所识别的中心线相比较。

13.  如权利要求10所述的系统，其特征在于：该处理单元(62)还适于使用中心线和围绕中心线的停机坪表面之间的反射亮度中的差值，来识别入坞位之前的中心线(14)。

14.  如权利要求10所述的系统，其特征在于：该处理单元(62)还适于自动识别入坞位之前的中心线(14)。

15.  如权利要求12所述的系统，其特征在于：该处理单元(62)还适于当所识别的中心线和现有中心线定义点之间的偏差超过预定阈值时，再次配置入坞导航系统。

16.  如权利要求15所述的系统，其特征在于：该处理单元(62)还适于通过根据所识别的中心线重新定义至少两个中心线定义点，来再次配置入坞导航系统。

17.  一种计算机程序产品，其可以被直接装载到入坞导航系统中的处理单元的内部存储器中，包括：软件代码部分，用于当产品运行在入坞导航系统中的处理单元中时，执行权利要求1至9之一的步骤。

入坞导航系统中的中心线识别
技术领域
本发明涉及一种入坞导航系统中的中心线识别，并且特别涉及一种入坞导航系统(docking guidance system)中的中心线识别(centerline identification)，所述入坞导航系统考虑到了对中心线配置(centerline configuration)的快速恰当的处理。
背景技术
近来，可以注意到包括起飞、降落的空中交通和其它飞机地面交通(aircraft ground traffic)的数量上的急剧增长。此外，还需要增长数量的地面维修车辆(ground support vehicle)来处理货物、乘客，以及提供饮食服务和航空港的飞机的维护和维修。随着地面交通的大幅度增长，出现了对飞机场的飞机的入坞和识别中的更高控制和安全性的需求。迄今为止，可视入坞导航系统(也被称为VDGS系统)用于实现在飞机入坞到相关的停机位(aircraft stand)的过程中的安全和精确导航。注意到：飞机领航员从可视入坞导航系统接收的信息必须足够精确，以便以与停机坪(apron)上的障碍物碰撞的最小可能风险将飞机导航到正确的停泊位置(stop position)，是很重要的。
图1示出了这类入坞导航系统的应用的典型环境。典型地，飞机10靠近与飞机场(airfield)相邻的停机楼12。为了将飞机10精确导航到飞机停机位16(其在使用巴士来运送乘客时也可位于停机坪之外)，提供了中心线14。该中心线14包括用于不同飞机类型的描画的停泊位置18，有时和描画的停机位ID，停机位16供不同飞机类型使用。或者，停机位ID可以在置于候机楼的墙上的符号上给出。在飞机停机位的附近，提供了跟踪系统22，其用于在显示器24上将导航信息显示给飞机10的领航员。
更详细地，图1中示出的跟踪系统22将飞机10的位置、对飞机身份的验证和对飞机的跟踪提供给停机位16。飞机10一降落到飞机场，就由控制塔28通知跟踪系统：飞机正在靠近停机位16，并且也通知预料的是哪种类型的飞机(例如，B747)。
然后，跟踪系统22连续扫描停机位16之前的停机坪，直到它定位了飞机10且验证了该类型是正确的类型。随后，跟踪系统22跟踪飞机10到停泊位置18，并且也将相对于中心线14的侧面位置提供给飞机10的领航员。
在显示器24上显示距离和侧面位置，以允许飞机的领航员在靠近停机位16的同时，校正飞机的位置。
一旦飞机10到达了其停泊位置18，这也在显示器24上指示出来，以便领航员可以停住飞机。一旦飞机停止移动，由地勤人员以相对于飞机调整架设备(stand facility)的最低要求，将飞机与停泊位16精确对准。
典型地，图1中示出的中心线14是画在通向停机位16的停机坪上的黄色线。中心线14被设计成使在飞机10的操纵期间碰撞的风险最小化。由于飞机10的领航员具有有限的视野，他在飞机10靠近停泊位置18期间，可能看不到中心线14。因此，他可能完全依赖于由可视入坞导航系统给出的导航。为此，可视入坞导航系统沿着中心线14导航飞机10的精确度是安全性关键。
当可视入坞导航系统22、24被安装在停机位16时，对于该特定停机位16，必须调整，或者换言之，配置和/或校正定义中心线14相对于可视入坞导航系统22、24的位置的参数。
中心线14的位置是通过中心线14上的所谓的中心线定义点(centerlinedefinition point)相对于跟踪系统的位置的角度和距离来定义的。这些中心线定义点是由可视入坞导航系统的操作员来定义的，以便实现对中心线的设计、路线(course)和拓扑的正确模拟。
当中心线是直的时，定义两个中心线定义点，即中心线14上充分分开的(well-separated)的点，就足够了。相反，当中心线14是曲线时，必须水平地和/或垂直地定义多个中心线定义点。
图2更详细地示出了一种方法，其通过具有距离指示地校准图(calibrationpicture)，来实现该功能，该距离指示对距停机位的增长的距离使用不同等级的不同颜色。
图2中示出的例子涉及一种基于，例如激光测距仪的可视入坞导航系统，该激光测距仪通过可视入坞导航系统中的扫描机制，来产生指向不同方向的激光束。
这里，在可视入坞导航系统前面的每个点的位置通过两个角α，β来定义，第一个角α表征相对于水平直面(horizontal straight plane)的垂直倾斜(verticalinclination)，相对于垂直面来定义第二个角β，例如穿过跟踪系统直到停机坪。此外，第三个值d表征了跟踪系统22和点之间的距离。
由上述可知：如果存在扫描机制的参考方向受到影响的可能性，则在新安装之后或在维护之后必须配制可视入坞导航系统。此外，由于可视入坞导航系统22、24的功能是安全性的关键，实现具有足够精确性的中心线配置是很重要的。
如图2的下面部分所示，使用停机坪上的每个扫描点相对于可视导航系统的跟踪系统22的这样一种表示法，可以得到回波图(echo picture)(下文中，同样被称为中心线标识图或校准图)，其反映了每个扫描点相对于跟踪系统22的位置。例如使用不同颜色，该图可以被显示在计算机屏幕上。
特别地，终点的停机位16前面的不同距离范围28、30、32通过，例如在可视导航系统22、24的配置期间使用的显示器上的不同颜色或阴影来说明。因此，通过扫描停机位16前面的区域来创建三维回波图。如上所概述的，在该回波图中，第三维，即到可视入坞导航系统前面的物体或扫描点的距离，通过不同灰度阴影或不同颜色来表示。
图3示出了当反射参考物体(reflecting reference object)34位于停机坪上的停机位之前时，根据图2的校准图。
如图3所示，反射物体34，一般是一大平板，被置于用于定义相应中心线定义点的中心线14上的不同点上。在如图3所示的中心线标识图中可视地识别反射物体34的每次放置，并且参照固定在反射物体34的下边缘的中点36，以便定义中心线定义点。为后来的参照可以存储到该中心线参考点的测量角度和距离。
然而，现有技术中已知的该方法的问题在于：例如当在恶劣的天气条件下停机坪是湿的时，可能难以识别参考物体，即该平板，和停机坪之间的边界线。
此外，由于典型的情况是参考物体(大约为1m×1m)大到在校准图中可以被清楚地看到，所以存在如下风险：所确定的中心线定义点，即参考物体的下边缘的中点36，不位于参考物体和中心线14之间的实际边界线上，而是位于参考物体上较高处。
因此，在刚刚开始配置时将误差引入到用于每个中心线定义点的、到该可视入坞导航系统的所存储的角度和距离中。无疑，这直接影响了通过可视入坞导航系统实现的导航的精确度。
该已知方法的另一个困难在于：在大风条件下使用大的参考物体，在可视入坞导航系统的配置期间，需要特别的装置和额外的维护人员来将参考物体保持在位置上。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是实现一种入坞导航系统中的快速、恰当的中心线识别。
本发明的另一目的是实现一种对所识别的中心线的快速且精确的配置检验(configuration check)。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种入坞导航系统中的中心线识别方法来实现，该方法包括步骤：使用测距仪来扫描飞机或入坞位(docking stand)之前的停机坪，和记录(registering)每个扫描点的反射亮度和位置，和使用中心线和围绕中心线的停机坪表面之间的反射亮度中的差值，来识别入坞位之前的中心线。
因此，根据本发明，提出本方法，以便除了使用到不同扫描点的角度和距离之外，还使用中心线(例如，停机坪上用颜色所画的)和停机坪上周围表面的反射率属性，特别是，使用为定义可视入坞导航系统中的中心线而选择的中心线定义点的属性。
换言之，根据本发明，创建可视入坞导航系统之前的停机坪的三维图像，其中反射亮度，或者更准确地，来自扫描点或反射物体的回波的振幅，或同等地，来自扫描点或反射物体的反射光束能量的量，构成了可以，例如用阴影或颜色显示的第三维。因此，假若该点或物体和周围表面之间的反射属性之差很大的话，即使扫描物体和停机坪地面之间的距离差小，甚至为0，也可以在校准图上识别停机坪上的扫描点或反射物体。
根据本发明的优选实施例，中心线识别方法还包括步骤：根据中心线轮廓定义至少两个中心线定义点。
根据本发明的该优选实施例，当黄色中心线自身在校准图中是可辨别的，避免使用大的反射物体，例如上述相对于图3所参照的反射平板，是可能的。在此情况下，中心线定义点可以通过选择位于中心线上的点来定义。然后，为后来的参照存储相关的垂直和水平角和距离。
根据本发明的另一优选实施例，中心线识别方法还包括步骤：将预定义的中心线定义点与中心线轮廓(layout)相比较。
根据本发明的该优选实施例，提出该方法，以便不仅在安装该入坞导航系统之后，而且在其随后的操作期间，例如，用于在操作的预定时间间隔之后或在维护可视入坞导航系统之后验证已经存在的中心线配置期间中，可以产生中心线识别图。
通过例如在显示器平面上简单地重新产生中心线识别图，并且随后叠加通过先前的中心线配制先前产生的中心线定义点，来实现该验证。即，先前存储的中心线定义点被添加在新产生的中心线识别图上，并且当它们理想地适合该新识别的中心线时，结论是该中心线配置是准确的。
反之，即，当在新产生的图像中的预先存储的中心线定义点位于所识别的中心线的侧面时，或当到由所添加的定义点指示的图像中的点的距离不同于所存储的距离时，可视入坞导航系统的新配置是必需的。
根据本发明的另一优选实施例，提出了：基于中心线和环绕该中心线的停机坪表面之间的反射亮度中差值，自动实现在入坞位之前的中心线的识别。
本发明的该优选实施例特别适用于下述情况，其中，在停机坪上以高亮度的颜色，例如以黄色，画中心线，而这是常见的情况。在此情况下，对于中心线识别图，使用已知的模式识别技术，自动实现中心线的识别。
还根据本发明的另一优选实施例，在中心线不可辨别的情况下，提出该方法，以便在扫描停机坪之前，将具有高反射率的至少两个反射物体放置在中心线上。
这里，高反射率意味着高于环绕中心线的表面反射率的反射率。由于下述事实：当使用回波振幅时，可以以高精确度、或多或少独立于其大小地检测这样的高反射物体，它们可以比上述所参照的、先前使用的反射物体更小。
此外，由于这些小的反射物体由于高反射率而从周围的停机坪中突出出来，从而其小的表面再次避免了有关已知方法中使用的平板的上述问题，例如，有关配置的精确性或大风条件下的处理的问题。
大体上，发明的方法提供了一种更快和更精确的中心线识别，从而或者使用或者不使用高反射参考物体，以提高的精确度，加速配置可视入坞导航系统。由于下述事实：当在扫描停机坪期间使用放射率参数来作为附加的维数，可以更容易地定义中心线，可以以自动方式更容易地产生和处理中心线识别图。为此原因，可以更经常地执行中心线识别和可视入坞导航系统配置，这再次增强由可视入坞导航系统提供的总体安全性。
根据本发明的第二方面，上述目的也通过入坞导航系统的中心线识别系统来实现，该系统包括：扫描单元，适于扫描入坞位之前的停机坪；记录单元，适于记录每个扫描点的反射亮度和位置；和处理单元，适于使用中心线和环绕该中心线的停机坪表面之间的反射亮度中的差值，来识别入坞位之前的中心线。
根据发明的中心线识别系统的优选实施例，处理单元还适于根据中心线轮廓，来定义至少两个中心线定义点，或者将预定义的中心线定义点与中心线轮廓相比较。
因此，该发明的中心线识别系统也可以实现与上述相对于发明方法所述的相同的优点。
更进一步，发明的中心线识别系统的另一优点在于：可以简单地通过例如以硬件或以软件、或其结合对相关处理单元进行升级，使用现有的可视入坞导航系统体系结构来容易地实现该发明，而不用硬件修改。
根据本发明的另一优选实施例，提供了一种计算机程序产品，其可以被直接装载到入坞导航系统中的处理单元的内部存储器中，包括：软件代码部分，用于当产品运行在入坞导航系统中的处理单元中时，执行根据本发明的方法的步骤。
因此，还提供本发明来实现计算机或处理器系统中的本发明方法步骤的实现。总之，这种实现提供了与计算机系统，或更具体地，包括在例如可视入坞导航系统中的处理器一起使用的计算机程序产品。
限定本发明的功能的程序可以以多种形式被递送给计算机/处理器，包括，但不限于永久存储在不可擦写存储介质上的信息，例如，诸如可由处理器读取的ROM或CD ROM盘的只读存储设备或计算机I/O附件；存储在可擦写存储介质上的信息，例如，软盘和硬盘驱动器；或者经调制解调器或其它接口设备、通过诸如网络和/或电话网络和/或互联网的通信介质传送到计算机/处理器的信息。应该理解：在载有实现该发明概念的处理器可读指令时，这样的介质表示本发明的可选实施例。
附图说明
下面，参照附图描述执行本发明的最佳模式及其相关的优选实施例，其中：
图1示出了入坞导航系统的应用的典型实施例；
图2示出了具有距离指示的中心线识别图，该距离指示对距图1中示出的停机位的增长的距离，使用不同级别的灰度或不同的颜色；
图3示出了根据图2的中心线识别图，其具有放置在停机坪上的停机位之前的反射物体；
图4示出了根据本发明的、具有显示的反射亮度的中心线识别图；
图5示出了根据本发明的中心线配置定义和中心线配置验证的示例；
图6示出了根据本发明的中心线识别方法的流程图；
图7示出了根据本发明的中心线配置验证的流程图；
图8示出了根据本发明的、具有反射亮度显示以及反射物体在中心线上的放置的中心线识别图；和
图9示出了根据本发明的中心线配置系统的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来说明实现本发明的最佳模式以及本发明的优选实施例。在参照与上述相对于图1-3所参照的相同的部分和部件时，将使用相同的附图标记，并省略对其的重复解释。
图4示出了根据本发明的、具有显示的反射亮度的中心线识别图。
中心线识别图显示作为水平和垂直扫描角度的函数的反射亮度。亮度越高，灰度的阴影越轻。当图像自身中没有距离信息时，例如，通过在计算机显示器上点击在该点处的光标，可以发现到特定点的距离。然后，到该点的距离可以在计算机显示器的单独显示窗口中示出。
如图4所示，根据本发明，提出了不仅考虑垂直和水平角以及到用于产生中心线识别图的扫描点的距离，而且考虑了测量反射到可视入坞导航系统22、24的回波的振幅，其作为另一测量维数。
在图4的下面部分示出了该方法的结果。可以看到：在中心线识别图中不仅表示了反射物体34，而且还表示了中心线14、停泊位置18、位ID 20、以及停机位15之前的闲人免进区。
从图4的下面部分中，可以看到：由于振幅信息的使用，不再需要使用上述相对于现有技术所参照的、大的反射物体34来配置可视入坞导航系统。
相反，可以直接参照显示信息，其与停机坪上的中心线、停泊位置、ID位、闲人免进区等具有1∶1关系，从而提高了测量的精确度。
一个可能的方法是标记至少两个中心线定义点38、40，例如，通过使用互动的输入/输出设备，例如，鼠标、触摸屏、光笔等，立即在屏幕上显示中心线识别图。
然后，存储这些中心线定义点38、40的位置，随后，当为了验证的目的在随后的时间点重新产生中心线识别图时，参照这些位置。然后，可以读出中心线定义点38、40和将这些点添加到重新产生的中心线识别图上。
如图5中所示，左边部分，当在预先存储的中心线定义点38、40的位置上有到中心线14的匹配时，即当中心线的图像通过预先存储的定义点38、40且这些点的测量距离与预先存储的值相符时，仍然配置或校准可视入坞导航系统是清楚的。
否则，如图5的右边部分所示，当出现中心线定义点38、40和中心线14之间的不匹配时，例如，由于维护或包括在其中的硬件/软件的任何其它修改，不再配置或校准可视入坞导航系统是清楚的。
图6将相对于图4和5给出的示例总结成根据本发明的中心线识别方法的流程图。具体地，该流程图示出了为快速且恰当地设置可视入坞导航系统而采取的最初步骤。
如图6中所示，初始执行了步骤S1，以使用测距仪22扫描飞机入坞位16之前的停机坪，并且记录每个扫描点的反射亮度和位置。然后，执行步骤S2，以通过中心线14和停机坪上其周围表面之间的反射率的差值，识别飞机入坞位之前的中心线14。此后，执行步骤S3(可选地)，以通过在中心线14上定义至少两个中心线定义点38、40来配置该中心线。
图7示出了相对于图4和5说明的、根据本发明的中心线配置验证方法的流程图。由于本发明的步骤S1和S2与可视入坞导航系统的初始配置相同，将不再给出对这些步骤地重复解释。
如图7中所示，在配置的验证期间，执行另一步骤S4，以例如，通过如图5所示，对中心线定义点38、40和中心线14进行重叠考虑，比较在屏幕上显示的中心线路线和先前配置的中心线14的至少两个中心线定义点38、40。
可选地，当中心线轮廓或路线和中心线定义点之间的偏差超过了预定阈值，在步骤S5中再次配置/校准可视入坞导航系统，以将可视入坞导航系统恢复到恰当操作的状态。
根据预先设置的准则，可以例如在来自系统的告警之后手动地或自动地执行参照图7所述的过程。
同时，应当注意：对于根据本发明的中心线配置，预先定义的阈值是可以自由选择的参数。此外，为了实现可视入坞导航系统的新配置，可以根据新的中心线识别图，为可视入坞导航系统的随后操作简单地定义新的中心线定义点。另外，第二种方法是定义一种变换，其在可视入坞导航系统的操作期间，为了随后的坐标变换计算而将预先定义的中心线定义点的位置映射到新定义的中心线定义点。
图8示出了本发明的另一修改，其中产生了反射物体被放置在中心线上的中心线识别图。
如图8中所示，根据本发明的优选实施例，提出了：在扫描停机坪之前，将具有提高的反射率的反射物体42、44放置在中心线14上。这样的反射物体的一般范围可以高达0.5m宽和高达0.5m高。该方法便于恶劣测量条件下的中心线，例如磨损的中心线或有飞机轮胎橡胶覆盖的中心线的配置。无论如何，提供具有提高的反射率的反射物体允许实现中心线14上的中心线定义点的正确、安全的定义。
图9示出了根据本发明的中心线配置系统的示意图。
如图9所示，中心线配置系统分成具有跟踪系统22和可视显示器24的可视入坞导航系统以及处理和控制单元62。跟踪系统22包括光束测距仪46，其产生，例如，为了随后扫描停机坪而由第一镜面48和第二镜面50反射的激光束。每个第一镜面48和第二镜面50分别受第一步进马达52和第二步进马达(step motor)54的控制。
此外，可视入坞导航系统包括显示器单元24，用于显示飞机56的类型、横向偏差58和到停泊位置60的距离。
如图9中所示，可视入坞导航系统的跟踪系统22和显示器单元24二者都在能存取存储器介质64的计算机和/或专用处理器62的控制下运行，该存储器介质64装备在内部或外部。
如图9所示，处理和控制单元62适于控制跟踪单元22，从而在对停机坪的第一扫描处理中产生了包括水平和垂直角α_i、β_i二者和相关的距离d_i以及相关的亮度测量值I_i的扫描数据。此外，存储介质也存储中心线定义点α_i、β_i、d_i。由中心线配置系统的操作员，例如，通过象鼠标、触摸屏、触笔等的I/O设备的活动，在控制和处理单元62的显示器屏幕上显示中心线识别图之后产生该数据。
还如图9所示，在停机坪的第一次扫描和相关的中心线定义点的定义之后，这样的中心线配置的验证要求停机坪的第二次或随后的扫描，以便产生一组新的中心线识别图相关数据α’_i、β’_i、d’_i、I’_i。
然而，在停机坪的第二次扫描之后，不再对中心线定义点进行重复定义，但是将有关在停机坪的第一次扫描期间产生的中心线定义点的数据用于，例如，在控制和处理单元62的屏幕上的重叠显示，以便评估中心线定义点匹配或中心线定义点不匹配，如相对于图5所示。
虽然相对于被认为是本发明的最佳模式和优选实施例，解释了本发明，但是本领域技术人员应该明白很多修改和变化是可以考虑的，且是直接可用的。
例如，虽然上述参照了两个中心线定义点，但是应当明白：任意数量的中心线定义点可用于中心线配置和/或校准，只要其适于以三维方式定义中心线的路线。
此外，本发明还可以用软件/硬件或其组合，以及基于可用的通用部件或专用硬件来实现。
再次，虽然参照了激光束测距仪，但是应当明白：本发明完全覆盖了现有技术中已知的任何合适的扫描技术，例如，微波、超声波扫描、红外扫描等。
又次，虽然参照单个中心线解释了本发明，但是应当明白：与上述相同的技术和特征也可应用于停机位之前的多个中心线的配置和/或校准。