一种直升机避障系统.pdf

本发明提出了一种直升机避障系统，包括：安装于直升机的毫米波雷达、工控机及红外线传感器；其中，毫米波雷达，用于在设定的扫描区域扫描获取地物的测距信息，发送至工控机；工控机，用于根据直升机的电机位置编码计算地物的方位角，并根据该方位角控制红外传感器转动；红外传感器，用于获取地物的红外影像信息，上传至工控机；在直升机运行过程中，工控机将地物的测距信息写入地物的红外影像信息，进行地物的距离和红外影像的融合，生成障碍物识别信息用于直升机避障。

权利要求书
1.  一种直升机避障系统，其特征在于，包括：安装于直升机的毫米波雷达、工控机及红外线传感器；其中，
所述毫米波雷达，用于在设定的扫描区域扫描获取地物的测距信息，发送至所述工控机；
所述工控机，用于根据所述直升机的电机位置编码计算所述地物的方位角，并根据该方位角控制所述红外传感器转动；
所述红外传感器，用于获取所述地物的红外影像信息，上传至所述工控机；
在所述直升机运行过程中，所述工控机将所述地物的测距信息写入所述地物的红外影像信息，进行地物的距离和红外影像的融合，生成障碍物识别信息用于直升机避障。

2.  根据权利要求1所述的直升机避障系统，其特征在于，根据直升机电力巡视作业的特点，设置所述毫米波雷达的参数包括：发射和接收频段、接收灵敏度、天线隔离度、中频放大器增益、动态范围估算、SAFC控制量估算。

3.  根据权利要求2所述的直升机避障系统，其特征在于，根据直升机电力作业中障碍物分布的特点，将目标障碍物的探测分为两个区域：10m-125m、100m-1250m；
当利用所述毫米波雷达探测10m-125m范围内的障碍物时，采用发射调频带宽为300MHz的信号；
当利用所述毫米波雷达探测100m-1250m范围内障碍物时，采用发射频率为30MHz的信号。

4.  根据权利要求1所述的直升机避障系统，其特征在于，所述毫米波雷达包括：天线、馈线、测控主机，该毫米波雷达的供电和数据传输采用低频电缆；
所述测控主机，用于设定毫米波雷达的工作方式、雷达波信号处理；
所述毫米波雷达包括直径3000mm，高120mm的转盘，重心在圆心处，并留出配平安装位置和螺纹孔，所述毫米波雷达在电机驱动下进行360°扫描，探测波束选取窄波束，天线波束的最大改正角为±20°；
所述毫米波雷达，用于在设定的扫描区域扫描获取地物的测距信息，对接收到的测距信息进行滤波处理，选取最接近的三个测距信息作为对直升机威胁最大的地物， 上传该三个测距信息至所述工控机。

5.  根据权利要求1所述的直升机避障系统，其特征在于，在所述直升机运行过程中，直升机的工作阶段包括：起飞阶段、飞行阶段、作业阶段、降落阶段；其中，
在所述起飞阶段和降落阶段，扫描范围为360°全景扫描；
在所述飞行阶段，扫描范围为以飞行方向为法线的前方180°范围；
在所述作业阶段，扫描范围为以所述直升机与电力线垂线为法线的靠近电力线一侧180°范围。

6.  根据权利要求1所述的直升机避障系统，其特征在于，所述工控机用于在接收毫米波雷达的测距信息和红外传感器的红外影像信息后，把所述测距信息利用视频采集卡写入到红外影像信息中，进行地物的轮廓和地物的测距信息的融合，生成障碍物识别信息；
该直升机避障系统通过VGA向飞行显示屏提供所述障碍物识别信息，当障碍物的距离超过报警阈值时，通过RS232串口线向飞行员驾驶舱的声光报警器提供报警信息。

说明书一种直升机避障系统
技术领域
本发明涉及航空技术领域，尤指一种直升机避障系统。
背景技术
近来，障碍物检测和直升机避障研究正广泛开展。一些研究使用了广角像机获取高分辨率、广角范围的影像，来获取障碍物的光流信息，并通过对光流场的分析高效的感知障碍物，该方法的最大缺点在于直升机悬停或低速航巡状态时，就很难获得周围地物的光流信息，那么也无法感知直升机周围的障碍物。另外，还有研究提出了使用单目视觉技术实现直升机避障，但是这项技术需要在高精度的定位定姿传感器的辅助下，才能得到与障碍物的绝对距离，而且根据单目视觉测距所用到的小孔成像原理可知，很小的相机运动误差能带来较大的距离计算误差。还有一些研究提出了基于单个视频相机实现飞行器避障，实现原理是利用多帧视频数据上障碍物特征点的检测和配准，基于交会法计算出它们的空间坐标，并根据这些特征点空间位置判断飞行器与障碍物之间的距离；该方案尽管已通过传感器获取了相机的空间位置和姿态，但是各帧中的特征点相关匹配误差仍然会带来较大距离测量误差。还有一些研究提出了立体视觉方法检测障碍物的方法，由于该方法采用的传感器的重量较激光扫描仪轻，非常适用于小型飞行器装载，并能在没有定位定姿传感器的支持下，快速、高精度的获取飞行器与障碍物间距，实现环境感知的目的,不过与基于可见光的系统一样，该系统的使用受到天气情况和光学环境制约。
进入2013年以来，国内逐渐开始研究红外传感器应用于直升机防撞领域，如华中科技大学的秦名扬等人通过红外传感器识别杆塔来实现直升机对杆塔的防撞功能，武汉工程大学的陈国君等人的研究在识别杆塔的基础上增加了对高压电力线的识别，这些研究目前还停留在理论研发阶段，只要是利用红外传感器来识别障碍物，该技术有一前提是利用红外传感器获取高质量的障碍物图像，而且即使获取了高质量的障碍 物识别结果，由于红外传感器并不能获得障碍物和直升机之间的相对位置，因此单依靠红外传感器为飞行员提供的预警信息是不全面的。
在现有技术中，霍尼韦尔的MARKXXII系统可以在潜在危险存在时提前向飞行员提供视觉和听觉信号，其包括主控电脑、GPS天线、毫米波成像雷达、告警系统。该系统的软件和硬件设备具备相同的价值，软件中主要包括地形数据库、不同飞行模式设定，与飞行联系的信息显示与预警系统。系统采用毫米波成像雷达采用Wx波段，扫描直升机前方视场范围内的地形、障碍物，得到的信息包括前方视场内地物的三维信息，系统重点区分了架空线、孤立塔、孤立树等对飞行安全造成威胁的微小地物，并以设定的颜色系统显示障碍物的危险程度。该系统源于大型客机的近地避障系统，系统提供的数据和使用习惯与大型民航客机类似，系统中毫米波成像雷达提供的数据只能和地形数据进行并行显示，而不能融合。该系统的数据格式和接口都是专用的，只能通过霍尼韦尔公司提供的专业工具进行数据的转移和导入导出，不能针对电力巡线系统进行扩展。
由于MARKXXII的雷达系统是前向扫描成像雷达，因此，当MARKXXII和VFR集成时，只提供前方扫描区域内的障碍物信息，飞行员无法获取当前直升机周围的障碍物预警信息。
MARKXXII毫米波成像雷达提供的是一种真彩色预警示意图，该系统以颜色判断前方障碍物信息危险程度，为飞行员提供的是雷达视场内表示危险程度的二维信息，无法为飞行员提供直观的地理环境信息。
MARKXXII系统中毫米波成像雷达提供的数据只能和地形数据库中的空间信息并行显示在两个显示屏上，而不能融合显示，飞行员需要通过对比观察两个显示屏提供的信息才能更好地判断直升机周围的地形、障碍物情况。
MARKXXII系统是针对直升机研制的近地告警系统，系统软硬件接口必须借助霍尼韦尔公司的特殊设备进行交互，因此不能针对电力巡线的特点进行改进和系统集成。
根据以上陈述，在直升机防撞雷达避障系统研究领域，传统的光学成像方式受到光学环境和天气状况的影响，不能全天候全天时地工作，并且无法很好的为飞行员提供直观的地理环境信息，影响飞行员判断直升机周围的地形、障碍物情况。
发明内容
为克服上述直升机避障方面的技术缺陷，本发明提出一种集成了红外传感器和毫米波雷达，通过测距雷达获取障碍物与直升机的距离，与红外传感器获得的视场信息进行融合，为飞行员提供视频避障信息和声光避障预警显示的系统。
为达到上述目的，本发明提出了一种直升机避障系统，包括：安装于直升机的毫米波雷达、工控机及红外线传感器；其中，所述毫米波雷达，用于在设定的扫描区域扫描获取地物的测距信息，发送至所述工控机；所述工控机，用于根据所述直升机的电机位置编码计算所述地物的方位角，并根据该方位角控制所述红外传感器转动；所述红外传感器，用于获取所述地物的红外影像信息，上传至所述工控机；在所述直升机运行过程中，所述工控机将所述地物的测距信息写入所述地物的红外影像信息，进行地物的距离和红外影像的融合，生成障碍物识别信息用于直升机避障。
本发明提出的直升机避障系统利用低成本的追踪性毫米波雷达，很好地实现了对障碍物的距离探测，并与红外视频获得的障碍物轮廓信息融合，实现了空域障碍物的识别和测距，有利于直升机避障系统的大规模推广。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的直升机避障系统的结构示意图。
图2A及图2B为一具体实施例的毫米波雷达的结构示意图。
图3为直升机作业飞行中扫描范围示意图。
图4为直升机作业飞行中，传感器的重点关注区域的示意图。
图5为毫米波雷达和红外传感器视场的关系示意图。
图6为红外传感器窄视场和宽视场对比关系示意图。
具体实施方式
以下配合图示及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
图1为本发明一实施例的直升机避障系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括：安装于直升机的毫米波雷达101、工控机102及红外线传感器103；其中，
毫米波雷达101，用于在设定的扫描区域扫描获取地物的测距信息，发送至工控机102；
工控机102，用于根据直升机的电机位置编码计算地物的方位角，并根据该方位角控制红外传感器103转动；
红外传感器103，用于获取地物的红外影像信息，上传至工控机102；
在直升机运行过程中，工控机102将地物的测距信息写入地物的红外影像信息，进行地物的距离和红外影像的融合，生成障碍物识别信息用于直升机避障。
在本实施例中，可以根据直升机电力巡视作业的特点，设置毫米波雷达101的参数包括：发射和接收频段、接收灵敏度、天线隔离度、中频放大器增益、动态范围估算、SAFC控制量估算。
在本实施例中，毫米波雷达101可以包括：天线、馈线、测控主机，该毫米波雷达101的供电和数据传输采用低频电缆；其中，
测控主机，用于设定毫米波雷达的工作方式、雷达波信号处理；
图2A及图2B为一具体实施例的毫米波雷达的结构示意图。如图2A所示，毫米波雷达的收发装置201设置于转盘202上，转盘202的直径约为3000mm，高约为120mm，重心在圆心处，并留出配平安装位置和螺纹孔，转盘202下面设置有支撑盘203，支撑盘203下设置有支撑底座204，支撑底座204设置有电机205、角度传感器(图中未绘示)等。如图2B所示，收发装置201通过收发装置支撑架206固定安装于转盘202上，在支撑底座204上还设置有电机驱动器207。毫米波雷达在电机驱动下进行360°扫描，探测波束选取窄波束(3°-6°)，天线波束的最大改正角为±20°；
毫米波雷达101用于在设定的扫描区域扫描获取地物的测距信息，对接收到的测距信息进行滤波处理，选取最接近的三个测距信息作为对直升机威胁最大的地物，上传该三个测距信息至工控机102。
通常，毫米波雷达的有效工作范围为10-1000m，采用调频连续波工作机制，调频带宽根据目标距离自适应调整。根据直升机电力作业中障碍物分布的特点，可以将目标障碍物的探测分为两个区域：10m-125m、100m-1250m；
当利用毫米波雷达探测10m-125m范围内的障碍物时，采用发射调频带宽为300MHz的信号；
当利用毫米波雷达探测100m-1250m范围内障碍物时，采用发射频率为30MHz 的信号。
线性调频信号的产生由DDS实现，接收机的接收频段为10K-250KHz。当接收机带宽为250KHz时，接收机的极限灵敏度Prmin＝-115dBm。在考虑接收噪声、调幅等杂散信号时，选择信噪比为10dB，则捕获灵敏度为-105dBm(S/N＝10dB)。毫米波雷达测量100m处高压线，需要-86dBm的接收灵敏度；同理，10m的高压线的接收灵敏度应为-46dBm。测量1000m处山体，需要-98dBm的接收灵敏度。因此设置毫米波雷达的接收灵敏度为-105dBm。
天线隔离度约为60dB。这样接收到直达波功率的为-37dBm。考虑TR组件微波通道混频前接收前端总增益为30dB，则直达波输出到混频器的功率为-10dBm，混频损耗计-7dB,则输出直达波中频功率为-17dBm。这样整个毫米波接收前端的接收增益为23dB。设计P-1应该大于-20dBm(毫米波接收端口处测量)，比直达波高出20dB的余量，确保前端不饱和。
中放的增益设计在77dB左右，信号处理需要处理低于0.2V的回波信号。
毫米波雷达的探测范围在10-1000m之间，由距离引起的动态范围在80dB，本方案设计的接收机总的动态范围设计为20～27dB。
由于发射功率为23dBm，它的收发天线之间的隔离度设为60dB，此时接收到的直达波信号将达到-37dBm，远高于捕获灵敏度Prmin＝-105dBm。为了防止捕获直达波，所以SAFC的控制量最小需68dB。
对于高压线这种小RCS目标的探测，采用变调频灵敏度的方式，使接收带宽工作在250kHz的窄带，降低噪声，提高了系统的信噪比，可以探测小RCS的高压线。
毫米波雷达的信号处理流程为：首先进行滤波运算，剔除10k～250k以外的信号；进行目标识别，存在谱线能谱大于门限，即认为该处存在目标，目标位置为该谱线对于的频率点；取前三个谱线高于门限的目标，其余目标丢弃。
在直升机运行过程中，直升机的工作阶段包括：起飞阶段、飞行阶段、作业阶段、降落阶段；其中，
在起飞阶段和降落阶段，扫描范围为360°全景扫描；
在飞行阶段，扫描范围为以飞行方向为法线的前方180°范围；
在作业阶段，扫描范围为以直升机与电力线垂线为法线的靠近电力线一侧180°范围。其中，图3为直升机作业飞行中扫描范围示意图。如图3所示，直升机H的 朝向与电力线C为平行关系，扫描范围R1为以直升机与电力线的垂线N为法线的靠近电力线C一侧180°范围。
在本实施例中，图4为直升机作业飞行中，传感器的重点关注区域的示意图。如图4所示，直升机H作业飞行中重点关注区域是以法线N为中心，向机尾方向30°，向机头方向50°，共80°的重点区域R2。
图5为毫米波雷达和红外传感器视场的关系示意图。如图5所示，其中，R3为20°，法线N两侧各20°为毫米波雷达的瞬时视场角；R4为18°，法线N两侧各18°为红外传感器的宽视场角。当出现重大危险预警或者飞行员需要更纤细的红外预警信息时，需要将红外传感器从大视场切换到窄视场，这一应用主要在巡航飞行场景，对远距离障碍物进行识别时发挥作用。
在本实施例中，毫米波雷达101和红外传感器103的协作是由一台工控机102和运行在该工控机102上的软件实现。毫米波雷达101和工控机102之间通过RS422总线传输电机位置编码信息和距离信息，红外传感器103和工控机102之间通过RS232总线和视频总线进行连接，其中RS232总线负责控制信息传输，视频总线负责传输图像信息。
工控机102用于在接收毫米波雷达101的测距信息和红外传感器103的红外影像信息后，把测距信息利用视频采集卡写入到红外影像信息中，进行地物的轮廓和地物的测距信息的融合，生成障碍物识别信息；
该直升机避障系统通过VGA向飞行显示屏提供障碍物识别信息，当障碍物的距离超过报警阈值时，通过RS232串口线向飞行员驾驶舱的声光报警器提供报警信息。
本方案提出的直升机避障系统利用毫米波雷达发现目标障碍物，并通过红外传感器获取障碍物轮廓信息，实现直升机与障碍物之间的精确测距，从而实现障碍物的有效识别。
为了对上述直升机避障系统进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。
在本具体实施例中，红外传感器的工作方式分为三种：特定方向扫描、特定区域扫描和360°全景扫描，毫米波雷达也附带以上三种扫描方式。图6为红外传感器窄视场和宽视场对比关系示意图。如图6所示，其中红外传感器的近景视场范围为4°×3° (窄视场)，远景视场范围为18°×12°(宽视场)，而毫米波雷达天线的视场范围为±20°，因此可以利用毫米波雷达和红外传感器的远景视场进行匹配。
毫米波雷达实现360°扫描的扫描频率为2s，红外传感器的最大扫描频率为4s，因此当直升机避障系统在360°全景工作模式下，采用毫米波雷达为直升机避障系统的主传感器，当发现危险障碍物时，调动红外传感器探测目标区域，并将毫米波雷达的测量信息和红外传感器的视频信息进行融合，为飞行活动提供避障信息。
在直升机电力作业过程中，直升机的工作阶段包括起飞阶段、飞行阶段、作业阶段和降落阶段。在起飞和降落阶段，需要直升机避障系统监测周围360°范围内的地物分布；当直升机在起降点和作业区之间进行飞行阶段时，直升机避障系统的重点监测范围为飞行方向前方，以飞行方向为中线，左右90°范围内的区域为辅；当直升机进入作业区域进行电力作业时，直升机避障系统的重点监测区域是电力线走向的目前区域，由于此时直升机的飞行方向与电力线走向大致平行，因此监测区域的中线为直升机到电力线的垂线，范围为左右90°范围内。
毫米波雷达和红外传感器的联动机制表述如下：红外吊舱的初始状态是朝向机头正前方，方便飞行员获取直升机正前方的影像信息，当毫米波雷达开始工作时，它根据直升机所处的状态(起飞、飞行、作业、降落)，选择探测区域(方向)，通过扫描设置的区域，选择距离最近的三个目标地物作为关注地物，并通过RS422总线把这三个目标地物的距离信息和当时的电机位置编码传输到工控机；工控机根据电机位置编码结算处目标地物的方位角，并通过RS232总线利用目标地物的方位角控制红外传感器的转动，红外传感器通过视频总线向工控机传输目标地物的红外影像。当三个目标地物无法同时出现在红外传感器的视场范围内，则根据目标障碍物的距离排序(从小到大)依次转动红外传感器获取目标地物的红外影像信息。当对目标障碍物进行观测时，若需要更清晰的影像信息，则可以通过RS232总线控制红外传感器远近视场的切换。当切换到近视场时，红外传感器将根据设定的转动速度对远视场范围内的区域进行动态扫描，并通过视频总线返回影像信息。
毫米波雷达获取的测距信息和红外传感器获取的影像信息的融合在工控机上实现。工控机在获取毫米波雷达的测距信息和红外传感器的影像信息后，把测距信息利用视频采集卡的SDK写入到视频信息中，从而实现障碍物轮廓和障碍物距离信息的结合。
直升机避障系统通过VGA向飞行显示屏提供融合的障碍物轮廓和距离信息，当障碍物距离信息超过报警阈值时，通过RS232串口线向飞行员驾驶舱的声光报警器提供报警信息。当飞行员接收到声光报警信息时，按下声光报警器的按钮，表示接受到预警，该开关信息通过RS232串口线把飞行员操作信息返回主控电脑，并记录下来。
上述系统中针对直升机电力巡检的业务需要和作业流程，设置了毫米波雷达和红外传感器的联动机制，并根据直升机的作业状态提供对应的重点扫描区域设置，一定程度上弥补了两种传感器扫描周期慢的弱点。在距离显示时，该系统可以为飞行员提供的避障信息是以红外视频影像为基础的距离显示，与目视看到的周围环境类似，简单容易判读。
本发明根据直升机巡线要求，设计了一套适用于巡线障碍物探测识别的避障系统，可以根据直升机电力巡视作业的特点，确定毫米波雷达的工作方式，包括确定优先扫描区域、不同扫描区域的协调配合，以及毫米波雷达的扫描频率、扫描角度和扫描距离之间的协调，实现了毫米波雷达的扫描视场和红外传感器扫描视场的匹配和识别。
本发明提出的直升机避障系统利用低成本的追踪性毫米波雷达，很好地实现了对障碍物的距离探测，并与红外视频获得的障碍物轮廓信息融合，实现了空域障碍物的识别和测距，有利于直升机避障系统的大规模推广。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。