論飛機(jī)泊位系統(tǒng)中的激光掃描數(shù)據(jù)的處理論文
激光掃描儀是借著掃描技術(shù)來測量工件的尺寸及形狀等工作的一種儀器,激光掃描儀必須采用一個穩(wěn)定度及精度良好的旋轉(zhuǎn)馬達(dá),當(dāng)光束打 ( 射 ) 到由馬達(dá)所帶動的多面棱規(guī)反射而形成掃描光束。由于多面棱規(guī)位于掃描透鏡的前焦面上,并均勻旋轉(zhuǎn)使激光束對反射鏡而言,其入射角相對地連續(xù)性改變,因而反射角也作連續(xù)性改變,經(jīng)由掃描透鏡的作用,形成一平行且連續(xù)由上而下的掃描線。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的:論飛機(jī)泊位系統(tǒng)中的激光掃描數(shù)據(jù)的處理相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考,歡迎閱讀!
論飛機(jī)泊位系統(tǒng)中的激光掃描數(shù)據(jù)的處理全文如下:
引言
飛機(jī)泊位引導(dǎo)是指將到港飛機(jī)從滑行道末端導(dǎo)引至機(jī)坪的停機(jī)位置并準(zhǔn)確停泊的過程。目前,飛機(jī)泊位引導(dǎo)主要分為兩種工作方式:(1) 人工引導(dǎo);(2)自動引導(dǎo)。人工引導(dǎo)是通過專業(yè)引導(dǎo)員站在入塢飛機(jī)的前方用專用標(biāo)牌向飛行員展示各種行為語言來指示飛機(jī)的入塢信息。自動引導(dǎo)是通過各種類型傳感器采集入塢飛機(jī)的姿態(tài)和速度信息,利用計算機(jī)對這些入塢信息進(jìn)行有效處理和分析進(jìn)而產(chǎn)生入塢飛機(jī)的引導(dǎo)信息,并通過停泊前方的顯示設(shè)備向飛機(jī)駕駛員、副駕駛員或其他人員顯示泊位引導(dǎo)信息。近年來,隨著機(jī)場管理控制系統(tǒng)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化和智能化水平的提高,傳統(tǒng)的人工引導(dǎo)方式已不能滿足需求。自動飛機(jī)泊位引導(dǎo)系統(tǒng)則能有效提高機(jī)場的裝備水平、運營效率、管理水平和服務(wù)質(zhì)量。
自動飛機(jī)泊位引導(dǎo)系統(tǒng)按使用傳感器的類型不同主要分為:(1)地埋線圈類;(2) 激光掃描測距類;(3)視覺感知類。地埋感應(yīng)線圈類誤差較大、易損壞、可靠性不高;視覺感知類對天氣和照度有要求、適應(yīng)性較差;而激光掃描測距類不受環(huán)境照度的影響、且受天氣影響較小、精度較高,因而得到廣泛應(yīng)用。飛機(jī)泊位系統(tǒng)國外早有所發(fā)展,1992 年瑞典的FMT 公司研制了基于激光技術(shù)的飛機(jī)位置及咨詢顯示系統(tǒng)( aiccraftpositioning and infomation system,APIS);1995 年瑞典的Safegate 公司推出了以激光為基礎(chǔ)的新一代Safedock引導(dǎo)系統(tǒng)。目前,Safegate 公司市場占有率達(dá)到80%。美國Honeywell 公司的可視化飛機(jī)泊位引導(dǎo)系統(tǒng)(visual docking guidance system,VDGS)和德國西門子公司的視頻泊位引導(dǎo)系統(tǒng)( video docking system,VDOCKS)也得到應(yīng)用。而國內(nèi)還沒有生產(chǎn)銷售具有自主知識產(chǎn)權(quán)的泊位引導(dǎo)系統(tǒng)。
1 基于激光掃描的飛機(jī)泊位的原理與激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成
基于激光掃描的飛機(jī)泊位引導(dǎo)系統(tǒng)采用水平掃描步進(jìn)電機(jī)和垂直掃描步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動水平振鏡和垂直振鏡,對激光測距儀的發(fā)射光束和回波光束實現(xiàn)偏移,水平振鏡和垂直振鏡的偏轉(zhuǎn)角及激光測距數(shù)據(jù)組合后得到3 維測量數(shù)據(jù)。3 維數(shù)據(jù)以離散點的形式描繪出飛機(jī)機(jī)頭的輪廓,提取出飛機(jī)鼻尖和引擎的參量,并將引導(dǎo)信息顯示在正對引導(dǎo)線安裝的LED 上,從而實現(xiàn)入塢飛機(jī)的捕獲、跟蹤、引導(dǎo)、識別、精確定位,并要求在停止線上,飛機(jī)偏離引導(dǎo)線的距離小于100mm。
跟蹤引導(dǎo)飛機(jī)泊位的過程中,雙鏡系統(tǒng)中的垂直鏡跟蹤飛機(jī)的鼻尖,水平鏡水平掃描1 行,根據(jù)落在飛機(jī)上的掃描點,通過二次擬合,擬合出的曲線上的頂點,即距離最小值點,就是飛機(jī)的鼻尖。通過對鼻尖所在位置的坐標(biāo)解算,得出鼻尖相對于引導(dǎo)線的偏差,判斷當(dāng)前飛機(jī)是否偏離引導(dǎo)線,并將飛機(jī)的偏離情況通過LED 屏顯示,飛機(jī)員通過查看LED,調(diào)整飛機(jī)至引導(dǎo)線重合。在引導(dǎo)飛機(jī)泊位的過程中,根據(jù)飛機(jī)固有的特性,不同的型號飛機(jī)的鼻尖高度和引擎距離鼻尖的距離不同,對泊位飛機(jī)的機(jī)型進(jìn)行識別。
本文中研究的飛機(jī)泊位系統(tǒng)基于振鏡的激光掃描。激光掃描系統(tǒng)設(shè)計為外置于工控機(jī)的獨立子系統(tǒng),便于其維護(hù)與調(diào)試,提高系統(tǒng)的可靠Fig. 1 Laser scanning system of aircraft docking system性??刂破鞑捎肁VR32,通過輸入/輸出( input /output,I /O) 并行通信與現(xiàn)場可編程門陣列( field programmablegate array,F(xiàn)PGA)協(xié)同工作,完成水平和垂直掃描控制、激光掃描數(shù)據(jù)的采集、與工控機(jī)的數(shù)據(jù)通信等,而激光掃描點云數(shù)據(jù)的處理由工控機(jī)完成,并由當(dāng)前數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到下一步需采取的掃描策略。激光掃描系統(tǒng)通過獨立的RS485 接口與工控機(jī)連接,形成一對一的通信方式。
2 激光掃描數(shù)據(jù)處理算法流程圖
對激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,主要是為了消除激光掃描數(shù)據(jù)點中的噪聲點,并對該噪聲點進(jìn)行補(bǔ)償;精簡數(shù)據(jù)傳輸字節(jié),以提高數(shù)據(jù)在上位機(jī)和控制板卡之間的通信速率;對掃描點數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合以獲得飛機(jī)的掃描輪廓,判斷飛機(jī)相對停止線的左右偏離情況。
在激光掃描數(shù)據(jù)的處理過程中,主要采用了對激光掃描數(shù)據(jù)的精簡和錯誤點標(biāo)識;對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波以消除噪聲點;對機(jī)頭掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,以滿足數(shù)據(jù)結(jié)算的需求,。
3 數(shù)據(jù)精簡與錯誤點標(biāo)識
激光掃描系統(tǒng)選用班納公司的LT300 遠(yuǎn)距離激光測距儀。班納LT300 型激光測距儀采用激光脈沖飛行時間測量法,對于自然物體表面測量范圍可達(dá)300m,滿足飛機(jī)泊位的距離要求,測量精度到60mm,358第39 卷第3 期王春彥飛機(jī)泊位系統(tǒng)中的激光掃描數(shù)據(jù)的處理滿足系統(tǒng)的100mm 泊位誤差要求。
激光測距儀以二進(jìn)制輸出距離值,單位為mm。輸出距離值為3byte,其中byte 2 最高位始終為1;byte 1 和byte 0 的最高位始終為0。剩余的21bit 表示距離值。為了數(shù)據(jù)的快速傳輸,需要在AVR32 MCU 中對數(shù)據(jù)精簡處理。先將byte 2,byte 1 和byte 0 的最高位去掉。在機(jī)場的實際環(huán)境中,由于飛機(jī)泊位的最大距離不大于200m,因此表示距離值的21bit 中,使用低18bit 就可以表示200m 內(nèi)的任意距離,單位為1mm,而高3bit 不使用。
激光測距儀的單次測量誤差最大為60mm,小于100mm 的系統(tǒng)誤差要求,因此在毫米量級的誤差可以忽略不計。將上述18bit 量程的最低2bit 舍去,如圖3 所示,不影響精度,此時距離值的最小單位為4mm。從而實現(xiàn)將3byte 的距離值縮減為2byte。此時可使數(shù)據(jù)傳輸速率增加1 /3。以距離值29121mm 為例,原存儲格式為:0x814341。經(jīng)過數(shù)據(jù)精簡后,傳輸格式為:0x1470。數(shù)據(jù)精簡算法示意如圖3 所示,圖中,MSB 表示字節(jié)的最高位(the most significant bit),LSB 表示字節(jié)的最低位(the least significant bit)。
激光測距數(shù)據(jù)精簡后,進(jìn)行錯誤點的標(biāo)識。在實際飛機(jī)泊位的過程中,由于飛機(jī)泊位系統(tǒng)安裝位置距離飛機(jī)停止線的距離在12m 以上,整個飛機(jī)入塢區(qū)域中和飛機(jī)泊位系統(tǒng)的安裝位置的最大距離不超過150m。因此,將精簡后的激光數(shù)據(jù)值中的小于12m 和大于150m 的距離值標(biāo)為0,并在上傳數(shù)據(jù)給工控機(jī)之前,去除這些距離值為0 的數(shù)值。
4 消除噪聲
通過對機(jī)場的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析可知,在連續(xù)掃描的數(shù)據(jù)中總存在一些雜散點和錯誤點,需要對其進(jìn)行濾除。為保證數(shù)據(jù)處理的實時性,此處引入圖像處理中的中值濾波算法并加以簡化,使之應(yīng)用于激光掃描數(shù)據(jù)的噪聲去除。消除噪聲的流程如圖2b 所示。
將激光掃描的每行/列數(shù)據(jù)看成點集P( d1,d2,d3,…,dN)。定義前向數(shù)據(jù)差Δdb = di - di - 1。對于在一個平面上的點,di≈di - 1,Δd≈0。由于存在噪聲點,且假設(shè)該噪聲點的值為di,通常該噪聲點值與其相鄰點di - 1,di + 1的差值Δdf和Δdb會較大,其中Δdf = di -di - 1,Δdb = di - di + 1。根據(jù)機(jī)場實驗得到的數(shù)據(jù)分析,設(shè)定閾值Δd = 1m,即相鄰兩點的距離差值閾值大于1m 時,可認(rèn)為距離值發(fā)生突變,對應(yīng)的激光點不在同一個平面上。
5 數(shù)據(jù)擬合
在對掃描點進(jìn)行重排后,需要對掃描數(shù)據(jù)點進(jìn)行曲線擬合。在實際應(yīng)用中,重點關(guān)注機(jī)頭位置的掃描點的曲線,根據(jù)機(jī)頭外形,選擇最小二乘的二次曲線進(jìn)行擬合。
6 結(jié)論
針對飛機(jī)泊位對時間和精度的嚴(yán)格要求,本文中研究了對激光數(shù)據(jù)的處理。通對激光數(shù)據(jù)精簡,解決數(shù)據(jù)傳輸速率過慢的問題。通過中值濾波,能較好地消除掃描點中雜散的噪聲點,且通過控制中值濾波的模長可以濾除連續(xù)的噪聲。通過最小二次曲線擬合,可以描繪出飛機(jī)的外形輪廓,用來判斷飛機(jī)相對引導(dǎo)線的偏離程度。通過機(jī)場實際測試,對激光數(shù)據(jù)的處理,可以很好地保證實現(xiàn)飛機(jī)泊位過程的精確性。