激光掃描儀是借著掃描技術(shù)來(lái)測(cè)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(gè)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(dòng)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(duì)反射鏡而言，其入射角相對(duì)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(guò)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(dòng)引導(dǎo)。人工引導(dǎo)是通過(guò)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(yǔ)言來(lái)指示飛機(jī)的入塢信息。自動(dòng)引導(dǎo)是通過(guò)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(jì)算機(jī)對(duì)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(guò)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(lái)，隨著機(jī)場(chǎng)管理控制系統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)飛機(jī)泊位引導(dǎo)系統(tǒng)則能有效提高機(jī)場(chǎng)的裝備水平、運(yùn)營(yíng)效率、管理水平和服務(wù)質(zhì)量。

　　自動(dòng)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(cè)距類;(3)視覺(jué)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(jué)感知類對(duì)天氣和照度有要求、適應(yīng)性較差;而激光掃描測(cè)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(guó)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(chǎng)占有率達(dá)到80%。美國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有生產(chǎn)銷售具有自主知識(shí)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(dòng)水平振鏡和垂直振鏡，對(duì)激光測(cè)距儀的發(fā)射光束和回波光束實(shí)現(xiàn)偏移，水平振鏡和垂直振鏡的偏轉(zhuǎn)角及激光測(cè)距數(shù)據(jù)組合后得到3 維測(cè)量數(shù)據(jù)。3 維數(shù)據(jù)以離散點(diǎn)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(duì)引導(dǎo)線安裝的LED 上，從而實(shí)現(xiàn)入塢飛機(jī)的捕獲、跟蹤、引導(dǎo)、識(shí)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(guò)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(diǎn)，通過(guò)二次擬合，擬合出的曲線上的頂點(diǎn)，即距離最小值點(diǎn)，就是飛機(jī)的鼻尖。通過(guò)對(duì)鼻尖所在位置的坐標(biāo)解算，得出鼻尖相對(duì)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(guò)LED 屏顯示，飛機(jī)員通過(guò)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(guò)程中，根據(jù)飛機(jī)固有的特性，不同的型號(hào)飛機(jī)的鼻尖高度和引擎距離鼻尖的距離不同，對(duì)泊位飛機(jī)的機(jī)型進(jìn)行識(shí)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(jì)為外置于工控機(jī)的獨(dú)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。控制器采用AVR32，通過(guò)輸入/輸出( input /output，I /O) 并行通信與現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(guò)獨(dú)立的RS485 接口與工控機(jī)連接，形成一對(duì)一的通信方式。

　　2 激光掃描數(shù)據(jù)處理算法流程圖

　　對(duì)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(diǎn)中的噪聲點(diǎn)，并對(duì)該噪聲點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償;精簡(jiǎn)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(duì)掃描點(diǎn)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(duì)停止線的左右偏離情況。

　　在激光掃描數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，主要采用了對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)標(biāo)識(shí);對(duì)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波以消除噪聲點(diǎn);對(duì)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(jiǎn)與錯(cuò)誤點(diǎn)標(biāo)識(shí)

　　激光掃描系統(tǒng)選用班納公司的LT300 遠(yuǎn)距離激光測(cè)距儀。班納LT300 型激光測(cè)距儀采用激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)量法，對(duì)于自然物體表面測(cè)量范圍可達(dá)300m，滿足飛機(jī)泊位的距離要求，測(cè)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(cè)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(duì)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)處理。先將byte 2，byte 1 和byte 0 的最高位去掉。在機(jī)場(chǎng)的實(shí)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(cè)距儀的單次測(cè)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(jí)的誤差可以忽略不計(jì)。將上述18bit 量程的最低2bit 舍去，如圖3 所示，不影響精度，此時(shí)距離值的最小單位為4mm。從而實(shí)現(xiàn)將3byte 的距離值縮減為2byte。此時(shí)可使數(shù)據(jù)傳輸速率增加1 /3。以距離值29121mm 為例，原存儲(chǔ)格式為:0x814341。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后，傳輸格式為:0x1470。數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)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(cè)距數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后，進(jìn)行錯(cuò)誤點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。在實(shí)際飛機(jī)泊位的過(guò)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(gè)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(guò)150m。因此，將精簡(jiǎn)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(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行濾除。為保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，此處引入圖像處理中的中值濾波算法并加以簡(jiǎn)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(diǎn)集P( d1，d2，d3，…，dN)。定義前向數(shù)據(jù)差Δdb = di - di - 1。對(duì)于在一個(gè)平面上的點(diǎn)，di≈di - 1，Δd≈0。由于存在噪聲點(diǎn)，且假設(shè)該噪聲點(diǎn)的值為di，通常該噪聲點(diǎn)值與其相鄰點(diǎn)di - 1，di + 1的差值Δdf和Δdb會(huì)較大，其中Δdf = di -di - 1，Δdb = di - di + 1。根據(jù)機(jī)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析，設(shè)定閾值Δd = 1m，即相鄰兩點(diǎn)的距離差值閾值大于1m 時(shí)，可認(rèn)為距離值發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的激光點(diǎn)不在同一個(gè)平面上。

　　5 數(shù)據(jù)擬合

　　在對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行重排后，需要對(duì)掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。在實(shí)際應(yīng)用中，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)頭位置的掃描點(diǎn)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(duì)飛機(jī)泊位對(duì)時(shí)間和精度的嚴(yán)格要求，本文中研究了對(duì)激光數(shù)據(jù)的處理。通對(duì)激光數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)，解決數(shù)據(jù)傳輸速率過(guò)慢的問(wèn)題。通過(guò)中值濾波，能較好地消除掃描點(diǎn)中雜散的噪聲點(diǎn)，且通過(guò)控制中值濾波的模長(zhǎng)可以濾除連續(xù)的噪聲。通過(guò)最小二次曲線擬合，可以描繪出飛機(jī)的外形輪廓，用來(lái)判斷飛機(jī)相對(duì)引導(dǎo)線的偏離程度。通過(guò)機(jī)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，對(duì)激光數(shù)據(jù)的處理，可以很好地保證實(shí)現(xiàn)飛機(jī)泊位過(guò)程的精確性。