王春彥，邸金紅

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，鄭州450000)

引 言

飛機(jī)泊位引導(dǎo)［1］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(dòng)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(dòng)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(jì)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(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)場的裝備水平、運(yùn)營效率、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)(aiccraft positioning 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［2］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，對激光測距儀的發(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(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(diǎn)，通過二次擬合，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。

Fig.1 Laser scanning system of aircraft docking system

本文中研究的飛機(jī)泊位系統(tǒng)基于振鏡的激光掃描［3-5］，如圖1所示。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 programmable gate 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)通過獨(dú)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(diǎn)中的噪聲點(diǎn)，并對該噪聲點(diǎn)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(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)相對停止線的左右偏離情況，處理流程如圖2所示。

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(cuò)誤點(diǎn)標(biāo)識，對應(yīng)圖2a;對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波以消除噪聲點(diǎn)，對應(yīng)圖2b;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，對應(yīng)圖2c。

Fig.2 Processing of laser scanning data

3 數(shù)據(jù)精簡與錯(cuò)誤點(diǎn)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［6］。班納LT300型激光測距儀采用激光脈沖飛行時(shí)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，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(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。如圖3所示。

Fig.3 Data compaction of laser scanning data

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(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(cuò)誤點(diǎn)的標(biāo)識。在實(shí)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(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(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)，需要對其進(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化，使之應(yīng)用于激光掃描數(shù)據(jù)的噪聲去除［7-8］。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會較大，其中 Δdf=didi-1，Δdb=di-di+1。根據(jù)機(jī)場實(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，對應(yīng)的激光點(diǎn)不在同一個(gè)平面上［9-11］。如圖4所示。

Fig.4 Distance mutation

中值濾波的流程如圖2b所示，中值濾波的效果如圖5所示。

Fig.5 Effect of the median filtering a—before median filtering b—after median filtering

5 數(shù)據(jù)擬合

在對掃描點(diǎn)進(jìn)行重排后，需要對掃描數(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［12-14］。

對落在機(jī)頭上的3維點(diǎn) pi(xi，yi，zi)與另一點(diǎn)pj(xj，yj，zj)，由于 pi和 pj同屬于同一行激光點(diǎn)，因此zi=zj。即進(jìn)行曲線擬合時(shí)僅需要對(xi，yi)進(jìn)行曲線擬合。

根據(jù)飛機(jī)外形輪廓和角度值α確定，假設(shè)落在機(jī)頭上的點(diǎn)集為 S(p1，p2，p3，…，pN)。其中 pi的值為點(diǎn)集合(xi，yi)?？蓪w機(jī)機(jī)頭部分進(jìn)行的掃描點(diǎn)用二次多項(xiàng)式擬合，即:

引入記號s次曲線擬合過程中xi的冪次數(shù)。則(2)式可以表述為:，其中，k 是二

將(3)式用矩陣形式表示為:

通過對此方程進(jìn)行求解，可以得到(a0，a1，a2)的值。數(shù)據(jù)擬合過程如圖2c所示。圖6為一次掃描數(shù)據(jù)的二次擬合曲線圖。

Fig.6 Effect of conics fitting

圖6 中虛線為激光掃描原始數(shù)據(jù)的輪廓線，實(shí)線為經(jīng)過最小二乘的二次多項(xiàng)式擬合后的曲線。

6 結(jié)論

針對飛機(jī)泊位對時(shí)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(diǎn)中雜散的噪聲點(diǎn)，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(shí)際測試，對激光數(shù)據(jù)的處理，可以很好地保證實(shí)現(xiàn)飛機(jī)泊位過程的精確性。

［1］ HAN W P，MENG W.Error analysis and correction methods of dual galvanometer scanning［J］.Elector-Optic Technology Application，2011，26(4):14-18(in Chinese).

［2］ ZHANG H X.Study on building modeling based on 3-D laser scanning technology［J］.Laser Technology，2014，38(5):431-434(in Chinese).

［3］ PENG L Y，WANG X Y，ZHOU J T，et al．Polynomial fitting correction of galvanometer geometric distortion error in laser marking［J］.Laser Technology，2013，37(5):601-604(in Chinese).

［4］ QIN G，XU D Sh.Design and realization of multi target pulsed laser range finder on CPLD［J］.Laser＆ Infrared，2010，40(2):152-154(in Chinese).

［5］ LIU W.The laser ranging system based on FPGA technology［D］.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2007:30-57(in Chinese).

［6］ ZHOU Sh Y.Design and research on laser range finder system［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2009:40-52(in Chinese).

［7］ WANG X X，JIANG D F，LIN Zh W.High efficiency implementation of real time median filtering in embedded system［J］.Microelectronics，2010，40(6):852-856(in Chinese).

［8］ WEI Y F，DU Zh Ch，YAO Zh Q.Application of median filter in point cloud data pre-processing lidar［J］.Laser Technology，2009，33(2):213-216(in Chinese).

［9］ ZHANG M Y，WANG H L.Application of image noise removing based on improved median filtering［J］.Ordnance Industry Automation，2006，26(8):45-47(in Chinese).

［10］ KOLTEP P，SMITH R，SU W.A fast median filter using AltiVec［C］//IEEE International Conference on Computer Design(ICCD).New York，USA:IEEE，1999:384-391.

［11］ JIANG B，HUANG W.Adaptive threshold median filter for multiple-impulse noise［J］.Journal of Electronic Science Technology of China，2007，5(1):70-74.

［12］ REN Sh Zh，WANG G J.Optimizing the parameters of data points in curve and surface fitting［J］.Journal of Image and Graphics，2006，11(1):96-102(in Chinese).

［13］ LIU J.Fitting and interpolation for curve and surface from scattered data using moving least squares method［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2011:18-38(in Chinese).

［14］ WANG L P.Research on curve and surface fitting from cloud data［D］.Ji’nan:Shandong University，2008:18-44(in Chinese).