崔發(fā)　寧圓俊　白靖民　王文博　梁冠華　吳簡(jiǎn)

摘要：現(xiàn)代商業(yè)航空運(yùn)輸主要是以大型客機(jī)來(lái)運(yùn)行的。飛行中最關(guān)鍵的階段就是著陸，著陸是整個(gè)飛行過(guò)程用時(shí)最短的一個(gè)階段，但卻是事故發(fā)生最多的一個(gè)階段。本文提出了一種全新的方法，在復(fù)雜氣象條件下如何為飛機(jī)提供目視參考。在完全看不清外界環(huán)境的進(jìn)近階段，模擬合成一種視覺(jué)影像，為飛機(jī)進(jìn)近著陸提供重建后的可靠視圖影像。本文詳細(xì)地介紹了如何采集目視參考數(shù)據(jù)，以及如何利用無(wú)人機(jī)拍攝的視圖信息輔助飛行員操控飛機(jī)。最后實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該方法能有效實(shí)施可靠的穩(wěn)定進(jìn)近。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜氣象;無(wú)人機(jī);視圖重建;進(jìn)近著陸

中圖分類(lèi)號(hào)：V355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0117-03

0 引言

大型客機(jī)主要體現(xiàn)在“三大”：飛機(jī)噸位大、速度大、安全責(zé)任大。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的著陸不僅僅是駕駛技術(shù)的考驗(yàn)，更是對(duì)乘客負(fù)責(zé)的體現(xiàn)。而要完成一個(gè)平穩(wěn)安全的著陸，飛機(jī)在最后進(jìn)近階段的穩(wěn)定表現(xiàn)就至關(guān)重要了。本文提出的復(fù)雜氣象條件下視圖重建技術(shù)，基于良好天氣狀況所拍攝的視圖影像，作為低能見(jiàn)度下的目視參考，在一定程度上做出了創(chuàng)新，并且可行性高。

1 背景知識(shí)介紹

1.1 無(wú)人機(jī)的定義

無(wú)人機(jī)，也稱(chēng)為無(wú)人飛行器，是一種集數(shù)據(jù)處理、傳感裝置、自動(dòng)控制和通信等必要機(jī)載設(shè)備的飛行器。它能夠進(jìn)行具備一定的自主飛行能力而無(wú)需人工干預(yù)。此次圖像采集，我們實(shí)驗(yàn)小組用的是大疆四旋翼無(wú)人機(jī)Tello，如圖1所示，屬于多旋翼無(wú)人飛行器。

1.2 視圖信息技術(shù)與圖像處理

在如今科技高速發(fā)展的今天，圖像處理系統(tǒng)已經(jīng)深入到我們生活的方方面面。手機(jī)、電腦、相機(jī)都能夠?qū)嵭胁煌潭鹊膱D像處理。我們將圖像分為可見(jiàn)圖像何不可見(jiàn)圖像。前者包括照片、圖片、等有輪廓有線(xiàn)條的圖或者畫(huà)。而后者包括我們看不到的紅外線(xiàn)，紫外線(xiàn)等等不可見(jiàn)光。

通俗意義上講視圖信息技術(shù)就是對(duì)可見(jiàn)視圖信息做一些處理，以達(dá)到預(yù)期的要求。視圖信息處理分為光學(xué)處理和數(shù)字技術(shù)處理。現(xiàn)在我們主要使用數(shù)字處理技術(shù)。

大疆無(wú)人機(jī)裝配了非常先進(jìn)的圖像增強(qiáng)與圖像融合技術(shù)。無(wú)人機(jī)在拍攝的過(guò)程中就已經(jīng)在處理了，所以我們拿到的圖像就是匹配了位置信息等參數(shù)的圖像。

無(wú)人機(jī)視圖信息處理主要采用的是傳感器與計(jì)算機(jī)。一套完整的視圖信息處理需要以下硬件的配合：視圖采集設(shè)備、掃描儀、圖像采集卡、輸出設(shè)備等。

此次實(shí)驗(yàn)我們用了移動(dòng)拍攝技術(shù)，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)連續(xù)拍攝。為了達(dá)到預(yù)想的拍攝效果，就需要硬件達(dá)標(biāo)的無(wú)人機(jī)以及搭配的攝像頭。

2 飛行數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

2.1 飛行前的準(zhǔn)備

我們對(duì)學(xué)校周邊進(jìn)行了勘察，最后決定將起飛場(chǎng)地設(shè)置在操場(chǎng)里，操場(chǎng)地形開(kāi)闊，四面環(huán)繞著看臺(tái)，因此減小了風(fēng)對(duì)飛行的影響，經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，我們選取了操場(chǎng)內(nèi)的一塊場(chǎng)地，其形狀長(zhǎng)度和比例剛好與跑道相似，道面平整，周?chē)鸁o(wú)明顯障礙物，符合此次飛行任務(wù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

2.2.1 小組分工

本次實(shí)踐共分三個(gè)小組，第一組負(fù)責(zé)場(chǎng)地的選取、清理和準(zhǔn)備，以及氣象情報(bào)的采集和活動(dòng)保障的工作。第二組負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的準(zhǔn)備和調(diào)試及飛行操作，第三組負(fù)責(zé)采集視圖信息，并將采集好的視圖信息，與飛機(jī)當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置、高度、速度等一一匹配起來(lái)，在保證延遲在誤差允許范圍內(nèi)能及時(shí)調(diào)取出來(lái)提供給操作者，同時(shí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，收集反饋信息，不斷完善重建視圖。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施

我們?cè)谥袊?guó)民航飛行學(xué)院東區(qū)操場(chǎng)找到所用助跑跑道（以下稱(chēng)跑道），來(lái)模擬真實(shí)氣象條件下的跑道，用無(wú)人機(jī)（以下稱(chēng)模擬機(jī)）模擬五邊進(jìn)近民航客機(jī)。將跳線(xiàn)1.5米處作為最佳著陸點(diǎn)，將沙坑作為模擬障礙物，如圖2所示。

（1）模擬機(jī)距離最佳著陸地點(diǎn)10米，且在跑道中線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)上，距道面垂直距離3米，下滑角15°，如圖3所示。

（2）操縱模擬機(jī)垂直起飛，注意側(cè)風(fēng)，要求其仍保持在中線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)上，且懸停于距地面3米處，調(diào)試前后距離，使模擬機(jī)位于進(jìn)近的15°下滑道上（由于模擬機(jī)質(zhì)量輕，高度低，3°下滑角數(shù)據(jù)對(duì)比不明顯，故用15°下滑角代替3°下滑角），記錄當(dāng)前位置經(jīng)緯坐標(biāo)，高度等信息;

（3）操縱模擬機(jī)按預(yù)定的15°角在下滑道上飛行，注意風(fēng)切變影響，同時(shí)打開(kāi)模擬機(jī)攝像機(jī)開(kāi)始攝影，以水平距離3米為一個(gè)單位，定點(diǎn)并記錄好當(dāng)前位置經(jīng)緯坐標(biāo)，高度，垂直速度;

（4）操縱模擬機(jī)做正常進(jìn)近，并記錄好航行諸元，直至落地;

（5）完成視頻獲取，數(shù)據(jù)采集后，重復(fù)上述過(guò)程3至5次，記錄數(shù)據(jù)，為接下來(lái)匹配分析做好準(zhǔn)備。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將所得數(shù)據(jù)做必要修正（如側(cè)風(fēng)，計(jì)量誤差等）后，取出模擬機(jī)所拍視頻，將數(shù)據(jù)同該數(shù)據(jù)下對(duì)應(yīng)幀進(jìn)行匹配，錄制帶有參數(shù)的視圖影像。項(xiàng)目實(shí)施完成。

后期處理中我們主要使用了Adobe Photoshop Lightroom 這款軟件。為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，首先需要做的就是減少鏡頭抖動(dòng)以及減少鏡頭本身帶來(lái)的畸變。所有的廣角鏡頭都會(huì)產(chǎn)生畸變。然后使用軟件中的“增強(qiáng)功能”。這可以達(dá)到所謂的“提高清晰度”。這實(shí)際上是提高中間色調(diào)的對(duì)比度。提高對(duì)比度可以讓中間色調(diào)更加顯著。有利于實(shí)驗(yàn)效果。

上述方法提出了新穎的思路和想法，與上面的方法類(lèi)似，并做必要精簡(jiǎn)后，我們?nèi)缦峦瓿赡M機(jī)項(xiàng)目驗(yàn)證：

（1）使用無(wú)人機(jī)一臺(tái)，視圖影像一套，熟練無(wú)人機(jī)操縱員一名;（2）在模擬低能見(jiàn)度的情況下，提供相同其余條件，使操縱者不可見(jiàn)模擬機(jī)，僅可見(jiàn)視圖影像，使其依據(jù)視頻提供的畫(huà)面和參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控，同時(shí)應(yīng)該保證，當(dāng)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，同視頻位置出現(xiàn)偏差大于閾值時(shí)，切斷視頻信號(hào)，并提示修正操縱，待恢復(fù)到正常閾值內(nèi)重新提供視頻，做繼續(xù)進(jìn)近，直至模擬機(jī)落在最佳著陸點(diǎn)，如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析

如圖5所示，此折線(xiàn)圖為無(wú)人機(jī)飛行軌跡剖面示意圖?？v坐標(biāo)表示無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置高度，單位“米”;橫坐標(biāo)表示無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置距離預(yù)定最佳著陸地點(diǎn)的距離，單位“米”。綠色折線(xiàn)代表在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，有足夠的目視參考時(shí)的飛行軌跡;紅色折線(xiàn)代表模擬低能見(jiàn)度情況下，駕駛員僅通過(guò)參考標(biāo)準(zhǔn)情況下飛行圖像信息，作為驗(yàn)證時(shí)的飛行軌跡。

綜合無(wú)人機(jī)體積小、重量輕、易受大風(fēng)影響等特點(diǎn)，確定此實(shí)驗(yàn)的閾值為0.3米。即驗(yàn)證飛行的軌跡偏差與標(biāo)準(zhǔn)情況下的軌跡高度差應(yīng)不大于0.3米。在距離最佳著陸地點(diǎn)10米處，標(biāo)準(zhǔn)高度3米，驗(yàn)證飛行3米，誤差0米;在7米處誤差0.2米;在4米處誤差0.2米;在1米處誤差0.1米。綜上所述，在四個(gè)定位點(diǎn)中，所有驗(yàn)證飛行與標(biāo)準(zhǔn)情況下的飛行誤差均在0.3米的誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功。

如圖6所示，綠色線(xiàn)代表在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，有足夠的目視參考時(shí)的飛行軌跡;紅色線(xiàn)代表模擬低能見(jiàn)度情況下，駕駛員僅通過(guò)參考標(biāo)準(zhǔn)情況下飛行圖像信息，作為驗(yàn)證時(shí)的飛行軌跡。

無(wú)人機(jī)起始距地面垂直高度3米，距離預(yù)定著陸地點(diǎn)10米。每隔水平距離3米采集一次數(shù)據(jù)，截取飛行影像如圖7所示。

由此我們可以看出，隨著飛行距離的增加，無(wú)人機(jī)位置離預(yù)定著陸地點(diǎn)越來(lái)越近，所呈現(xiàn)的視圖影像也有顯著變化?？梢?jiàn)，依據(jù)此方法所收集的視圖景象的確可以在復(fù)雜氣象條件下為無(wú)人機(jī)進(jìn)近提供穩(wěn)定可靠的目視參考。

4 結(jié)語(yǔ)

此實(shí)驗(yàn)是基于無(wú)人機(jī)的視圖重建技術(shù)。相比于真實(shí)飛機(jī)，無(wú)人機(jī)的要求還相對(duì)低些。希望未來(lái)的某天，本文提出的復(fù)雜氣象條件下視圖重建技術(shù)能夠應(yīng)用于真實(shí)的大型航空公共運(yùn)輸飛行，為飛行安全提供更有利的保障。

參考文獻(xiàn)

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