摘要：可視化導(dǎo)航是提升直升機(jī)在危險(xiǎn)地形和有限能見(jiàn)度條件下安全飛行能力的重要技術(shù)手段，其利用多源信息融合可以增強(qiáng)直升機(jī)在危險(xiǎn)地形和有限能見(jiàn)度條件下的感知能力。文章提出了一種可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的軟硬件解決方案，硬件上設(shè)計(jì)了一種顯示計(jì)算平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)了可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的功能軟件，可以在繪制的三維地圖上疊加相應(yīng)的飛行控制信息以及雷達(dá)探測(cè)信息，為機(jī)組提供增強(qiáng)視景，以增強(qiáng)飛行員的飛行感知能力。

關(guān)鍵詞：飛行視景；信息融合；硬件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

飛行安全是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)飛行任務(wù)的前提。面向緊急醫(yī)療服務(wù)、搜救等近地類(lèi)型的任務(wù)，直升機(jī)必須在靠近危險(xiǎn)地形和障礙物的區(qū)域內(nèi)飛行。為了避免直升機(jī)在受限區(qū)域和低能見(jiàn)度條件下飛行時(shí)，撞到電線、塔架等障礙物或者地形，一些技術(shù)手段可以被采用以提升直升機(jī)飛行員的地形和障礙感知能力。

直升機(jī)可視化導(dǎo)航系統(tǒng)^［1］憑借圖形化描繪地形和障礙物的能力，可以提供飛行路徑上關(guān)于危險(xiǎn)地形和障礙物的提示?？梢暬瘜?dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)載圖像/雷達(dá)傳感器信息、機(jī)載數(shù)字地圖信息、導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，在顯示設(shè)備中呈現(xiàn)艙外視景畫(huà)面，可以幫助飛行員獲得等同于正常視覺(jué)環(huán)境下的目視能力，能夠?qū)︼w機(jī)進(jìn)行等效目視操作。

本文提出了一種可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，硬件上設(shè)計(jì)了一種顯示計(jì)算平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)了可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的功能軟件。可視化導(dǎo)航系統(tǒng)可以在繪制的三維地圖上疊加相應(yīng)的飛行控制信息以及融合雷達(dá)探測(cè)信息，在提供機(jī)外增強(qiáng)視景的同時(shí)，顯示出重要的數(shù)據(jù)指示，以增強(qiáng)飛行員的飛行感知能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的可視化導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)從前端獲取毫米波雷達(dá)探測(cè)信息、導(dǎo)航飛控?cái)?shù)據(jù)、飛行管理數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)存的數(shù)字地圖數(shù)據(jù)、控件庫(kù)等，進(jìn)行綜合處理渲染，主要包括圖像融合、雷達(dá)地圖融合、地圖渲染、儀表繪制等功能模塊，生成能夠增強(qiáng)飛行員感知意識(shí)的視頻畫(huà)面，送入終端顯示器進(jìn)行輸出顯示。

導(dǎo)航飛控?cái)?shù)據(jù)包括飛控系統(tǒng)輸入的俯仰、偏航、橫滾姿態(tài)和經(jīng)度、緯度和高度等位置數(shù)據(jù)。飛行管理數(shù)據(jù)包括從飛行管理平臺(tái)傳來(lái)的航路數(shù)據(jù)、氣象、塔臺(tái)等數(shù)據(jù)。數(shù)字地圖數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數(shù)字正射影像（Digital Orthograph Model，DOM）、矢量模型等。

可視化導(dǎo)航主要功能模塊的需求如下：（1）雷達(dá)地圖融合功能模塊，對(duì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維/三維融合，以圖像方式提示危險(xiǎn)地形區(qū)域；（2）圖像融合功能模塊，將紅外和可見(jiàn)光圖像進(jìn)行融合，以提升圖像的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力；（3）地圖渲染功能模塊，主要對(duì)DEM、DOM等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將三維數(shù)據(jù)進(jìn)行頂點(diǎn)、面元與紋理組織，發(fā)送到圖形處理器中進(jìn)行渲染；（4）儀表繪制功能模塊，將飛控飛管信息等數(shù)據(jù)在三維數(shù)字地圖上以?xún)x表畫(huà)面的形式實(shí)時(shí)顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

可視化導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行在本文設(shè)計(jì)的顯示計(jì)算平臺(tái)上。顯示計(jì)算平臺(tái)采用基板+處理單元的方式實(shí)現(xiàn)?；逯С植迦霐?shù)據(jù)處理單元和顯示處理單元。數(shù)據(jù)處理單元和顯示處理單元的核心器件^［2］分別為中央處理器和圖形處理器?；迳现饕ǖ墓δ茈娐酚袝r(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、電子盤(pán)電路。顯示計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)思想

顯示計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想如下：（1）模塊化思想。顯示計(jì)算平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)均采用模塊化劃分思想，各個(gè)子模塊功能明確：硬件電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行層次化劃分，在設(shè)計(jì)滿足功能要求的情況下，對(duì)功能子電路如時(shí)鐘電路、電源電路等進(jìn)行簡(jiǎn)化并沿用成熟設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品的固有可靠性；軟件配置上進(jìn)行優(yōu)化，采用層次化結(jié)構(gòu)和中間件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。（2）兼容性思想。顯示處理單元的設(shè)計(jì)遵循以下原則：顯示處理單元采用符合標(biāo)準(zhǔn)的外形結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一印制板的長(zhǎng)寬尺寸、連接器位置、朝向等；顯示處理單元連接器的信號(hào)定義保持一致，包括電源、時(shí)鐘、復(fù)位、視頻接口、通信接口等；顯示處理單元對(duì)應(yīng)的基板具備足夠的供電能力，由于不同圖形處理器的功耗各不相同，如果只考慮一種圖形處理器的功耗特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致功耗大的顯示處理單元無(wú)法正常工作。因此，在對(duì)基板中的電源轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮多種圖形處理器的功耗情況，按照最大功耗進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元和顯示處理單元

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)中央處理器不斷發(fā)展，其指令架構(gòu)主要包括ARM架構(gòu)（Advanced RISC Machines， ARM）、龍芯架構(gòu)。ARM和龍芯架構(gòu)比較成熟，開(kāi)發(fā)生態(tài)比較完善，除了在桌面計(jì)算機(jī)和服務(wù)器應(yīng)用外，在嵌入式領(lǐng)域也進(jìn)行了一定應(yīng)用，技術(shù)成熟度較高。中央處理器在顯示計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部以數(shù)據(jù)處理單元的形式部署，其上包括中央處理器、內(nèi)存、電源等必要組成部分，采用FMC標(biāo)準(zhǔn)連接器（FPGA Mezzanine Card， FMC）與載板相連。數(shù)據(jù)處理單元主要應(yīng)用于通用計(jì)算場(chǎng)景。

國(guó)產(chǎn)圖形處理器正處在快速發(fā)展期。圖形處理器作為圖形處理與通用計(jì)算的重要器件，是嵌入式平臺(tái)的核心組件，承載著大規(guī)模圖形渲染顯示和并行信息處理功能。圖形處理器在顯示平臺(tái)內(nèi)部以顯示處理單元的形式部署，其上包括圖形處理器、顯存、電源等必要組成部分，采用FMC連接器與載板相連。顯示處理單元主要應(yīng)用于高性能顯示、圖像處理和通用計(jì)算等場(chǎng)景。

如前所述，顯示計(jì)算平臺(tái)采取了兼容性設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理單元和顯示處理單元可以分別用不同的核心器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足兼容替換。

2.3 顯示接口靜電防護(hù)設(shè)計(jì)

接口電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)之一是對(duì)靜電釋放做相應(yīng)的防護(hù)。如果在接口電路上沒(méi)有設(shè)置保護(hù)措施，靜電釋放的脈沖由接口進(jìn)入集成電路內(nèi)部，會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部通道導(dǎo)通，造成電子器件燒毀。

高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）具備熱插拔特性，極易產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象。本文在顯示計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)HDMI等顯示接口進(jìn)行了靜電釋放（Electrostatic Discharge，ESD）防護(hù)設(shè)計(jì)。

ESD保護(hù)的措施是將ESD保護(hù)二極管并聯(lián)在HDMI接口數(shù)據(jù)線上。在正常情況下，ESD保護(hù)二極管漏電流很小，基本不產(chǎn)生功率損耗，不影響電路正常工作；當(dāng)其兩端的電壓超過(guò)擊穿電壓的時(shí)候，ESD保護(hù)二極管被判定擊穿導(dǎo)通，從高阻狀態(tài)變成了低阻狀態(tài)，此時(shí)流經(jīng)電流會(huì)瞬間增大，把過(guò)壓限制在最大鉗位電壓以下，從而起到分流限壓的效果。瞬態(tài)過(guò)壓消失后，ESD保護(hù)二極管又恢復(fù)為高阻狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)保護(hù)。

2.4 溫度特性設(shè)計(jì)

通常機(jī)載領(lǐng)域要求產(chǎn)品具備高低溫條件下的工作能力。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一方面在芯片選型上要求其滿足高低溫工作范圍，另一方面為保證顯示計(jì)算平臺(tái)在高溫條件下能持續(xù)工作，需要考慮其散熱能力設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)原則如下：（1）合理布局功能電路和電子元器件，使熱功耗大的組件或元器件盡量靠近印制電路板（Printed Circuit Board， PCB）兩側(cè)，便于熱傳導(dǎo)散熱，結(jié)合熱仿真分析結(jié)果調(diào)整優(yōu)化元器件布局；（2）對(duì)于熱功耗大的組件或元器件，通過(guò)PCB版表面大面積覆銅連接到結(jié)構(gòu)殼體，進(jìn)行熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)，有效提高熱效率，確保其散熱性能。

為了對(duì)硬件平臺(tái)的核心器件進(jìn)行溫度監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)顯示計(jì)算平臺(tái)時(shí)進(jìn)行了溫度監(jiān)控電路設(shè)計(jì)。圖形處理器集成有溫度傳感器控制器，本文采用1片雙向二線制同步串行總線（Inter-Integrated Circuit， I2C）接口溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。溫度傳感器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將測(cè)量結(jié)果存放于芯片的溫度寄存器中。外部控制器可以通過(guò)I2C接口隨時(shí)對(duì)該寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。當(dāng)溫度超過(guò)閾值時(shí)，溫度傳感器還可以進(jìn)行過(guò)熱預(yù)警。為了準(zhǔn)確測(cè)量溫度，I2C接口溫度傳感器需要靠近圖形處理器設(shè)置。圖形處理器芯片采集到自身當(dāng)前的溫度，通過(guò)通信接口將溫度信息上報(bào)給中央處理器，以實(shí)現(xiàn)圖形處理器溫度狀態(tài)監(jiān)控的功能。

在平臺(tái)設(shè)計(jì)中還對(duì)中央處理器的溫度進(jìn)行了監(jiān)控，顯示計(jì)算平臺(tái)采用的中央處理器芯片內(nèi)部集成有溫度傳感器，可以配置模式和參數(shù)，讀取溫度值。

3 軟件配置設(shè)計(jì)

可視化導(dǎo)航系統(tǒng)將機(jī)載圖像/雷達(dá)傳感器信息、機(jī)載數(shù)字地圖信息、導(dǎo)航信息進(jìn)行融合處理，即獲取圖像和雷達(dá)探測(cè)信息與三維數(shù)字地圖預(yù)存可視化信息進(jìn)行疊加融合。可視化導(dǎo)航軟件包含了所需的三維數(shù)字地圖、雷達(dá)地圖融合、圖像融合、儀表繪制顯示等主要功能模塊。

3.1 三維數(shù)字地圖

三維數(shù)字地圖可以生成三維地形，是可視化導(dǎo)航的重要組成部分，提供了可視化導(dǎo)航的地圖背景。繪制三維數(shù)字地圖，需要對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖等數(shù)字地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行高效調(diào)度并渲染，因而可以將三維數(shù)字地圖繪制軟件分為三維地圖數(shù)據(jù)處理模塊和三維數(shù)字地圖顯示模塊兩部分。

三維數(shù)字地圖數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理后存儲(chǔ)在電子盤(pán)中。三維數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，主要為地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即按三維數(shù)字地圖顯示軟件所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)組織轉(zhuǎn)換后生成三維地形數(shù)據(jù)^［3］，存儲(chǔ)在電子盤(pán)中。

三維數(shù)字地圖顯示模塊根據(jù)控制命令調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形數(shù)據(jù)，向圖形處理器發(fā)送繪圖指令，通過(guò)硬件加速圖形繪制，渲染呈現(xiàn)三維數(shù)字地圖。在數(shù)字地圖繪制過(guò)程中，地圖顯示模塊可按載機(jī)速度和航向進(jìn)行視點(diǎn)改變，將數(shù)字地圖相應(yīng)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字地圖顯示的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。

3.2 圖像融合

圖像融合是指將紅外和可見(jiàn)光圖像進(jìn)行融合。紅外可見(jiàn)光圖像融合處理主要用于改善圖像清晰度、提升圖像的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。本文的圖像融合處理的技術(shù)方案為，首先在一對(duì)紅外和可見(jiàn)光圖像幀之間提取并匹配特征點(diǎn)，再計(jì)算單應(yīng)矩陣進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，最后利用開(kāi)放計(jì)算語(yǔ)言（Open Computing Language， OpenCL）對(duì)兩尺度圖像融合算法進(jìn)行并行加速實(shí)現(xiàn)，完成融合圖像的輸出。

OpenCL是一種并行計(jì)算架構(gòu)，可以運(yùn)行在多核中央處理器、圖形處理器等異構(gòu)處理設(shè)備上。OpenCL程序分為兩部分，一部分是主程序，這部分程序負(fù)責(zé)參數(shù)定義、內(nèi)存空間分配、設(shè)備管理等；另一部分是核程序，這部分程序就是執(zhí)行并行算法的核心程序。本文中核程序的設(shè)計(jì)理念為基于兩尺度圖像融合算法，進(jìn)行并行化改進(jìn)。處理過(guò)程為對(duì)圖像進(jìn)行分塊，通過(guò)并行處理每一塊的均值和中值濾波，實(shí)現(xiàn)并行化計(jì)算。

3.3 雷達(dá)地圖融合

數(shù)據(jù)融合對(duì)于可視化導(dǎo)航具有重要價(jià)值。單獨(dú)非實(shí)時(shí)三維數(shù)字地圖或者毫米波雷達(dá)都不足以支撐低能見(jiàn)度視覺(jué)環(huán)境下的感知需求。三維數(shù)字地圖數(shù)據(jù)范圍廣，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，但是分辨率低、更新速度慢。毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)性好，穿透成像能力強(qiáng)，近距離成像分辨率高。因此，三維數(shù)字地圖與毫米波雷達(dá)探測(cè)的地形障礙物數(shù)據(jù)形成互補(bǔ)關(guān)系，通過(guò)兩者之間的融合能夠幫助直升機(jī)飛行員獲得更加全面準(zhǔn)確的飛行場(chǎng)景可視化信息。

雷達(dá)地圖融合軟件是將雷達(dá)探測(cè)地形點(diǎn)、障礙物與地圖數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)存高程數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。處理流程主要為首先對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及對(duì)應(yīng)地形柵格的確定，再通過(guò)地形柵格對(duì)造成虛警的雷達(dá)探測(cè)地形點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾，最后將雷達(dá)地形融合結(jié)果存回地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，啟動(dòng)地圖繪制線程對(duì)融合后的地形以及表示的障礙物進(jìn)行渲染。

3.4 儀表繪制顯示

可視化導(dǎo)航系統(tǒng)需要將導(dǎo)航信息、狀態(tài)信息等進(jìn)行處理，即在三維數(shù)字地圖上以?xún)x表畫(huà)面的形式實(shí)時(shí)顯示飛行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和導(dǎo)航參數(shù)等數(shù)據(jù)^［4］。儀表畫(huà)面主要包含電子地平儀、高度表、指示空速表、羅盤(pán)等顯示內(nèi)容。

本文基于ARINC661協(xié)議^［5］構(gòu)建控件庫(kù)，利用控件庫(kù)設(shè)計(jì)所需儀表畫(huà)面，將設(shè)計(jì)好的儀表畫(huà)面生成為定義文件^［6］ （Definition File， DF）。在顯示計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行解析顯示內(nèi)核程序，加載DF文件，解析處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子地平儀、高度表、羅盤(pán)等儀表畫(huà)面的實(shí)時(shí)顯示與更新。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的解決方案，包括硬件電路設(shè)計(jì)與軟件配置實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)通過(guò)多源信息融合，實(shí)現(xiàn)了在繪制的三維地圖上疊加相應(yīng)的飛行控制信息以及融合雷達(dá)探測(cè)信息，可以呈現(xiàn)增強(qiáng)后的艙外視景畫(huà)面，以提升直升機(jī)在危險(xiǎn)地形和低能見(jiàn)度環(huán)境中的感知能力。

參考文獻(xiàn)

［1］程岳，李毅，韓偉，等.直升機(jī)可視化導(dǎo)航系統(tǒng)研究［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2023（3）：116-120.

［2］錢(qián)軍琪，許夢(mèng)蕓，樊超.基于CPU+GPU的圖像處理模塊設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2022（21）：57-59.

［3］王青云，羅澤.基于LOD的海量地形數(shù)據(jù)并行渲染技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2017（12）：200-206.

［4］張偉.民機(jī)新一代駕駛艙顯示技術(shù)［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011（2）：4-7.

［5］劉建，劉勤，孫永榮，等.ARINC661規(guī)范及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2010（4）：188-192.

［6］趙文獻(xiàn)，孫永榮，王勇，等.ARINC661設(shè)計(jì)文件自動(dòng)生成平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2014（2）：114-117.

（編輯 王永超）

Design and application of visual pilotage system

XIE Xiuchuan， CUI Xiangqian， YU Xiang， YANG Jingbao

（Avic Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， Xi’an 710000， China）

Abstract：Visual pilotage system is an important technical means to improve the helicopter’s safe flight ability in dangerous terrain and Degraded Visual Environment （DVE）， which can enhance the helicopter’s perception ability by using multi-source information fusion. In this paper， a software and hardware solution of the visual pilotage system is proposed. And a display computing platform is designed， based on which， functional software of the visual pilotage system is developed， which can superimpose the corresponding flight control information and radar detection information on the 3D digital map， providing the crew with enhanced vision to enhance the flight perception ability for pilot.

Key words：flight vision; information fusion; hardware design