[发明专利]一种直升机防撞用激光扫描方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及直升机防撞技术、点扫描式机载激光扫描三维成像技术以及机载激光扫描的俯仰角补偿技术。

背景技术

直升机具有低空飞行和高度机动性等多种特点，不仅军事用途多样，在民用领域用途也相当广泛。目前，直升机被广泛应用于商务运输、观光游览、缉私缉毒、治安消防、医疗救护、森林灭火、喷洒农药、探测鱼群、石油勘探等许多领域。

直升机的安全问题一直是人们关注的焦点。一方面，直升机虽然飞行机动性、灵活性强，但安定性、稳定性差，直升机独特的构型造成了其事故率比较高。另一方面，随处可见的电力线、拉线和铁塔等地面观测性障碍物，是造成直升机机毁人亡事故的主要原因。直升机坠毁事故中有相当一部分是直升机与电线、电缆和电线杆等微小障碍物发生碰撞造成的。另外，每年直升机相撞和直升机撞山坠毁的事件也频发。因此，设计直升机防撞技术用于对电线、电线杆、高楼建筑物、尖塔等障碍物的检测，具有非常重要的现实意义。

目前，直升机防撞毫米波雷达技术较为成熟，其扫描视场较大，全天侯探测能力较强，但缺点是分辨率低，难以探测较细的电线等障碍物，并且抗电磁干扰能力较差。而激光扫描雷达则具有高空间分辨率和抗电磁干扰等特性，是直升机防撞告警的理想装备。直升机防撞激光扫描技术是基于激光扫描测距原理的测量技术，集成了飞机平台、激光扫描仪、全球定位系统GPS (Global Positioning System)、惯性导航系统INS (Initial Navigation System，主要包括惯性测量单元，即IMU，Inertial Measurement Unit)以及计算机数据采集与处理系统等。

直升机机载激光扫描三维成像用于防撞的工作过程如下：激光扫描仪安装在直升机前方或下方等位置，由DGPS/INS组合测量系统通过卡尔曼滤波技术实时测出直升机载荷平台的飞行轨迹和姿态角，根据激光脉冲的飞行时间计算出激光扫描仪扫描镜光学中心到地面激光脚点的距离，另外，结合由光电轴角编码器获得的该激光脉冲发射时刻的扫描方位角，可计算出地面激光脚点的三维坐标。大量的激光脚点形成激光点云，经过后续点云处理，获得被测地形的三维成像，即数字高程模型DEM (Digital Elevation Model)和数字表面模型DSM（Digital Surface Model）等。进一步，根据三维成像，可获得障碍物的形状和距离等信息，告警飞行员及时避障。激光雷达对障碍物扫描点云的分辨率高，可探测微小和易被忽视的障碍物，如电线、电线杆等。另外，能够测量雷达扫描角度内的山体和地貌，能够观测到运动趋势有效范围内的小型飞行物，如无人机、较大体型的飞鸟等，并能够准确探测电缆、电线杆、塔、烟囱等建筑的形状、距离、方位等信息，实时显示障碍物的图像，同时发出告警信号，以便驾驶员及时采取回避动作。

欧洲航空防务和航天公司（EADS）于2001年11月26日正式对外宣布，美国陆军将对该公司研制的直升机激光（HELLAS）雷达避障系统进行测试。该HELLAS 雷达能通过光学和声音信号探测到飞机在低空飞行中将要碰到的障碍物（例如，电线和树木），并向机组成员发出警报。

目前的直升机防撞用点扫描式激光扫描仪的扫描体制主要有三种，一是采用双光楔扫描，可形成玫瑰花形的扫描线轨迹；二是采用双振镜扫描，可形成栅形扫描线轨迹；三是采用旋转棱镜加振镜扫描，可形成栅形扫描线轨迹。但这三种扫描方式的扫描区域受扫描振镜面的尺寸限制，扫描范围小；同时，运动部件存在较大的加速度变化，产生惯性力冲击，影响长期的使用精度。

另外，在激光扫描过程中，直升机体会受到多方面的干扰影响，如阵风、湍流、发动机振动及控制系统本身的控制性能缺陷等，使直升机体的俯仰角随时变化，对障碍物的扫描点云较大。一方面，直升机体的俯仰角变化会改变各圆形激光扫描轨迹的行间距，导致激光点云的密度有较大降低，使被测障碍物的激光扫描点云的空间分辨率下降，造成后续重建障碍物三维模型的质量退化、精度降低；另一方面，直升机体的俯仰角变化会导致激光扫描区域脱离了对地面障碍物区域的扫描，漏扫各种地面障碍物，如电缆，电线杆和塔、高耸烟囱等建筑，从而造成安全威胁。因此，针对直升机体防撞激光扫描雷达的俯仰角变化的实时补偿非常有必要，具有重要的现实意义，可大大提高对地面障碍物的探测可靠性和精度。

目前的直升机防撞激光扫描缺乏对俯仰角变化的实时补偿技术的详细报道，也没有针对直升机防撞激光扫描俯仰角变化的实时补偿装置存在，同时现有文献中也没有关于直升机防撞激光扫描俯仰角变化的实时补偿技术的研究。