自主且自動(dòng)的著陸方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及自主且自動(dòng)的著陸方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的用于使飛行器在著陸跑道上自動(dòng)著陸的系統(tǒng)包括：意在拍攝地面的圖像的機(jī)載攝像機(jī)(110)；從這些圖像提取著陸跑道的視覺特征的圖像處理裝置(120)；以及制導(dǎo)裝置(130)，其根據(jù)在所述圖像中的至少一個(gè)圖像中著陸跑道的視覺特征的相應(yīng)位置來確定飛行器的制導(dǎo)命令，以將飛行器帶入標(biāo)稱進(jìn)場平面并且將飛行器與著陸跑道的軸線對準(zhǔn)，其中所述制導(dǎo)命令被提供至飛行控制計(jì)算機(jī)(150)。
【專利說明】自主且自動(dòng)的著陸方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及航空領(lǐng)域，并且更具體地涉及自動(dòng)著陸系統(tǒng)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 著陸階段是飛行器的飛行中的關(guān)鍵階段，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)事件和事故均在該階段 期間發(fā)生。為方便飛行員的任務(wù)，已經(jīng)提出許多自動(dòng)著陸系統(tǒng)。特別地，裝配到大容量客機(jī) 的ILS(儀表著陸系統(tǒng)）是公知的，并且其地面基礎(chǔ)設(shè)施存在于國際機(jī)場。在一些歐洲機(jī)場 中，MLS (微波著陸系統(tǒng)）也是可用的。這些系統(tǒng)在飛行器進(jìn)場階段使用無線電或微波信號 不僅沿相對于跑道軸線的橫向方向而且沿相對于下滑道的垂直方向來導(dǎo)引飛行器。然而， 這些系統(tǒng)特別是由于其高成本和其具有顯著使用約束的事實(shí)而具有并非在所有機(jī)場中都 可用的缺點(diǎn)。此外，地面基礎(chǔ)設(shè)施具有1〇_ 3/小時(shí)的數(shù)量級的故障概率。因此飛行器不能肯 定其將能夠以自動(dòng)模式著陸。最近，已經(jīng)生產(chǎn)了使用被稱為GLS(GPS著陸系統(tǒng)）的衛(wèi)星定 位系統(tǒng)或者可替代地使用SLS(基于衛(wèi)星的著陸系統(tǒng)）的自動(dòng)著陸系統(tǒng)。由于目前的衛(wèi)星 定位系統(tǒng)不能獲得實(shí)現(xiàn)著陸所需的精度，所以這些系統(tǒng)必須通過地面參考站例如WAAS (廣 域增強(qiáng)系統(tǒng)）或EGNOS (歐洲地球同步導(dǎo)航覆蓋服務(wù)）網(wǎng)絡(luò)的地面參考站來增強(qiáng)。上述系 統(tǒng)至今尚未普及，并且具有相對較低的可用率（99. 5%的數(shù)量級），這又使得不能永久地保 證以自動(dòng)模式著陸。
[0003] 由于這樣的地面基礎(chǔ)設(shè)施的與空間和時(shí)間相關(guān)的不可用性，所以已將注意力轉(zhuǎn)向 利用由機(jī)載攝像機(jī)拍攝的地面的視頻圖像的自主著陸系統(tǒng)。
[0004] 這些自主系統(tǒng)通常使用由攝像機(jī)拍攝的視頻圖像和關(guān)于跑道的數(shù)據(jù)來判斷攝像 機(jī)的位姿（位姿估計(jì)），并且根據(jù)攝像機(jī)的位姿來推導(dǎo)飛行器相對于跑道的姿態(tài)和位置。然 后，根據(jù)以此方式確定的位置和姿態(tài)來計(jì)算飛行器的制導(dǎo)命令。然而，位姿估計(jì)是復(fù)雜的運(yùn) 算，其通常需要機(jī)場的地形的機(jī)載數(shù)字模型是可用的，或者需要與著陸跑道相關(guān)的至少幾 何數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)含有數(shù)字模型的數(shù)據(jù)庫不可用時(shí)，或者在隨機(jī)地形上緊急著陸 的情況下，上述自主系統(tǒng)不起作用。
[0005] 由本 申請人:提交的申請F(tuán)R-A-2835314提出了不需要獲知著陸跑道的特征的著陸 輔助系統(tǒng)。然而，這種系統(tǒng)僅在飛行器距離地面數(shù)米時(shí)工作，并且使得不能在整個(gè)最后進(jìn)場 階段即在最后約10千米期間導(dǎo)引飛行器。
[0006] 本發(fā)明的目的為提出用于飛行器的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，該自動(dòng)著陸系統(tǒng)特別穩(wěn)健，以 及能夠在與著陸跑道相關(guān)的數(shù)據(jù)全部或部分缺失的情況下工作并且能夠在整個(gè)最后進(jìn)場 階段自主地導(dǎo)引飛行器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明限定了一種用于使飛行器在著陸跑道上自動(dòng)著陸的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0008] 在所述飛行器上的至少一個(gè)機(jī)載攝像機(jī)，其意在拍攝一系列連續(xù)的地面圖像；
[0009] 圖像處理裝置，其能夠從所述圖像提取著陸跑道的視覺特征；以及
[0010] 制導(dǎo)裝置，其能夠根據(jù)在所述圖像中的至少一個(gè)圖像中著陸跑道的視覺特征的相 應(yīng)位置來確定用于飛行器的制導(dǎo)命令，以將飛行器帶入標(biāo)稱進(jìn)場平面并且將飛行器與著陸 跑道的軸線對準(zhǔn)。
[0011] 在進(jìn)場階段期間飛行器的制導(dǎo)命令因而僅基于圖像中跑道的視覺特征的位置來 確定，而不需要獲知跑道的幾何和/或地形數(shù)據(jù)。
[0012] 在第一實(shí)施方式中，制導(dǎo)命令是通過對圖像中跑道的視覺特征進(jìn)行基于圖像的視 覺伺服而獲得的。
[0013] 在該第一實(shí)施方式中，制導(dǎo)裝置包括基于圖像的視覺伺服裝置，該基于圖像的視 覺伺服裝置能夠估計(jì)圖像中在視覺特征的位置與這些特征的要求位置之間的距離，并且根 據(jù)所述距離來推導(dǎo)用于飛行器的制導(dǎo)命令以將視覺特征帶至其在圖像中的相應(yīng)要求位置。
[0014] 圖像中著陸跑道的視覺特征有利地為跑道的軸線和跑道上的觸地點(diǎn)。
[0015] 如果不存在側(cè)風(fēng)，則跑道的軸線的要求位置為圖像的中間垂直軸線，并且觸地點(diǎn) 的要求位置為所述中間垂直軸線與如下線之間的交點(diǎn)：該線平行于水平線并且以與水平線 相距要求距離位于水平線下方。
[0016] 跑道的軸線與圖像的中間垂直軸線之間的距離是通過距離(1Ω和角度吣來估計(jì) 的，該距離九將消失點(diǎn)Ω和在圖像的中間垂直軸線與水平線之間的交點(diǎn)H分隔，并且角度 Θ ^為跑道的軸線與圖像的水平軸線之間的角度。
[0017] 要求距離優(yōu)選地等于(11)，。= 1&&11(0 + 6(|)4&11(0))，其中€為攝像機(jī)的焦距， Θ為飛行器的俯仰角，以及δ ^為標(biāo)稱進(jìn)場平面與水平面之間的角度。
[0018] 在此情況下，用于飛行器的制導(dǎo)命令由下式確定：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于使飛行器在著陸跑道上自動(dòng)著陸的系統(tǒng)，其特征在于包括： 在所述飛行器上的至少一個(gè)機(jī)載攝像機(jī)（110,510)，所述至少一個(gè)機(jī)載攝像機(jī)意在拍 攝一系列連續(xù)的地面圖像； 圖像處理裝置（120, 520)，所述圖像處理裝置能夠從所述圖像提取所述著陸跑道的視 覺特征；以及 制導(dǎo)裝置（130 ;530, 540)，所述制導(dǎo)裝置能夠根據(jù)在所述圖像中的至少一個(gè)圖像中所 述著陸跑道的所述視覺特征的相應(yīng)位置來確定所述飛行器的制導(dǎo)命令，以將所述飛行器帶 入標(biāo)稱進(jìn)場平面并且將所述飛行器與所述著陸跑道的軸線對準(zhǔn)，其中所述制導(dǎo)裝置包括視 覺伺服裝置（130)，所述視覺伺服裝置能夠估計(jì)圖像中在所述視覺特征的位置與這些特征 的要求位置之間的距離，并且根據(jù)所述距離來推導(dǎo)所述飛行器的制導(dǎo)命令以將所述視覺特 征帶至其在所述圖像中的相應(yīng)要求位置，其中在所述圖像中所述著陸跑道的所述視覺特征 為所述跑道的軸線（A)和所述跑道上的觸地點(diǎn)（P)，并且其中如果不存在側(cè)風(fēng)則所述跑道 的軸線的要求位置為所述圖像的中間垂直軸線，以及所述觸地點(diǎn)的要求位置為所述中間垂 直軸線與如下線之間的交點(diǎn)：所述線平行于水平線（250)并且以與所述水平線相距要求距 離位于所述水平線下方。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述跑道的軸線與所述圖像的 中間垂直軸線之間的距離是通過距離屯和角度吣來估計(jì)的，所述距離九將消失點(diǎn)Q和 在所述圖像的中間垂直軸線與所述水平線（250)之間的交點(diǎn)H分隔，并且所述角度t為 所述跑道的軸線與所述圖像的水平軸線之間的角度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述要求距離等于dP，。= 1&811(0 + 6(|)4&11(0))，其中€為所述攝像機(jī)的焦距，0為所述飛行器的俯仰角，以及 S C1為所述標(biāo)稱進(jìn)場平面與水平面之間的角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述飛行器的所述制導(dǎo)命令 由下式確定：
其中，<為要求滾轉(zhuǎn)速率，Nz。為要求載荷因數(shù)，f和0分別為所述飛行器的瞬時(shí)滾轉(zhuǎn) 角和瞬時(shí)滾轉(zhuǎn)速率，以及h，i = 1，..，6為預(yù)定實(shí)數(shù)，0 V = 0和九，。為設(shè)定點(diǎn)值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，要求值 為側(cè)風(fēng)速率的遞增 函數(shù)，并且如果不存在這樣的風(fēng)則所述要求值九，。為零。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理裝置 能夠識別一個(gè)圖像中的至少一個(gè)著陸跑道。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述自動(dòng)著陸系統(tǒng)包括顯示設(shè) 備（115,515)，所述顯示設(shè)備顯示所述攝像機(jī)（110,510)的圖像并且所述顯示設(shè)備被耦接 至用戶接口（125,525)，其中所述用戶接口使得能夠從由所述顯示設(shè)備顯示的圖像中的多 個(gè)著陸跑道選擇著陸跑道。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理裝置能夠確定著 陸跑道的軸線和所述跑道上的觸地點(diǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，其特征在于，所述自動(dòng)著陸系統(tǒng) 包括顯示設(shè)備（115,515)，所述顯示設(shè)備顯示所述攝像機(jī)（110,510)的圖像并且所述顯示 設(shè)備被耦接至用戶接口（125, 525)，其中所述用戶接口使得能夠在所述圖像上指定著陸跑 道的軸線以及所述跑道上的觸地點(diǎn)。
10. -種用于使飛行器在著陸跑道上自動(dòng)著陸的方法，其特征在于包括： 拍攝一系列連續(xù)的地面圖像； 圖像處理軟件從所述圖像提取所述著陸跑道的視覺特征；以及 根據(jù)在所述圖像中的至少一個(gè)圖像中所述著陸跑道的所述視覺特征的相應(yīng)位置來確 定所述飛行器的制導(dǎo)命令，以將所述飛行器帶入標(biāo)稱進(jìn)場平面并且將所述飛行器與所述著 陸跑道的軸線對準(zhǔn)，其中所述確定制導(dǎo)命令包括在所述圖像中進(jìn)行視覺伺服的步驟，以估 計(jì)圖像中在所述視覺特征的位置與這些特征的要求位置之間的距離，并且根據(jù)所述距離來 推導(dǎo)所述飛行器的制導(dǎo)命令以將所述視覺特征帶至其在所述圖像中的相應(yīng)要求位置，其中 所述視覺特征為所述跑道的軸線（△)和所述跑道上的觸地點(diǎn)（P)，并且其中如果不存在側(cè) 風(fēng)則所述跑道的軸線的要求位置為所述圖像的中間垂直軸線，以及所述觸地點(diǎn)的要求位置 為所述中間垂直軸線與如下線之間的交點(diǎn)：所述線平行于水平線（250)并且以與所述水平 線相距要求距離位于所述水平線下方。
【文檔編號】B64D45/04GK104340371SQ201410349014
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】吉揚(yáng)·皮約, 維克托·吉貝爾, 法比安·佩林 申請人:空中客車營運(yùn)有限公司