一種從點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及飛機(jī)自動(dòng)引導(dǎo)泊位系統(tǒng)，發(fā)明了一種從單個(gè)激光掃描設(shè)備拍攝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)的方法，方法使用通用參數(shù)模型，常規(guī)的民航客機(jī)均可適用。激光掃描設(shè)備對(duì)機(jī)場(chǎng)泊位區(qū)域持續(xù)進(jìn)行三維掃描，每次掃描獲取一幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出一種基于飛機(jī)參數(shù)模型匹配的方法從每次掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)。方法結(jié)合飛機(jī)特征部件探測(cè)和參數(shù)式飛機(jī)模型整體匹配，其中特征部件包括一個(gè)機(jī)鼻、兩個(gè)機(jī)身側(cè)面和兩個(gè)機(jī)翼，而飛機(jī)整體模型是對(duì)這五個(gè)部件相對(duì)位置和轉(zhuǎn)動(dòng)的約束。通過(guò)尋找對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最佳整體模型參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的目的。本發(fā)明提出的方法具有處理速度快，適合絕大多數(shù)的民航飛機(jī)，適用觀測(cè)角度范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種從點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于激光掃描技術(shù)的飛機(jī)自動(dòng)引導(dǎo)泊位系統(tǒng)，尤其是一種從單幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)控，尤其是飛機(jī)停泊自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)中，需要準(zhǔn)確感知飛機(jī)的姿態(tài)，包括所處的位置、所占的空間以及運(yùn)動(dòng)的速度和方向等信息。傳統(tǒng)的感知方式(如感應(yīng)線圈、雷達(dá)和視頻等技術(shù)手段)有不同程度的缺陷:感應(yīng)線圈技術(shù)探測(cè)能力差，且安裝維護(hù)操作工程量大；雷達(dá)技術(shù)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的細(xì)節(jié)表達(dá)能力差；視頻手段受天氣和光線的影響較強(qiáng)，且距離計(jì)算誤差較大。
[0003]激光掃描技術(shù)因其測(cè)量準(zhǔn)確性高、細(xì)節(jié)清晰、分辨力強(qiáng)且對(duì)天氣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)有快速的發(fā)展，適合中短距離上的感知探測(cè)。三維激光掃描設(shè)備一般安裝在航站樓上，正對(duì)泊位區(qū)域，且靠近泊機(jī)位。設(shè)備在水平和俯仰兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)，獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以抽樣點(diǎn)的形式表征被掃描表面的幾何特征和材質(zhì)反射特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，從泊位系統(tǒng)的激光掃描設(shè)備獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)是泊位引導(dǎo)過(guò)程中核心的一個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)。本發(fā)明提出一種使用參數(shù)模型匹配的方法，從單一探測(cè)源掃描生成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)的方法。本發(fā)明方法的輸入 是一幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見(jiàn)相關(guān)說(shuō)明中點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求)。輸出是飛機(jī)參數(shù)模型表達(dá)式的參數(shù)和三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。從本發(fā)明方法的輸出可以直接計(jì)算出機(jī)型特征值，如機(jī)鼻高度、機(jī)翼高度、翼展寬度機(jī)艙寬度和機(jī)鼻到機(jī)翼的距離等。使用這些特征值跟民航機(jī)型數(shù)據(jù)庫(kù)作對(duì)比可以識(shí)別飛機(jī)的機(jī)型。從多次使用本發(fā)明方法獲得的輸出結(jié)合泊機(jī)位的信息，還可以直接計(jì)算出引導(dǎo)飛機(jī)泊位的距離、偏移、朝向和速度信息。以上信息足以滿足泊位自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)的需求。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種從點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配方法包括:
步驟1:通過(guò)激光掃描儀運(yùn)動(dòng)，獲得機(jī)場(chǎng)單位時(shí)間內(nèi)的水平掃描線；根據(jù)快速合并算法將每條水平掃描線劃分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)組，當(dāng)每組點(diǎn)云數(shù)據(jù)長(zhǎng)度P〈TH1 ;所述每條水平掃描線中第一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)組的起點(diǎn)，每條水平掃描線最后一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)組的終點(diǎn)，起點(diǎn)與終點(diǎn)的距離為長(zhǎng)度P ;TH1為閾值，所述THl范圍是5米到8米；
步驟2:計(jì)算分組的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的曲率r ,根據(jù)曲率變化判定法將點(diǎn)云組分割
成點(diǎn)云段；當(dāng)分割為點(diǎn)云段后，每個(gè)點(diǎn)云段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度β<?2時(shí)，丟棄本次數(shù)據(jù)；否則，保留本次點(diǎn)z?段；其中范圍是2米到5米；
步驟3:對(duì)每個(gè)點(diǎn)云段進(jìn)行圓弧段模型{X'aJH}或直線段模型
【權(quán)利要求】
1.一種從點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配方法，其特征在于包括: 步驟1:通過(guò)激光掃描儀運(yùn)動(dòng)，獲得機(jī)場(chǎng)單位時(shí)間內(nèi)的水平掃描線；根據(jù)快速合并算法將每條水平掃描線劃分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)組，當(dāng)每組點(diǎn)云數(shù)據(jù)長(zhǎng)度P<THX ;所述每條水平掃描線中第一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)組的起點(diǎn)，每條水平掃描線最后一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)組的終點(diǎn)，起點(diǎn)與終點(diǎn)的距離為長(zhǎng)度P 為閾值，所述THl范圍是5米到8米；步驟2:計(jì)算分組的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的曲率r ,根據(jù)曲率變化判定法將點(diǎn)云組分割成點(diǎn)云段；當(dāng)分割為點(diǎn)云段后，每個(gè)點(diǎn)云段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，丟棄本次數(shù)據(jù)；否則，保留本次點(diǎn)云段；其中范圍是2米到5米； 步驟3:對(duì)每個(gè)點(diǎn)云段進(jìn)行圓弧段模型{X'c^Y'aM或直線段模型

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配算法，其特征在于所述步驟I快速合并算法具體步驟是:把每條掃描線中第一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)組的起點(diǎn)，若一個(gè)點(diǎn)與前一個(gè)點(diǎn)之間的距離小于閾值TW3 ,該點(diǎn)與前一個(gè)點(diǎn)處于同一個(gè)組，否則認(rèn)為該點(diǎn)是一個(gè)新的點(diǎn)云數(shù)據(jù)組的起始點(diǎn)，前一個(gè)點(diǎn)是前一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)組的終止點(diǎn)， 一般取
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配算法，其特征在于所述步驟2中曲率變化判定法具體步驟為:設(shè)前一點(diǎn)、當(dāng)前點(diǎn)和下一點(diǎn)的曲率分別是kο、jc和r2，如果
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配算法，其特征在于所述步驟3具體過(guò)程是:通過(guò)均開(kāi)方差，取平均平方差最小的幾何模型代表每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)段，去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)段的平均平方差大于TH5的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，TH5 一般取值是0.2-1米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配算法，其特征在于所述步驟4具體包括:步驟41:計(jì)算所有圓弧段的平均圓心
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配算法，其特征在于所述步驟5中判斷該直線模型屬于機(jī)身側(cè)面還是機(jī)翼具體步驟為
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的匹配算法，其特征在于所述步驟5中判定點(diǎn)云取自前側(cè)角度拍攝，否則是正前角度拍攝的具體方法是:如果來(lái)自機(jī)身側(cè)面的點(diǎn)云段超過(guò)5個(gè)點(diǎn)云段，則判定點(diǎn)云取自前側(cè)角度拍攝，否則是正前角度拍攝。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的匹配算法，其特征在于所述步驟5中飛機(jī)側(cè)面的數(shù)學(xué)模型為所有側(cè)面點(diǎn)云段參數(shù)的平均值；飛機(jī)機(jī)翼的點(diǎn)云段中取
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像檢測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的參數(shù)模型匹配算法，其特征在于所述激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中二維數(shù)據(jù)，其中將三維數(shù)據(jù)投射為二維數(shù)據(jù)的過(guò)程，既沿z軸投影到XY平面上。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103853893SQ201410114518
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】黃榮順, 隋運(yùn)峰, 鐘琦, 李華瓊, 王雨果, 鄢丹青 申請(qǐng)人:中國(guó)民用航空總局第二研究所