專利名稱：在碰撞情況下識別交通工具機動操作的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目的是提供一種在碰撞情況下識別交通工具機動操作的系統(tǒng) 和方法。本發(fā)明尤其但不排他地應(yīng)用至飛行器顯示系統(tǒng)，從而避免飛行器之 間發(fā)生空中碰撞，或者相反地，攔截空中威脅。此外，應(yīng)該理解的是，本發(fā) 明也可使用在用于類似目的的海運船只中。
如這里所使用的，短語"交通工具"并不局限于傳統(tǒng)交通工具，諸如飛 機、輪船、汽車等，也可包括無人駕駛的交通工具。
如這里所使用的，短語"碰撞情況'，具有寬泛的含義，指代交通工具與 另一物體撞擊的情況，表示交通工具與其他物體之間產(chǎn)生碰撞或者近距離或 擦邊而過。這一短語包括但不局限于由交通工具產(chǎn)生的碰撞、擦肩而過以及 威脅攔截。
如這里所使用的，短語"條件"指代與交通工具或物體相關(guān)的各種參數(shù)。 這些參數(shù)包括但不局限于位置(包括高度)、方向、方位、速度、加速度等。
背景技術(shù)：
交通工具中使用抗撞擊系統(tǒng)是公知的。目前使用的這些系統(tǒng)采用車輛自 身區(qū)域的顯示器，并且可視地顯示另一交通工具是否存在，這些顯示器是基 于慣性、雷達和聲納傳感器的系統(tǒng)的派生物。這種系統(tǒng)提供關(guān)于如何優(yōu)化地 躲過任何潛在碰撞的有限信息。
目前在飛行器中使用的系統(tǒng)的 一 項實例是交通報警與碰撞避免系統(tǒng)
(TCASII)。當所謂的入侵者的第二個飛行器在第一個飛行器的機栽系統(tǒng)中 被檢測到時，警告信號被傳送至駕駛室的機組人員。這被稱為是交通報告信 號。然后，該系統(tǒng)向飛行員發(fā)出可聽和可視指令從而升高或下降。這公知為 解決方案報告信號。
在如此裝備的情況下，類似的交通報告信號由第二個飛行器的機組人員 接收到。但是，在第二個飛行器(如果裝配該設(shè)備的話)處接收到的解決方案報告信號與第一個飛行器所接收到的相反。因此，該系統(tǒng)為兩個飛行器提 供建議性的操作方案(上升或者下降)以避免碰撞。雖然該系統(tǒng)設(shè)置有駕駛 室顯示器，但是該顯示器相當?shù)碾[蔽，可能不會可視地識別碰撞區(qū)域中的第 二個飛行器。
碰撞。飛行員沒有接收轉(zhuǎn)彎或變速的指令。此外，TCASII系統(tǒng)無法正確地 處理潛在碰撞區(qū)域中的多個飛行器。
用于識別碰撞的另一現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)是空對空雷達顯示器。這種顯示器通 常使用在戰(zhàn)斗機中，并不應(yīng)用于民用交通工具。圖l示出在空對空戰(zhàn)斗中主 要用于瞄準敵人飛行器的顯示器的主要特征(附圖參考文件Shaw, R丄.,(1988)Fighter Combat: The Art and Science of Air-to-Air Combat, Patrick Stephens Limited )。當目標在范圍之外時，該顯示器僅在與目標的碰撞期間 指引飛行器，或者己方的飛行器/自己的飛行器。飛行員可通過操作點100, 將其放置在顯示器的中心，從而實現(xiàn)所需的方向。
圖1的顯示器基本上是由諸如雷達的自身傳感器掃描的前直角方向的投 影圖。因此，3D中的方向在顯示器上變?yōu)?D中的點。該目標的視線(LOS) 102變?yōu)橐粋€點，在該實例中，其由一個方形表示，從而與顯示給飛行員的 其他信號區(qū)分開。允許轉(zhuǎn)向誤差(ASE)圓104表示可能起動方向的范圍。 即，當轉(zhuǎn)向點100處于圓104內(nèi)部時，可以成功地起動。該顯示器也可包含 其他信息類似于到達攔截點(未示出)的時間和距離。應(yīng)該理解，這種顯示 器也可作為碰撞避免系統(tǒng)，其中飛行員完全可以操作自身飛行器轉(zhuǎn)向離開目 標。
其他現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)公開在Knecht和Smith的美國專利No. 6,970,104中。 這里，飛行信息用于計算自身飛行器可到達區(qū)域中的碰撞區(qū)域。該顯示器為 飛行員提供碰撞區(qū)域的模擬三維圖示(方向、速度和高度)。該顯示器沒有 示出相對于自身飛行器的三維位置，僅顯示相對于碰撞區(qū)域的機動操作空 間。即，飛行員必須識別與該碰撞區(qū)域具有一定距離的區(qū)域，根據(jù)顯示信息 計算所需的方向、速度和高度，然后根據(jù)這些計算結(jié)果操作自身飛行器。
Knecht和Smith的碰撞區(qū)域的計算假設(shè)是基于兩個飛行器如何轉(zhuǎn)向、上 升、下降、加速或減速的。因此，它們的碰撞區(qū)域需要不確定的假設(shè)和大量 的數(shù)據(jù)處理，而不是確定的信息和直接有意義數(shù)據(jù)的顯示。此外，飛行員無法得知與選定方向、速度和高度相關(guān)聯(lián)的危險級別。如 果碰撞區(qū)域正好超過選定的時間范圍(前視時間)并因此沒有顯示出來，那 么飛行員可能會使自己的飛行器進入未來碰撞的情況。
因此，需要提供一種用于交通工具的顯示器，能夠立即告知飛行員關(guān)于 該飛行器的潛在碰撞情況，并且提供有關(guān)指示，表明該飛行器的潛在機動操 作的內(nèi)在危險水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在碰撞情況下識別所需交通工具機動操作的 公知系統(tǒng)和方法的備選方案。
一般地，在一個方面，本發(fā)明涉及一種在該交通工具和至少一個其他物 體的碰撞情況下識別該交通工具的機動操作的系統(tǒng)和方法。對于給定交通工 具和物體條件，計算多個避免碰撞點，在這些點處，所述交通工具將以避免
碰撞距離來避免與所述至少一個其他物體的碰撞；
顯示所述避免碰撞點，使得所述交通工具將以表示給定碰撞程度的給定 避免碰撞距離而避免碰撞的多個避免碰撞點以視覺可見方式與所述交通工 具將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞的其他避免碰撞 點區(qū)分開。所得到的顯示方式表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰 撞程度以方向性視圖顯示的方式示出所述交通工具的一組可用機動操作。
可視覺區(qū)分的多個避免碰撞點的一項實施例的特征在于等軸映射，優(yōu)選 地采用彩色的帶形。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，方向性視圖的顯示方式是單 色顯示方式，或者優(yōu)選地彩色顯示方式。
一般地，本發(fā)明的另一方面在于計算其他交通工具和物體的條件，由此 根據(jù)交通工具和其他物體的條件的變化更新所顯示范圍的可用機動操作。在 另一優(yōu)選實施例中，計算對于給定交通工具和物體條件下交通工具將碰撞其 他物體的至少一個石並撞點的位置。然后，該至少一個石並撞點顯示以方向性^L 圖顯示方式進行顯示。
一般地，本發(fā)明的另 一方面涉及避免兩個飛行器之間的空中碰撞的方法 和系統(tǒng)。
在本發(fā)明的另 一實施例中，記載用于船只的導(dǎo)4亢系統(tǒng)。 一般地，在另一方面中，本發(fā)明涉及用于攔截移動物體的方法。在另 一實施例中，本發(fā)明涉及嵌入計算機可讀取介質(zhì)中以實現(xiàn)上述系統(tǒng) 和方法的邏輯。


圖1是主要用于空對空戰(zhàn)斗的現(xiàn)有技術(shù)顯示系統(tǒng)。
圖2a和2b描述關(guān)于兩個飛行器的潛在碰撞情況。 圖2c和2d示出根據(jù)本發(fā)明的圖2a和2b的潛在碰撞情況的顯示信息。 圖3a至3b描述在已經(jīng)經(jīng)過特定時間量以及兩個飛行器之間的潛在碰撞 情況更可能發(fā)生之后的圖2a至2d的碰撞情況。
圖3c和3d示出根據(jù)本發(fā)明的圖3a和3b的潛在碰撞情況的顯示信息。
圖4是圖3a和3b描述的潛在碰撞情況的另一顯示信息。
圖5a至5c描述根據(jù)本發(fā)明一項實施例的單色顯示信息。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一項實施例的備選顯示信息。
圖7a和7b示出根據(jù)本發(fā)明的避免碰撞距離的幾何矢量。
圖8a和8b示出根據(jù)本發(fā)明的碰撞幾何矢量。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的碰撞邊界投影(collision projections of contour)
和碰撞點。
圖10a至10d示出才艮據(jù)本發(fā)明計算的另一邊界投影和碰撞點。
具體實施例方式
現(xiàn)在詳細地說明本發(fā)明，圖2a和2b示出接近潛在碰撞情況的兩個飛行 器(己方飛行器200,入侵飛行器202)。圖2c示出參照圖2中示出的情況 的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選駕駛室顯示信息。
圖2a和2b示出的實例情況具有下述參數(shù)
*己方飛行器的速度是400ft/s;以及
入侵飛行器的速度是780ft/s。
兩個飛行器200、 202處于飛行狀態(tài)，己方飛行器200比入侵飛行器202 高200英尺。下方還有其他飛行器(未示出)，所以哪個飛行器都不能下降。
圖2a的俯視平面圖示出透視場景。虛線204和206分別示出己方飛行 器200和入侵飛行器202的當前速度矢量的方向。從己方飛行器發(fā)出的實線 208和210示出將導(dǎo)引至碰撞情況的方向。計算這些線的基礎(chǔ)是這兩個飛行器都沒有改變速度，并且入侵飛行器202繼續(xù)保持其當前速度矢量206。
由于入侵飛行器202速度更快并且兩個飛行器正在接近，所以存在兩個 碰撞點。因為飛行器位置和速度矢量隨著時間而改變，所以方向也動態(tài)地改 變。如果入侵飛行器202比己方飛行器200慢，那么至多存在一個碰撞方向。
圖2b復(fù)制了上述相同情況，該圖為從側(cè)面進行的觀察。
圖2c示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選顯示方式的實例。左圓盤212是圍繞己方 飛行器的前半球方向的方位才殳影(zenithalprojection),其中，頂點是直接向 前的。右圓盤214是后半球，在由于己方飛行器之后的入侵飛行器速度更快 而產(chǎn)生碰撞情況時，需要使用該后半球。
十字線與己方飛行器身軸線對齊。即，前投影的中心對應(yīng)于己方飛行器 的縱向機身軸線，或者飛行員直視前方的視角。后投影的中心是直接相反的， 朝向己方飛行器的后部。
3D的相對于中心方向的相同徑向角表示為距離投影中心的相同徑向距 離。圓的外周處于距離中心的90°處(90° from the centre),兩個圓都表示在 與縱向軸線成直角的平面中以飛行員為中心的環(huán)。
LOS給出從己方飛行器200看到的入侵飛行器202的方向，優(yōu)選地示出 為方形216。該方形的尺寸表示與飛行器的距離，但是其最小尺寸優(yōu)選為固 定的。碰撞點218和220優(yōu)選地表示為叉形。對于入侵飛行器也類似，碰撞 點218、 220的尺寸表示與潛在碰撞處的距離。圍繞碰撞點的帶形區(qū)域限定 碰撞區(qū)域222。對于所有的假設(shè)己方飛行器方向來說，碰撞區(qū)域中陰影的變 化表示己方飛行器與入侵飛行器之間的避免碰撞距離或者未來最小間隔。 即，陰影的變化限定碰撞程度。優(yōu)選地，陰影是顏色的程度，使得飛行員能 夠立即將避免碰撞距離與危險程度關(guān)聯(lián)起來。
為了進一步解釋不同的碰撞程度是如何計算出來的，選擇用于己方飛行 器的假定方向。即，在現(xiàn)有速度下，十字線名義上朝向所需方向定位。這稱 為避免相撞點。參照圖2c，如果入侵飛行器繼續(xù)以當前速度矢量前進，那么 可參照該避免相撞點計算假定的避免碰撞距離(如下所述)。
優(yōu)選地，從圖標224選擇適應(yīng)于該避免碰撞距離的顏色，在該避免相撞 點相應(yīng)地對屏幕的像素著色。如果顯示器不是彩色的，那么可使用適當?shù)年?影來表示碰撞程度。如果避免碰撞距離計算為超過圖標224的范圍-在圖2c 中為5kft-那么像素，或者避免相撞點形成黑色。繼續(xù)采用該算法，可相對于
10連續(xù)的假設(shè)己方飛行器方向計算避免碰撞距離，得到屏幕顯示出的碰撞程度。
碰撞區(qū)域內(nèi)部的不同碰撞程度允許飛行員立刻評估與可能采取的任何 措施相關(guān)的危險水平。因此，如果想要避開碰撞點，那么飛行員必須操縱飛 行器以確保適當?shù)谋苊馀鲎簿嚯x(立刻通過與該避免相撞點顏色/陰影關(guān)聯(lián)而 獲取)。如果想要攔截該入侵飛行器，那么飛行員可以操縱飛行器朝向碰撞 點，評估碰撞程度以輔助判斷攔截方向。
優(yōu)選地，該顯示器包括輔助飛行員的數(shù)據(jù)信息226。如圖2c所示的本發(fā) 明的優(yōu)選實施例還包括但不局限于入侵飛行器以及其標記的當前距離，以及 到達碰撞點的距離和時間。碰撞程度的即刻表示也優(yōu)選地示出在間隔表示 228中。到達最近地點230的時間和距離也可示出。
雖然未示出，但是其他數(shù)據(jù)信息優(yōu)選地包括可視的指示，諸如箭頭，表 示當經(jīng)過入侵飛行器時己方飛行器的交叉位置(例如，上方、下方、左或右)。 另外，當叉形的位置位于入侵飛行器上方或下方時，優(yōu)選地包括表示避免碰 撞距離的垂直分量的數(shù)字值//仏同樣，當叉形的位置位于入侵飛行器的左 或右時，可以包括避免碰撞距離的水平分量的數(shù)字值fTM。因此，箭頭的方 向以及避免碰撞距離值表示己方飛行器應(yīng)該如何操作以根據(jù)碰撞是否將被 避免或者入侵飛行器是否將被攔截來改變碰撞的程度。
圖2d示出顯示方式的另 一實施例并且描述整個球體的墨卡托
(Mercator)投影。這里所示的飛行情況與圖2c所示的情況相同。與圖2c 類似，顯示器的軸線是己方飛行器的軸線。相同的方位角表示為相同的水平 距離。相同的仰角表示為相同的垂直距離。相對于其軸線正在己方飛行器上 方的點映射至上邊緣上，因此在其附近的方向被極大地放大和扭曲。類似地， 正在己方飛行器下方的點映射至下邊緣上。這一投影的優(yōu)勢在于連續(xù)的前后 投影，除了在己方飛行器后方被垂直地切斷。
圖2d的這一顯示方式結(jié)合有水平投影，在這一實例中，該投影是扁平 的(flat)并且是水平的(level)。水平投影上方的點優(yōu)選地以不同顏色/陰影 示出以輔助飛行員。隨著己方飛行器上仰(pitch up),水平投影似乎在中心 附近下降并且在左和右邊緣附近上升(如圖3d所示)。隨著己方飛行器轉(zhuǎn)向
(banks in a turn ),飛行器傾斜并且采用正弦形狀。如果需要的話， 一水平 投影(horizon)(未示出)可加入至圖2c的雙半球投影。圖2d的內(nèi)窗口 232接近飛行員的典型視野。即，分別相對于飛行器的 側(cè)向和縱向軸線為水平地-90°至+90°,垂直地-20°至+20° 。
圖3a是關(guān)于圖2的上述情況的進一步俯視圖，已經(jīng)經(jīng)過特定的時間量， 己方飛行器300與入侵飛行器302之間的潛在碰撞更可能發(fā)生。類似于圖2a 和2b，虛線301和303分別示出己方飛行器300和入侵飛行器302的當前速 度矢量的方向。從己方飛行器發(fā)出的線305和307示出會導(dǎo)致碰撞的方向。 如圖3b所示，己方飛行器300已經(jīng)采用躲閃的機動操作上升。
在圖3c中顯示信息上的碰撞區(qū)域304的尺寸相比于圖2c來說已經(jīng)增加， 由此能夠適當?shù)馗蟮乜吹轿ｋU。這也傳遞了下述信息，即，己方飛行器的 安全操作方向是更極端的并且需要緊急動作。
備選的顯示方式示出在圖3d中，描述整個球形的墨卡托投影。在該實 施例中，在顯示器的底部示出數(shù)據(jù)信息306，為飛行器的飛行員提供關(guān)于潛 在碰撞點的精確信息。
隨著情況繼續(xù)發(fā)展，己方飛行器持續(xù)攀升來避免碰撞點。本領(lǐng)域技術(shù)人 員可知，圖3c的方位投射的十字線以及圖3d所示的墨卡托投射同樣地移動 到碰撞區(qū)域中由表示可接受碰撞程度的彩色或陰影表示的比較安全的區(qū)域。
因此，為了總結(jié)圖2a-d以及圖3a-d的情況，己方飛行器200識別幾乎 正前方的主碰撞點218。這通過己方飛行器的當前方向以及數(shù)據(jù)信息箱228 的亮彩色/陰影而示出。
方向的較小偏移會造成碰撞。因此，己方飛行器可轉(zhuǎn)向右方，該顯示器 根據(jù)可接受的碰撞程度也顯示如此信息。如果入侵飛行器202保持其策略， 那么從第二碰撞點220到己方飛行器的右70° ( from the second collision point 220 to own-aircraft's right at 70°)存在危險。
己方飛行器決定通過啟動攀升而增加所預(yù)測的垂直間隔，如圖3a-3c所 示。在10秒的時間段內(nèi)，己方飛行器300向上轉(zhuǎn)動至5°的攀升角，然后保 持該角度。己方飛行器300允許以每秒0.15。小小地轉(zhuǎn)動至右邊。入侵飛行 器302沒有改變方向，因為在這種情況下其沒有發(fā)覺己方飛行器300的存在。 顯示器上的主碰撞點318按照需要向下偏移并且至左邊。所計劃的間隔措施 現(xiàn)在將如數(shù)據(jù)信息盒306中所示的那樣增加。碰撞的程度由己方飛行器的當 前方向(圖3c中的十字線320,圖3d中的十字線324)和數(shù)據(jù)信息箱328 的彩色/陰影進行表示。應(yīng)該理解，在一些情況下，諸如使入侵飛行器后退，則不存在碰撞點。 但是，碰撞區(qū)域和碰撞程度可以仍然存在，略去一些內(nèi)部的陰影/色彩。
本發(fā)明的系統(tǒng)可顯示超過一個入侵飛行器的多個碰撞區(qū)域。其他碰撞區(qū) 域可能會由于天氣或地勢的原因而出現(xiàn)。所需的信息如下所述進行計算，采 用它們的標記(例如，十字和方形)疊置在顯示器上，碰撞區(qū)域和相關(guān)的碰 撞程度。在顯示器像素對兩個入侵飛行器采用不同的顏色或陰影時(即，碰 撞程度對于碰撞區(qū)域的相同位置進行變化)，優(yōu)選地為較小的避免碰撞距離 分配顏色/陰影。
圖4示出根據(jù)圖3a-3d示出上述飛行情況的另一顯示方式實施例。這是 圍繞己方飛行器的整個球形方向的方位投影。內(nèi)圓盤400與圖3c中的前半 球方位投影相同，使得相同的徑向角表示為相同的徑向距離。但是，在該投 影中，徑向角持續(xù)向外至180° (continued out to 180°)。正位于己方飛行器下 方的點映射至外圓周402,其附近的方向被極大地放大和扭曲。
在該圖示中的水平線(未示出)將形成可能難于解釋的封閉曲線。但是， 其確實具有前后半球連續(xù)的優(yōu)點。優(yōu)選地，本發(fā)明的顯示方式可按照需要由 交通工具的操作者進行互相更換。
優(yōu)選地，任何投影中的角度范圍可受到限制從而示出小的角度變化。另 外，碰撞程度可根據(jù)飛行員的要求或者根據(jù)算法而進行變化。當飛行器靠近 而出現(xiàn)危險時，這會有利地允許更精細的間隔分辨度，并且需要更精確地操 作。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可使用單色顯示方式代替彩色圖像或者變化 陰影的圖像來表示碰撞程度。優(yōu)選地，單色顯示器，諸如圖5a、 5b和5c所 示的變化將包含一個或多個邊界線500來提供碰撞程度的即刻顯示。拓樸類 型(topographic-type)顯示方式上的每個邊界( contour)對應(yīng)于不變的避免 碰撞距離，也就是不變的碰撞程度。這些顯示方式的派生顯示方式尤其可包' 括在平視顯示器(head-up display ) (HUD)中。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明一項實施例的另一設(shè)計，用于船橋的儀表板上的顯 示器。該顯示器用于即刻表示碰撞程度。即，與其他船只或者其他障礙諸如 地面發(fā)生碰撞的危險水平。
該顯示方式是二維平面圖。十字線與己方船只的軸對齊，使得直接相對 于船只的前方是顯示器上的12點。在該實施例中最大概ll點處示出的內(nèi)部指針600是入侵船只的當前LOS。入侵船只當前處于與己方船只的前部交叉 的軌道上。
在顯示器上外部盤中示出的彩色或陰影帶602表示對于己方船只的每個 假定速度來說，與避免碰撞距離關(guān)聯(lián)的不同碰撞程度。
根據(jù)船只的即刻環(huán)境，可選擇對應(yīng)于碰撞程度的相關(guān)比例。例如，相對 于在海港巡邏的船只來說，開闊海域中的船只可采用較大的比例。相關(guān)的圖 標604優(yōu)選地示出關(guān)于每個碰撞程度的避免碰撞距離的數(shù)字值。避免碰撞距 離可從每個船只的中心點進行測量，或者可考慮船只的尺寸和方向。
圖6的顯示器示出，在其當前的取向上，己方船只將以大約300單位避 免碰撞入侵船只。己方船只的危險方向是1點處，由此造成碰撞點。
如果碰撞點是固定物體(例如，地面)，那么碰撞程度仍然將以根據(jù)本 發(fā)明的方式示出。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在該實例下，不需要內(nèi)部指針 表示相應(yīng)于固定潛在碰撞點的LOS。
該顯示方式可優(yōu)選地以數(shù)字值(未示出)進行放大，表示到達碰撞點的 時間和距離。其他入侵船只將通過其他LOS指^h和另 一套彩色/陰影帶示出。 LOS指針可由符號或者圓周上的其他明顯變量代替。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，借助本發(fā)明實施例的實例如上所述的這種顯 示器并不局限于經(jīng)歷潛在碰撞的交通工具。例如，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可應(yīng) 用在飛行交通控制系統(tǒng)中。
現(xiàn)在說明計算碰撞程度的優(yōu)選方法。下列術(shù)語將在下述整個計算過程中 使用。
r產(chǎn)己方飛行器的速度矢量 K產(chǎn)己方飛行器的速度 r產(chǎn)入侵飛行器的速度矢量 F尸入侵飛行器的速度
Kf己方飛行器相對于入侵飛行器的速度矢量 ^// =與Kw平行的單位矢量
從己方飛行器至入侵飛行器的單位矢量 / ^己方飛行器與入侵飛行器之間的當前3D距離 / 柳=己方飛行器與入侵飛行器之間的3D避免碰撞距離 義=與C/^w平行的坐標"垂直于Km和Fr平面中"m的坐標
2=垂直于x和少的坐標
^= 「《的x分量；和Ffe類似
〖、=^的x分量； 和^類似 F,.:己方飛行器的假定速度矢量 X- F,,的x分量；F和Z類似 ^=圓錐的半角
/2=沿x方向距離圓錐頂點的點的距離 /2j0戶等式(12)的解；/^0」是另一解 0=圍繞圓錐軸線的點的極角 CDTI=交通信息的駕駛室顯示方式 LOS—見線
下述計算的值可以通過公知的方法獲取，諸如無線電數(shù)據(jù)連接傳送。優(yōu) 選地，這些值通過全球定位系統(tǒng)(GPS)接收到的高分辨率坐標精準且精確 地計算得到。
參照圖7a中的碰撞幾何尺寸，己方飛行器具有3D速度矢量KF,入侵 飛行器具有3D速度矢量Kp它們的當前3D距離是&,入侵飛行器的LOS
由單位矢量f/ms給出。
這里F相應(yīng)于第 一個人(First person), T相應(yīng)于入侵飛行器(in7hider) 或威脅(7Tireat)或交通(Traffic )。從這一觀點或者入侵飛行器的參考系， 己方飛行器似乎以速度PV= F/"PV沿著單位矢量PV1 & l的方向移動， 此時「#Fr。
圖7b示出避免碰撞距離是從入侵飛行器至沿^ 的方向穿過己方飛行器 的線的最短路徑。該最短路徑垂直于該線。相對位置矢量/^7ios沿著C/w的 分量是C二&C^as.^，其中，點表示標量積。如果K/^Fr,那么C-0。因此， 從入侵飛行器至己方飛行器的最近路徑的矢量為
~ = Cf7r早力os (1)
Pythagoras定理給出避免碰撞距離為
月柳== W - C2 (2)
該公式用于計算相應(yīng)于所有假設(shè)己方飛行器方向的避免碰撞距離(避免碰撞點)，得到圖2至6中的彩色或陰影區(qū)域所示的碰撞程度。對于己方飛 行器的當前方向，/^沿著己方飛行器向上軸線的分量/^以及沿著其右翼的 分量^m也被計算得到。它們示出己方飛行器將以最近的路徑經(jīng)過入侵飛行
器的上方的距離并且到達己方飛行器右邊的入侵飛行器(how far own-aircraft will pass above and to own-aircraft's right of the intruder at closest approach ),并 且它們的值優(yōu)選地以信息數(shù)據(jù)顯示的方式給出。
當如(2)示出"=^05時，碰撞點對應(yīng)于i^z)=0，使得t/iftS、 FF和 &共面。使用正交坐標系(x，乂z)， x軸線沿著Ros設(shè)置，y軸線沿著C/i^ 和Kt"的平面，使得Fr具有正y分量K&。 z軸線由右手MJ'〗限定。圖8a中 示出的碰撞三角示出Ff 〉Kr的情況。如果J^〈P^，那么將不存在碰撞點。 否則，Pythagoras定理給出標準公式
<formula>formula see original document page 16</formula>(3)
己方飛行器的速度矢量將為
<formula>formula see original document page 16</formula> (4)
該矢量的方向投影在顯示器上形成十字形。圖8b示出&<]^并且存在 兩個碰撞方向的情況。對于第二個，(3)中的平方根之前的加號變?yōu)闇p號。 這給出第二己方飛行器速度矢量其方向投影在顯示器上作為第二個十 字。其參數(shù)優(yōu)選地相對于顯示器的信息數(shù)據(jù)部分中的較低十字而給出。對于 己方飛行器的當前速度矢量和碰撞方向，數(shù)據(jù)盒中示出到達最小間隔的次數(shù) C料
返回參照圖5a,示出方位顯示器的畫線版本，其中，封閉曲線的碰撞區(qū) 域?qū)?yīng)于2000英尺的避免碰撞距離。該;碰撞點現(xiàn)在由點示出，而非十字。 LOS示出為實線方形，十字線被減小。為了說明方便，兩個飛行器都處于飛 行狀態(tài)，己方飛行器的速度為500ft/s。入侵飛行器的速度為400ft/s，距離為 6000英尺，左側(cè)30° (30° to the left),比己方飛行器低7。。入侵飛行器以相 對于己方飛行器路徑90。在己方飛行器前方交叉經(jīng)過?？稍?0.7秒內(nèi)到達 碰撞點。但是，圖5a示出它們將以大約1200英尺的距離避免碰撞。
計算機程序可獲得2000英尺等值線，以像素計(pixel by pixel),但是 這在計算方面是昂貴的并且不會產(chǎn)生光滑曲線。代替地，該等值線的方程通 過參照圖8a中的碰撞幾何尺寸而獲得。方程(2)可寫成下述形式(Vi。s力)2 = fc2 -碌25)W2 (5) 以分量表示可以為
*i = 4)te + ^ + 4) (6)
假定己方飛行器速度是F產(chǎn)(兀^z)，其中分量A:i:z是限定邊界的變量。
因此
^ =義-^
& = z
因為Kr不具有z分量?，F(xiàn)在(6)簡化為
/ 2(7-&)2 = (y- )2+z2 (8)
其中
月= 4_ (9) P、/ ; 2 ff2
方程(8)限定具有定點^的圓錐，沿著x軸線的軸線，半角^arctan〃。 圖9示出一項實例?；叵?，己方飛行器的實際當前速度F產(chǎn)IKH是相對于所 有的假定己方飛行器方向假定的，那么
z2 + r2 + z2 = ^2 (10)
這限定了以原點為圓心、半徑為Ff的球的表面，如圖9所示。聯(lián)立方 程(8)和(10)限定兩個封閉曲線，其中圓錐與球面相交。然后，假定的 己方飛行器速度7,二 (《XZ)然后處于圖9的曲線上。同樣，碰撞點處于圓 錐軸線與球體表面的相交處，因為當/ 柳=0時-=0。 7,，s具有由單位矢量 Z7,^Fwr,給出的方向。為了在圖9中繪制^-，s的投影，將(8)寫為參數(shù) 形式
y- - (11)
其中，/2是圓錐頂點上方的垂直距離，0是圖9中圍繞圓錐軸線的極角。
將其代入(10)中，給出A的二次方程
/12(1 + / 2) + 2 )^cos" + (ff-《)=0 (12)這兩個方程表示/7"0)和/z/0人當/Zh/^)代入(11 )中時，圖9中的
上曲線的等式以單參數(shù)^表示。然后，通過逐步算過(step through)范圍 (0, 2丌)中具有小差值的^值而從(11)產(chǎn)生該曲線。方向Z^然后向上 (zenithay)投影從而產(chǎn)生圖5a中的顯示信息。
圖9中下部曲線可采用類似的方式從/zY^)獲得。但是，圓錐的下半對 應(yīng)于過去產(chǎn)生的最小間隔，因此其并非是物理上相關(guān)的。
但是，考慮到圖10a中描述的情況，兩個曲線處于上半圓錐，并且將在 未來出現(xiàn)。所得的投影產(chǎn)生如圖5c所示的兩個邊界。
可能的情況如下所述。如果己方飛行器更快(& 那么就恰有一 個碰撞點。正是這樣，因為圓錐頂點處于圖9中的球形的內(nèi)部。如果己方飛 行器更慢那么頂點處于球形外部，存在兩種主要情況
(i) .如果Ftv>0,將不存在碰撞點，因為錐形的頂點位于球形上方(參 見圖10c)。如果Kr,<0并且K/r，將不存在碰撞點，因為圓錐的頂點處于 球形的側(cè)面(參見圖10d)。在兩種情況下，如果Fr足夠大，那么也不存在 碰撞區(qū)域(邊界)。
(ii) .如果Krjc<0并且 < ^，那么存在兩個碰撞點，圓錐的頂點位于 球形下方(參見圖10a和10b)?？偸侵辽俅嬖谝粋€邊界?？梢孕纬蓡♀徯螤?的單邊界可包圍兩個碰撞點(參見圖lOb),形成一個碰撞區(qū)域?？蛇x擇地， 兩個分離的邊界都可包含一個碰撞點(參見圖10a)。除非KF<<Kr,否則一 個碰撞點更近并且具有更大的邊界。不同類型邊界的數(shù)理狀況可從這些圖推 斷出。
例如，圖5b示出圖2的邊界，而圖5c示出圖3或4的邊界。圖5c是 類似于圖10b的實例。這些由線繪制的顯示信息可用于解決上述碰撞問題， 雖然可視的信息不太完整。優(yōu)選地，可計算許多避免碰撞距離以有益地示出 碰撞程度。
應(yīng)該理解，飛行器的垂直尺寸是相對較小的并且需要對飛行器進行垂直 機動操作。因此，使用沿垂直方向更細小的比例可以更加方便。這可能形成 垂直的彩色圖標以及水平的彩色圖標。水平方向的避免碰撞距離a例如出現(xiàn) 在與垂直避免碰撞距離6相同的邊界上(相同的顏色/陰影)，例如，比例6/a 是小于l的固定數(shù)，基于飛行器的尺寸和機動操作。相對于立體線中的水平 方向的角0,避免碰撞距離的適當值是Va2cos2- + 62sin2(* (13)
該避免碰撞距離可作為顯示器上的一個點，沿著半徑，角度為0，通過 該點抽出的邊界(a contour drawn through that point),或者以相關(guān)的顏色/陰 影對像素著色/上陰影。然后，得到的顯示信息可更精細地分辨垂直方向的避 免碰撞距離，允許更精確地測量碰撞程度。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述計算并不局限于單平面交通工具狀況 (即，不變的方向)。進一步派生的坐標點可導(dǎo)致對入侵交通工具轉(zhuǎn)彎(轉(zhuǎn) 向)或者變化速度的假定計算，以及這種操作機動將導(dǎo)致己方飛行器發(fā)生碰 撞的可能程度。例如，可在最少時間內(nèi)計算假定碰撞，從而在入侵飛行器以 危險的方式轉(zhuǎn)向時告知飛行員己方飛行器可能迫在眉睫發(fā)生的碰撞。
當然，可知雖然上述內(nèi)容已經(jīng)通過本發(fā)明的示例性實例給出，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員可知，所有的這種和其他改進和變化都被認為是落入由隨后的權(quán) 利要求限定的本發(fā)明的寬泛范圍和精髓中。
19
權(quán)利要求
1、一種在碰撞情況下識別交通工具的機動操作的方法，該碰撞情況包括所述交通工具和至少一個其他物體，該方法包括對于給定交通工具和物體條件，計算多個避免碰撞點，在這些點處，所述交通工具將以一組避免碰撞距離(miss distance)來避免與所述至少一個其他物體的碰撞；顯示所述避免碰撞點，使得所述交通工具將以表示給定碰撞程度的給定避免碰撞距離而避免碰撞的多個避免碰撞點以視覺可見方式與所述交通工具將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞的其他避免碰撞點區(qū)分開；由此，所述顯示情況表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰撞程度以方向性視圖顯示的方式示出相應(yīng)于所述交通工具的一組可用機動操作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述可視地區(qū)分的多個避免碰 撞點的特征在于等軸映射。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述可視地區(qū)分的多個避免碰 撞點的特征在于形成彩色的帶。
4、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述多個避免碰撞點通 過高分辨度坐標進行計算。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括重復(fù)權(quán)利要求1中限定的用于其他交通工具和物體條件的步驟，由此， 根據(jù)所述交通工具和其他物體條件的變化更新可用機動操作的顯示范圍。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，方向性視圖顯示方式是單色顯 示方式。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，方向性視圖顯示方式是彩色顯 示方式。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括對于給定的交通工具和物體條件，計算所述交通工具將碰撞其他物體的 至少 一 個碰撞點的位置，以及以方向性視圖顯示方式顯示至少 一 個碰撞點。
9、 一種在碰撞情況下識別交通工具的機動搡作的系統(tǒng)，該碰撞情況包括所述交通工具和至少一個其他物體，該系統(tǒng)包括對于給定車輛和物體條件，用于計算多個避免^6並撞點的裝置，在這些點 處，所述交通工具將以一組避免碰撞距離來避免與所述至少一個其他物體的碰撞；顯示所述避免碰撞點的裝置，使得所述交通工具將以表示給定碰撞程度 的給定避免碰撞距離而避免碰撞的多個避免碰撞點以視覺可見方式與所述 交通工具將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞的其他避 免碰撞點區(qū)分開；由此，所述顯示裝置表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰撞程 度以方向性視圖顯示的方式示出所述交通工具的一組可用機動操作。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所迷的系統(tǒng)，其中，所述可^L地區(qū)分的多個避免碰 撞點的特征在于等軸映射。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的系統(tǒng)，其中，所述可視地區(qū)分的多個避免 碰撞點的特征在于形成彩色的帶。
12、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述多個避免碰撞點通 過高分辨度坐標進行計算。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括重復(fù)權(quán)利要求9中限定的用于其他交通工具和物體條件的步驟，由此， 根據(jù)交通工具和其他物體條件的變化更新可用機動操作的顯示范圍。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，方向性視圖顯示方式是單色 顯示方式。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，方向性視圖顯示方式是彩色 顯示方式。
16、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括對于給定的交通工具和物體條件，用于計算所述交通工具將碰撞其他物 體的至少一個碰撞點的位置的裝置，以及用于以方向性視圖顯示方式顯示至少一個碰撞點的裝置。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，還包括計算和顯示從至少一個碰撞 點到交通工具的時間和距離的數(shù)值指示的裝置。
18、 一種避免第一飛行器與第二飛行器之間的空中碰撞的方法，該方法 包括對于第一和第二飛行器的給定條件，計算多個避免碰撞點，在這些點處，第一飛行器將以一組避免碰撞距離來避免與第二飛行器的碰撞；顯示所述避免碰撞點，使得所述第一飛行器將以表示給定碰撞程度的給 定避免碰撞距離而避免碰撞第二飛行器的多個避免碰撞點以視覺可見方式 與第 一 飛行器將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞第二飛行器的其他避免碰撞點區(qū)分開；由此，所述顯示方式表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰撞程 度以方向性視圖顯示的方式示出第一或第二飛行的一組可用機動操作。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述可視地區(qū)分的多個避免 碰撞點的特征在于等軸映射。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述可視地區(qū)分的多個避免 碰撞點的特征在于形成彩色的帶。
21、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述多個避免碰撞點通 過高分辨度坐標進行計算。
22、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括重復(fù)權(quán)利要求18中限定的用于其他交通工具和物體條件的步驟，由此， 根據(jù)交通工具和其他物體條件的變化更新可用機動操作的顯示范圍。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，方向性視圖顯示方式是單色 顯示方式。
24、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，方向性視圖顯示方式是彩色 顯示方式。
25、 一種用于船只的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括根據(jù)給定船只和至少一個其他物體的條件，計算多個避免碰撞點的裝 置，在這些點處，所述船只將以一組避免碰撞距離來避免與所述至少一個其 他物體的》並撞；顯示所述避免碰撞點的裝置，使得所述船只將以表示給定碰撞程度的給 定避免碰撞距離而避免碰撞的多個避免碰撞點以 一見覺可見方式與所述船只 將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞的其他避免碰撞點 區(qū)分開；由此，所述顯示情況表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰撞程 度以方向性視圖顯示的方式示出所述船只的 一組可用機動操作。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述可視地區(qū)分的多個避免 碰撞點的特征在于形成彩色的帶。
27、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，還包括重復(fù)權(quán)利要求25中限定的用于其他船只和至少一個其他物體條件的步 驟，由此，根據(jù)船只和至少一個其他物體條件的變化更新可用機動操作的顯 示范圍。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中，方向性視圖顯示方式是單色 顯示方式。
29、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中，方向性視圖顯示方式是彩色 顯示方式。
30、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，還包括計算和顯示從至少一個碰撞 點到船只的時間和距離的數(shù)值指示的裝置。
31、 一種攔截物體的方法，包括， 設(shè)置用于攔截所述物體的交通工具；對于給定交通工具和物體條件，計算多個避免碰撞點，在這些點處，所 述交通工具將以一組避免碰撞距離來避免與所述物體的碰撞；顯示所述避免碰撞點，使得所述交通工具將以表示給定碰撞程度的給定 避免碰撞距離而避免碰撞的多個避免碰撞點以視覺可見方式與所述交通工 具將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞的其他避免碰撞 點區(qū)分開；由此，所述顯示方式表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰撞程 可用機動操作。
32、 嵌入計算機可讀介質(zhì)中以實現(xiàn)權(quán)利要求1、 18或32所述的方法的邏輯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在碰撞情況下識別交通工具的機動操作的系統(tǒng)和方法。對于交通工具和物體的條件，計算多個避免碰撞點，在這些點處，所述交通工具將以一組避免碰撞距離來避免與所述至少一個其他物體的碰撞。顯示所述避免碰撞點，使得所述交通工具將以表示給定碰撞程度的給定避免碰撞距離而避免碰撞的多個避免碰撞點以視覺可見方式與所述交通工具將以表示較小碰撞程度的較大避免碰撞距離而避免碰撞的其他避免碰撞點區(qū)分開。由此所顯示的方式表示不同的潛在碰撞程度，從而根據(jù)不同的碰撞程度以方向性視圖顯示的方式示出相應(yīng)于所述交通工具的一組可用機動操作。
文檔編號G08G5/04GK101427288SQ200780014651
公開日2009年5月6日 申請日期2007年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者埃利奧特·A·蓋茨, 尼爾·L·富爾頓, 戴維·J·蓋茨, 馬克·韋斯科特 申請人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織