基于激光三角測量的飛機起飛最小離地間隙測量

王鼎元，李天志，譚 誼，胡東升，李南伯

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 四川 成都　610092）

基于激光三角測量的飛機起飛最小離地間隙測量

王鼎元，李天志，譚 誼，胡東升，李南伯

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 四川 成都610092）

根據某型飛機試飛任務需求，亟待對飛機起飛最小離地間隙進行精確測量。本文首次基于激光三角測量原理對該距離參數的測量進行了研究，并制定完整的機載測量方案。飛機起飛過程中激光測距傳感器實測其對地距離，測量過程中采用滑動平均和灰度重心法對測距精度進行優(yōu)化。記錄器將傳感器輸出的距離參數與飛機姿態(tài)參數一并進行記錄并發(fā)送遙測。事后對各參數進行換算得出飛機起飛最小離地間隙數據，換算過程中有效地排除了飛機姿態(tài)角偏離對測距精度的影響。試驗證明該測量方法準確可靠，且測試方案滿足試飛任務需求。

激光三角測量；滑動平均；灰度重心法；飛機起飛；最小離地間隙

最小離地間隙是表征飛機起飛安全性能的一項重要指標，同時也是增強客戶信心的一項重要因素。以往測量飛機最小離地間隙常用的方法包括光電經緯儀測量［1］或陀螺穩(wěn)定平臺激光測量。前者外測技術雖然具有一定可靠性和精度，但是在實際試驗中存在局限性：試驗條件苛刻，實際可控程度不高（環(huán)境光照、飛機起飛滑跑距離不確定等）；后者盡管能確保測距傳感器激光束始終與地面垂直以獲得精確的測量值，然而受本型飛機氣動布局限制，且在重構型起飛情況下機體離地間隙有限，使得機身上沒有適合的位置安裝陀螺穩(wěn)定平臺。

針對本型機測試任務的特點，文中首次基于激光三角測量原理計算起飛過程中飛機最小離地間隙。并且制定了一套基于激光測距傳感器的飛機起飛最小離地間隙測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠精確測出傳感器對地距離，而且能夠將距離參數和飛機姿態(tài)參數一并進行記錄并實時發(fā)送至遙測地面接收，以便根據各參數綜合解算出飛機最小離地間隙。試驗結果證明該測量方法是準確的，測量數據真實可靠，測量結果滿足試飛項目對測量精度的要求。

1　測量方案

本文設計的飛機起飛最小離地間隙測量系統(tǒng)包括：激光測距傳感器、數據記錄器、遙測發(fā)射裝置和地面接收裝置。為了精確計算出飛機起飛最小離地間隙，系統(tǒng)需要完成如下工作：按照預定角度在合理位置安裝激光測距傳感器，傳感器準確測出其對地距離，測量方案如圖1所示；傳感器將距離參數（由模擬電壓形式表征）輸出至記錄器；記錄器將對地距離與飛機姿態(tài)參數一并進行記錄并輸出至遙測下傳；試后對參數進行整理計算，一方面引入飛機真實迎角參數將傳感器對光斑距離數據換算為精確的離地間隙數據，另一方面依據機體幾何結構將傳感器離地間隙轉換為飛機實際最低離地點間隙。本文以下章節(jié)對測量方案各主要原理進行詳述。

2　測量原理及方法

2.1激光三角測距原理

系統(tǒng)運用的激光測距傳感器是基于光學三角測量原理［2］的一種測量設備，該設備由激光傳感器和數據處理模塊組成。傳感器測量原理如下：激光源向被測物體表面上投射一個可見光斑，其漫反射光通過接受透鏡后在感光片上成像，如圖2所示。當傳感器與被測物體間的距離發(fā)生變化時，光斑的反射角產生相應的變化，在光源、透鏡和感光片位置都確定的情況下，反射角的變化最終引起感光片上成像點位置的變化［3］。最后，數據處理模塊根據成像點位置的變化計算出被測物距離的變化，計算關系滿足公式（1）［4］：

式中，a：光軸與入射透鏡間距，b：感光片與入射透鏡間距，g：成像點移動距離，h：被測物體移動距離，m：被測物體與入射透鏡間距，圖2 α、β：距離改變前后激光反射角。

圖1　測量方案示意圖Fig.1　Schematic diagram of the testing scheme

圖2　激光三角測距原理示意圖Fig.2　Schematic diagram of laser triangulation measuring

2.2光斑成像精細定位

由激光三角測距原理可以看出，感光片上光斑成像點的定位精度是影響測距精度的關鍵因素。理想情況下，激光光斑在感光片中的成像應該是平滑的線條或圓點，但在實際測量中會出現不同程度的形變［5］。這些形變可能是由于感光片的熱噪聲和雜散光干擾等造成的，并最終引起測距數據噪聲。因此需要對采集到的光斑移動圖像進行濾波處理來消除這些噪聲，得到平滑的曲線。傳統(tǒng)的濾波方法有滑動平均、遞歸平均、中值濾波法［6］。為了同時提高光斑成像分辨率，文中選用了滑動平均法，本質上滑動平均是一種低通濾波運算，形式如下：

其中，Mgl是輸出的算術平均值，MV是單個測量值，N代表取平均數的測量值個數（即滑窗寬度）。

通過這條平滑的曲線粗略定位激光光斑中心點的位置，由于中心點區(qū)域比較平緩，加上噪聲的干擾，搜索最大值方法可能性低，因此需要設置一個門限，讀取兩個門限中間的值可定位中心點坐標。

圖3　光斑定位流程Fig.3　The process of spot location

再則，受工藝的限制，不可能無限制地通過提高感光片的分辨率來提高系統(tǒng)的測量精度。然而運用圖像處理的方法可以使光斑定位精度達到亞像素級。如灰度重心法，曲面擬合法和插值法［7］。本文采用了灰度重心法，該方法可以看成是以灰度為權值的加權法，由于距離成像信號近似為正態(tài)的高斯分布，光斑的灰度質心可由公式（3）得出：

式中，X為光斑灰度質心位置，x0為光斑粗定位的中心，xm為與x0相鄰的第m像素的位置，Wm為第xm像素位置光斑的灰度值。以上定位精度可以達到0.2～0.5個像素。

2.3傳感器離地間隙換算

為保證激光三角測量精度，即確保激光傳感器所測量的對地距離（對光斑距離）等于其真實的離地間隙，飛機抬頭起飛時傳感器激光束應當與機場地面嚴格垂直。因此，該系統(tǒng)采用了一個大小為θ的傾斜俯角對測距儀進行安裝，θ等于起飛時刻飛機的理論仰角，進而使得傳感器俯角與飛機仰角在理論上相互抵消，如圖1所示。

然而在實際起飛時，飛機實際仰角φ與理論仰角θ存在不同程度的偏離，致使激光束與垂直地面方向存在φ-θ的夾角，示意如圖2所示?？梢?，需要在起飛過程的每個采樣時刻點運用三角變換法則將傳感器所測對地距離l換算為真實的離地間隙d。換算公式如下：

其中，d為傳感器離地間隙；l為傳感器所測對地距離（對光斑距離）；θ為飛機理論仰角；φ為飛機實際仰角；x為空間坐標水平方向，取航向為正；y為空間坐標垂直方向。

3　測量結果及精度分析

3.1測量結果

1）依據激光測距傳感器實測距離，由512 Hz采樣率繪制出傳感器實測對地距離曲線圖，如圖4所示。由于未納入飛機實際姿態(tài)參數，因此該曲線參數不能精確表示傳感器的實際對地距離，只作為傳感器對地面光斑距離考慮。

圖4　傳感器離地間隙換算示意圖Fig.4　Schematic diagram of the conversion of sensor height

圖5　傳感器實測對地距離曲線圖Fig.5　Data diagram of the actual height of sensor

2）根據記錄器采集的飛機俯仰角參數得出飛機實際仰角φ，繪制飛機俯仰角參數曲線如圖5所示?？梢娫谄痫w抬頭過程中，飛機仰角不斷變化且逐漸增大。

圖6　飛機俯仰角參數曲線圖Fig.6　Data diagram of the pitch angle parameter

3）依據傳感器實測對地距離和飛機姿態(tài)參數，由公式（4）計算出傳感器離地間隙，最后根據機體結構換算出飛機最低點的離地間隙數據，曲線如圖6所示。該曲線真實地反映了起飛過程中各時刻飛機的最小離地間隙數據。

圖7　飛機最小離地間隙曲線圖Fig.7　Data diagram of the aircraft minimum height to the ground

3.2精度分析

在實際飛機起飛測量過程中，影響最小離地間隙測量值精度的因素不僅包括激光傳感器本身測距精度的靜態(tài)因素，還包括反射面角度不斷變化對測距精度影響的動態(tài)因素。因此需要在裝機前對傳感器進行細致的標定工作，具體從兩個方面開展：

1）靜態(tài)精度標定

標定試驗中，在傳感器測量范圍300～900 mm之間抽取5個反射面位置，每個位置測量3組數據進行分析。結果如表1所示，統(tǒng)計得反射面距離410 mm時，測量距離最大標準差為2.06 mm，誤差率0.5%。因此，同時考慮到在標準距離點的前后重復性精度，該傳感器測距精度可以達到±2.06 mm，滿足試驗的精度要求。

表1　激光傳感器靜態(tài)精度標定Tab.1 Static accuracy calibration of the laser sensor

2）動態(tài)精度標定

試驗中，反射面距離固定在600 mm，而激光束與反射面夾角在90°～170°區(qū)間變化，抽取5個角度位置，每個位置測量3組數據進行分析。結果如表2所示，統(tǒng)計得在激光束與反射面夾角170°情況下，測量距離最大標準差為2.16 mm，誤差率0.4%。因此，該傳感器在反射面角度差異化的情況下測距精度可以達到±2.16 mm，滿足試驗的精度需求。

表2　激光傳感器動態(tài)精度標定Tab.2 Dynamic accuracy calibration of the laser sensor

4　結　論

文中首次提出一種基于激光測距的飛機起飛最小離地間隙測量方法，重點對激光三角測距原理，光斑成像精確定位算法，以及傳感器離地間隙精確換算方法進行了分析。本文系統(tǒng)不僅能夠精確測出傳感器對地距離，而且能夠將距離參數和飛機姿態(tài)參數一并進行記錄并實時發(fā)送至遙測地面接收，以便根據各參數綜合解算出飛機最小離地間隙。再則，本文綜合考慮了靜態(tài)和動態(tài)因素在試驗前對激光傳感器的精度進行了詳細的標定。本次試驗先后完成了5架次起飛試驗任務，試后分析數據結果表明該測量方案是準確可靠的，測量結果滿足試飛任務對精度的要求。特別是相比于其他飛機起飛最小離地間隙測量方法，本方案提供了一種適應特定機載測試環(huán)境的新思路和新方法。

［1］彌變莉，吳衡.MA60飛機短距起飛外測技術 ［J］.測控技術，2010，29（9）:27-30.

［2］馮馳，畢思明.基于激光三角測量法的葉尖間隙測量研究［J］.汽輪機技術，2011（4）:267-270.

［3］郝煜棟，趙洋，李達成.光學投影式三維測量技術綜述［J］.光學技術，1998（5）:57-60.

［4］Kanji Mashimo.Development of optical noncontact sensor for measurement of three-dimensional profiles using depolarized components of scattered light［J］.Opt.Eng.，1997，36（1）:227-234.

［5］Pei S C.Tat I K.Effective color interpolation in CCD color filter array using signal correction［C］.Proc.IEEE Int.Conf. Image Processing，2000:48.

［6］唐世偉，林君.小波變換與中值濾波相結合圖像去噪方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2008，40（8）:34-39.

［7］劉立波，趙暉，張海波.激光三角測距中光斑細分定位方法研究［J］.計算機測量與控制，2008，13（10）:136-139.

Calibration of the plane′s minimum height during take-off based on laser triangulation principle

WANG Ding-yuan，LI Tian-zhi，TAN Yi，HU Dong-sheng，LI Nan-bo
（Chengdu Aircraft Industrial Co.Ltd，Chengdu 610092，China）

The flying test of the aircraft requires that the measuring of the minimum height to the ground of the plane should be rapidly and precisely.The first application of the laser triangulation principle in the measurement of such parameter，and formulate a nubile on-board system.The sensor calibrates the distance to the ground，the moving average and the gray center method make the parameter more precise.The recorder get the parameters and translates them to the ground station.The comprehensive calculation of the parameters eventually get the minimum height，and such calculation has taken the attitude angle of the plane in consideration.Such progress of the calculation is reliable and meets the demand of the take-off test.

laser triangulation principle；moving average；gray center method；take-off test；minimum height

TN2

A

1674－6236（2016）05-0100-03

2015-04-02稿件編號：201504021

王鼎元（1984—），男，四川郫縣人，碩士，工程師。研究方向：飛行試驗、試飛測試。