飛機(jī)除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)設(shè)計

鐘韜1 都奎江1 于勰2

1. 威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司 山東威海 264200

2. 西安電子科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 陜西西安 710126

1 前言

飛機(jī)除冰車是寒冷地區(qū)機(jī)場及航空公司必備的飛機(jī)運(yùn)行安全保障車輛之一。在進(jìn)行除冰作業(yè)的過程中，除冰設(shè)備雖然會與飛機(jī)保持一定的作業(yè)距離，但是也會因操作不當(dāng)或外界惡劣環(huán)境影響視線等原因?qū)е鲁O(shè)備與飛機(jī)發(fā)生剮蹭事故。為了避免這類事故發(fā)生，技術(shù)人員采用了在高空作業(yè)艙安裝超聲波或者行程觸須開關(guān)用于檢測障礙物的方式，但是這種簡單的保護(hù)措施并不能有效地保證除冰設(shè)備與飛機(jī)之間的安全距離，而且外界環(huán)境對超聲波的檢測存在一定的影響，尤其是雨雪霜凍等惡劣天氣，會導(dǎo)致誤報警的現(xiàn)象出現(xiàn)。

為避免除冰設(shè)備與飛機(jī)發(fā)生剮蹭事故，針對機(jī)場提出的保護(hù)要求以及對操作者在作業(yè)過程中的操作位置調(diào)研，筆者設(shè)計了一套除冰車臂架輔助防碰撞控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)從音頻視頻多角度配合，多傳感器檢測，為操作者提供了多方面輔助的防碰撞措施。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

飛機(jī)除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)由臂架姿態(tài)檢測系統(tǒng)、距離檢測系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音報警系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成，并通過中央處理器對各個子系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計算并對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓比例閥進(jìn)行控制，使臂架在動作過程中能與檢測到的障礙物始終保持安全距離。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 臂架姿態(tài)檢測系統(tǒng)

臂架姿態(tài)檢測系統(tǒng)主要是為了檢測除冰車在工作狀態(tài)臂架的舉升角度、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度、內(nèi)臂的伸出長度、工作艙傾斜角度，從而檢測出臂架與車體之間的姿態(tài)數(shù)據(jù)，為距離檢測系統(tǒng)提供明確的障礙物檢測，區(qū)分檢測的距離是車體與臂架的距離還是障礙物與臂架的距離，從而根據(jù)檢測的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行臂架動作的限速和停止控制。臂架姿態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 臂架姿態(tài)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 距離檢測系統(tǒng)

距離檢測系統(tǒng)是除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了使用合適的傳感器進(jìn)行距離參數(shù)的采集，反復(fù)進(jìn)行了各種傳感器對比，根據(jù)多方比較確定采用毫米波雷達(dá)及超聲波傳感器作為檢測傳感器。多種距離傳感器對比如表1所示。

表1 多種距離傳感器對比表

毫米波雷達(dá)傳感器使用的是毫米波（在30～300 GHZ頻域，波長為1～10 mm）。其中24 GHZ雷達(dá)傳感器、77 GHZ雷達(dá)傳感器主要應(yīng)用于汽車防碰撞，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙以及灰塵的能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，具有全天候全天時的特點。

此外毫米波雷達(dá)可以根據(jù)需要對檢測的軸方向的檢測物進(jìn)行屏蔽設(shè)定，這樣可以大大提高檢測的精準(zhǔn)度，通過與程序算法的配合可以有效降低誤報警率。毫米波雷達(dá)檢測范圍及檢測范圍設(shè)定如圖3所示。

圖3 毫米波雷達(dá)檢測范圍及檢測范圍設(shè)定

通過圖3中傳感器的安裝位置及對毫米波雷達(dá)的軸向檢測范圍的設(shè)定可以將傳感器檢測到的A區(qū)障礙物忽略，只檢測B區(qū)的障礙物。

在安裝調(diào)試過程中，利用上位機(jī)檢測軟件可以在線監(jiān)控雷達(dá)檢測物體的信息，設(shè)定有效區(qū)域的檢測范圍，忽略無效區(qū)域的檢測信號。上位機(jī)軟件監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件監(jiān)控界面

2.3 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)為飛機(jī)除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)提供了人機(jī)交互界面，通過該子系統(tǒng)可以使操作者在進(jìn)行除冰作業(yè)過程中實時了解臂架的整個參數(shù)，包括臂架姿態(tài)參數(shù)值、距離檢測傳感器實時檢測的距離值以及詳細(xì)的報警信息，此外顯示系統(tǒng)還以Flash動畫的方式將整個除冰車的動作進(jìn)行了演示，為操作者提供了一個直觀的姿態(tài)界面。顯示器Flash動畫界面如圖5所示。

圖5 顯示器Flash動畫界面

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，由于除冰車工作性質(zhì)特殊，其工作時環(huán)境相對惡劣并且在遇到大風(fēng)天氣除冰液會附著在攝像頭上，為了保證該系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅以影像的形式通過獨(dú)立的顯示器為操作者提供盲區(qū)視頻信號，但并沒有將影像信號數(shù)字化傳遞給控制器參與主動控制。

該視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集了兩個位置的視頻影像，一路普通攝像頭安裝在臂架根部，沿臂架方向監(jiān)控；另一路魚眼超廣角攝像頭安裝在工作艙底部，當(dāng)臂架舉升后該攝像頭將會為工作艙的操作者提供一個前后180°、左右110°的上帝視角影像，讓操作者消除整個工作盲區(qū)，就像坐在一個透明的工作艙內(nèi)一樣。

2.5 語音報警系統(tǒng)

為了給除冰車臂架操作者提供一個優(yōu)化的操作流程，該輔助防碰撞系統(tǒng)提供了語音報警系統(tǒng)，可為操作者實時播報詳細(xì)的報警信息及解除報警的操作流程，當(dāng)操作者在使用該系統(tǒng)遇到報警狀況時，能夠根據(jù)語音提示做出快速反應(yīng)。

3 檢測機(jī)構(gòu)分布設(shè)計

相對于其他機(jī)場設(shè)備，除冰車臂架動作不確定性突出，為了保證在工作狀態(tài)下除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)能夠起到有效的主動防碰撞作用以及減少不必要的誤報警狀況，需要合理地確定傳感器的安裝位置。

通過對各大機(jī)場的調(diào)研及以筆者考察到的相關(guān)數(shù)據(jù)做支持，對各機(jī)務(wù)操作者的操作規(guī)范進(jìn)行了深究，最終以B737和B787常用機(jī)型作為模擬對像確定了測距傳感器的安裝位置。模擬除冰作業(yè)如圖6、7所示。

圖6 B737模擬除冰作業(yè)位置圖

圖7 B787模擬除冰作業(yè)位置圖

經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)除冰作業(yè)時，除冰車臂架與飛機(jī)俯視重疊的部分只有工作艙及折臂，其他部分均不在碰撞范圍內(nèi)，遂臂架只對折臂、工作艙下端以及水炮前端進(jìn)行防碰撞保護(hù)。距離檢測傳感器位置分布如圖8所示。

4 系統(tǒng)控制算法解析

除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)分成3個距離檢測部位，分別為折臂下端、工作艙下端以及水炮前端。由于臂架與底盤之間存在相對移動，各個部位的測距傳感器需要判斷檢測到的距離數(shù)據(jù)是檢測到車體的距離還是障礙物的距離，為了能夠明確地鑒別真正的障礙物，就需要將臂架與車體的變化距離實時地進(jìn)行測量和計算。臂架姿態(tài)檢測系統(tǒng)就是為了解決這個問題，通過傳感器的檢測可以將臂架與車體的實際距離數(shù)字化，通過傳感器在臂架安裝位置的測量，再利用三角函數(shù)公式，就可以將安裝位置與車體間隨臂架角度變化的距離值計算出來，再與傳感器檢測到的實時距離值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到的距離值小于計算的臂架傳感器與車體之間的距離值時，就能夠判斷出有障礙物出現(xiàn)，此時就需要根據(jù)邏輯控制對臂架的動作方向及速度進(jìn)行主動控制。距離檢測傳感器安裝及檢測范圍如圖9所示。

圖8 距離檢測傳感器位置分布圖

圖9 距離檢測傳感器安裝及檢測范圍

4.1 艙體下端障礙物檢測判斷

艙體下端障礙物檢測判斷公式：

式中，H為艙體距離地面高度；L1為主臂長度；α為主臂傾角；L2為折臂長度；β為折臂傾角；h為高度補(bǔ)償值。

工作艙底部距離檢測如圖10所示。依靠臂架安裝的姿態(tài)檢測傳感器可以依據(jù)公式計算出工作艙與地面之間的實際距離，工作艙底部距離檢測傳感器檢測到的實際距離L與計算的距離H進(jìn)行比較就可以判斷出底部有無障礙物出現(xiàn)。

圖10 工作艙底部距離檢測

4.2 折臂下端傳感器檢測判斷

折臂下端傳感器檢測判斷公式：

式中，λ為傳感器檢測極限角度與主臂垂線夾角；θ為折臂垂直夾角；δ為傳感器極限角度與折臂夾角；L3為傳感器在折臂安裝點與折臂和主臂鉸接點的距離；L4為傳感器檢測的極限最近距離；L5為傳感器檢測的水平距離；L6為內(nèi)臂伸出的水平距離；L7為內(nèi)臂伸出的實際距離；L為傳感器距離車體的理論計算距離。

折臂下端距離檢測如圖11所示。L值為傳感器與車體最近檢測位置的計算值，當(dāng)傳感器檢測的實際值Lr

圖11 折臂下端距離檢測

4.3 炮頭前端傳感器檢測判斷

按照炮頭前端的傳感器安裝位置，其檢測范圍只對軸向距離進(jìn)行設(shè)定就可以滿足檢測距離的要求，其實際檢測的數(shù)據(jù)值按照限速及停止距離進(jìn)行控制即可。

在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)定當(dāng)傳感器檢測到有障礙物，并且在1 m≤障礙物與臂架之間的距離＜3 m的位置時進(jìn)行減速控制，在檢測到該距離小于1 m時進(jìn)行動作鎖定，使臂架無法進(jìn)行任何動作。為了保證臂架與障礙物之間的絕對安全，當(dāng)臂架動作鎖定后只能通過手動按鈕強(qiáng)制解除，否則即使傳感器檢測到障礙物距離在安全位置，臂架也無法繼續(xù)動作。當(dāng)然，當(dāng)障礙物一直在小于1 m的位置時，即使使用手動按鈕解除臂架鎖定，系統(tǒng)也會立即再次鎖定。

5 結(jié)語

該除冰車臂架輔助防碰撞系統(tǒng)在實際應(yīng)用中得到了充分驗證，在整個調(diào)試過程中保護(hù)系統(tǒng)可以有效地保護(hù)臂架動作。在攝像頭的輔助監(jiān)控下，操作者可以以俯視的視角觀察到整個臂架前端到末端的影像，為操作提供更多的便利。

但在特殊工況下也會存在誤報警狀況：

a. 受惡劣天氣的影響如大暴雨及特大暴雨情況下，傳感器會感應(yīng)到雨水，對傳感器檢測的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響；

b. 傳感器的檢測范圍限制的影響，會存在保護(hù)的盲區(qū)，針對這個問題用攝像頭作為盲區(qū)的輔助監(jiān)控，但需要操作者主動操作判斷；

c. 該系統(tǒng)定位為輔助系統(tǒng)，還不能到達(dá)完全自主防碰撞的目的；

d. 傳感器在檢測斜面或者弧形面時會出現(xiàn)檢測距離與實際距離出現(xiàn)偏差的情況；

e. 由于臂架動作的復(fù)雜狀況，整個臂架的保護(hù)只按照正常作業(yè)環(huán)境對靠近飛機(jī)近的部位進(jìn)行保護(hù)，其他部位不在防護(hù)范圍，所以系統(tǒng)不能起到全臂架的防護(hù)。

對于上述出現(xiàn)的問題，后續(xù)會進(jìn)行針對性地完善，提升防碰撞的等級。