基于綜合視景的直升機(jī)近地引導(dǎo)技術(shù)

齊小謙, 吳云章, 關(guān)珍博, 周興, 谷金波

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所, 石家莊 050081; 2.陸軍航空兵研究所, 北京 101121; 3.河北省智能化信息感知與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050081)

直升機(jī)等旋翼飛行器需要全天時(shí)、全天候在超低空貼地等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行低空突防、隱蔽突襲等多樣化機(jī)動(dòng)飛行任務(wù),面臨著飛行高度低、地形地勢(shì)多變、起降條件惡劣、視覺(jué)能見(jiàn)度不良等多種安全隱患。受復(fù)雜環(huán)境干擾和直升機(jī)自身結(jié)構(gòu)特征影響,飛行員目視感知能力通常會(huì)受到嚴(yán)重限制?，F(xiàn)有機(jī)載對(duì)地探測(cè)和輔助引導(dǎo)能力有限,致使飛行員無(wú)法快速有效了解外部環(huán)境,在惡劣視覺(jué)和復(fù)雜環(huán)境下難以對(duì)直升機(jī)飛行路徑上的危險(xiǎn)目標(biāo)和障礙物進(jìn)行有效的識(shí)別和規(guī)避[1],給直升機(jī)的飛行安全帶來(lái)諸多不確定性因素,對(duì)生存安全提出了重大挑戰(zhàn)。

美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的航空安全技術(shù)報(bào)告顯示,在直升機(jī)飛行安全事故中,因環(huán)境感知引發(fā)的事故占到26%。近年來(lái),中國(guó)多種型號(hào)直升機(jī)都曾因環(huán)境感知問(wèn)題,發(fā)生過(guò)撞山、撞高壓線等事故。低能見(jiàn)度和復(fù)雜地形環(huán)境條件下,直升機(jī)飛行員迫切需要獲得有效、全面、實(shí)時(shí)的艙外場(chǎng)景感知能力。為提高直升機(jī)低空活動(dòng)安全性,支持在惡劣天氣條件、威脅區(qū)域進(jìn)行地形跟蹤飛行,研究為飛行員連續(xù)、精確提供可視化近地引導(dǎo)指示的技術(shù)具有重要意義。

綜合視景(combined vision,CV)是一種先進(jìn)的飛行場(chǎng)景復(fù)合型、虛擬化顯示技術(shù),已成為避障和近地引導(dǎo)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。該技術(shù)能夠根據(jù)飛行器當(dāng)前位置進(jìn)行圖形處理與圖像生成,渲染合成三維地形或影像,并將機(jī)載成像傳感器(紅外/可見(jiàn)光/微光傳感器、激光成像雷達(dá)等)實(shí)時(shí)獲取的外部景象進(jìn)一步融合,在多功能顯示器上呈現(xiàn)可靠的飛行環(huán)境視覺(jué)信息。機(jī)載成像傳感器可以不受限于明暗和能見(jiàn)度的影響獲取機(jī)外環(huán)境的實(shí)時(shí)圖像,兩者融合不僅增強(qiáng)了視景的精確性,達(dá)到在復(fù)雜地形、夜間、惡劣天氣和煙塵環(huán)境中的高逼真觀察能力,同時(shí)為視景中障礙物數(shù)據(jù)、引導(dǎo)符號(hào)生成提供可靠補(bǔ)充。特別是在近地階段,通過(guò)近距離地形障礙等威脅和遠(yuǎn)距離地形沖突識(shí)別[2],提供清晰且易于理解的圖像輸出與可靠的飛行指示信息,增強(qiáng)了飛行員的情景感知能力。

在綜合視景技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,國(guó)外目前在研究的主流降級(jí)視覺(jué)環(huán)境(degraded visual environment,DVE)系統(tǒng),通?；诤撩撞?激光雷達(dá)、前視紅外傳感器等信源,在頭盔顯示器(helmet-mounted displays,HMD)和多功能顯示器(multiple functional displays,MFD)中增加地形障礙物和飛行航路融合顯示,從而構(gòu)建出完整的三維可視化避障與引導(dǎo)數(shù)據(jù)。以美國(guó)陸軍、德國(guó)國(guó)防部等為代表的國(guó)外機(jī)構(gòu)已多次開(kāi)展DVE演示驗(yàn)證,經(jīng)過(guò)近二十多年發(fā)展,部分成熟技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品。2006年,美軍研制的直升機(jī)著陸增強(qiáng)系統(tǒng)通過(guò)在地形圖中疊加符號(hào)的方式,在著陸過(guò)程中表達(dá)出地形和障礙物特征,但在直升機(jī)進(jìn)入低能見(jiàn)度環(huán)境后,不能有效顯示潛在的地形或障礙物危險(xiǎn)信息。2009年,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展針對(duì)三維輔助著陸系統(tǒng)的研究工作,構(gòu)建了在降級(jí)視覺(jué)環(huán)境下的著陸解決方案,從而為飛行員提供著陸過(guò)程中的環(huán)境感知能力。2013年,霍尼韋爾公司設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)安裝了毫米波雷達(dá)及SmartView系統(tǒng),通過(guò)地形生成、紅外成像分析與雷達(dá)圖像融合,能讓飛行員看到未在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的障礙物形狀。美國(guó)內(nèi)華達(dá)山脈公司設(shè)計(jì)了一套直升機(jī)自主著陸系統(tǒng),支持直升機(jī)在退化視覺(jué)環(huán)境下完成起飛和著陸等操作[3]。2019年,德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防軍裝備、信息技術(shù)和現(xiàn)役支援辦公室通過(guò)在H145(bk117d-2)直升機(jī)上集成DVE系統(tǒng)和試飛評(píng)估,證實(shí)了DVE的避障與盲降輔助功能有效提升了對(duì)艙外環(huán)境的感知能力[4]。國(guó)內(nèi)綜合視景技術(shù)和對(duì)直升機(jī)近地引導(dǎo)避障相關(guān)的研究相對(duì)起步較晚,西安電子科技大學(xué)對(duì)綜合視景顯示仿真進(jìn)行了深入研究,獲得了仿真程度較高的座艙綜合顯示畫(huà)面。2010年,上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院在綜合視景方面開(kāi)展了相關(guān)研究工作,將綜合視景技術(shù)與空中隧道技術(shù)結(jié)合,提高了飛行員的情境認(rèn)知能力。四川大學(xué)基于機(jī)載的視頻圖像數(shù)據(jù),開(kāi)展了綜合視景系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)工作。2012年,西北工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)、信息融合技術(shù)和三維建模與紋理映射技術(shù),設(shè)計(jì)了綜合視景樣機(jī)平臺(tái),提高了駕駛員在低能見(jiàn)度情況下的態(tài)勢(shì)感知能力。航空工業(yè)集團(tuán)等研發(fā)的綜合視景原型系統(tǒng),能夠?yàn)橹鄙龣C(jī)在霧霾等降級(jí)視覺(jué)條件下提供輔助著陸視景信息,但是多為單色圖像輸出,輔助引導(dǎo)顯示仍以傳統(tǒng)二維符號(hào)為主,缺少適合近地飛行引導(dǎo)的三維彩色增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。2019年,北京航空航天大學(xué)開(kāi)展了直升機(jī)周邊障礙物檢測(cè)與地形提示告警技術(shù)研究,初步具備一定的合成視景導(dǎo)航能力,但未結(jié)合近地飛行場(chǎng)景進(jìn)行機(jī)載實(shí)裝應(yīng)用。

綜合來(lái)看,現(xiàn)有綜合視景技術(shù)存在一定不足,仍屬于較新的研究領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)相關(guān)工作主要集中在虛擬仿真環(huán)境下的綜合視景顯示技術(shù),實(shí)際性能有待驗(yàn)證。基于光電、激光雷達(dá)等傳感器飛行環(huán)境綜合展示在單一功能、性能、總體設(shè)計(jì)方面仍需進(jìn)行迭代優(yōu)化,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示及三維保形符號(hào)輸出需盡早開(kāi)展工程化應(yīng)用設(shè)計(jì)和功效驗(yàn)證。

為提升直升機(jī)在降級(jí)視覺(jué)環(huán)境下的綜合感知能力,現(xiàn)從直升機(jī)飛行安全技術(shù)保障能力視角,對(duì)綜合視景系統(tǒng)的內(nèi)涵與專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行深入分析。以綜合視景中飛行環(huán)境綜合展示為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)地形數(shù)據(jù)庫(kù)和紅外/可見(jiàn)光/微光傳感器、激光雷達(dá)等多源航電數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,完成異源圖像融合、識(shí)別、場(chǎng)景融合和引導(dǎo)計(jì)算,輸出增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,直觀展示前向綜合態(tài)勢(shì);在飛行過(guò)程中能夠?qū)χ苓呁{地形和障礙物信息進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和及時(shí)告警,增強(qiáng)直升機(jī)的威脅感知能力;在近地階段和著陸過(guò)程中,引入三維彩色增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù),為直升機(jī)提供航跡規(guī)劃提示和飛行狀態(tài)可視化功能,實(shí)現(xiàn)有效的飛行引導(dǎo),對(duì)保障飛行安全和提升直升機(jī)復(fù)雜環(huán)境生存力具有重要意義。通過(guò)在某民用直升機(jī)訓(xùn)練教學(xué)課題中進(jìn)行試飛驗(yàn)證,證明所提方法可有效降低直升機(jī)飛行員操作負(fù)荷,輔助飛行員快速?zèng)Q策,大幅提升直升機(jī)飛行安全保障水平。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)直升機(jī)飛行員在復(fù)雜地形及惡劣視覺(jué)環(huán)境下提升外部威脅感知與安全駕駛能力需求,以內(nèi)置綜合視景數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),使用載機(jī)的多源探測(cè)圖像、姿態(tài)數(shù)據(jù)與地景數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配生成三維地理環(huán)境。通過(guò)預(yù)置三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù),結(jié)合載機(jī)位置、飛行航線進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,完成地形障礙物告警提示與近地可視化引導(dǎo)符號(hào)輸出。

總體技術(shù)架構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)支撐、中間件、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用軟件四層架構(gòu),如圖1所示,支持高度綜合化,便于擴(kuò)展。

圖1 綜合視景近地引導(dǎo)技術(shù)總體架構(gòu)Fig.1 The overall framework of ground proximity guidance technique based on combined vision

基礎(chǔ)支撐層包括高性能服務(wù)器、通用操作系統(tǒng)、圖形數(shù)據(jù)庫(kù),是存儲(chǔ)計(jì)算、通信服務(wù)的執(zhí)行單元。采用通用標(biāo)準(zhǔn)LINUX等操作系統(tǒng),支持跨平臺(tái)應(yīng)用。

中間件層提供典型視覺(jué)智能應(yīng)用系統(tǒng)中涉及的3種類型中間件:一是圖形庫(kù)和引擎,支持圖像實(shí)時(shí)渲染;二是異構(gòu)平臺(tái)程序框架和通用并行運(yùn)算平臺(tái),使編寫(xiě)的程序能夠運(yùn)行于多種類型處理器;三是計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù),涵蓋了常用的圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)方法。

數(shù)據(jù)資源層提供豐富的數(shù)字地圖庫(kù)和地圖處理工具,支持形成機(jī)載格式的任務(wù)區(qū)數(shù)字地圖(即綜合視景數(shù)據(jù)庫(kù)),部署到機(jī)載高性能計(jì)算平臺(tái)上使用。

應(yīng)用軟件層實(shí)現(xiàn)綜合視景融合與可視化引導(dǎo)等核心應(yīng)用功能,包括地景地形顯示、起降場(chǎng)顯示、地形提示與告警、多源圖像預(yù)處理、綜合視景融合、障礙物顯示及告警、引導(dǎo)指示計(jì)算、視景圖像顯示、可視化近地引導(dǎo)等功能單元。

2 主要功能設(shè)計(jì)

綜合視景近地引導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要包括飛行環(huán)境綜合展示、危險(xiǎn)地形及障礙告警、可視化近地引導(dǎo)等關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)各項(xiàng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合、一體聯(lián)動(dòng),從視景仿真、危險(xiǎn)告警、飛行控制等方面為直升機(jī)提供連續(xù)、精確的飛行引導(dǎo)和安全著陸輔助。

(1)飛行環(huán)境綜合展示。機(jī)載三維引擎加載綜合視景數(shù)據(jù)庫(kù)和直升機(jī)飛行航線,預(yù)讀直升機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)所在固定范圍的周圍地形數(shù)據(jù)并存入內(nèi)存,提供載機(jī)當(dāng)前所處環(huán)境直觀的綜合視景展示,復(fù)現(xiàn)艙外場(chǎng)景。這種直觀的場(chǎng)景來(lái)源于地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖像與多源傳感器信息的疊加與融合,包括載機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)(高度、指示空速、地面速度、真空速、垂直速度等)、載機(jī)紅外/可見(jiàn)光/微光傳感器探測(cè)圖像、防撞雷達(dá)與激光雷達(dá)探測(cè)圖像及數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)/著陸區(qū)提示與飛行管道等飛行指引信息。

(2)危險(xiǎn)地形及障礙告警。以綜合視景和深度學(xué)習(xí)的障礙物識(shí)別為基礎(chǔ),以地形數(shù)據(jù)庫(kù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)為來(lái)源,根據(jù)載機(jī)的離地高度、速度等進(jìn)行危險(xiǎn)接近告警提示。在所有飛行階段顯示并突出標(biāo)繪對(duì)飛行安全存在威脅的地形和障礙[5],具體內(nèi)容包括地形(山脈、湖泊、河流、鐵路、公路)、地面障礙物(橋梁、電力線、電力塔、移動(dòng)信號(hào)塔、建筑)等內(nèi)容。

(3)可視化近地引導(dǎo)。主要功能包括目標(biāo)引導(dǎo)位置的生成、提示,以及飛行通道的標(biāo)記。根據(jù)航路規(guī)劃生成配套引導(dǎo)提示符號(hào),將相關(guān)符號(hào)在綜合視景中疊加顯示,在綜合顯示設(shè)備輸出最終可視化圖像,直觀地將飛行通道和引導(dǎo)信息提供給飛行員,作為其操縱直升機(jī)的目標(biāo)指示,在近地階段提供有效的飛行引導(dǎo),輔助規(guī)避威脅并安全著陸[6]。

以上3項(xiàng)技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)、互為補(bǔ)充,飛行環(huán)境綜合展示是基于綜合視景實(shí)現(xiàn)直升機(jī)近地引導(dǎo)的基礎(chǔ),在降級(jí)視覺(jué)環(huán)境和近地盲降階段提供輔助飛行決策。危險(xiǎn)地形及障礙告警技術(shù)能夠根據(jù)直升機(jī)當(dāng)前位置實(shí)時(shí)檢測(cè)周邊環(huán)境威脅,為飛行環(huán)境綜合展示提供視覺(jué)告警數(shù)據(jù)支撐?？梢暬匾龑?dǎo)技術(shù)為飛行環(huán)境綜合展示提供預(yù)期航跡,并根據(jù)危險(xiǎn)地形及障礙告警檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行引導(dǎo)避讓提示。通過(guò)3項(xiàng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,從視景仿真、危險(xiǎn)告警、飛行控制等方面為直升機(jī)提供連續(xù)、精確的飛行引導(dǎo)和安全著陸輔助。

2.1 飛行環(huán)境綜合展示

將全球的地形數(shù)據(jù)(區(qū)域可選)存入系統(tǒng),建立完善的地形數(shù)據(jù)庫(kù)。利用機(jī)載三維引擎加載綜合視景數(shù)據(jù)庫(kù)、地形和地面各種物體模型,設(shè)置場(chǎng)景大氣光照等氣象環(huán)境,規(guī)劃基礎(chǔ)視角和機(jī)場(chǎng)/起降場(chǎng)的位置關(guān)系。場(chǎng)景加載后,自動(dòng)搭配對(duì)應(yīng)的模型和材質(zhì)貼圖等數(shù)據(jù),使用配套的場(chǎng)景腳本來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景輸出,在腳本中對(duì)預(yù)設(shè)的點(diǎn)位置進(jìn)行機(jī)場(chǎng)標(biāo)記建模和更新渲染。

在飛行過(guò)程中根據(jù)直升機(jī)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)及機(jī)身朝向信息,對(duì)紅外/可見(jiàn)光/微光傳感器、激光雷達(dá)等多源傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn),對(duì)預(yù)置綜合視景數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配加載與渲染,完成駕駛員視角的前方三維圖像生成,信息流程如圖2所示。

圖2 飛行環(huán)境綜合展示信息流程Fig.2 The comprehensive display information process of flight environment

地景地形顯示模塊通過(guò)加載綜合視景數(shù)據(jù)庫(kù)生成三維地形網(wǎng)格,地形材質(zhì)用顏色表示直升機(jī)與地形的實(shí)時(shí)相對(duì)高度差;計(jì)算預(yù)置顯示范圍內(nèi)(如20 km×20 km)所有地形高度與載機(jī)的高度差,將地形疊加安全等級(jí)顏色進(jìn)行威脅標(biāo)識(shí)顯示。在地形視景渲染過(guò)程中,使用OpenGL著色器語(yǔ)言所設(shè)計(jì)頂點(diǎn)著色器和片元著色器,在頂點(diǎn)著色器中計(jì)算視角與地形頂點(diǎn)的海拔高度差,在片元著色器中根據(jù)高度差使用預(yù)設(shè)的顏色值進(jìn)行插值來(lái)著色[7]。對(duì)于超出視野范圍的視景信息從內(nèi)存中移除,保證三維引擎渲染能夠以有限資源呈現(xiàn)盡量多的豐富細(xì)節(jié)。

利用直升機(jī)位置的三維數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出的航線前方地形、障礙物地理數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照,實(shí)時(shí)計(jì)算前方視景中最高點(diǎn)與直升機(jī)當(dāng)前位置的高度差值ΔH,并且與允許安全飛行高度差范圍做比較,來(lái)綜合判定潛在的相撞危險(xiǎn)。根據(jù)當(dāng)前面臨的安全等級(jí),在片元著色器中根據(jù)高度差使用預(yù)設(shè)的顏色值進(jìn)行插值來(lái)著色,使用如表1所示的配色方案對(duì)不同安全區(qū)域進(jìn)行配色顯示。在綜合視景畫(huà)面生成過(guò)程中,通過(guò)定期計(jì)算載機(jī)與機(jī)場(chǎng)、起降場(chǎng)之間的空間距離,并根據(jù)機(jī)場(chǎng)與視點(diǎn)位置關(guān)系來(lái)控制機(jī)場(chǎng)、起降場(chǎng)高精度模型與標(biāo)識(shí)是否顯示。

表1 安全等級(jí)配色方案Table 1 The color scheme of safety level

對(duì)于距離超過(guò)設(shè)定距離(如3 km)范圍時(shí),使用機(jī)場(chǎng)輪廓線狀模型與機(jī)場(chǎng)燈光影像圖進(jìn)行顯示。

當(dāng)距離進(jìn)入設(shè)定距離區(qū)間內(nèi)時(shí),動(dòng)態(tài)加載機(jī)場(chǎng)、起降場(chǎng)高精度模型,并根據(jù)地景數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)置的跑道信息,采用藍(lán)綠色實(shí)線顯示跑道輪廓線[8],采用藍(lán)綠色虛線顯示跑道長(zhǎng)度輪廓線延長(zhǎng)線,采用綠色虛線標(biāo)識(shí)機(jī)場(chǎng)著陸引導(dǎo)燈等目標(biāo)。

2.2 危險(xiǎn)地形及障礙告警

在飛行過(guò)程中,融合機(jī)載大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、高度表等設(shè)備提供的各項(xiàng)參數(shù),計(jì)算直升機(jī)最新位置三維數(shù)據(jù)、飛行速度、航向。通過(guò)設(shè)置飛行過(guò)程警戒提示包線,對(duì)地形及障礙物完成實(shí)時(shí)檢測(cè)、告警判斷及告警提示,使得飛行人員能夠精準(zhǔn)感知地形地貌特征,信息流程如圖3所示。

圖3 危險(xiǎn)地形及障礙告警顯示信息流程Fig.3 The information flow of dangerous terrain and obstacle warning display

根據(jù)直升機(jī)飛行狀態(tài),選擇不同警戒包線判斷視覺(jué)告警狀態(tài),在危險(xiǎn)接近時(shí)進(jìn)行充分的提前預(yù)警。

對(duì)于直升機(jī)在保持一定的無(wú)線電高度之上飛行時(shí),選用120 s和60 s警戒包線來(lái)判斷當(dāng)前告警狀態(tài)。以最新前向速度計(jì)算前方120 s航時(shí)距離、左右方向60 s航時(shí)距離范圍內(nèi)地形、障礙物高度差,觸發(fā)120 s航時(shí)閾值應(yīng)提供注意級(jí)提示,觸發(fā)60 s航時(shí)閾值應(yīng)提供告警級(jí)提示。

當(dāng)直升機(jī)處于下降狀態(tài)并且下降速率超過(guò)允許安全值時(shí),選用60 s和30 s警戒包線來(lái)判斷當(dāng)前告警狀態(tài)。若60 s航時(shí)包線內(nèi)地形、障礙物均低于載機(jī)高度,無(wú)告警信號(hào)輸出;若60 s航時(shí)包線內(nèi)存在等于或高于直升機(jī)高度的障礙物,但30 s航時(shí)包線內(nèi)不存在,應(yīng)輸出對(duì)應(yīng)視覺(jué)(琥珀色信息)提示信號(hào)[9],若存在等于或高于直升機(jī)高度的地形,應(yīng)顯示琥珀色區(qū)域標(biāo)識(shí);若30 s航時(shí)包線內(nèi)存在等于或高于直升機(jī)高度的障礙物時(shí),應(yīng)輸出對(duì)應(yīng)視覺(jué)(紅色信息)告警信號(hào),若存在等于或高于直升機(jī)高度的地形,著重顯示紅色區(qū)域標(biāo)識(shí)。

當(dāng)直升機(jī)進(jìn)入進(jìn)近著陸階段,選用40 s和20 s航時(shí)警戒包線來(lái)判斷當(dāng)前告警狀態(tài)。距離障礙物、威脅地形約40 s航時(shí),定義為達(dá)到注意級(jí)別提示,應(yīng)顯示琥珀色障礙物輪廓線;距離障礙物、威脅地形約20 s航時(shí),定義為達(dá)到告警級(jí)提示,應(yīng)顯示紅色障礙物輪廓線并持續(xù)閃爍。

2.3 可視化近地引導(dǎo)

可視化近地引導(dǎo)是基于安全飛行通道和飛行引導(dǎo)符號(hào)相結(jié)合的方式,在近地、著陸過(guò)程中呈現(xiàn)規(guī)避地形威脅和障礙物的組合符號(hào)和數(shù)字顯示,并驅(qū)動(dòng)視景仿真,保障引導(dǎo)載機(jī)向近地目標(biāo)位置安全飛行,信息流程如圖4所示。

圖4 可視化近地引導(dǎo)信息流程Fig.4 The information flow of ground proximity guidance

2.3.1 安全飛行管道

在加載目標(biāo)位置飛行航線基礎(chǔ)上,根據(jù)飛行任務(wù)、最大航程、最小航段、地形、障礙物、威脅區(qū)等一系列約束條件,規(guī)劃直升機(jī)前方一定距離內(nèi)(如5 km)預(yù)期航跡,生成安全飛行通道顯示的避障輔助信息。安全飛行管道是以避障航路為中心線,由跟隨航路變化的左右限定框組成,在綜合視景中進(jìn)行顯示。

加載飛行航線信息作為虛擬中心線,不直接在綜合視景中顯示,為安全飛行管狀通道計(jì)算和飛行引導(dǎo)指令解算提供基礎(chǔ)依據(jù)。

根據(jù)載機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)參數(shù),計(jì)算安全飛行管狀通道中的虛擬航路點(diǎn),同時(shí)從目標(biāo)位置到載機(jī)處繪制紅色連接線當(dāng)作分段距離引導(dǎo)線。

根據(jù)各虛擬航路點(diǎn)及該處的航跡弧度,以虛擬航路點(diǎn)為中心計(jì)算垂直于航路的矩形平面端點(diǎn)坐標(biāo),形成左限定框和右限定框。依次連接左限定框和右限定框中的所有端點(diǎn),將限定框各端點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo),得到本航段二維安全飛行通道形狀,給予飛行員直觀的航跡提示。

2.3.2 飛行引導(dǎo)符號(hào)

飛行引導(dǎo)符號(hào)設(shè)計(jì)是進(jìn)行近地飛行場(chǎng)景中的安全駕駛引導(dǎo)符號(hào)集生成、分布和表示,基于最小轉(zhuǎn)向速度、飛行速度、運(yùn)行高度等自身動(dòng)力學(xué)性能約束[10],動(dòng)態(tài)計(jì)算沿預(yù)期航跡飛行的時(shí)間周期內(nèi)分段路徑,并生成配套的安全操作引導(dǎo)指示位置,以符號(hào)集來(lái)指示引導(dǎo)飛行員安全駕駛。

根據(jù)載機(jī)位置姿態(tài),計(jì)算沿安全通道飛行的各項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn),按照時(shí)間次序標(biāo)識(shí)沿安全飛行通道飛行10 s后的預(yù)期位置,轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)進(jìn)行疊加顯示,在飛過(guò)之后清除上次顯示通道信息。

在飛行過(guò)程中,根據(jù)當(dāng)前飛行姿態(tài),計(jì)算載機(jī)當(dāng)前應(yīng)飛航向、應(yīng)飛高度、應(yīng)飛速度等諸元信息。將已計(jì)算生成的應(yīng)飛航向、高度、速度等轉(zhuǎn)換為飛行符號(hào),使用深綠色線狀符號(hào)顯示,在飛過(guò)之后清除上次顯示信息。

通過(guò)視景信息對(duì)比,輔助飛行員確認(rèn)駕駛直升機(jī)的飛行航跡與引導(dǎo)符號(hào)的位置關(guān)系,在誤差區(qū)間內(nèi)可輔助判定為直升機(jī)實(shí)飛航跡與規(guī)劃通道的重合,實(shí)現(xiàn)可視化航跡跟蹤與安全飛行引導(dǎo)。

3 飛行試驗(yàn)應(yīng)用

在某民用直升機(jī)飛行教學(xué)訓(xùn)練過(guò)程中,為保證全天候條件下安全駕駛引導(dǎo),結(jié)合飛行計(jì)劃和本場(chǎng)周邊環(huán)境,選取高度差有明顯變化并且滿足最高巡航速度20 min以內(nèi)場(chǎng)景范圍,針對(duì)典型飛行剖面如圖5所示,在起飛、下降、進(jìn)近等階段,對(duì)障礙告警與近地引導(dǎo)等技術(shù)進(jìn)行了功能整合與有效性驗(yàn)證。主要試驗(yàn)過(guò)程如下。

(1)加載目標(biāo)區(qū)域5 m高程精度數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)、1 m像素?cái)?shù)字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)數(shù)據(jù)、矢量地圖和等高線等圖層信息,構(gòu)建基礎(chǔ)地圖庫(kù),范圍是30 km×30 km。提取50 m以上障礙物數(shù)據(jù),生成建筑、橋梁、高壓線塔、電線桿、煙囪等立體模型。

(2)直升機(jī)起飛后,選擇儀表導(dǎo)航信號(hào)、飛行員頭盔朝向和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)位置信號(hào)作為數(shù)據(jù)源,實(shí)時(shí)計(jì)算飛行員導(dǎo)航視場(chǎng)范圍,在多功能顯示器上輸出飛行員視角前方區(qū)域的三維視景,為飛行員提供了清晰的艙外地形地貌。

(3)飛行過(guò)程中,不斷獲取最新飛行姿態(tài)數(shù)據(jù),調(diào)用地景地形顯示、綜合視景融合模塊調(diào)整場(chǎng)景范圍并更新顯示安全區(qū)域配色。基于已提取的50 m以上障礙物數(shù)據(jù)和直升機(jī)離地高度、速度等,判斷地形及障礙物與直升機(jī)的實(shí)時(shí)位置關(guān)系,適時(shí)檢測(cè)告警包線的觸發(fā)情況,如圖6所示。

(4)下降飛行時(shí),根據(jù)直升機(jī)當(dāng)前地速和航向,觸發(fā)預(yù)計(jì)前向60 s航時(shí)、左右30 s航時(shí)距離范圍警戒包線檢測(cè),在當(dāng)前視景中提取等于或高于直升機(jī)高度的地形區(qū)間,對(duì)產(chǎn)生的威脅地形疊加紅色區(qū)域突出顯示,并以疊加黃色區(qū)域突出顯示告警地形,如圖7所示。每一次下降飛行時(shí),將重復(fù)執(zhí)行本次地形告警處理過(guò)程。

圖7 綜合視景地形告警顯示Fig.7 The display of comprehensive visual terrain warning

(5)通過(guò)機(jī)載雷達(dá)探測(cè)到實(shí)時(shí)障礙物后,提取、生成高壓線塔等目標(biāo),進(jìn)行分類信息、使用位置預(yù)先生成并存入障礙物列表。分類信息包括物體類型、相對(duì)高度、方向、反射面積,不包括物體的輪廓外形,因此在渲染中采取固定外形、動(dòng)態(tài)標(biāo)高的形式展示障礙物。所謂固定外形是每一種障礙物都采取預(yù)先建模的方式處理,通過(guò)擠壓或者拉伸X、Y、Z方向使之適應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)。探測(cè)到的地表障礙物使用位置信息是相對(duì)直升機(jī)而言的,需要根據(jù)地形特征將障礙物嵌合進(jìn)去,并使用大地坐標(biāo)、地形高度替換障礙物坐標(biāo)、海拔高度,得到新的位置信息并將障礙物標(biāo)記在該位置,防止懸浮、陷入地下等不良視覺(jué)情況。

(6)根據(jù)當(dāng)前直升機(jī)地速,計(jì)算預(yù)計(jì)40 s和20 s航時(shí)的距離,分別記作L20和L40。首先,遍歷障礙物列表,對(duì)于每一個(gè)障礙物計(jì)算其與直升機(jī)的距離,記作Ld;若Ld>L40,障礙物從場(chǎng)景內(nèi)存移除,并卸載它占用的資源;若Ld>L20且Ld

圖8 障礙物告警視景顯示Fig.8 The display of obstacle warning

(7)近地著陸飛行時(shí),結(jié)合當(dāng)前飛行速度、高度、航向,動(dòng)態(tài)生成了前方10 s航時(shí)安全通道指示,如圖9所示,疊加顯示應(yīng)飛速度、高度、航向指示符號(hào)等信息,輸出了易于理解的外部地形環(huán)境感知、威脅信息提示。通過(guò)重復(fù)執(zhí)行本次步驟,安全飛行通道與引導(dǎo)符號(hào)可隨飛行過(guò)程變化,進(jìn)行引導(dǎo)信息多維圖形化生成,更新綜合視景,實(shí)現(xiàn)清晰的飛行駕駛操作指示。

圖9 近地飛行可視化引導(dǎo)視景顯示Fig.9 The display of the visual ground proximity guidance

以上應(yīng)用過(guò)程表明,提出的技術(shù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)基于載機(jī)位置、姿態(tài)的多源圖像匹配,為飛行員呈現(xiàn)前向視角下的綜合視景[11],并產(chǎn)生相應(yīng)的地形障礙告警顯示,讓飛行員可視化感知地形等與載機(jī)的相對(duì)水平位置、垂直位置以及隨載機(jī)相對(duì)高度差的變化,有效縮小飛行過(guò)程中航跡偏差,減輕飛行員操作負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)論

綜合視景是融合了多種先進(jìn)技術(shù)的航空電子解決方案,已成為避障和近地導(dǎo)引解決方案的一個(gè)重要載體。能夠提升飛行員在復(fù)雜環(huán)境中的情景感知與信息交互能力,輔助飛行員快速準(zhǔn)確決策,為直升機(jī)低空飛行訓(xùn)練提供安全保障,滿足多種飛行過(guò)程應(yīng)用。

通過(guò)深化研究直升機(jī)綜合視景近地引導(dǎo)的基本原理與使用場(chǎng)景,介紹了一體化高分?jǐn)?shù)據(jù)與直升機(jī)多源航電數(shù)據(jù)深度融合的設(shè)計(jì)思路,規(guī)劃了飛行環(huán)境綜合展示、危險(xiǎn)地形及障礙告警顯示、近地引導(dǎo)信息提示等關(guān)鍵功能,系統(tǒng)性設(shè)計(jì)了總體技術(shù)架構(gòu)、信息處理流程。結(jié)合直升機(jī)飛行教學(xué)訓(xùn)練典型應(yīng)用場(chǎng)景,全方位地展示了直升機(jī)綜合視景近地引導(dǎo)技術(shù)的特點(diǎn)。

研究成果表明,在應(yīng)用高分地理信息庫(kù)基礎(chǔ)上,借助先進(jìn)的圖像融合以及地形視景渲染等技術(shù),利用機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)和飛行航線,能夠提供高精度、易感知的視景圖像以及地形和障礙物告警。通過(guò)典型試驗(yàn),證明了所設(shè)計(jì)方法合理可行且具有時(shí)效性、精確性和穩(wěn)定性。后續(xù)仍需深入研究直升機(jī)近地避障的全方位應(yīng)用需求場(chǎng)景[12],深化與機(jī)載綜合航電信息融合處理,支持更多高精度引導(dǎo)視景數(shù)據(jù)輸出,大幅提升威脅目標(biāo)檢測(cè)和復(fù)雜環(huán)境下綜合態(tài)勢(shì)感知能力,并推廣到多種應(yīng)用場(chǎng)景,例如復(fù)雜山區(qū)、密集城鎮(zhèn)環(huán)境緊急著陸引導(dǎo),為飛行員安全訓(xùn)練水平提升奠定基礎(chǔ)。