復(fù)雜氣象條件下的視圖重建技術(shù)

崔發(fā)　寧圓俊　白靖民　王文博　梁冠華　吳簡

摘要：現(xiàn)代商業(yè)航空運輸主要是以大型客機來運行的。飛行中最關(guān)鍵的階段就是著陸，著陸是整個飛行過程用時最短的一個階段，但卻是事故發(fā)生最多的一個階段。本文提出了一種全新的方法，在復(fù)雜氣象條件下如何為飛機提供目視參考。在完全看不清外界環(huán)境的進近階段，模擬合成一種視覺影像，為飛機進近著陸提供重建后的可靠視圖影像。本文詳細地介紹了如何采集目視參考數(shù)據(jù)，以及如何利用無人機拍攝的視圖信息輔助飛行員操控飛機。最后實測結(jié)果表明，該方法能有效實施可靠的穩(wěn)定進近。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜氣象;無人機;視圖重建;進近著陸

中圖分類號：V355 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0117-03

0 引言

大型客機主要體現(xiàn)在“三大”：飛機噸位大、速度大、安全責(zé)任大。一個標(biāo)準(zhǔn)的著陸不僅僅是駕駛技術(shù)的考驗，更是對乘客負責(zé)的體現(xiàn)。而要完成一個平穩(wěn)安全的著陸，飛機在最后進近階段的穩(wěn)定表現(xiàn)就至關(guān)重要了。本文提出的復(fù)雜氣象條件下視圖重建技術(shù)，基于良好天氣狀況所拍攝的視圖影像，作為低能見度下的目視參考，在一定程度上做出了創(chuàng)新，并且可行性高。

1 背景知識介紹

1.1 無人機的定義

無人機，也稱為無人飛行器，是一種集數(shù)據(jù)處理、傳感裝置、自動控制和通信等必要機載設(shè)備的飛行器。它能夠進行具備一定的自主飛行能力而無需人工干預(yù)。此次圖像采集，我們實驗小組用的是大疆四旋翼無人機Tello，如圖1所示，屬于多旋翼無人飛行器。

1.2 視圖信息技術(shù)與圖像處理

在如今科技高速發(fā)展的今天，圖像處理系統(tǒng)已經(jīng)深入到我們生活的方方面面。手機、電腦、相機都能夠?qū)嵭胁煌潭鹊膱D像處理。我們將圖像分為可見圖像何不可見圖像。前者包括照片、圖片、等有輪廓有線條的圖或者畫。而后者包括我們看不到的紅外線，紫外線等等不可見光。

通俗意義上講視圖信息技術(shù)就是對可見視圖信息做一些處理，以達到預(yù)期的要求。視圖信息處理分為光學(xué)處理和數(shù)字技術(shù)處理?，F(xiàn)在我們主要使用數(shù)字處理技術(shù)。

大疆無人機裝配了非常先進的圖像增強與圖像融合技術(shù)。無人機在拍攝的過程中就已經(jīng)在處理了，所以我們拿到的圖像就是匹配了位置信息等參數(shù)的圖像。

無人機視圖信息處理主要采用的是傳感器與計算機。一套完整的視圖信息處理需要以下硬件的配合：視圖采集設(shè)備、掃描儀、圖像采集卡、輸出設(shè)備等。

此次實驗我們用了移動拍攝技術(shù)，從一點到另外一點連續(xù)拍攝。為了達到預(yù)想的拍攝效果，就需要硬件達標(biāo)的無人機以及搭配的攝像頭。

2 飛行數(shù)據(jù)實驗

2.1 飛行前的準(zhǔn)備

我們對學(xué)校周邊進行了勘察，最后決定將起飛場地設(shè)置在操場里，操場地形開闊，四面環(huán)繞著看臺，因此減小了風(fēng)對飛行的影響，經(jīng)過實地考察，我們選取了操場內(nèi)的一塊場地，其形狀長度和比例剛好與跑道相似，道面平整，周圍無明顯障礙物，符合此次飛行任務(wù)。

2.2 實驗實施

2.2.1 小組分工

本次實踐共分三個小組，第一組負責(zé)場地的選取、清理和準(zhǔn)備，以及氣象情報的采集和活動保障的工作。第二組負責(zé)無人機的準(zhǔn)備和調(diào)試及飛行操作，第三組負責(zé)采集視圖信息，并將采集好的視圖信息，與飛機當(dāng)前的實時位置、高度、速度等一一匹配起來，在保證延遲在誤差允許范圍內(nèi)能及時調(diào)取出來提供給操作者，同時驗證實驗結(jié)果，收集反饋信息，不斷完善重建視圖。

2.2.2 實驗具體實施

我們在中國民航飛行學(xué)院東區(qū)操場找到所用助跑跑道（以下稱跑道），來模擬真實氣象條件下的跑道，用無人機（以下稱模擬機）模擬五邊進近民航客機。將跳線1.5米處作為最佳著陸點，將沙坑作為模擬障礙物，如圖2所示。

（1）模擬機距離最佳著陸地點10米，且在跑道中線延長線上，距道面垂直距離3米，下滑角15°，如圖3所示。

（2）操縱模擬機垂直起飛，注意側(cè)風(fēng)，要求其仍保持在中線延長線上，且懸停于距地面3米處，調(diào)試前后距離，使模擬機位于進近的15°下滑道上（由于模擬機質(zhì)量輕，高度低，3°下滑角數(shù)據(jù)對比不明顯，故用15°下滑角代替3°下滑角），記錄當(dāng)前位置經(jīng)緯坐標(biāo)，高度等信息;

（3）操縱模擬機按預(yù)定的15°角在下滑道上飛行，注意風(fēng)切變影響，同時打開模擬機攝像機開始攝影，以水平距離3米為一個單位，定點并記錄好當(dāng)前位置經(jīng)緯坐標(biāo)，高度，垂直速度;

（4）操縱模擬機做正常進近，并記錄好航行諸元，直至落地;

（5）完成視頻獲取，數(shù)據(jù)采集后，重復(fù)上述過程3至5次，記錄數(shù)據(jù)，為接下來匹配分析做好準(zhǔn)備。

3 實驗分析

3.1 實驗驗證

將所得數(shù)據(jù)做必要修正（如側(cè)風(fēng)，計量誤差等）后，取出模擬機所拍視頻，將數(shù)據(jù)同該數(shù)據(jù)下對應(yīng)幀進行匹配，錄制帶有參數(shù)的視圖影像。項目實施完成。

后期處理中我們主要使用了Adobe Photoshop Lightroom 這款軟件。為了實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，首先需要做的就是減少鏡頭抖動以及減少鏡頭本身帶來的畸變。所有的廣角鏡頭都會產(chǎn)生畸變。然后使用軟件中的“增強功能”。這可以達到所謂的“提高清晰度”。這實際上是提高中間色調(diào)的對比度。提高對比度可以讓中間色調(diào)更加顯著。有利于實驗效果。

上述方法提出了新穎的思路和想法，與上面的方法類似，并做必要精簡后，我們?nèi)缦峦瓿赡M機項目驗證：

（1）使用無人機一臺，視圖影像一套，熟練無人機操縱員一名;（2）在模擬低能見度的情況下，提供相同其余條件，使操縱者不可見模擬機，僅可見視圖影像，使其依據(jù)視頻提供的畫面和參數(shù)對無人機進行操控，同時應(yīng)該保證，當(dāng)無人機在飛行過程中，同視頻位置出現(xiàn)偏差大于閾值時，切斷視頻信號，并提示修正操縱，待恢復(fù)到正常閾值內(nèi)重新提供視頻，做繼續(xù)進近，直至模擬機落在最佳著陸點，如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析

如圖5所示，此折線圖為無人機飛行軌跡剖面示意圖。縱坐標(biāo)表示無人機當(dāng)前位置高度，單位“米”;橫坐標(biāo)表示無人機當(dāng)前位置距離預(yù)定最佳著陸地點的距離，單位“米”。綠色折線代表在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，有足夠的目視參考時的飛行軌跡;紅色折線代表模擬低能見度情況下，駕駛員僅通過參考標(biāo)準(zhǔn)情況下飛行圖像信息，作為驗證時的飛行軌跡。

綜合無人機體積小、重量輕、易受大風(fēng)影響等特點，確定此實驗的閾值為0.3米。即驗證飛行的軌跡偏差與標(biāo)準(zhǔn)情況下的軌跡高度差應(yīng)不大于0.3米。在距離最佳著陸地點10米處，標(biāo)準(zhǔn)高度3米，驗證飛行3米，誤差0米;在7米處誤差0.2米;在4米處誤差0.2米;在1米處誤差0.1米。綜上所述，在四個定位點中，所有驗證飛行與標(biāo)準(zhǔn)情況下的飛行誤差均在0.3米的誤差范圍內(nèi)，實驗驗證成功。

如圖6所示，綠色線代表在標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，有足夠的目視參考時的飛行軌跡;紅色線代表模擬低能見度情況下，駕駛員僅通過參考標(biāo)準(zhǔn)情況下飛行圖像信息，作為驗證時的飛行軌跡。

無人機起始距地面垂直高度3米，距離預(yù)定著陸地點10米。每隔水平距離3米采集一次數(shù)據(jù)，截取飛行影像如圖7所示。

由此我們可以看出，隨著飛行距離的增加，無人機位置離預(yù)定著陸地點越來越近，所呈現(xiàn)的視圖影像也有顯著變化?？梢?，依據(jù)此方法所收集的視圖景象的確可以在復(fù)雜氣象條件下為無人機進近提供穩(wěn)定可靠的目視參考。

4 結(jié)語

此實驗是基于無人機的視圖重建技術(shù)。相比于真實飛機，無人機的要求還相對低些。希望未來的某天，本文提出的復(fù)雜氣象條件下視圖重建技術(shù)能夠應(yīng)用于真實的大型航空公共運輸飛行，為飛行安全提供更有利的保障。

參考文獻

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