基于直升機機動特征的機載避障激光雷達(dá)性能參數(shù)分析

王朝暉，井晨睿，郝培育，李金全，郭立偉，何 磊

（1.洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000；2.洛陽師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，河南 洛陽 471934）

高速直升機在低空飛行條件下所面對的復(fù)雜多樣的飛行環(huán)境和氣象條件會對飛行安全造成嚴(yán)重的威脅[1]。避障激光雷達(dá)是確保直升機在低空快速機動條件下飛行安全的重要技術(shù)手段之一[2-4]。激光雷達(dá)采用高重頻激光器發(fā)射激光脈沖進行激光測距，結(jié)合大范圍掃描系統(tǒng)對飛機前方一定視場內(nèi)的區(qū)域進行掃描探測，從而獲取目標(biāo)區(qū)域障礙物的距離、方位以及三維幾何結(jié)構(gòu)信息，可為飛機的障礙規(guī)避、路徑規(guī)劃提供依據(jù)[5-6]。在實際的避障激光雷達(dá)設(shè)計過程中，受限于機載空間體積的限制以及核心器件的發(fā)展水平，較遠(yuǎn)的探測距離和較大的探測視場往往無法兼顧。因此需要根據(jù)飛機的機動特征，對所需要的預(yù)警時間以及避障激光雷達(dá)的主要性能參數(shù)進行分析權(quán)衡，實現(xiàn)避障激光雷達(dá)的性能參數(shù)與直升機的機動特征相匹配。

本文借鑒ELOP公司對飛行路徑與避障激光雷達(dá)性能參數(shù)的匹配設(shè)計方法[7]，對直升機在90°轉(zhuǎn)彎情況下，影響系統(tǒng)預(yù)警時間的性能指標(biāo)進行仿真分析研究，研究結(jié)果對直升機在特定機動條件下避障激光雷達(dá)的參數(shù)優(yōu)化分析具有重要意義。

1 理論模型

由于直升機的飛行速度相對不快，垂直方向的機動能力也不強，但水平方向機動能力較強[1]，因此需要重點考慮直升機水平轉(zhuǎn)彎飛行情況下避障系統(tǒng)的性能參數(shù)。激光雷達(dá)的探測距離、探測視場和隨動視場分別記做Rd、FOV和FOR。這里探測視場指激光雷達(dá)掃描探測的角度范圍，隨動視場指激光雷達(dá)依靠平臺的偏轉(zhuǎn)所能獲取的最大探測角度范圍，其對應(yīng)的幾何關(guān)系如圖1所示。直升機的飛行速度和轉(zhuǎn)彎角速度為V和ω，考慮到轉(zhuǎn)彎角速度與激光雷達(dá)參數(shù)的關(guān)系，將轉(zhuǎn)彎速度分為慢速、中速以及快速，其中慢速轉(zhuǎn)彎滿足[7]：

圖1 激光雷達(dá)主要性能參數(shù)示意圖

中速轉(zhuǎn)彎滿足條件：

快速轉(zhuǎn)彎滿足條件：

臨界角速度ω1和ωmin分別可以表示為：

在慢速轉(zhuǎn)彎情況下，由于角速度較低，探測視場可覆蓋飛行軌跡而無需依靠平臺的偏轉(zhuǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系可知預(yù)警時間僅與最大探測距離有關(guān)：

在中速轉(zhuǎn)彎情況下，根據(jù)隨動視場是否可以覆蓋飛行軌跡，其預(yù)警時間又可分為兩種情況：

在快速轉(zhuǎn)彎情況下，由于角速度較高，飛行軌跡未到達(dá)最遠(yuǎn)探測距離時即偏離視場邊緣，此時預(yù)警時間可以表示為：

其中θ1需滿足條件：

依據(jù)上文理論可以看出，系統(tǒng)預(yù)警時間由避障激光雷達(dá)的設(shè)計指標(biāo)與直升機的飛行軌跡共同確定。以下對直升機機動特征、系統(tǒng)預(yù)警時間以及激光雷達(dá)性能參數(shù)之間的關(guān)系進行仿真分析。

2 系統(tǒng)預(yù)警時間影響因素分析

根據(jù)當(dāng)前避障激光雷達(dá)的發(fā)展情況[2-3]，將飛機飛行速度、激光雷達(dá)的探測視場和隨動視場分別設(shè)定為V＝80 m/s、FOV=30°、FOR=80°，將探測距離Rd分別設(shè)定為1 000、800和500 m。系統(tǒng)預(yù)警時間隨飛機轉(zhuǎn)彎角速度變化的關(guān)系曲線如圖2（a）所示。將飛機轉(zhuǎn)彎速度、激光雷達(dá)的探測距離和隨動視場分別為V＝80 m/s、Rd=800 m、FOR=80°，取FOV分別為20°、50°和80°，得到系統(tǒng)的預(yù)警時間隨直升機轉(zhuǎn)彎角速度變化的關(guān)系曲線，如圖2（b）所示。其中轉(zhuǎn)彎的慢速、中速和快速所對應(yīng)的角速度區(qū)間分別用實線、虛線和點線進行標(biāo)記。

圖2 激光雷達(dá)預(yù)警時間與飛機轉(zhuǎn)彎角速度關(guān)系曲線

從圖中可以看出，當(dāng)直升機的轉(zhuǎn)彎角速度處于慢速區(qū)間時，系統(tǒng)預(yù)警時間隨著轉(zhuǎn)彎角速度的增加緩慢上升。當(dāng)增大轉(zhuǎn)彎角速度至中速區(qū)間后，預(yù)警時間隨著角速度的增加而迅速下降。而當(dāng)飛機進入快速轉(zhuǎn)彎區(qū)間后，預(yù)警時間下降緩慢，直至最小值。另一方面，可以看出系統(tǒng)的預(yù)警時間與避障激光雷達(dá)的性能參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)探測距離增大或探測視場增大時，相同條件下的預(yù)警時間顯著增加。因此系統(tǒng)的預(yù)警時間需要由飛機平臺的機動特征與激光雷達(dá)的性能參數(shù)綜合確定。

3 激光雷達(dá)性能參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法

受限于載機平臺的有限重量體積，激光光源的脈沖能量、重復(fù)頻率等參數(shù)往往無法同時提升，使得激光雷達(dá)的探測距離和探測視場無法兼顧。當(dāng)飛機平臺的機動特征確定時，可將探測距離-探測時間二維平面上每個點的預(yù)警時間進行仿真計算，如圖3所示，這里將隨動視場固定為80°。根據(jù)預(yù)警時間不同，可將二維平面劃分為3個區(qū)域：分別為高風(fēng)險區(qū)域（小于5 s，深色區(qū)域）、中風(fēng)險區(qū)域（5~10 s，灰色區(qū)域）以及低風(fēng)險區(qū)域（大于10 s，淺灰色區(qū)域）。不同顏色對應(yīng)的預(yù)警時間已在圖的右側(cè)標(biāo)注出來。

可以看出，隨著平臺的機動特征變化，系統(tǒng)的風(fēng)險區(qū)域也隨之在探測視場-探測距離二維平面上移動。飛機飛行速度越快，轉(zhuǎn)彎角速度越高，相同的預(yù)警時間對激光雷達(dá)的性能參數(shù)要求也越高。而飛機的機動特征一旦確定，對于確定的預(yù)警時間，探測視場為探測距離的單調(diào)減函數(shù)。在進行避障激光雷達(dá)的參數(shù)設(shè)計時，可以采取如下步驟實現(xiàn)激光雷達(dá)指標(biāo)參數(shù)與載機平臺機動特征匹配設(shè)計：（1）確定飛機的極限機動特征，繪制出如圖3所示的預(yù)警時間隨探測視場和探測距離變化的仿真結(jié)果；（2）確定系統(tǒng)所需的預(yù)警時間范圍，從仿真結(jié)果中確定滿足要求的探測視場和探測距離的變化范圍；（3）根據(jù)載機的體積重量約束條件，確定最為合適的激光雷達(dá)性能指標(biāo)。

圖3 載機平臺機動特征不同的情況下，系統(tǒng)預(yù)警時間仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文首先根據(jù)載機平臺的機動特征和避障激光雷達(dá)的性能參數(shù)，建立了系統(tǒng)預(yù)警時間的理論模型；然后根據(jù)理論模型對預(yù)警時間的影響因素進行分析；最后根據(jù)分析結(jié)果，確定了避障激光雷達(dá)的性能參數(shù)與直升機機動特征的匹配設(shè)計方法。所建立的指標(biāo)分析方法在機載避障激光雷達(dá)的性能指標(biāo)設(shè)計中有重要的實用價值。