論飛機泊位系統中的鐳射掃描資料的處理論文

　　鐳射掃描器是藉著掃描技術來測量工件的尺寸及形狀等工作的一種儀器，鐳射掃描器必須採用一個穩定度及精度良好的旋轉馬達，當光束打 *** 射 *** 到由馬達所帶動的多面稜規反射而形成掃描光束。由於多面稜規位於掃描透鏡的前焦面上，並均勻旋轉使鐳射束對反射鏡而言，其入射角相對地連續性改變，因而反射角也作連續性改變，經由掃描透鏡的作用，形成一平行且連續由上而下的掃描線。以下是小編今天為大家精心準備的：論飛機泊位系統中的鐳射掃描資料的處理相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!

　　論飛機泊位系統中的鐳射掃描資料的處理全文如下：

　　引言

　　飛機泊位引導是指將到港飛機從滑行道末端導引至機坪的停機位置並準確停泊的過程。目前，飛機泊位引導主要分為兩種工作方式:***1*** 人工引導;***2***自動引導。人工引導是通過專業引導員站在入塢飛機的前方用專用標牌向飛行員展示各種行為語言來指示飛機的入塢資訊。自動引導是通過各種型別感測器採集入塢飛機的姿態和速度資訊，利用計算機對這些入塢資訊進行有效處理和分析進而產生入塢飛機的引導資訊，並通過停泊前方的顯示裝置向飛機駕駛員、副駕駛員或其他人員顯示泊位引導資訊。近年來，隨著機場管理控制系統的自動化、網路化、一體化和智慧化水平的提高，傳統的人工引導方式已不能滿足需求。自動飛機泊位引導系統則能有效提高機場的裝備水平、運營效率、管理水平和服務質量。

　　自動飛機泊位引導系統按使用感測器的型別不同主要分為:***1***地埋線圈類;***2*** 鐳射掃描測距類;***3***視覺感知類。地埋感應線圈類誤差較大、易損壞、可靠性不高;視覺感知類對天氣和照度有要求、適應性較差;而鐳射掃描測距類不受環境照度的影響、且受天氣影響較小、精度較高，因而得到廣泛應用。飛機泊位系統國外早有所發展，1992 年瑞典的FMT 公司研製了基於鐳射技術的飛機位置及諮詢顯示系統*** aiccraftpositioning and infomation system，APIS***;1995 年瑞典的Safegate 公司推出了以鐳射為基礎的新一代Safedock引導系統。目前，Safegate 公司市場佔有率達到80%。美國Honeywell 公司的視覺化飛機泊位引導系統***visual docking guidance system，VDGS***和德國西門子公司的視訊泊位引導系統*** video docking system，VDOCKS***也得到應用。而國內還沒有生產銷售具有自主智慧財產權的泊位引導系統。

　　1 基於鐳射掃描的飛機泊位的原理與鐳射掃描系統的構成

　　基於鐳射掃描的飛機泊位引導系統採用水平掃描步進電機和垂直掃描步進電機驅動水平振鏡和垂直振鏡，對鐳射測距儀的發射光束和回波光束實現偏移，水平振鏡和垂直振鏡的偏轉角及鐳射測距資料組合後得到3 維測量資料。3 維資料以離散點的形式描繪出飛機機頭的輪廓，提取出飛機鼻尖和引擎的參量，並將引導資訊顯示在正對引導線安裝的LED 上，從而實現入塢飛機的捕獲、跟蹤、引導、識別、精確定位，並要求在停止線上，飛機偏離引導線的距離小於100mm。

　　跟蹤引導飛機泊位的過程中，雙鏡系統中的垂直鏡跟蹤飛機的鼻尖，水平鏡水平掃描1 行，根據落在飛機上的掃描點，通過二次擬合，擬合出的曲線上的頂點，即距離最小值點，就是飛機的鼻尖。通過對鼻尖所在位置的座標解算，得出鼻尖相對於引導線的偏差，判斷當前飛機是否偏離引導線，並將飛機的偏離情況通過LED 屏顯示，飛機員通過檢視LED，調整飛機至引導線重合。在引導飛機泊位的過程中，根據飛機固有的特性，不同的型號飛機的鼻尖高度和引擎距離鼻尖的距離不同，對泊位飛機的機型進行識別。

　　本文中研究的飛機泊位系統基於振鏡的鐳射掃描。鐳射掃描系統設計為外置於工控機的獨立子系統，便於其維護與除錯，提高系統的可靠Fig. 1 Laser scanning system of aircraft docking system性。控制器採用AVR32，通過輸入/輸出*** input /output，I /O*** 並行通訊與現場可程式設計門陣列*** field programmablegate array，FPGA***協同工作，完成水平和垂直掃描控制、鐳射掃描資料的採集、與工控機的資料通訊等，而鐳射掃描點雲資料的處理由工控機完成，並由當前資料處理結果得到下一步需採取的掃描策略。鐳射掃描系統通過獨立的RS485 介面與工控機連線，形成一對一的通訊方式。

　　2 鐳射掃描資料處理演算法流程圖

　　對鐳射掃描資料進行處理，主要是為了消除鐳射掃描資料點中的噪聲點，並對該噪聲點進行補償;精簡資料傳輸位元組，以提高資料在上位機和控制板卡之間的通訊速率;對掃描點資料進行曲線擬合以獲得飛機的掃描輪廓，判斷飛機相對停止線的左右偏離情況。

　　在鐳射掃描資料的處理過程中，主要採用了對鐳射掃描資料的精簡和錯誤點標識;對鐳射資料進行中值濾波以消除噪聲點;對機頭掃描資料進行曲線擬合，以滿足資料結算的需求，。

　　3 資料精簡與錯誤點標識

　　鐳射掃描系統選用班納公司的LT300 遠距離鐳射測距儀。班納LT300 型鐳射測距儀採用鐳射脈衝飛行時間測量法，對於自然物體表面測量範圍可達300m，滿足飛機泊位的距離要求，測量精度到60mm，358第39 卷第3 期王春彥飛機泊位系統中的鐳射掃描資料的處理滿足系統的100mm 泊位誤差要求。

　　鐳射測距儀以二進位制輸出距離值，單位為mm。輸出距離值為3byte，其中byte 2 最高位始終為1;byte 1 和byte 0 的最高位始終為0。剩餘的21bit 表示距離值。為了資料的快速傳輸，需要在AVR32 MCU 中對資料精簡處理。先將byte 2，byte 1 和byte 0 的最高位去掉。在機場的實際環境中，由於飛機泊位的最大距離不大於200m，因此表示距離值的21bit 中，使用低18bit 就可以表示200m 內的任意距離，單位為1mm，而高3bit 不使用。

　　鐳射測距儀的單次測量誤差最大為60mm，小於100mm 的系統誤差要求，因此在毫米量級的誤差可以忽略不計。將上述18bit 量程的最低2bit 捨去，如圖3 所示，不影響精度，此時距離值的最小單位為4mm。從而實現將3byte 的距離值縮減為2byte。此時可使資料傳輸速率增加1 /3。以距離值29121mm 為例，原儲存格式為:0x814341。經過資料精簡後，傳輸格式為:0x1470。資料精簡演算法示意如圖3 所示，圖中，MSB 表示位元組的最高位***the most significant bit***，LSB 表示位元組的最低位***the least significant bit***。

　　鐳射測距資料精簡後，進行錯誤點的標識。在實際飛機泊位的過程中，由於飛機泊位系統安裝位置距離飛機停止線的距離在12m 以上，整個飛機入塢區域中和飛機泊位系統的安裝位置的最大距離不超過150m。因此，將精簡後的鐳射資料值中的小於12m 和大於150m 的距離值標為0，並在上傳資料給工控機之前，去除這些距離值為0 的數值。

　　4 消除噪聲

　　通過對機場的現場測試資料分析可知，在連續掃描的資料中總存在一些雜散點和錯誤點，需要對其進行濾除。為保證資料處理的實時性，此處引入影象處理中的中值濾波演算法並加以簡化，使之應用於鐳射掃描資料的噪聲去除。消除噪聲的流程如圖2b 所示。

　　將鐳射掃描的每行/列資料看成點集P*** d1，d2，d3，…，dN***。定義前向資料差Δdb = di - di - 1。對於在一個平面上的點，di≈di - 1，Δd≈0。由於存在噪聲點，且假設該噪聲點的值為di，通常該噪聲點值與其相鄰點di - 1，di + 1的差值Δdf和Δdb會較大，其中Δdf = di -di - 1，Δdb = di - di + 1。根據機場實驗得到的資料分析，設定閾值Δd = 1m，即相鄰兩點的距離差值閾值大於1m 時，可認為距離值發生突變，對應的鐳射點不在同一個平面上。

　　5 資料擬合

　　在對掃描點進行重排後，需要對掃描資料點進行曲線擬合。在實際應用中，重點關注機頭位置的掃描點的曲線，根據機頭外形，選擇最小二乘的二次曲線進行擬合。

　　6 結論

　　針對飛機泊位對時間和精度的嚴格要求，本文中研究了對鐳射資料的處理。通對鐳射資料精簡，解決資料傳輸速率過慢的問題。通過中值濾波，能較好地消除掃描點中雜散的噪聲點，且通過控制中值濾波的模長可以濾除連續的噪聲。通過最小二次曲線擬合，可以描繪出飛機的外形輪廓，用來判斷飛機相對引導線的偏離程度。通過機場實際測試，對鐳射資料的處理，可以很好地保證實現飛機泊位過程的精確性。