飛機泊位系統中的激光掃描數據的處理

王春彥，邸金紅

(鄭州航空工業管理學院電子通信工程系，鄭州450000)

引 言

飛機泊位引導［1］是指將到港飛機從滑行道末端導引至機坪的停機位置并準確停泊的過程。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信息。自動引導是通過各種類型傳感器采集入塢飛機的姿態和速度信息，利用計算機對這些入塢信息進行有效處理和分析進而產生入塢飛機的引導信息，并通過停泊前方的顯示設備向飛機駕駛員、副駕駛員或其他人員顯示泊位引導信息。近年來，隨著機場管理控制系統的自動化、網絡化、一體化和智能化水平的提高，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傳感器的類型不同主要分為:(1)地埋線圈類;(2)激光掃描測距類;(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;而激光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公司研制了基于激光技術的飛機位置及咨詢顯示系統(aiccraft positioning and infomation system，APIS);1995年瑞典的Safegate公司推出了以激光為基礎的新一代Safedock引導系統。目前，Safegate公司市場占有率達到80%。美國Honeywell公司的可視化飛機泊位引導系統(visual docking guidance system，VDGS)和德國西門子公司的視頻泊位引導系統(video docking system，VDOCKS)也得到應用。而國內還沒有生產銷售具有自主知識產權的泊位引導系統。

1 基于激光掃描的飛機泊位的原理與激光掃描系統的構成

基于激光掃描［2］的飛機泊位引導系統采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，對激光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激光測距數據組合后得到3維測量數據。3維數據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，并將引導信息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，并要求在停止線上，飛機偏離引導線的距離小于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坐標解算，得出鼻尖相對于引導線的偏差，判斷當前飛機是否偏離引導線，并將飛機的偏離情況通過LED屏顯示，飛機員通過查看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。

Fig.1 Laser scanning system of aircraft docking system

本文中研究的飛機泊位系統基于振鏡的激光掃描［3-5］，如圖1所示。激光掃描系統設計為外置于工控機的獨立子系統，便于其維護與調試，提高系統的可靠性。控制器采用AVR32，通過輸入/輸出(input/output，I/O)并行通信與現場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)協同工作，完成水平和垂直掃描控制、激光掃描數據的采集、與工控機的數據通信等，而激光掃描點云數據的處理由工控機完成，并由當前數據處理結果得到下一步需采取的掃描策略。激光掃描系統通過獨立的RS485接口與工控機連接，形成一對一的通信方式。

2 激光掃描數據處理算法流程圖

對激光掃描數據進行處理，主要是為了消除激光掃描數據點中的噪聲點，并對該噪聲點進行補償;精簡數據傳輸字節，以提高數據在上位機和控制板卡之間的通信速率;對掃描點數據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，處理流程如圖2所示。

在激光掃描數據的處理過程中，主要采用了對激光掃描數據的精簡和錯誤點標識，對應圖2a;對激光數據進行中值濾波以消除噪聲點，對應圖2b;對機頭掃描數據進行曲線擬合，以滿足數據結算的需求，對應圖2c。

Fig.2 Processing of laser scanning data

3 數據精簡與錯誤點標識

激光掃描系統選用班納公司的LT300遠距離激光測距儀［6］。班納LT300型激光測距儀采用激光脈沖飛行時間測量法，對于自然物體表面測量范圍可達300m，滿足飛機泊位的距離要求，測量精度到60mm，滿足系統的100mm泊位誤差要求。

激光測距儀以二進制輸出距離值，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。剩余的21bit表示距離值。為了數據的快速傳輸，需要在AVR32 MCU中對數據精簡處理。先將byte 2，byte 1和byte 0的最高位去掉。在機場的實際環境中，由于飛機泊位的最大距離不大于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。如圖3所示。

Fig.3 Data compaction of laser scanning data

激光測距儀的單次測量誤差最大為60mm，小于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舍去，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。此時可使數據傳輸速率增加1/3。以距離值29121mm為例，原存儲格式為:0x814341。經過數據精簡后，傳輸格式為:0x1470。數據精簡算法示意如圖3所示，圖中，MSB表示字節的最高位(the most significant bit)，LSB表示字節的最低位(the least significant bit)。

激光測距數據精簡后，進行錯誤點的標識。在實際飛機泊位的過程中，由于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，將精簡后的激光數據值中的小于12m和大于150m的距離值標為0，并在上傳數據給工控機之前，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數據分析可知，在連續掃描的數據中總存在一些雜散點和錯誤點，需要對其進行濾除。為保證數據處理的實時性，此處引入圖像處理中的中值濾波算法并加以簡化，使之應用于激光掃描數據的噪聲去除［7-8］。消除噪聲的流程如圖2b所示。

將激光掃描的每行/列數據看成點集P(d1，d2，d3，…，dN)。定義前向數據差Δdb=di-di-1。對于在一個平面上的點，di≈di-1，Δd≈0。由于存在噪聲點，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=didi-1，Δdb=di-di+1。根據機場實驗得到的數據分析，設定閾值Δd=1m，即相鄰兩點的距離差值閾值大于1m時，可認為距離值發生突變，對應的激光點不在同一個平面上［9-11］。如圖4所示。

Fig.4 Distance mutation

中值濾波的流程如圖2b所示，中值濾波的效果如圖5所示。

Fig.5 Effect of the median filtering a—before median filtering b—after median filtering

5 數據擬合

在對掃描點進行重排后，需要對掃描數據點進行曲線擬合。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［12-14］。

對落在機頭上的3維點 pi(xi，yi，zi)與另一點pj(xj，yj，zj)，由于 pi和 pj同屬于同一行激光點，因此zi=zj。即進行曲線擬合時僅需要對(xi，yi)進行曲線擬合。

根據飛機外形輪廓和角度值α確定，假設落在機頭上的點集為 S(p1，p2，p3，…，pN)。其中 pi的值為點集合(xi，yi)。可將飛機機頭部分進行的掃描點用二次多項式擬合，即:

引入記號s次曲線擬合過程中xi的冪次數。則(2)式可以表述為:，其中，k 是二

將(3)式用矩陣形式表示為:

通過對此方程進行求解，可以得到(a0，a1，a2)的值。數據擬合過程如圖2c所示。圖6為一次掃描數據的二次擬合曲線圖。

Fig.6 Effect of conics fitting

圖6 中虛線為激光掃描原始數據的輪廓線，實線為經過最小二乘的二次多項式擬合后的曲線。

6 結論

針對飛機泊位對時間和精度的嚴格要求，本文中研究了對激光數據的處理。通對激光數據精簡，解決數據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，對激光數據的處理，可以很好地保證實現飛機泊位過程的精確性。

［1］ HAN W P，MENG W.Error analysis and correction methods of dual galvanometer scanning［J］.Elector-Optic Technology Application，2011，26(4):14-18(in Chinese).

［2］ ZHANG H X.Study on building modeling based on 3-D laser scanning technology［J］.Laser Technology，2014，38(5):431-434(in Chinese).

［3］ PENG L Y，WANG X Y，ZHOU J T，et al．Polynomial fitting correction of galvanometer geometric distortion error in laser marking［J］.Laser Technology，2013，37(5):601-604(in Chinese).

［4］ QIN G，XU D Sh.Design and realization of multi target pulsed laser range finder on CPLD［J］.Laser＆ Infrared，2010，40(2):152-154(in Chinese).

［5］ LIU W.The laser ranging system based on FPGA technology［D］.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2007:30-57(in Chinese).

［6］ ZHOU Sh Y.Design and research on laser range finder system［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2009:40-52(in Chinese).

［7］ WANG X X，JIANG D F，LIN Zh W.High efficiency implementation of real time median filtering in embedded system［J］.Microelectronics，2010，40(6):852-856(in Chinese).

［8］ WEI Y F，DU Zh Ch，YAO Zh Q.Application of median filter in point cloud data pre-processing lidar［J］.Laser Technology，2009，33(2):213-216(in Chinese).

［9］ ZHANG M Y，WANG H L.Application of image noise removing based on improved median filtering［J］.Ordnance Industry Automation，2006，26(8):45-47(in Chinese).

［10］ KOLTEP P，SMITH R，SU W.A fast median filter using AltiVec［C］//IEEE International Conference on Computer Design(ICCD).New York，USA:IEEE，1999:384-391.

［11］ JIANG B，HUANG W.Adaptive threshold median filter for multiple-impulse noise［J］.Journal of Electronic Science Technology of China，2007，5(1):70-74.

［12］ REN Sh Zh，WANG G J.Optimizing the parameters of data points in curve and surface fitting［J］.Journal of Image and Graphics，2006，11(1):96-102(in Chinese).

［13］ LIU J.Fitting and interpolation for curve and surface from scattered data using moving least squares method［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2011:18-38(in Chinese).

［14］ WANG L P.Research on curve and surface fitting from cloud data［D］.Ji’nan:Shandong University，2008:18-44(in Chinese).