可視化導航系統設計與實現

摘要：可視化導航是提升直升機在危險地形和有限能見度條件下安全飛行能力的重要技術手段，其利用多源信息融合可以增強直升機在危險地形和有限能見度條件下的感知能力。文章提出了一種可視化導航系統的軟硬件解決方案，硬件上設計了一種顯示計算平臺，在此基礎上研究開發了可視化導航系統的功能軟件，可以在繪制的三維地圖上疊加相應的飛行控制信息以及雷達探測信息，為機組提供增強視景，以增強飛行員的飛行感知能力。

關鍵詞：飛行視景；信息融合；硬件設計

中圖分類號：TP391.7

文獻標志碼：A

0 引言

飛行安全是實現各項飛行任務的前提。面向緊急醫療服務、搜救等近地類型的任務，直升機必須在靠近危險地形和障礙物的區域內飛行。為了避免直升機在受限區域和低能見度條件下飛行時，撞到電線、塔架等障礙物或者地形，一些技術手段可以被采用以提升直升機飛行員的地形和障礙感知能力。

直升機可視化導航系統^［1］憑借圖形化描繪地形和障礙物的能力，可以提供飛行路徑上關于危險地形和障礙物的提示。可視化導航系統通過對機載圖像/雷達傳感器信息、機載數字地圖信息、導航信息進行融合，在顯示設備中呈現艙外視景畫面，可以幫助飛行員獲得等同于正常視覺環境下的目視能力，能夠對飛機進行等效目視操作。

本文提出了一種可視化導航系統的設計與實現方案，硬件上設計了一種顯示計算平臺，在此基礎上研究開發了可視化導航系統的功能軟件。可視化導航系統可以在繪制的三維地圖上疊加相應的飛行控制信息以及融合雷達探測信息，在提供機外增強視景的同時，顯示出重要的數據指示，以增強飛行員的飛行感知能力。

1 系統架構

本文提出的可視化導航系統架構如圖1所示，該系統從前端獲取毫米波雷達探測信息、導航飛控數據、飛行管理數據，結合預存的數字地圖數據、控件庫等，進行綜合處理渲染，主要包括圖像融合、雷達地圖融合、地圖渲染、儀表繪制等功能模塊，生成能夠增強飛行員感知意識的視頻畫面，送入終端顯示器進行輸出顯示。

導航飛控數據包括飛控系統輸入的俯仰、偏航、橫滾姿態和經度、緯度和高度等位置數據。飛行管理數據包括從飛行管理平臺傳來的航路數據、氣象、塔臺等數據。數字地圖數據包括數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數字正射影像（Digital Orthograph Model，DOM）、矢量模型等。

可視化導航主要功能模塊的需求如下：（1）雷達地圖融合功能模塊，對雷達探測數據與DEM數據進行三維/三維融合，以圖像方式提示危險地形區域；（2）圖像融合功能模塊，將紅外和可見光圖像進行融合，以提升圖像的細節表現力；（3）地圖渲染功能模塊，主要對DEM、DOM等數據進行處理，將三維數據進行頂點、面元與紋理組織，發送到圖形處理器中進行渲染；（4）儀表繪制功能模塊，將飛控飛管信息等數據在三維數字地圖上以儀表畫面的形式實時顯示。

2 硬件電路設計

可視化導航系統運行在本文設計的顯示計算平臺上。顯示計算平臺采用基板+處理單元的方式實現。基板支持插入數據處理單元和顯示處理單元。數據處理單元和顯示處理單元的核心器件^［2］分別為中央處理器和圖形處理器。基板上主要包括的功能電路有時鐘電路、復位電路、電源電路、電子盤電路。顯示計算平臺結構如圖2所示。

2.1 平臺設計思想

顯示計算平臺的設計思想如下：（1）模塊化思想。顯示計算平臺的軟硬件設計均采用模塊化劃分思想，各個子模塊功能明確：硬件電路設計上進行層次化劃分，在設計滿足功能要求的情況下，對功能子電路如時鐘電路、電源電路等進行簡化并沿用成熟設計，以提高產品的固有可靠性；軟件配置上進行優化，采用層次化結構和中間件設計，簡化系統軟件結構。（2）兼容性思想。顯示處理單元的設計遵循以下原則：顯示處理單元采用符合標準的外形結構，統一印制板的長寬尺寸、連接器位置、朝向等；顯示處理單元連接器的信號定義保持一致，包括電源、時鐘、復位、視頻接口、通信接口等；顯示處理單元對應的基板具備足夠的供電能力，由于不同圖形處理器的功耗各不相同，如果只考慮一種圖形處理器的功耗特性進行設計，會導致功耗大的顯示處理單元無法正常工作。因此，在對基板中的電源轉換電路進行設計時，應綜合考慮多種圖形處理器的功耗情況，按照最大功耗進行設計。

2.2 數據處理單元和顯示處理單元

近年來，國產中央處理器不斷發展，其指令架構主要包括ARM架構（Advanced RISC Machines， ARM）、龍芯架構。ARM和龍芯架構比較成熟，開發生態比較完善，除了在桌面計算機和服務器應用外，在嵌入式領域也進行了一定應用，技術成熟度較高。中央處理器在顯示計算平臺內部以數據處理單元的形式部署，其上包括中央處理器、內存、電源等必要組成部分，采用FMC標準連接器（FPGA Mezzanine Card， FMC）與載板相連。數據處理單元主要應用于通用計算場景。

國產圖形處理器正處在快速發展期。圖形處理器作為圖形處理與通用計算的重要器件，是嵌入式平臺的核心組件，承載著大規模圖形渲染顯示和并行信息處理功能。圖形處理器在顯示平臺內部以顯示處理單元的形式部署，其上包括圖形處理器、顯存、電源等必要組成部分，采用FMC連接器與載板相連。顯示處理單元主要應用于高性能顯示、圖像處理和通用計算等場景。

如前所述，顯示計算平臺采取了兼容性設計，數據處理單元和顯示處理單元可以分別用不同的核心器件進行設計，滿足兼容替換。

2.3 顯示接口靜電防護設計

接口電路設計過程中的重點之一是對靜電釋放做相應的防護。如果在接口電路上沒有設置保護措施，靜電釋放的脈沖由接口進入集成電路內部，會導致芯片內部通道導通，造成電子器件燒毀。

高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）具備熱插拔特性，極易產生靜電放電現象。本文在顯示計算平臺設計時對HDMI等顯示接口進行了靜電釋放（Electrostatic Discharge，ESD）防護設計。

ESD保護的措施是將ESD保護二極管并聯在HDMI接口數據線上。在正常情況下，ESD保護二極管漏電流很小，基本不產生功率損耗，不影響電路正常工作；當其兩端的電壓超過擊穿電壓的時候，ESD保護二極管被判定擊穿導通，從高阻狀態變成了低阻狀態，此時流經電流會瞬間增大，把過壓限制在最大鉗位電壓以下，從而起到分流限壓的效果。瞬態過壓消失后，ESD保護二極管又恢復為高阻狀態，可以實現重復保護。

2.4 溫度特性設計

通常機載領域要求產品具備高低溫條件下的工作能力。為實現這一目標，一方面在芯片選型上要求其滿足高低溫工作范圍，另一方面為保證顯示計算平臺在高溫條件下能持續工作，需要考慮其散熱能力設計。散熱設計原則如下：（1）合理布局功能電路和電子元器件，使熱功耗大的組件或元器件盡量靠近印制電路板（Printed Circuit Board， PCB）兩側，便于熱傳導散熱，結合熱仿真分析結果調整優化元器件布局；（2）對于熱功耗大的組件或元器件，通過PCB版表面大面積覆銅連接到結構殼體，進行熱傳導設計，有效提高熱效率，確保其散熱性能。

為了對硬件平臺的核心器件進行溫度監控，本文設計顯示計算平臺時進行了溫度監控電路設計。圖形處理器集成有溫度傳感器控制器，本文采用1片雙向二線制同步串行總線（Inter-Integrated Circuit， I2C）接口溫度傳感器對溫度進行測量。溫度傳感器內部的模數轉換器將測量結果存放于芯片的溫度寄存器中。外部控制器可以通過I2C接口隨時對該寄存器進行訪問。當溫度超過閾值時，溫度傳感器還可以進行過熱預警。為了準確測量溫度，I2C接口溫度傳感器需要靠近圖形處理器設置。圖形處理器芯片采集到自身當前的溫度，通過通信接口將溫度信息上報給中央處理器，以實現圖形處理器溫度狀態監控的功能。

在平臺設計中還對中央處理器的溫度進行了監控，顯示計算平臺采用的中央處理器芯片內部集成有溫度傳感器，可以配置模式和參數，讀取溫度值。

3 軟件配置設計

可視化導航系統將機載圖像/雷達傳感器信息、機載數字地圖信息、導航信息進行融合處理，即獲取圖像和雷達探測信息與三維數字地圖預存可視化信息進行疊加融合。可視化導航軟件包含了所需的三維數字地圖、雷達地圖融合、圖像融合、儀表繪制顯示等主要功能模塊。

3.1 三維數字地圖

三維數字地圖可以生成三維地形，是可視化導航的重要組成部分，提供了可視化導航的地圖背景。繪制三維數字地圖，需要對存儲的數字高程模型和數字正射影像圖等數字地圖數據進行高效調度并渲染，因而可以將三維數字地圖繪制軟件分為三維地圖數據處理模塊和三維數字地圖顯示模塊兩部分。

三維數字地圖數據處理模塊對地圖數據進行編輯處理后存儲在電子盤中。三維數字地圖的數據處理過程，主要為地圖數據轉換，即按三維數字地圖顯示軟件所要求的數據結構，經過組織轉換后生成三維地形數據^［3］，存儲在電子盤中。

三維數字地圖顯示模塊根據控制命令調用數據庫中的地形數據，向圖形處理器發送繪圖指令，通過硬件加速圖形繪制，渲染呈現三維數字地圖。在數字地圖繪制過程中，地圖顯示模塊可按載機速度和航向進行視點改變，將數字地圖相應移動和旋轉，實現三維數字地圖顯示的動態呈現。

3.2 圖像融合

圖像融合是指將紅外和可見光圖像進行融合。紅外可見光圖像融合處理主要用于改善圖像清晰度、提升圖像的細節表現力。本文的圖像融合處理的技術方案為，首先在一對紅外和可見光圖像幀之間提取并匹配特征點，再計算單應矩陣進行圖像配準，最后利用開放計算語言（Open Computing Language， OpenCL）對兩尺度圖像融合算法進行并行加速實現，完成融合圖像的輸出。

OpenCL是一種并行計算架構，可以運行在多核中央處理器、圖形處理器等異構處理設備上。OpenCL程序分為兩部分，一部分是主程序，這部分程序負責參數定義、內存空間分配、設備管理等；另一部分是核程序，這部分程序就是執行并行算法的核心程序。本文中核程序的設計理念為基于兩尺度圖像融合算法，進行并行化改進。處理過程為對圖像進行分塊，通過并行處理每一塊的均值和中值濾波，實現并行化計算。

3.3 雷達地圖融合

數據融合對于可視化導航具有重要價值。單獨非實時三維數字地圖或者毫米波雷達都不足以支撐低能見度視覺環境下的感知需求。三維數字地圖數據范圍廣，數據質量好，但是分辨率低、更新速度慢。毫米波雷達實時性好，穿透成像能力強，近距離成像分辨率高。因此，三維數字地圖與毫米波雷達探測的地形障礙物數據形成互補關系，通過兩者之間的融合能夠幫助直升機飛行員獲得更加全面準確的飛行場景可視化信息。

雷達地圖融合軟件是將雷達探測地形點、障礙物與地圖數據庫預存高程數據進行融合。處理流程主要為首先對雷達數據進行預處理，完成坐標系轉換及對應地形柵格的確定，再通過地形柵格對造成虛警的雷達探測地形點進行過濾，最后將雷達地形融合結果存回地圖數據庫，啟動地圖繪制線程對融合后的地形以及表示的障礙物進行渲染。

3.4 儀表繪制顯示

可視化導航系統需要將導航信息、狀態信息等進行處理，即在三維數字地圖上以儀表畫面的形式實時顯示飛行參數、狀態參數和導航參數等數據^［4］。儀表畫面主要包含電子地平儀、高度表、指示空速表、羅盤等顯示內容。

本文基于ARINC661協議^［5］構建控件庫，利用控件庫設計所需儀表畫面，將設計好的儀表畫面生成為定義文件^［6］ （Definition File， DF）。在顯示計算平臺上運行解析顯示內核程序，加載DF文件，解析處理數據，實現對電子地平儀、高度表、羅盤等儀表畫面的實時顯示與更新。

4 結語

本文提出了一種可視化導航系統的解決方案，包括硬件電路設計與軟件配置實現。該系統通過多源信息融合，實現了在繪制的三維地圖上疊加相應的飛行控制信息以及融合雷達探測信息，可以呈現增強后的艙外視景畫面，以提升直升機在危險地形和低能見度環境中的感知能力。

參考文獻

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［5］劉建，劉勤，孫永榮，等.ARINC661規范及其應用開發研究［J］.計算機與現代化，2010（4）：188-192.

［6］趙文獻，孫永榮，王勇，等.ARINC661設計文件自動生成平臺的研究與實現［J］.航空計算技術，2014（2）：114-117.

（編輯 王永超）

Design and application of visual pilotage system

XIE Xiuchuan， CUI Xiangqian， YU Xiang， YANG Jingbao

（Avic Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute， Xi’an 710000， China）

Abstract：Visual pilotage system is an important technical means to improve the helicopter’s safe flight ability in dangerous terrain and Degraded Visual Environment （DVE）， which can enhance the helicopter’s perception ability by using multi-source information fusion. In this paper， a software and hardware solution of the visual pilotage system is proposed. And a display computing platform is designed， based on which， functional software of the visual pilotage system is developed， which can superimpose the corresponding flight control information and radar detection information on the 3D digital map， providing the crew with enhanced vision to enhance the flight perception ability for pilot.

Key words：flight vision; information fusion; hardware design