一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置及方法
【专利摘要】本发明涉及入侵异物检测和激光扫描【技术领域】，尤其是涉及一种架设于跑道边缘的基于激光扫描技术的跑道路面检测装置及方法。本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种架设于跑道边缘的，高效、精确的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置及方法，检测机场跑道上存在的威胁航空安全的入侵物。本发明包括至少一个激光扫描仪、至少一个摄像机与处理器之间的结构设计等完成本发明。本发明应用于机场跑道平面入侵物的检测领域。
【专利说明】一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及入侵异物检测和激光扫描【技术领域】，尤其是涉及一种架设于跑道边缘的种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]在飞机起降过程中，跑道上存在的入侵异物(Foreign Object Debris, F0D)可能对航班的安全造成重大的威胁。潜在的危害轻则损坏机身，重则造成空难，机毁人亡。因此，为了确保航班的安全，入侵物必须及时被发现、识别，并根据其威胁等级做出相应的处理。威胁航空安全的跑道入侵物可以小至3cm直径，在上千米长的跑道上使用人工排查的方式，效率低下，且入侵物被忽略的可能性较高。因此使用一种自动化系统来高效准确地发现并排除跑道入侵物，对机场的安全运行有重要意义。
[0003]现有的FOD自动检测设备使用的技术主要是图像技术和雷达技术。图像技术对可见光的依赖较强。即便使用红外设备，受限制的因素，诸如分辨率、自动检测的准确率等，也比较多，因此没有被广泛使用。相比之下，较为广泛使用的技术是雷达检测。探测器发射不同波长的雷达波，根据回波信号判断异物的存在。但是雷达回波信号本身较复杂，直观度较差。且易受杂波和二次反射等影响，准确度和精度都有限制。
[0004]激光扫描三维成像技术是一种在正在逐渐兴起的新技术，其使用大量的激光点探测出物体表面的形状和反射强度，并生成物体表面的三维点云图像。应用在机场跑道环境中，使用点距小于3cm的扫描生成的点云图像，可以无遗失地记录下跑道路面存在的F0D。但是直接生成的点云数据并不能自动发现FOD (不能区别入侵物和道面)，因此需要一种方法，能从大量的点云数据中检测FOD的存在并定位。
[0005]在机场飞机起降应用环境中，主要有三个方面的问题给检测系统提出了更高的要求。首先，理想的系统应该在第一时间发现入侵物，入侵物停留的时间越长，造成损害的可能性越大。其次，为了机场稳定有序运行，检测的结果不能遗漏跑道上存在的入侵物，也不能过分强调不遗漏而出现过多的把安全误判成危险的错误。最后，室外环境不同于实验室理想环境，地面并不是完美的平面，雾霾雨雪等天气可能带来能见度下降、路面环境变化等问题在实际应用中必须面对。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是:针对上述存在的问题，提供一种架设于跑道边缘的，高效、精确的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置及方法。用于检测机场跑道上存在的威胁航空安全的入侵物。本发明使用激光和图像为检测和确认手段，设计了一个完整的入侵物检测装置及方法，并且首次在入侵异物检测问题上使用激光线扫描技术，发明了 一种新的入侵异物检测装置及方式。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置包括:至少一个激光扫描仪，架设在跑道边缘两侧，探测跑道平面上出现的物体参数；激光扫描仪以时间间隔T对其监控区域进行重复探测，所述激光扫描仪的扇形发射面与跑道路面地面平行，且距离跑道路面地面距离小于最小入侵异物的直径。
[0008]至少一个摄像机，架设在距离跑道路面为D’的同侧位置，用于接收处理器的命令，拍摄入侵物图片，并将入侵物图像信息回传至处理器，所述D’ ^ O ；
处理器，用于接收激光扫描仪的信号，即探测到的物体参数(r，Θ )，判断物体是否为入侵物；当入侵物在固定位置存在时间超过S时，且在跑道工作区内，则入侵物是疑似入侵物时，根据疑似入侵物坐标，发送触发命令，触发与疑似入侵物坐标对应的摄像机进行图像拍摄，并接收摄像机拍摄的疑似入侵物图像信息后进行是否为真实入侵物，并进行真实入侵物清除，所述r是物体距离激光扫描仪的距离，Θ是扫描仪探测光束的发射角度。
[0009]所述激光扫描仪安装于跑道边缘两侧交错安置，所述同侧相邻两个激光扫描仪之间的距离为2P，所述相对侧的激光扫描仪在同侧相邻两个激光扫描仪中点的垂线上，所述
P = R +4R2-W2。其激光扫描仪能达到的角分辨率的为，入侵异物空间分辨率为!则激光扫描仪的有效扫面半径r力,所述R ,其中,为跑道平面的宽度。
[0010]所述相邻两个摄像机之间的距离为Jkf= 2扣2-(D'+W.)2 ,其中f为摄像机的有
效作用半径，D'为其距离近摄像机一侧跑道边缘的距离。
[0011]所述处理器处理激光扫描仪获得物体的坐标信息过程包括:
步骤1:将采集的激光扫描仪的信·息，转换到跑道标准坐标系下HUOS 5+?,
^ =,其中(?,九)对应激光扫描仪在跑道上的安装位置，X轴代表跑道平面长度
方向。轴代表那个跑道平面宽度方向；
步骤2:当或者.V <0时，则为跑道平面外的环境信号；当OSySiT时，物体是入
侵物，处理器触发摄影机进行入侵物图像拍摄。
[0012]所述T范围是0.1s到0.5s, S范围是Is到3s。
[0013]所述激光扫描仪是线性激光扫描仪。
[0014]一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置还包括监控终端，所述监控终端远程登录处理器，读取图像信号，人工最终确认入侵物。
[0015]一种基于激光扫描技术的跑到路面检测方法包括:
步骤1:通过至少一个激光扫描仪探测跑道平面上出现的物体参数；激光扫描仪以时间间隔T对其监控区域进行重复探测，所述激光扫描仪的扇形发射面与跑道路面地面平行，且距离跑道路面地面距离小于最小入侵异物的直径；
步骤2:处理器接收激光扫描仪的信号，即探测到的物体参数(r，Θ )，判断物体是否为入侵物；当入侵物在固定位置存在时间超过S时，且在跑道工作区内，则入侵物是疑似入侵物时，根据疑似入侵物坐标，发送触发命令，触发与疑似入侵物坐标对应的摄像机进行图像拍摄，并接收摄像机拍摄的疑似入侵物图像信息后进行是否为真实入侵物，并进行真实入侵物清除，所述r是物体距离激光扫描仪的距离，Θ是扫描仪探测光束的发射角度。
[0016]所述激光扫描仪安装于跑道边缘两侧交错安置，所述同侧相邻两个激光扫描仪之间的距离为2P，所述相对侧的激光扫描仪在同侧相邻两个激光扫描仪中点的垂线上，所述
【权利要求】
1.一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于包括: 至少一个激光扫描仪，探测跑道平面上出现的物体参数；激光扫描仪以时间间隔T对其监控区域进行重复探测，所述激光扫描仪的扇形发射面与跑道路面地面平行，且距离跑道路面地面距离小于最小入侵异物的直径； 至少一个摄像机，架设在距离跑道路面为D’的同侧位置，用于接收处理器的命令，拍摄入侵物图片，并将入侵物图像信息回传至处理器，所述D’ ^ O ； 处理器，用于接收激光扫描仪的信号，即探测到的物体参数(r，Θ )，判断物体是否为入侵物；当入侵物在固定位置存在时间超过S时，且在跑道工作区内，则入侵物是疑似入侵物时，根据疑似入侵物坐标，发送触发命令，触发与疑似入侵物坐标对应的摄像机进行图像拍摄，并接收摄像机拍摄的疑似入侵物图像信息后进行是否为真实入侵物，并进行真实入侵物清除，所述r是物体距离激光扫描仪的距离，Θ是扫描仪探测光束的发射角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于所述激光扫描仪安装于跑道边缘两侧交错安置，所述同侧相邻两个激光扫描仪之间的距离为2P，所述相对侧的激光扫描仪在同侧相邻两个激光扫描仪中点的垂线上，所述 +，其激光扫描仪能达到的角分辨率的为死，入侵异物空间分辨率为i则激光扫描仪的有效扫面半径为A=之/?,所述RkiF,其中力跑道平面的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于所述相邻两个摄像机之间的距离为M= 2^Ra-(D'+Wf ,其中f为摄像机的有效作用半径，D'为其距离近摄像机一侧跑道边缘的距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于所述处理器处理激光扫描仪获得物体的坐标信息过程包括: 步骤1:将采集的激光扫描仪的信息，转换到跑道标准坐标系下6+?,j =，其中(?,九)对应激光扫描仪在跑道上的安装位置，X轴代表跑道平面长度方向，y轴代表跑道平面宽度方向； 步骤2:当7 >,或者7 <0时，则为跑道平面外的环境信号；当且连续出现时间超过S时，物体是入侵物，处理器触发摄影机进行入侵物图像拍摄。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于所述T范围是0.1s到0.5s，S范围是Is到3s。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于所述激光扫描仪是线性激光扫描仪。
7.根据权利要求1至6之一所述的一种基于激光扫描技术的跑道路面检测装置，其特征在于还包括监控终端，所述监控终端远程登录处理器，读取图像信号，人工最终确认入侵物。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描技术的跑到路面检测方法，其特征在于包括: 步骤1:通过至少一个激光扫描仪探测跑道平面上出现的物体参数；激光扫描仪以时间间隔T对其监控区域进行重复探测，所述激光扫描仪的扇形发射面与跑道路面地面平行，且距离跑道路面地面距离小于最小入侵异物的直径； 步骤2:处理器接收激光扫描仪的信号，即探测到的物体参数(r，Θ )，判断物体是否为入侵物；当入侵物在固定位置存在时间超过S时，且在跑道工作区内，则入侵物是疑似入侵物时，根据疑似入侵物坐标，发送触发命令，触发与疑似入侵物坐标对应的摄像机进行图像拍摄，并接收摄像机拍摄的疑似入侵物图像信息后进行是否为真实入侵物，并进行真实入侵物清除，所述r是物体距离激光扫描仪的距离，Θ是扫描仪探测光束的发射角度。
9.根据权利要求8所述的一种基于激光扫描技术的跑到路面检测方法，其特征在于所述激光扫描仪安装于跑道边缘两侧交错安置，所述同侧相邻两个激光扫描仪之间的距离为2P，所述相对侧的激光扫描仪在同侧相邻两个激光扫描仪中点的垂线上，所述P=i?+，其激光扫描仪能达到的角分辨率的为芑，入侵异物空间分辨率为4,则激光扫描仪的有效扫面半径力R=d所述R之!V，其中W为跑道平面的宽度；所述相邻两个摄像机之间的距离为If = 2#,其中为摄像机的有效作用半径，D'为其距离近摄像机一侧跑道边缘的距离。
10.根据权利要求8所述的一种基于激光扫描技术的跑到路面检测方法，其特征在于所述处理器处理激光扫描仪获得物体的坐标信息过程包括: 步骤1:将采集的激光扫描仪的信息，转换到跑道标准坐标系下Z = (6+?,y = rsm0+ye ,其中对应激光扫描仪在跑道上的安装位置，x轴代表跑道平面长度方向，y轴代表那个跑道平面宽度方向；` 步骤2:当7 >,或者7 <0时，则为跑道平面外的环境信号；当0<75,且连续出现时间超过S时，物体是入侵物，处理器触发摄影机进行入侵物图像拍摄。
【文档编号】G01N21/88GK103576159SQ201310563357
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】隋云峰, 钟琦, 李华琼, 杨晓嘉, 张中仅, 王雨果, 鄢丹青, 范丹 申请人:中国民用航空总局第二研究所