基于激光三角測(cè)量的飛機(jī)起飛最小離地間隙測(cè)量

王鼎元，李天志，譚 誼，胡東升，李南伯

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 四川 成都　610092）

基于激光三角測(cè)量的飛機(jī)起飛最小離地間隙測(cè)量

王鼎元，李天志，譚 誼，胡東升，李南伯

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 四川 成都610092）

根據(jù)某型飛機(jī)試飛任務(wù)需求，亟待對(duì)飛機(jī)起飛最小離地間隙進(jìn)行精確測(cè)量。本文首次基于激光三角測(cè)量原理對(duì)該距離參數(shù)的測(cè)量進(jìn)行了研究，并制定完整的機(jī)載測(cè)量方案。飛機(jī)起飛過(guò)程中激光測(cè)距傳感器實(shí)測(cè)其對(duì)地距離，測(cè)量過(guò)程中采用滑動(dòng)平均和灰度重心法對(duì)測(cè)距精度進(jìn)行優(yōu)化。記錄器將傳感器輸出的距離參數(shù)與飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)一并進(jìn)行記錄并發(fā)送遙測(cè)。事后對(duì)各參數(shù)進(jìn)行換算得出飛機(jī)起飛最小離地間隙數(shù)據(jù)，換算過(guò)程中有效地排除了飛機(jī)姿態(tài)角偏離對(duì)測(cè)距精度的影響。試驗(yàn)證明該測(cè)量方法準(zhǔn)確可靠，且測(cè)試方案滿足試飛任務(wù)需求。

激光三角測(cè)量；滑動(dòng)平均；灰度重心法；飛機(jī)起飛；最小離地間隙

最小離地間隙是表征飛機(jī)起飛安全性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，同時(shí)也是增強(qiáng)客戶信心的一項(xiàng)重要因素。以往測(cè)量飛機(jī)最小離地間隙常用的方法包括光電經(jīng)緯儀測(cè)量［1］或陀螺穩(wěn)定平臺(tái)激光測(cè)量。前者外測(cè)技術(shù)雖然具有一定可靠性和精度，但是在實(shí)際試驗(yàn)中存在局限性：試驗(yàn)條件苛刻，實(shí)際可控程度不高（環(huán)境光照、飛機(jī)起飛滑跑距離不確定等）；后者盡管能確保測(cè)距傳感器激光束始終與地面垂直以獲得精確的測(cè)量值，然而受本型飛機(jī)氣動(dòng)布局限制，且在重構(gòu)型起飛情況下機(jī)體離地間隙有限，使得機(jī)身上沒(méi)有適合的位置安裝陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。

針對(duì)本型機(jī)測(cè)試任務(wù)的特點(diǎn)，文中首次基于激光三角測(cè)量原理計(jì)算起飛過(guò)程中飛機(jī)最小離地間隙。并且制定了一套基于激光測(cè)距傳感器的飛機(jī)起飛最小離地間隙測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠精確測(cè)出傳感器對(duì)地距離，而且能夠?qū)⒕嚯x參數(shù)和飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)一并進(jìn)行記錄并實(shí)時(shí)發(fā)送至遙測(cè)地面接收，以便根據(jù)各參數(shù)綜合解算出飛機(jī)最小離地間隙。試驗(yàn)結(jié)果證明該測(cè)量方法是準(zhǔn)確的，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，測(cè)量結(jié)果滿足試飛項(xiàng)目對(duì)測(cè)量精度的要求。

1　測(cè)量方案

本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)起飛最小離地間隙測(cè)量系統(tǒng)包括：激光測(cè)距傳感器、數(shù)據(jù)記錄器、遙測(cè)發(fā)射裝置和地面接收裝置。為了精確計(jì)算出飛機(jī)起飛最小離地間隙，系統(tǒng)需要完成如下工作：按照預(yù)定角度在合理位置安裝激光測(cè)距傳感器，傳感器準(zhǔn)確測(cè)出其對(duì)地距離，測(cè)量方案如圖1所示；傳感器將距離參數(shù)（由模擬電壓形式表征）輸出至記錄器；記錄器將對(duì)地距離與飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)一并進(jìn)行記錄并輸出至遙測(cè)下傳；試后對(duì)參數(shù)進(jìn)行整理計(jì)算，一方面引入飛機(jī)真實(shí)迎角參數(shù)將傳感器對(duì)光斑距離數(shù)據(jù)換算為精確的離地間隙數(shù)據(jù)，另一方面依據(jù)機(jī)體幾何結(jié)構(gòu)將傳感器離地間隙轉(zhuǎn)換為飛機(jī)實(shí)際最低離地點(diǎn)間隙。本文以下章節(jié)對(duì)測(cè)量方案各主要原理進(jìn)行詳述。

2　測(cè)量原理及方法

2.1激光三角測(cè)距原理

系統(tǒng)運(yùn)用的激光測(cè)距傳感器是基于光學(xué)三角測(cè)量原理［2］的一種測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備由激光傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊組成。傳感器測(cè)量原理如下：激光源向被測(cè)物體表面上投射一個(gè)可見(jiàn)光斑，其漫反射光通過(guò)接受透鏡后在感光片上成像，如圖2所示。當(dāng)傳感器與被測(cè)物體間的距離發(fā)生變化時(shí)，光斑的反射角產(chǎn)生相應(yīng)的變化，在光源、透鏡和感光片位置都確定的情況下，反射角的變化最終引起感光片上成像點(diǎn)位置的變化［3］。最后，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)成像點(diǎn)位置的變化計(jì)算出被測(cè)物距離的變化，計(jì)算關(guān)系滿足公式（1）［4］：

式中，a：光軸與入射透鏡間距，b：感光片與入射透鏡間距，g：成像點(diǎn)移動(dòng)距離，h：被測(cè)物體移動(dòng)距離，m：被測(cè)物體與入射透鏡間距，圖2 α、β：距離改變前后激光反射角。

圖1　測(cè)量方案示意圖Fig.1　Schematic diagram of the testing scheme

圖2　激光三角測(cè)距原理示意圖Fig.2　Schematic diagram of laser triangulation measuring

2.2光斑成像精細(xì)定位

由激光三角測(cè)距原理可以看出，感光片上光斑成像點(diǎn)的定位精度是影響測(cè)距精度的關(guān)鍵因素。理想情況下，激光光斑在感光片中的成像應(yīng)該是平滑的線條或圓點(diǎn)，但在實(shí)際測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)不同程度的形變［5］。這些形變可能是由于感光片的熱噪聲和雜散光干擾等造成的，并最終引起測(cè)距數(shù)據(jù)噪聲。因此需要對(duì)采集到的光斑移動(dòng)圖像進(jìn)行濾波處理來(lái)消除這些噪聲，得到平滑的曲線。傳統(tǒng)的濾波方法有滑動(dòng)平均、遞歸平均、中值濾波法［6］。為了同時(shí)提高光斑成像分辨率，文中選用了滑動(dòng)平均法，本質(zhì)上滑動(dòng)平均是一種低通濾波運(yùn)算，形式如下：

其中，Mgl是輸出的算術(shù)平均值，MV是單個(gè)測(cè)量值，N代表取平均數(shù)的測(cè)量值個(gè)數(shù)（即滑窗寬度）。

通過(guò)這條平滑的曲線粗略定位激光光斑中心點(diǎn)的位置，由于中心點(diǎn)區(qū)域比較平緩，加上噪聲的干擾，搜索最大值方法可能性低，因此需要設(shè)置一個(gè)門限，讀取兩個(gè)門限中間的值可定位中心點(diǎn)坐標(biāo)。

圖3　光斑定位流程Fig.3　The process of spot location

再則，受工藝的限制，不可能無(wú)限制地通過(guò)提高感光片的分辨率來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。然而運(yùn)用圖像處理的方法可以使光斑定位精度達(dá)到亞像素級(jí)。如灰度重心法，曲面擬合法和插值法［7］。本文采用了灰度重心法，該方法可以看成是以灰度為權(quán)值的加權(quán)法，由于距離成像信號(hào)近似為正態(tài)的高斯分布，光斑的灰度質(zhì)心可由公式（3）得出：

式中，X為光斑灰度質(zhì)心位置，x0為光斑粗定位的中心，xm為與x0相鄰的第m像素的位置，Wm為第xm像素位置光斑的灰度值。以上定位精度可以達(dá)到0.2～0.5個(gè)像素。

2.3傳感器離地間隙換算

為保證激光三角測(cè)量精度，即確保激光傳感器所測(cè)量的對(duì)地距離（對(duì)光斑距離）等于其真實(shí)的離地間隙，飛機(jī)抬頭起飛時(shí)傳感器激光束應(yīng)當(dāng)與機(jī)場(chǎng)地面嚴(yán)格垂直。因此，該系統(tǒng)采用了一個(gè)大小為θ的傾斜俯角對(duì)測(cè)距儀進(jìn)行安裝，θ等于起飛時(shí)刻飛機(jī)的理論仰角，進(jìn)而使得傳感器俯角與飛機(jī)仰角在理論上相互抵消，如圖1所示。

然而在實(shí)際起飛時(shí)，飛機(jī)實(shí)際仰角φ與理論仰角θ存在不同程度的偏離，致使激光束與垂直地面方向存在φ-θ的夾角，示意如圖2所示。可見(jiàn)，需要在起飛過(guò)程的每個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)運(yùn)用三角變換法則將傳感器所測(cè)對(duì)地距離l換算為真實(shí)的離地間隙d。換算公式如下：

其中，d為傳感器離地間隙；l為傳感器所測(cè)對(duì)地距離（對(duì)光斑距離）；θ為飛機(jī)理論仰角；φ為飛機(jī)實(shí)際仰角；x為空間坐標(biāo)水平方向，取航向?yàn)檎粂為空間坐標(biāo)垂直方向。

3　測(cè)量結(jié)果及精度分析

3.1測(cè)量結(jié)果

1）依據(jù)激光測(cè)距傳感器實(shí)測(cè)距離，由512 Hz采樣率繪制出傳感器實(shí)測(cè)對(duì)地距離曲線圖，如圖4所示。由于未納入飛機(jī)實(shí)際姿態(tài)參數(shù)，因此該曲線參數(shù)不能精確表示傳感器的實(shí)際對(duì)地距離，只作為傳感器對(duì)地面光斑距離考慮。

圖4　傳感器離地間隙換算示意圖Fig.4　Schematic diagram of the conversion of sensor height

圖5　傳感器實(shí)測(cè)對(duì)地距離曲線圖Fig.5　Data diagram of the actual height of sensor

2）根據(jù)記錄器采集的飛機(jī)俯仰角參數(shù)得出飛機(jī)實(shí)際仰角φ，繪制飛機(jī)俯仰角參數(shù)曲線如圖5所示。可見(jiàn)在起飛抬頭過(guò)程中，飛機(jī)仰角不斷變化且逐漸增大。

圖6　飛機(jī)俯仰角參數(shù)曲線圖Fig.6　Data diagram of the pitch angle parameter

3）依據(jù)傳感器實(shí)測(cè)對(duì)地距離和飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)，由公式（4）計(jì)算出傳感器離地間隙，最后根據(jù)機(jī)體結(jié)構(gòu)換算出飛機(jī)最低點(diǎn)的離地間隙數(shù)據(jù)，曲線如圖6所示。該曲線真實(shí)地反映了起飛過(guò)程中各時(shí)刻飛機(jī)的最小離地間隙數(shù)據(jù)。

圖7　飛機(jī)最小離地間隙曲線圖Fig.7　Data diagram of the aircraft minimum height to the ground

3.2精度分析

在實(shí)際飛機(jī)起飛測(cè)量過(guò)程中，影響最小離地間隙測(cè)量值精度的因素不僅包括激光傳感器本身測(cè)距精度的靜態(tài)因素，還包括反射面角度不斷變化對(duì)測(cè)距精度影響的動(dòng)態(tài)因素。因此需要在裝機(jī)前對(duì)傳感器進(jìn)行細(xì)致的標(biāo)定工作，具體從兩個(gè)方面開展：

1）靜態(tài)精度標(biāo)定

標(biāo)定試驗(yàn)中，在傳感器測(cè)量范圍300～900 mm之間抽取5個(gè)反射面位置，每個(gè)位置測(cè)量3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果如表1所示，統(tǒng)計(jì)得反射面距離410 mm時(shí)，測(cè)量距離最大標(biāo)準(zhǔn)差為2.06 mm，誤差率0.5%。因此，同時(shí)考慮到在標(biāo)準(zhǔn)距離點(diǎn)的前后重復(fù)性精度，該傳感器測(cè)距精度可以達(dá)到±2.06 mm，滿足試驗(yàn)的精度要求。

表1　激光傳感器靜態(tài)精度標(biāo)定Tab.1 Static accuracy calibration of the laser sensor

2）動(dòng)態(tài)精度標(biāo)定

試驗(yàn)中，反射面距離固定在600 mm，而激光束與反射面夾角在90°～170°區(qū)間變化，抽取5個(gè)角度位置，每個(gè)位置測(cè)量3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果如表2所示，統(tǒng)計(jì)得在激光束與反射面夾角170°情況下，測(cè)量距離最大標(biāo)準(zhǔn)差為2.16 mm，誤差率0.4%。因此，該傳感器在反射面角度差異化的情況下測(cè)距精度可以達(dá)到±2.16 mm，滿足試驗(yàn)的精度需求。

表2　激光傳感器動(dòng)態(tài)精度標(biāo)定Tab.2 Dynamic accuracy calibration of the laser sensor

4　結(jié)　論

文中首次提出一種基于激光測(cè)距的飛機(jī)起飛最小離地間隙測(cè)量方法，重點(diǎn)對(duì)激光三角測(cè)距原理，光斑成像精確定位算法，以及傳感器離地間隙精確換算方法進(jìn)行了分析。本文系統(tǒng)不僅能夠精確測(cè)出傳感器對(duì)地距離，而且能夠?qū)⒕嚯x參數(shù)和飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)一并進(jìn)行記錄并實(shí)時(shí)發(fā)送至遙測(cè)地面接收，以便根據(jù)各參數(shù)綜合解算出飛機(jī)最小離地間隙。再則，本文綜合考慮了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素在試驗(yàn)前對(duì)激光傳感器的精度進(jìn)行了詳細(xì)的標(biāo)定。本次試驗(yàn)先后完成了5架次起飛試驗(yàn)任務(wù)，試后分析數(shù)據(jù)結(jié)果表明該測(cè)量方案是準(zhǔn)確可靠的，測(cè)量結(jié)果滿足試飛任務(wù)對(duì)精度的要求。特別是相比于其他飛機(jī)起飛最小離地間隙測(cè)量方法，本方案提供了一種適應(yīng)特定機(jī)載測(cè)試環(huán)境的新思路和新方法。

［1］彌變莉，吳衡.MA60飛機(jī)短距起飛外測(cè)技術(shù) ［J］.測(cè)控技術(shù)，2010，29（9）:27-30.

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Calibration of the plane′s minimum height during take-off based on laser triangulation principle

WANG Ding-yuan，LI Tian-zhi，TAN Yi，HU Dong-sheng，LI Nan-bo
（Chengdu Aircraft Industrial Co.Ltd，Chengdu 610092，China）

The flying test of the aircraft requires that the measuring of the minimum height to the ground of the plane should be rapidly and precisely.The first application of the laser triangulation principle in the measurement of such parameter，and formulate a nubile on-board system.The sensor calibrates the distance to the ground，the moving average and the gray center method make the parameter more precise.The recorder get the parameters and translates them to the ground station.The comprehensive calculation of the parameters eventually get the minimum height，and such calculation has taken the attitude angle of the plane in consideration.Such progress of the calculation is reliable and meets the demand of the take-off test.

laser triangulation principle；moving average；gray center method；take-off test；minimum height

TN2

A

1674－6236（2016）05-0100-03

2015-04-02稿件編號(hào)：201504021

王鼎元（1984—），男，四川郫縣人，碩士，工程師。研究方向：飛行試驗(yàn)、試飛測(cè)試。