DE102009060901A1 - Landing aid device for vertical landing aircrafts, particularly helicopter, has image capturing unit for optical acquisition of spaces directly below a vertical landing aircraft, and evaluation unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Landehilfseinrichtung für senkrecht landende Luftfahrzeuge, insbesondere Helikopter, mit mindestens einer Bildaufnahmeeinheit zur optischen Erfassung des Raumes direkt unterhalb eines zur senkrechten Landung ausgebildeten Luftfahrzeuges und mit einer Auswerteeinheit.The invention relates to a landing aid for vertically landing aircraft, in particular helicopters, with at least one image recording unit for optical detection of the space directly below an aircraft designed for vertical landing and with an evaluation unit.
Bei jeder Landung eines senkrecht landenden Luftfahrzeugs, insbesondere Helikopters, hat der Pilot durch geeignete Steuereingaben dafür zu sorgen, dass insbesondere die seitliche Drift des Helikopters unmittelbar vor dem Aufsetzen eine bestimmte Größe nicht überschreitet. Bei Nichtbeachtung dieser maximal zulässigen Querdrift kann nach der ersten Berührung des Landegestells oder Fahrwerks mit dem Boden ein gefährliches Rollmoment entstehen, welches schließlich zu einem seitlichen Überschlag des Helikopters führen kann. Damit der Pilot die Querdrift im Moment des Aufsetzens beurteilen und die Steuereingaben kompensieren kann, ist eine möglichst uneingeschränkte visuelle Erfassung der unmittelbaren Umgebung des Helikopters erforderlich. Bei Landungen, in denen durch aufgewirbelten Sand, Staub oder Schnee die visuelle Erfassung der Umgebung eingeschränkt wird, kommt es immer wieder zu gefährlichen Situationen und auch zu Unfällen. Diese Situationen werden auch als ”Brown-Out” für durch Sand und Staub erschwerte Landungen bzw. ”White-Out” für durch Schnee gefährdete Landungen bezeichnet. Das Aufwirbeln der am Boden vorhandenen Staub-, Sand- oder Schneeteilchen wird durch den eigenen Rotorabwind verursacht. Die Stärke dieses Effekts wächst mit abnehmender Flughöhe. Solange die Flugbahn des Helikopters eine Vorwärtsbeweggung aufweist entwickelt sich zunächst eine so genannte Staubwalze hinter dem Helikopter, welche mit abnehmender Flughöhe und -geschwindigkeit schließlich eine torusförmige Form annimmt. Kurz nachdem die horizontale Bewegung des Helikopters zum Stillstand kommt, umschließt dieser ”Staubtorus” schlussendlich das gesamte Außensichtfeld und die visuelle Lageerfassung und Beurteilung der Querdrift ist dem Piloten nicht mehr möglich.At each landing of a vertically landing aircraft, in particular helicopters, the pilot must ensure by appropriate control inputs that in particular the lateral drift of the helicopter does not exceed a certain size immediately before touchdown. Failure to observe this maximum allowable lateral drift may result in a dangerous rolling moment after first touching the Landing Gear or Landing Gear with the ground, which can eventually lead to a lateral rollover of the helicopter. In order for the pilot to assess the lateral drift at the moment of touchdown and to compensate for the control inputs, it is necessary to have as complete an unobstructed visual survey of the immediate surroundings of the helicopter as possible. In landings where the detection of the surroundings is restricted by the movement of sand, dust or snow, dangerous situations and even accidents occur again and again. These situations are also referred to as "brown-out" for sand and dust hard landings or "white-out" for snow-threatened landings. The swirling up of dust, sand or snow particles on the ground is caused by the own rotor downwind. The strength of this effect increases with decreasing altitude. As long as the trajectory of the helicopter has a forward movement develops first a so-called dust roller behind the helicopter, which finally assumes a toroidal shape with decreasing altitude and speed. Shortly after the horizontal movement of the helicopter comes to a standstill, this "dust torus" finally encloses the entire external field of vision and the visual position detection and assessment of the lateral drift is no longer possible for the pilot.
Bei der Unterstützung des Führens von Luftfahrzeugen ist der Einsatz von Bildsensoren bekannt. So beschreibt z. B.
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Die Landung von Helikoptern unter reduzierter Sicht, insbesondere bei aufgewirbelten Staub, Sand oder Schnee stellen trotz dieser Hilfsmittel immer noch ein Problem dar.The landing of helicopters under reduced visibility, especially with dust, sand or snow whirled up, is still a problem despite these aids.
Die bekannten Hilfseinrichtungen für Staublandungen erfordern komplexe Zusatzinstallationen mit einer aufwendigen Integration in die vorhandene Hubschrauber-Avionik. Diese Konzepte basieren in der Regel auf dem Einsatz kostspieliger Sensoren, die nicht einfach am Hubschrauber anzubringen sind. Darüber hinaus gibt es weltweite eine große Zahl von Hubschraubern die überhaupt keine Avionik-Schnittstelle für Daten und Displays bieten.The known auxiliary equipment for dust landings require complex additional installations with a complex integration into the existing helicopter avionics. These concepts are usually based on the use of expensive sensors that are not easy to attach to the helicopter. In addition, there are a large number of helicopters worldwide which offer no avionics interface for data and displays at all.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Landehilfseinrichtung für senkrecht landende Luftfahrzeuge zu schaffen.The object of the present invention is therefore to provide an improved landing aid for vertically landing aircraft.
Die Aufgabe wird mit der Landehilfseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Auswerteeinheit zur Ermittlung der Driftrate des Luftfahrzeuges aus einer Folge von Bildern des Raumes direkt unterhalb des Luftfahrzeuges mittels Merkmalsvergleich von Bildinhalten unter Berücksichtigung der aktuellen Drehrate des Luftfahrzeuges eingerichtet ist.The object is achieved with the landing aid of the type mentioned above in that the evaluation unit for determining the drift rate of the aircraft from a sequence of images of the space is set directly below the aircraft by means of feature comparison of image content, taking into account the current rate of rotation of the aircraft.
Bei der Landehilfseinrichtung wird ausgenutzt, dass der Raum direkt unterhalb des zur senkrechten Landung ausgebildeten Luftfahrzeuges, insbesondere eines Helikopters, auch bei Aufwirbelung von Partikeln weitgehend partikelfrei ist und mit Hilfe von optischen Bildaufnahmeeinheiten beobachtet werden kann. Während des Schwebefluges verbleibt nämlich direkt unter dem Helikopter, zumindest für eine gewisse Zeit nach dem Stillstand, eine staubarme Region, durch die hindurch der Boden erkennbar bleibt.The landing aid makes use of the fact that the space directly underneath the aircraft, in particular a helicopter, which is designed for vertical landing, is largely particle-free, even when particles are fluidized, and can be observed with the aid of optical image recording units. During the hovering flight, a dust-free region remains behind the helicopter, at least for a certain time after standstill, through which the ground remains visible.
Es reicht allerdings nicht aus, dem Piloten das Bild des Landeplatzes unter seinem Helikopter direkt z. B. über einen Display anzuzeigen, da nur anhand dieser Bildinformation die Längs- oder Querdrift des Hubschraubers nicht erfasst werden kann. Die laterale Verschiebung des gesamten Bildes wird nämlich nicht nur von der Quer- und Längsdrift, sondern auch von Drehungen um die Quer- und Längsachse wesentlich mit verursacht.However, it is not enough, the pilot the picture of the landing field under his helicopter directly z. B. display via a display, since only with reference to this image information, the longitudinal or lateral drift of the helicopter can not be detected. The lateral displacement of the entire image is caused not only by the transverse and longitudinal drift, but also by rotations about the transverse and longitudinal axis substantially.
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird daher die Driftrate nicht nur aus einer Folge von Bildern des Raumes direkt unterhalb des Luftfahrzeuges mittels Merkmalsvergleich von Bildinhalten ermittelt, sondern auch unter Berücksichtigung der aktuellen Drehrate des Luftfahrzeuges.According to the teachings of the present invention, therefore, the drift rate is determined not only from a sequence of images of the space directly below the aircraft by feature comparison of image contents, but also taking into account the current rate of rotation of the aircraft.
Die Driftrate bezieht sich somit auf die Quer- und/oder Längsdrift, während die Drehrate die Drehung des Helikopters und damit der Kamera um Ihre Längs- und Querachse beschreibt. Mit Hilfe der automatisch arbeitenden Auswerteeinheit ist es damit möglich, aus den Bilddaten unter Berücksichtigung der Drehraten die Quer und/oder Längsdrift des Helikopters zu ermitteln und diese schließlich auf einem geeigneten Display zur Anzeige zu bringen oder in ein (automatisches) Steuer-/Regelsystem für den Helikopter zurückzuführen.The drift rate thus refers to the lateral and / or longitudinal drift, while the rate of rotation describes the rotation of the helicopter and thus of the camera about its longitudinal and transverse axis. With the aid of the automatically operating evaluation unit, it is thus possible to determine the transverse and / or longitudinal drift of the helicopter from the image data taking into account the rotation rates and finally display these on a suitable display or in an (automatic) control / regulation system for attributed to the helicopter.
Die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit ist z. B. in Form einer Kamera leicht und kostengünstig zu integrieren. Hierzu muss die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit nur unterhalb des Hubschraubers so angeordnet werden, dass sie direkt nach unten blickt.The at least one image recording unit is z. B. in the form of a camera easily and inexpensively. For this purpose, the at least one image recording unit must be arranged only below the helicopter so that it looks directly downwards.
Vorzugsweise mit mindestens einem Drehratensensor, der mit der Auswerteeinheit verbindbar ist, können dann mittels einer vollautomatischen, maschinellen, schritthaltenden Auswertung der aufgenommen Bildern vom Raum direkt unterhalb des Luftfahrzeuges relative Driftraten berechnet werden. Die Berechnung erfolgt dann in der Auswerteeinheit, die ein geeignet programmierter Auswertecomputer sein kann.Preferably, with at least one yaw rate sensor which can be connected to the evaluation unit, relative drift rates can then be calculated from the space directly below the aircraft by means of a fully automatic, automatic, step-by-step evaluation of the recorded images. The calculation then takes place in the evaluation unit, which can be a suitably programmed evaluation computer.
Vorteilhaft ist, wenn absolute Driftraten aus den relativen Driftraten in Abhängigkeit einer aktuellen Höhe des Luftfahrzeuges über Grund bestimmt werden. Dies kann beispielsweise dadurch gelingen, dass die Auswerteeinheit zur Bestimmung der aktuellen Höhe des Luftfahrzeuges über Grund durch Bildauswertung von mindestens zwei gleichzeitig mit mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten aufgenommenen Bildern eingerichtet ist. Durch eine solche Mehrbildauswertung, wie insbesondere eine Stereobildauswertung, kann in an sich bekannter Weise aus den bekannten Einbaupositionen der Bildaufnahmeeinheit z. B. durch Triangulation aus Merkmalen der gleichzeitig aufgenommenen Bildern die aktuelle Höhe des Luftfahrzeuges über Grund bestimmt werden.It is advantageous if absolute drift rates from the relative drift rates are determined as a function of a current altitude of the aircraft over ground. This can be achieved, for example, by arranging the evaluation unit for determining the current height of the aircraft over ground by image evaluation of at least two images recorded simultaneously with at least two image recording units. By such a multi-image analysis, in particular a stereo image analysis, can in a conventional manner from the known mounting positions of the image recording unit z. B. be determined by triangulation from features of the simultaneously recorded images, the current altitude of the aircraft over ground.
Durch Bezug der relativen Driftrate auf die aktuelle Höhe ergibt sich die absolute Driftrate.By referencing the relative drift rate to the current altitude, the absolute drift rate results.
Die Auswerteeinheit kann aber auch einen Eingang für ein Höhensignal haben, das die aktuelle Höhe des Luftfahrzeugs über Grund repräsentiert. Dieses Höhensignal kann aus einem im Luftfahrzeug bereits integrierten Höhensensor, wie z. B. einem Radar-Höhenmesser, stammen, so dass auf eine weitere Bildaufnahmeeinheit zur Höhenbestimmung über dem Landeplatz verzichtet werden kann.However, the evaluation unit can also have an input for a height signal, which represents the current height of the aircraft over ground. This altitude signal may consist of an already integrated in the aircraft altitude sensor, such. B. one Radar altimeter, come, so that can be dispensed with another image acquisition unit for height determination over the landing field.
Denkbar ist auch, dass die Auswerteeinheit einen Eingang für Drehratensignale von bereits im Luftfahrzeug eingebauten Drehratensensoren des Luftfahrzeuges hat. Dann können die Drehraten von den vorhandenen Referenz- und Lagemesseinrichtungen des Helikopters z. B. unter Ausnutzung einer digitalen Avionik-Schnittstelle verwendet werden.It is also conceivable that the evaluation unit has an input for yaw rate signals of yaw rate sensors of the aircraft already installed in the aircraft. Then the yaw rates of the existing reference and position measuring devices of the helicopter z. B. using a digital avionics interface can be used.
Unabhängig von der Verfügbarkeit einer Avionik-Schnittstelle kann die Landehilfseinrichtung einfach und mit geringem Aufwand in den Helikopter integriert werden.Regardless of the availability of an avionics interface, the landing aid can be easily integrated into the helicopter with little effort.
Als Drehratensensoren werden vorzugsweise Drehratensensoren zur Erfassung der aktuellen Nickbewegung des Luftfahrzeuges um eine Nickachse und der aktuellen Rollbewegung des Luftfahrzeugs um eine Rollachse ausgenutzt.As yaw rate sensors yaw rate sensors are preferably utilized for detecting the current pitching motion of the aircraft about a pitch axis and the current rolling motion of the aircraft about a roll axis.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit weiterhin zur Bestimmung eines Neigungswinkels der Landefläche durch Merkmalsvergleich aus zwei oder mehr gleichzeitig mit mehreren Bildaufnahmeelementen aufgenommenen Bildern eingerichtet ist.It is particularly advantageous if the evaluation unit is also set up to determine an inclination angle of the landing area by comparing features from two or more images recorded simultaneously with several image recording elements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Beim Landen des Helikopters L stellt sich das Problem der Aufwirbelung von Staub, Sand oder Schnee S. Während sich die Staubwolke S näherungsweise in der Form eines Torus entwickelt, verbleibt direkt unter dem Helikopter L ein gewisser Bereich staubarm, durch den hindurch das Kamerasystem mit den Bildaufnahmeeinheiten
Mit Hilfe mindestens einer starr mit der Hubschrauberzelle verbundenen Bildaufnahmeeinheit
Weiterhin werden mit Hilfe mindestens eines in der
Die Auswerteeinheit
Die Auswerteeinheit
Durch Bezug auf die gemessenen Drehraten um die Nick- und Rollachse des Luftfahrzeuges L lässt sich dann mit Kenntnis der optischen Erfassungswinkel der verwendeten Kamera die Driftrate des Luftfahrzeugs L in Quer- und Längsrichtung berechnen. Die Driftrate wird dabei vorzugsweise in % pro Sekunde angegeben.By referring to the measured rotation rates about the pitch and roll axis of the aircraft L, the drift rate of the aircraft L in the transverse and longitudinal directions can then be calculated with knowledge of the optical coverage angle of the camera used. The drift rate is preferably given in% per second.
Die Driftraten in Längs- und Querrichtung können dann auf einer geeigneten Anzeigeeinheit
Da die wie oben beschrieben automatisch berechneten Werte für die Driftraten in Quer- und Längsrichtung des Luftfahrzeuges L relative Größen sind, welche sich auf die Breite bzw. Höhe des Bildfeldes beziehen und z. B. in % pro Sekunde gemessen werden, ist unter Umständen eine Umrechnung der relativen Driftrate in eine absolute Driftrate erforderlich. Zur Berechnung einer solchen absoluten Driftrate, gemessen in Meter pro Sekunde muss die Höhe des Luftfahrzeugs L über dem Landefeld bekannt sein.Since the values for the drift rates in the transverse and longitudinal directions of the aircraft L calculated automatically as described above are relative quantities which relate to the width or height of the image field and z. B. measured in% per second, may require a conversion of the relative drift rate in an absolute drift rate. To calculate such an absolute drift rate, measured in meters per second, the height of the aircraft L above the landing field must be known.
Deutlich wird, dass die zu dem Aufnahmezeitpunkt t von den Bildaufnahmeeinheiten
Die Merkmalslisten entsprechen einer kompakten, symbolhaften Beschreibung von erfassten Bildinhalten und bilden den Ausgangspunkt für die weitere Verarbeitung. In der nachfolgenden Verschiebungsberechnung
Außerdem wird in der Verschiebungsberechnung
In Verbindung mit den von einem Drehratensensor
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Effective date: 20110712 |