基于激光三角测量的飞机起飞最小离地间隙测量

王鼎元，李天志，谭 谊，胡东升，李南伯

（中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司 四川 成都　610092）

基于激光三角测量的飞机起飞最小离地间隙测量

王鼎元，李天志，谭 谊，胡东升，李南伯

（中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司 四川 成都610092）

根据某型飞机试飞任务需求，亟待对飞机起飞最小离地间隙进行精确测量。本文首次基于激光三角测量原理对该距离参数的测量进行了研究，并制定完整的机载测量方案。飞机起飞过程中激光测距传感器实测其对地距离，测量过程中采用滑动平均和灰度重心法对测距精度进行优化。记录器将传感器输出的距离参数与飞机姿态参数一并进行记录并发送遥测。事后对各参数进行换算得出飞机起飞最小离地间隙数据，换算过程中有效地排除了飞机姿态角偏离对测距精度的影响。试验证明该测量方法准确可靠，且测试方案满足试飞任务需求。

激光三角测量；滑动平均；灰度重心法；飞机起飞；最小离地间隙

最小离地间隙是表征飞机起飞安全性能的一项重要指标，同时也是增强客户信心的一项重要因素。以往测量飞机最小离地间隙常用的方法包括光电经纬仪测量［1］或陀螺稳定平台激光测量。前者外测技术虽然具有一定可靠性和精度，但是在实际试验中存在局限性：试验条件苛刻，实际可控程度不高（环境光照、飞机起飞滑跑距离不确定等）；后者尽管能确保测距传感器激光束始终与地面垂直以获得精确的测量值，然而受本型飞机气动布局限制，且在重构型起飞情况下机体离地间隙有限，使得机身上没有适合的位置安装陀螺稳定平台。

针对本型机测试任务的特点，文中首次基于激光三角测量原理计算起飞过程中飞机最小离地间隙。并且制定了一套基于激光测距传感器的飞机起飞最小离地间隙测量系统，该系统不仅能够精确测出传感器对地距离，而且能够将距离参数和飞机姿态参数一并进行记录并实时发送至遥测地面接收，以便根据各参数综合解算出飞机最小离地间隙。试验结果证明该测量方法是准确的，测量数据真实可靠，测量结果满足试飞项目对测量精度的要求。

1　测量方案

本文设计的飞机起飞最小离地间隙测量系统包括：激光测距传感器、数据记录器、遥测发射装置和地面接收装置。为了精确计算出飞机起飞最小离地间隙，系统需要完成如下工作：按照预定角度在合理位置安装激光测距传感器，传感器准确测出其对地距离，测量方案如图1所示；传感器将距离参数（由模拟电压形式表征）输出至记录器；记录器将对地距离与飞机姿态参数一并进行记录并输出至遥测下传；试后对参数进行整理计算，一方面引入飞机真实迎角参数将传感器对光斑距离数据换算为精确的离地间隙数据，另一方面依据机体几何结构将传感器离地间隙转换为飞机实际最低离地点间隙。本文以下章节对测量方案各主要原理进行详述。

2　测量原理及方法

2.1激光三角测距原理

系统运用的激光测距传感器是基于光学三角测量原理［2］的一种测量设备，该设备由激光传感器和数据处理模块组成。传感器测量原理如下：激光源向被测物体表面上投射一个可见光斑，其漫反射光通过接受透镜后在感光片上成像，如图2所示。当传感器与被测物体间的距离发生变化时，光斑的反射角产生相应的变化，在光源、透镜和感光片位置都确定的情况下，反射角的变化最终引起感光片上成像点位置的变化［3］。最后，数据处理模块根据成像点位置的变化计算出被测物距离的变化，计算关系满足公式（1）［4］：

式中，a：光轴与入射透镜间距，b：感光片与入射透镜间距，g：成像点移动距离，h：被测物体移动距离，m：被测物体与入射透镜间距，图2 α、β：距离改变前后激光反射角。

图1　测量方案示意图Fig.1　Schematic diagram of the testing scheme

图2　激光三角测距原理示意图Fig.2　Schematic diagram of laser triangulation measuring

2.2光斑成像精细定位

由激光三角测距原理可以看出，感光片上光斑成像点的定位精度是影响测距精度的关键因素。理想情况下，激光光斑在感光片中的成像应该是平滑的线条或圆点，但在实际测量中会出现不同程度的形变［5］。这些形变可能是由于感光片的热噪声和杂散光干扰等造成的，并最终引起测距数据噪声。因此需要对采集到的光斑移动图像进行滤波处理来消除这些噪声，得到平滑的曲线。传统的滤波方法有滑动平均、递归平均、中值滤波法［6］。为了同时提高光斑成像分辨率，文中选用了滑动平均法，本质上滑动平均是一种低通滤波运算，形式如下：

其中，Mgl是输出的算术平均值，MV是单个测量值，N代表取平均数的测量值个数（即滑窗宽度）。

通过这条平滑的曲线粗略定位激光光斑中心点的位置，由于中心点区域比较平缓，加上噪声的干扰，搜索最大值方法可能性低，因此需要设置一个门限，读取两个门限中间的值可定位中心点坐标。

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

再则，受工艺的限制，不可能无限制地通过提高感光片的分辨率来提高系统的测量精度。然而运用图像处理的方法可以使光斑定位精度达到亚像素级。如灰度重心法，曲面拟合法和插值法［7］。本文采用了灰度重心法，该方法可以看成是以灰度为权值的加权法，由于距离成像信号近似为正态的高斯分布，光斑的灰度质心可由公式（3）得出：

式中，X为光斑灰度质心位置，x0为光斑粗定位的中心，xm为与x0相邻的第m像素的位置，Wm为第xm像素位置光斑的灰度值。以上定位精度可以达到0.2～0.5个像素。

2.3传感器离地间隙换算

为保证激光三角测量精度，即确保激光传感器所测量的对地距离（对光斑距离）等于其真实的离地间隙，飞机抬头起飞时传感器激光束应当与机场地面严格垂直。因此，该系统采用了一个大小为θ的倾斜俯角对测距仪进行安装，θ等于起飞时刻飞机的理论仰角，进而使得传感器俯角与飞机仰角在理论上相互抵消，如图1所示。

然而在实际起飞时，飞机实际仰角φ与理论仰角θ存在不同程度的偏离，致使激光束与垂直地面方向存在φ-θ的夹角，示意如图2所示。可见，需要在起飞过程的每个采样时刻点运用三角变换法则将传感器所测对地距离l换算为真实的离地间隙d。换算公式如下：

其中，d为传感器离地间隙；l为传感器所测对地距离（对光斑距离）；θ为飞机理论仰角；φ为飞机实际仰角；x为空间坐标水平方向，取航向为正；y为空间坐标垂直方向。

3　测量结果及精度分析

3.1测量结果

1）依据激光测距传感器实测距离，由512 Hz采样率绘制出传感器实测对地距离曲线图，如图4所示。由于未纳入飞机实际姿态参数，因此该曲线参数不能精确表示传感器的实际对地距离，只作为传感器对地面光斑距离考虑。

图4　传感器离地间隙换算示意图Fig.4　Schematic diagram of the conversion of sensor height

图5　传感器实测对地距离曲线图Fig.5　Data diagram of the actual height of sensor

2）根据记录器采集的飞机俯仰角参数得出飞机实际仰角φ，绘制飞机俯仰角参数曲线如图5所示。可见在起飞抬头过程中，飞机仰角不断变化且逐渐增大。

图6　飞机俯仰角参数曲线图Fig.6　Data diagram of the pitch angle parameter

3）依据传感器实测对地距离和飞机姿态参数，由公式（4）计算出传感器离地间隙，最后根据机体结构换算出飞机最低点的离地间隙数据，曲线如图6所示。该曲线真实地反映了起飞过程中各时刻飞机的最小离地间隙数据。

图7　飞机最小离地间隙曲线图Fig.7　Data diagram of the aircraft minimum height to the ground

3.2精度分析

在实际飞机起飞测量过程中，影响最小离地间隙测量值精度的因素不仅包括激光传感器本身测距精度的静态因素，还包括反射面角度不断变化对测距精度影响的动态因素。因此需要在装机前对传感器进行细致的标定工作，具体从两个方面开展：

1）静态精度标定

标定试验中，在传感器测量范围300～900 mm之间抽取5个反射面位置，每个位置测量3组数据进行分析。结果如表1所示，统计得反射面距离410 mm时，测量距离最大标准差为2.06 mm，误差率0.5%。因此，同时考虑到在标准距离点的前后重复性精度，该传感器测距精度可以达到±2.06 mm，满足试验的精度要求。

表1　激光传感器静态精度标定Tab.1 Static accuracy calibration of the laser sensor

2）动态精度标定

试验中，反射面距离固定在600 mm，而激光束与反射面夹角在90°～170°区间变化，抽取5个角度位置，每个位置测量3组数据进行分析。结果如表2所示，统计得在激光束与反射面夹角170°情况下，测量距离最大标准差为2.16 mm，误差率0.4%。因此，该传感器在反射面角度差异化的情况下测距精度可以达到±2.16 mm，满足试验的精度需求。

表2　激光传感器动态精度标定Tab.2 Dynamic accuracy calibration of the laser sensor

4　结　论

文中首次提出一种基于激光测距的飞机起飞最小离地间隙测量方法，重点对激光三角测距原理，光斑成像精确定位算法，以及传感器离地间隙精确换算方法进行了分析。本文系统不仅能够精确测出传感器对地距离，而且能够将距离参数和飞机姿态参数一并进行记录并实时发送至遥测地面接收，以便根据各参数综合解算出飞机最小离地间隙。再则，本文综合考虑了静态和动态因素在试验前对激光传感器的精度进行了详细的标定。本次试验先后完成了5架次起飞试验任务，试后分析数据结果表明该测量方案是准确可靠的，测量结果满足试飞任务对精度的要求。特别是相比于其他飞机起飞最小离地间隙测量方法，本方案提供了一种适应特定机载测试环境的新思路和新方法。

［1］弥变莉，吴衡.MA60飞机短距起飞外测技术 ［J］.测控技术，2010，29（9）:27-30.

［2］冯驰，毕思明.基于激光三角测量法的叶尖间隙测量研究［J］.汽轮机技术，2011（4）:267-270.

［3］郝煜栋，赵洋，李达成.光学投影式三维测量技术综述［J］.光学技术，1998（5）:57-60.

［4］Kanji Mashimo.Development of optical noncontact sensor for measurement of three-dimensional profiles using depolarized components of scattered light［J］.Opt.Eng.，1997，36（1）:227-234.

［5］Pei S C.Tat I K.Effective color interpolation in CCD color filter array using signal correction［C］.Proc.IEEE Int.Conf. Image Processing，2000:48.

［6］唐世伟，林君.小波变换与中值滤波相结合图像去噪方法［J］.哈尔滨工业大学学报，2008，40（8）:34-39.

［7］刘立波，赵晖，张海波.激光三角测距中光斑细分定位方法研究［J］.计算机测量与控制，2008，13（10）:136-139.

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稿件编号：201504021

王鼎元（1984—），男，四川郫县人，硕士，工程师。研究方向：飞行试验、试飞测试。