飞行器定位辅助系统、包括这样的系统的飞行组装件以及相关联的定位辅助方法
技术领域
本发明涉及一种用于飞行器的定位辅助系统。
本发明还涉及一种包括这样的系统的飞行组装件以及相关的定位辅助方法。
具体而言，本发明的技术领域在于用于飞行器(诸如，直升机或无人机)的精确定位辅助，其目的在于保护飞行器飞行的安全，并且有利地保护其操作周界的安全。
背景技术
在当前技术状态下，为了执行对飞行器的精确定位，飞行器通常设有操作区域的预加载地图，从而允许其飞行员或自动驾驶系统执行驾驶操纵，以将其自身定位在操作区域中。
还存在地形回避预警系统，所述系统基于对无线电高度探测仪的使用。但是，无线电高度探测仪不提供相对于地面的高度信息，并且某些定位操纵(诸如直升机升降)不具有必要的精度。
例如，对于直升机而言，HTAWS(直升机地形感知和预警系统)系统是已知的，所述系统是基于预加载地图和/或无线电高度探测仪的避障系统。
然而，这样的地图并不会考虑操作周界中自然存在的植被、操作周界内或周围的实时气候及地形构造(例如滑坡)的实时变化。
此外，这种定位方法因此在有必要执行特别精确的操作时缺乏精度。
发明内容
本发明旨在解决这些缺点，并因此允许飞行器以可能处于几厘米量级的精度执行定位。
为此，本发明涉及使飞行器进入任务区的定位辅助系统，其包括：从飞行器卸载的平台以及包含所述平台的飞行载体。
所述平台包括：针对监视区的监视装置，所述监视区包括飞行器的任务区，所述监视装置包括多个传感器，所述多个传感器能够实时生成与所述监视区有关并且还在飞行器位于所述监视区内时与所述飞行器有关的监视信息；计算装置，所述计算装置能够分析由所述监视装置生成的所述监视信息，以从所述监视信息推断所述飞行器的路线信息，所述路线信息包括使所述飞行器进入所述任务区的最佳路线以及所述飞行器在该路线上实时进行的操纵的危险程度；以及外部通信装置，所述外部通信装置能够将所述路线信息发送到所述飞行器。
根据本发明的其他有利方面，所述系统包括以下特征中的一个或多个特征，这些特征被单独地考虑或根据所有技术上可能的组合来考虑：
-当所述飞行器被定位在所述任务区中时，所述计算装置还能够确定所述任务区的最佳观察点，所述载体能够到达所述最佳观察点；
-所述多个传感器包括激光雷达；
-所述计算装置能够构建所述监视区的三维模型和所述飞行器的三维模型，所述飞行器的三维模型与所述飞行器的移动的三维矢量表示相对应，所述监视区的三维模型有利地包括：
+地形的起伏；
+植被；
+人为障碍物；
+周围的气候条件；
+意外事件；
+威胁。
-所述计算装置能够通过使用所述监视区的三维模型和所述飞行器的三维模型，根据所述飞行器与所述监视区中的障碍物碰撞的可能性来确定实时进行的操纵的危险程度；
-所述飞行器与所述监视区内的物体碰撞的可能性是根据用于回避这些障碍物或每个对应的障碍物的可能路线的数量以及根据所述监视区内已发生的变化来计算的；
-与所述监视区的其它部分相比，所述传感器中的至少一个传感器能够获取更多与高危区有关的监视信息，所述高危区是所述监视区的部分，在该高危区中，所述飞行器的至少一个操纵的危险程度高于预定阈值；
-在有来自飞行器的辅助请求的情况下，所述载体能够重新加入所述飞行器所指示的观察点；并且所述外部通信装置还能够发送在所述观察点获取的所述飞行器的监视信息；以及
-所述监视装置能够在所述飞行器到达所述监视区之前生成与所述监视区有关的监视信息，并且所述计算装置能够分析所述监视信息以从所述监视信息推断所述飞行器到达的路线信息，所述路线信息尤其与所述飞行器在所述监视区内的非固定路径有关。
本发明还涉及飞行组装件，所述飞行组装件包括：飞行器，所述飞行器能够接近监视区并且包括通信装置；至少一个如之前所定义的定位辅助系统，所述定位辅助系统能够将所述飞行器定位在所述监视区中包括的任务区中，所述定位辅助系统的外部通信装置能够与所述飞行器的通信装置进行通信。
根据本发明的其他有利方面，所述组装件包含以下特征中的一个或多个特征，这些特征被单独地考虑或根据所有技术上可能的组合来考虑：
-所述飞行器进一步包括声音预警装置，所述声音预警装置能够发出频率和/或周期随着所述飞行器所执行的操纵的危险程度的值的增加而增加的声音；
-所述飞行器(12)进一步包括显示屏，所述显示屏能够根据所述飞行器的在组成所述监视区的不同部分的点中可能实施操纵的危险程度来不同地显示这些不同部分；以及
-所述载体的禁止接近区被定义在所述飞行器的周围。
本发明还涉及由如之前所述的定位辅助系统实施的使飞行器进入任务区的定位辅助方法，包括以下步骤：
-分析所述监视区；
-根据障碍物和/或威胁来确定使所述飞行器进入所述任务区的最佳路线，并且将所述路线发送给所述飞行器；
-加入所述最佳观察点；
-对所述飞行器的操纵执行实时监视。
附图说明
通过阅读以下描述，本发明的这些特征和优点将显而易见，以下描述仅作为非限制性示例提供并参考附图进行，在附图中：
-图1是根据本发明的飞行组装件的示意图，该组装件包括飞行器和飞行器的定位辅助系统；
-图2是图1的定位辅助系统的平台的示意图；
-图3是根据本发明的定位辅助方法的流程图，该方法由图1的系统执行；以及
-图4是在实施图3的定位辅助方法之后，图1的飞行器的显示屏上的显示的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的飞行组装件10。该组装件10包括飞行器12和用于飞行器12的定位辅助系统14。
飞行器12包括能够执行任务区中的定位的任何飞行工具，例如通过执行固定飞行来执行该定位。该定位例如由飞行员至少部分地手动地或者自动地从飞行器的驾驶舱或从远程飞行中心控制。
在第一种情况下，飞行器尤其具有直升机(图1中所示的情况)。在第二种情况下，飞行器尤其具有无人机。
任务区在图1中通过标号“16”引用，并具有其中有必要定位飞行器12的任何地理区域12。
因此，任务区16可以例如具有救援区、着陆区、工作区等。
该任务区16例如位于地面上或地面附近，并例如在自然障碍物(树木或其他类型的植被)和/或人为障碍物(电缆、电线塔、其他飞行器等)附近。
飞行器12包括通信装置21，并且当飞行器12由飞行员驾驶时，包括驾驶辅助装置22。
通信装置21允许飞行器12(尤其是该飞行器的驾驶系统)根据本身公知的第一通信协议经由无线电信号与外部通信系统进行通信。
驾驶辅助装置22允许飞行员驾驶飞行器，并且例如采用显示屏和/或声音预警装置的形式。这些装置的操作将在下文中详细描述。
定位辅助系统14包括飞行器未机载的平台25以及包含所述平台25的载体26。
载体26具有飞行工具，例如能够至少部分自动地或者自动地飞行的无人机，或任何其它飞行工具。
根据一个示例性实施例，载体26类似于飞行器12。
平台25具有嵌入在载体26中的多个电子设备以便实现定位辅助系统14的操作。
特别地，参考图2，平台25包括监视装置31、计算装置32、外部通信装置33、内部通信装置34和供电装置35。
监视装置31包括多个传感器，该多个传感器能够监控监视区38以及载体26在监视区38内的位置。
监视区38包括载体26位于其中的空间的一部分，并且其中可以通过装置31执行监视。
因此，例如，在图1的示例中，监视区38与该图1中可见的整个部分对应。
此外，如将在下文中解释的，任务区16被定义在该监视区38中。
构成监视装置31的传感器能够生成与监视区38和/或载体26和飞行器12在监视区38中的演变有关的监视信息，并将该信息发送给计算装置32。
特别地，这些传感器包括惯性单元、高度计、地理位置传感器和激光雷达(LIDAR)。
惯性单元包括加速度计和陀螺仪，它们能够分别提供与载体26的线性加速度和角加速度有关的信息。该信息能够用于确定载体26的当前姿态。
高度计能够提供与载体26的当前高度有关的信息。
地理位置传感器例如具有用于获得能够实时提供载体26的地理位置的GPS(全球定位系统)信号的传感器。
激光雷达能够使用激光获取空间的三维读数，并且因此能够使用本身公知的方法构建监视区38的地图。
特别地，根据本发明，激光雷达可以用方位角和海拔来定位，并配备有三轴稳定器5以用于补偿载体26的移动。例如，它能够以一厘米或几厘米量级的精度执行读取。
上述传感器中的每一个传感器还能够生成与其操作的状态有关的状态信息，并将该信息发送给计算装置32。
根据其他示例性实施例，除了激光雷达以外，监视装置31还包括本身公知的任何其他传感器，诸如相机，尤其是红外相机等。
计算装置32至少部分地采取包括处理器和存储器的计算机、和/或一个或若干个可编程逻辑电路(例如FPGA(现场可编程门阵列)类型的可编程逻辑电路)的形式。
计算装置32能够接收来自监视装置31的监视信息，分析该信息并从该信息推断出预期用于飞行器12的路线信息。该路线信息将在下文中详细描述。
计算装置32还能够控制监视装置31的操作，尤其是接收来自这些监视装置31的状态信息以便推断每个传感器的操作状态。
如下文中将说明的，计算装置32还能够根据监视信息生成与载体26要跟随的路径有关的路径信息。
外部通信装置33具有能够通过使用本身公知的通信协议经由无线电信号与外部通信系统(诸如飞行器12的通信装置21)进行通信的无线电通信装置，诸如无线电信号收发器。
尤其地，外部通信装置33能够发送由计算装置32生成的飞行器12路线信息。
外部通信装置33还能够接收由飞行器12发出的辅助请求并将其发送给计算装置32。
外部通信装置33还能够接收来自外部系统的配置信息。
尤其地，该配置信息包括飞行器12的配置信息及其任务。
内部通信装置34具有与载体26并且尤其地与其驾驶系统的通信接口。
因此，这些内部通信装置34能够向载体26发送由计算装置32生成的路径信息。
内部通信装置34能够向计算装置32发送与载体26的各个组件的操作有关的信息以及与为了保持载体的路线和载体的位置而进行的对载体的补偿有关的信息。该信息由载体26生成，例如由其驾驶系统生成。
此外，当平台25的上述组件中的至少一些组件(诸如传感器)是载体的一部分时，内部通信装置34能够向计算装置32发送由这些组件生成的信息，或者然后发送由这些计算装置32生成并预期用于这些组件的信息。
最后，供电装置35例如具有能够向平台25的所有组件供电的电池。这些供电装置35还能够向计算装置32发送与其操作状态有关的信息。
定位辅助系统14能够执行根据本发明的定位辅助方法。现在，该方法将参考示出其步骤的流程图的图3来进行说明。
在任务开始时，定位辅助系统14执行配置步骤100。
尤其地，在该步骤100期间，计算装置32经由外部/内部通信装置33、34接收与载体26和飞行器12有关的配置信息。
尤其地，该配置信息包括：
-载体特性；
-飞行器特性；
-与监视区38有关的信息；
-与任务区16有关的信息；
-与飞行器12周围的禁飞区有关的信息；
-可容许性阈值；
-飞行器周围周界的禁飞区。
尤其地，载体特性包括载体26的飞行特性和物理特性。
飞行特性允许计算装置32根据速度、气候条件和地形起伏计算使载体26到达某一点的路径。
物理特性包括与载体26的物理配置有关的信息。该配置例如指示载体是否包含可以由平台25使用的至少一个传感器和/或无线电通信装置。飞行器特性允许计算装置32根据速度和气候条件计算使飞行器12到达某一点的路径。由于激光雷达和形状识别算法的原因，这些特性使得有可能相对于监视区38的其余部分提取和识别飞行器12。因此，这些特性形成飞行器12的三维模型,该三维模型与飞行器12的移动的三维矢量表示相对应。
与监视区38有关的信息包括能够构造定义要监视的体的地理坐标的区域公式。对这些数据的一致性检查可以由计算装置32进行。该检查例如基于对激光雷达性能和载体26自主性的分析。
与任务区16有关的信息包括地理点的坐标或者能够构造这些地理坐标的区域公式，以执行对要监视的飞行器12的形状识别。
与禁飞区有关的信息能够定义在飞行器12周围的载体26禁止接近的区域。该信息包括构造飞行器12周围的区域的公式。
可容许性阈值与由飞行器12执行的操纵的最大风险允许值相对应。该阈值调节对每个操纵的危险程度的计算，这将在下文中详细解释。
应当注意，如下文中详细解释的，该配置步骤可以至少部分地在载体26的任务期间实施，也就是说在步骤110至140的执行期间实施。尤其地，如果接收到与监视区38和/或任务区16有关的信息，则执行这一新的实施。
最后，应当注意，该配置步骤100可以进一步包括在接收到来自飞行器12的辅助请求的情况下配置系统14。
在这种情况下，系统14的任务改变。该任务包括不再监视飞行器12，而是向其发送信息(特别是威胁)，例如由平台25的至少一些传感器(诸如激光雷达)获取的信息。该信息可以例如从飞行器12所请求的载体26的位置获取。
在以下的步骤110期间，计算装置32激活监视装置31的操作，监视装置31然后生成于监视区38有关的监视信息。
该监视信息然后被发送到计算装置32，计算装置32执行其分析。
尤其地，在该步骤110期间，计算装置32构建监视区38的三维模型，该三维模型有利地包括：
-地形的起伏；
-植被；
-人为障碍物；
-周围的气候条件；
-意外事件；
-威胁(隐藏射击、导弹发射等)。
在以下的步骤120期间，计算装置32将任务区16放置在监视区38中，并确定使飞行器12经由监视区进入任务区16的最佳路线。
该最佳路线与允许飞行器12以最小风险进入任务区16的路线对应。
最佳路线和任务区16的定位是根据飞行器12的特性确定的。
然后，在该步骤120的结束处，最佳路线经由外部通信装置33以路线信息的形式被发送到飞行器12。
在以下的步骤130期间，计算装置32确定任务区16的最佳观察点。该点与空间中确保任务区16的更优的可观察性的点对应，同时位于离在步骤120期间计算出的最佳路线某一距离处。
然后，计算装置32确定载体26的路径，以便到达该点并经由内部通信装置34将该路径发送给载体26。
载体26然后重新加入该最佳观察点。
在接下来的步骤140期间，系统14从最佳观察点执行对由飞行器12在任务区16内或附近执行的操纵的实时监视。
尤其地，该监视是根据飞行器12的姿态来进行的。为此，尤其地，计算装置32用由激光雷达实现的读数和飞行器特性来确定监视区内的飞行器12的三维模型。
然后，计算装置32相对于监视区38的三维模型执行对飞行器12的三维模型的实时分析，以从其推断由飞行器12所执行的每一操纵的危险程度。
尤其地，每一操纵的危险程度是根据飞行器120在该操纵期间与障碍物碰撞的可能性来确定的。例如，每个危险程度接下来被与在配置步骤100期间定义的可容许性阈值进行比较。
碰撞的可能性是基于飞行器12的移动和环境变化(障碍物的接近度、气候变化等)根据回避监视区38内的障碍物的可能路线的数量来计算的。
为此，根据一个示例性实施例，飞行器12通过使用相应的三维模型被投影在监视区38中，并被点云环绕。然后，对于点云中的每个点，根据以下各参数计算相对于最近障碍物的距离：
-飞行器的飞行参数：速度矢量、加速度矢量、高度、水平位置、垂直位置、方位角、朝向等；
-可以引起飞行器位置的变化的参数：风速矢量、加速度矢量；
-飞行器特性。
添加到该描述中的是来自监视区38的意外事件的参数：速度矢量和可能与任务区内的飞行器碰撞的任何物体的位置。
点云不是恒定的。它受飞行器的不同部分的加速度以及意外事件的参数的影响。加速度越大，飞行器的这一部分在空间中投影的越多，与意外事件碰撞的风险更大，这一威胁投影的越多。飞行器的部分与障碍物或意外事件碰撞之前的时间也从该表示中被提取出。
根据点云计算可能的出口路线。尤其地，这些出口路线与飞行器12可以根据以下各项执行障碍回避操纵的路线对应：
-飞行器的飞行参数：速度矢量、加速度矢量、高度、水平位置、垂直位置、方位角、朝向等；
-可能引起载体26的位置变化的参数：风速矢量、加速度矢量；
-意外参数：可能与飞行器碰撞的任何物体的速度矢量和位置；
-相对于障碍物的距离；
-飞行器特性。
根据本发明的一个有利的示例性实施例，对可能的出口路线的计算是由依据飞行器的三维模型及其飞行能力提供的人工智能模型根据不同的使用环境实现的。该人工智能模型被构建在通过情境仿真提供的神经网络上。有利地，该模型可以同时根据飞行器的操纵学习地形，以离开该操纵的危险程度为高的区域。
此外，根据本发明的又一有利的示例性实施例，计算装置32控制监视装置31的传感器中的至少一个传感器(例如激光雷达)，以便与监视区域的其他部分相比，获取更多与监视区的高危区有关的监视信息。
高危区被定义为监视区38的飞行器的至少一个操纵的危险程度高于预定阈值的部分。
在步骤140的结束处，由飞行器12实时实施的操纵的危险程度由外部通信装置33以路线信息的形式发送到飞行器12。
然后，对于由飞行器12执行的每个新操纵，再次实施步骤140。因此，对飞行器12的操纵的监视被实时执行。
此外，还可以再次执行步骤130，以便确定任务区16的新的最佳观察位置。在这种情况下，载体26然后重新加入该位置，并从该位置执行步骤140。
根据本发明的一个有利的示例性实施例，并且尤其地，当飞行器12由飞行员驾驶时，在接收到对应操纵的每个危险程度时，尤其经由经由驾驶辅助装置22将该危险程度传递给飞行员。
因此，例如，在这种情况下，飞行器12的声音预警装置被配置为发出频率和/或周期随着由飞行器12执行的操纵的危险程度的值的增加而增加的声音。
根据又另一示例性实施例，飞行器12的显示屏被配置为示意性地显示监视区38，在监视区38上，不同部分根据飞行器的在组成这些不同部分的点中可能执行的操纵的危险程度被不同地示出。
因此，例如，三个不同的部分可以被定义在监视区38的显示中。这些部分可以如下被定义：
-无风险操纵部分：飞行器12的飞行员可以自由操纵，而无需担心障碍物；
-受限操纵部分：飞行器的飞行员必须注意他的操纵，并且具有较少的操纵选项，特别是在环境条件变化的情况下；
-危险部分：飞行器在结构上处于危险之中，并且在条件变化的情况下不具有回避操纵。
此各个部分可以例如通过使用不同的颜色来示出。例如，无风险部分可以用绿色示出，受限操纵部分可以用黄色示出，危险部分可以用红色示出。
这种显示的一个示例在图4中示出。
特别地，在该图4中，垂直视图在左侧示出，水平视图在右侧示出，飞行器12的位置和移动方向通过箭头50示出。
在该图中，无风险操纵部分由标号“51”引用，受限操纵部分由标号“52”引用，危险部分由标号“53”引用。
当然，其他显示模式或更一般的飞行员预警模式也是可能的。
有利地，根据本发明的方法进一步包括当从飞行器12接收到辅助请求时实施的步骤150。
在这种情况下，系统14放弃其监视任务5，并且载体26移动到例如用辅助请求发送的或由计算装置32计算出的位置。
在该位置，监视装置31(特别是激光雷达)生成监视信息，该监视信息接下来被发送到飞行器，在该飞行器处，该监视信息例如以图形形式被显示在显示屏上。
因此，飞行器12的飞行员在飞行器12上可以具有来自所需的位置的“外部视图”。
本发明的其他实施例也是可能的。
特别地，显然可以使用若干定位辅助系统来对飞行器进行监视。在这种情况下，这些系统可以彼此通信以便在飞行器附近取不同的位置，因此提供对飞行器的更优的监视。
此外，一个或若干定位辅助系统可以同时监视若干飞行器。
然后，可明白，本发明具有一定数量的优点。
首先，根据本发明的定位辅助系统能够将飞行器特别精确地定位在任务区内。任务区可以具有变化的条件(气候或其他条件)以及意外事件。
为此，该系统能够提供由飞行器所执行的每个操纵的“外部视图”。
此外，飞行器的飞行员或自动驾驶系统保持被通知与被执行的每个操纵有关的危险程度，这能够在很大程度上保护接近任务区的实施的安全。
最后，根据本发明的系统能够满足由飞行器所发出的辅助请求，并且因此可以在其主任务以外使用。
