專利名稱：飛機(jī)碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
'本發(fā)明通常涉及在飛行中控制小的有效載荷航空器，尤其是，涉及自動(dòng)
地控制無人操縱的航空器(UAV)和遙控飛行器(RPV),以感測(cè)和規(guī)避與當(dāng)?shù)仄?它的航空器有可能的碰撞。
背景技術(shù)：
通常地，當(dāng)在國有的大氣空間活動(dòng)(NAS)的時(shí)候，無人操縱的航空器(UAV) 和/或遙控飛行器(RPV)是由有人操縱的"陪伴"飛機(jī)陪同的，以減輕碰撞危險(xiǎn)。
無人操縱的飛機(jī)的碰撞說來尤其是必需的，或者反之亦然。令人遺憾地，除 了用于測(cè)試和示范目的以外，陪伴這樣的飛行器是勞動(dòng)密集的，并且尤其地 是非有用的。
有人駕駛的航空器依賴空中交通管制、應(yīng)答器和用于碰撞規(guī)避的引導(dǎo)顯 示。雖然應(yīng)答器在所有商用飛機(jī)上是需要的，許多私人飛機(jī)不攜帶應(yīng)答器， 并且在格斗情形下不能使用應(yīng)答器。此外，存在空中交通管制發(fā)出同應(yīng)答器 規(guī)避推薦矛盾的命令的情況。對(duì)于有人駕駛的航空器，駕駛員視覺上識(shí)別局 部運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并且進(jìn)行是否每個(gè)目標(biāo)引起碰撞威脅的判斷通話。因此，基于 視覺的檢測(cè)是必要的，并且在檢測(cè)局部附近的其它的飛機(jī)方面通常是決定性 的。
通常地，聯(lián)邦航空管理局(FAA)正在尋求一種與用于在NAS中操作這樣 的飛機(jī)的現(xiàn)有的有人駕駛的航空器相比"等效的安全等級(jí)"。雖然可以被圍繞 UAV或者UAV限制的大氣空間可以限于空中禁區(qū)，以消除其它的飛機(jī)引起 碰撞危險(xiǎn)的可能性，這限制了在無人駕駛飛機(jī)可以采用其之下的使命和條件 的范圍。因此， 一種無伴隨的UAV也必須具有某些檢測(cè)和避免任何附近的飛 機(jī)的能力。無人操縱的航空器可以被配備以將從飛機(jī)(即，攝像機(jī)從"駕駛員 座艙"轉(zhuǎn)播風(fēng)景)饋送的實(shí)時(shí)的影像提供給陸基的領(lǐng)航員，其在擁擠的空域中遠(yuǎn)程引導(dǎo)飛行器。令人遺憾地，具有在飛機(jī)上成像能力的遠(yuǎn)程引導(dǎo)的飛行器 需要用于兩者傳輸足夠的帶寬的影像和控制兩者的額外的傳輸能力，和在作 環(huán)行飛行中時(shí)連續(xù)地人領(lǐng)航。因此，配備和遠(yuǎn)程引導(dǎo)這樣的飛行器是昂貴的。 另外，對(duì)于遙控飛行器，在當(dāng)其可視/查看從飛行器饋送的影像的時(shí)候和在遠(yuǎn) 程控制機(jī)制(即，在當(dāng)領(lǐng)航員進(jìn)行路徑校正的時(shí)候和當(dāng)飛行器變換航向的時(shí)候 之間)兩者中存在增加的延遲。因此，雖然對(duì)普通的飛行是有用的，這樣的遠(yuǎn) 程成^f象對(duì)及時(shí)地威脅檢測(cè)和規(guī)避是沒有用的。
因此，存在對(duì)具有最小限度的覆蓋區(qū)的小的、緊湊的、輕的、實(shí)時(shí)的、 機(jī)載的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)的需要，尤其對(duì)于無人駕駛飛行器，其可以檢測(cè) 和避免與其它的局部空中目標(biāo)的碰撞。此外，存在對(duì)在任何飛行條件之下可 以確定來自其它的局部空中目標(biāo)的威脅的嚴(yán)重程度，和還確定適宜的規(guī)避策 略這樣的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例檢測(cè)在飛機(jī)附近的目標(biāo)，其可能引起碰撞危險(xiǎn)。本 發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例可以給飛機(jī)提出規(guī)避的策略，用于規(guī)避識(shí)別為對(duì)該飛機(jī) 引起碰撞危險(xiǎn)的任何局部目標(biāo)。本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例視覺上定位和自動(dòng)地 檢測(cè)在無人操縱的飛機(jī)附近的目標(biāo)，其可以引起對(duì)無人操縱的飛機(jī)的碰撞危 險(xiǎn)，并且自動(dòng)地提出 一種用于規(guī)避任何識(shí)別的碰撞危險(xiǎn)的規(guī)避的策略。
尤其是，本發(fā)明的實(shí)施例包括碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)以及飛機(jī)，諸如包括
碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)的無人操縱的航空器(UAV)和/或遙控飛行器(RPV)。該碰 撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)包括識(shí)別對(duì)飛機(jī)有可能的碰撞威脅的圖像詢問器，并且提 供M^避任何識(shí)別的威脅的策略。運(yùn)動(dòng)傳感器(例如，圖像和/或紅外傳感器)提 供圍繞雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)單元的圖像幀，其在該幀中檢測(cè)局部目標(biāo)移動(dòng)。 視距(LOS)、多目標(biāo)跟蹤單元跟蹤檢測(cè)的局部目標(biāo)，并且以LOS坐標(biāo)保持用 于每個(gè)檢測(cè)的局部目標(biāo)的軌跡史。威脅評(píng)價(jià)單元確定是否一些跟蹤的局部目 標(biāo)《1起碰撞威脅。規(guī)避策略單元以策略提供飛行控制和導(dǎo)航去規(guī)避任何識(shí)別 的所述碰撞威脅。
有利地， 一種優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)提供"查看和規(guī)避"或者"檢測(cè)和 規(guī)避"能力給任何飛機(jī)，不僅識(shí)別和監(jiān)視局部目標(biāo)，而且識(shí)別任何可能引起的 碰撞威脅，并且提供實(shí)時(shí)規(guī)避策略。 一種優(yōu)選的圖像詢問器可以包含在一個(gè)
或多個(gè)小的圖像處理硬件模塊內(nèi)，其包含硬件和嵌入軟件，并且重量?jī)H僅是 很少的盎司。這樣顯著地減小的尺寸和重量允許使典型的檢測(cè)和跟蹤能力甚
至對(duì)于小的UAV,例如，ScanEagle或者更小的是可利用的。
雖然開發(fā)了無人操縱的飛機(jī)， 一種優(yōu)選的感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)具有對(duì)于警告 有人駕駛的航空器對(duì)不被注意威脅的引導(dǎo)的應(yīng)用，尤其是，在密集或者高應(yīng) 力環(huán)境中。因此， 一種優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)可以隨著有人和無人操縱 的飛機(jī)使用。在有人駕駛的航空器中， 一種優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)增加 引導(dǎo)的顯示。在一種無人駕駛飛機(jī)中， 一種優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)可以 替換引導(dǎo)的顯示，檢測(cè)可能引起碰撞危險(xiǎn)的飛機(jī)，并且必要時(shí)，提出對(duì)于無 人駕駛飛機(jī)的飛行控制逃避的策略。


從以下參考附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明中，上述和其它的目的、 方面和優(yōu)點(diǎn)將更好地理解，其中
圖1示出一個(gè)具有按照本發(fā)明有益的實(shí)施例的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)的飛 機(jī)的例子，例如，無人操縱的航空器(UAV)或者遙控飛行器(RPV)。
圖2示出從傳感器接收運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并且傳送防撞策略給飛行控制和導(dǎo)航的 優(yōu)選的圖像詢問器的例子。
圖3示出確定是否每個(gè)檢測(cè)的目標(biāo)是在與主飛機(jī)可能的碰撞航向上的威 脅評(píng)價(jià)1240的例子。
圖4示出一旦確定目標(biāo)表示碰撞威脅時(shí)展開規(guī)避策略的例子。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，尤其是，圖1示出具有按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的碰撞感 測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例飛機(jī)100的例子，例如，無人操縱的航空器(UAV) 或者遙控飛行器(RPV)。適宜數(shù)目的典型的運(yùn)動(dòng)傳感器102被安排以檢測(cè)在主 飛機(jī)100附近的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該運(yùn)動(dòng)傳感器102例如可以是模擬人的視覺的任 何適宜的可見頻帶傳感器，或者用于在差的或者有限能見度的周期中，例如， 在霧或者晚上檢測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的紅外線(IR)傳感器。該傳感器102連接到在主飛 機(jī)100中的優(yōu)選實(shí)施例圖像詢問器，其從傳感器102接受實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，并
且處理該圖像數(shù)據(jù)以檢測(cè)空中目標(biāo)，例如，其它的飛機(jī)，甚至相對(duì)于雜波的
背景。該圖像詢問器建立在視距(LOS)空間中的時(shí)間歷史。該目標(biāo)歷史表示檢 測(cè)的目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)檢測(cè)的目標(biāo)被基于其相對(duì)運(yùn)動(dòng)分類，并且分配/人 無源傳感器角度和明顯的目標(biāo)大小和/或強(qiáng)度確定的威脅等級(jí)類別?；诿總€(gè) 目標(biāo)的威脅等級(jí)類別，該圖像詢問器確定是否一個(gè)逃避的策略就緒，并且如 果是這樣的話，提出一種適宜的逃避的策略以避免任何有可能的威脅。該優(yōu) 選實(shí)施例圖像詢問器還可以將對(duì)工作在高層上的其它的沖突規(guī)避例行程序的 LOS目標(biāo)跟蹤和威脅評(píng)價(jià)例如提供給遠(yuǎn)程定位的控制站。
圖2示出一個(gè)優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110的例子，其包括經(jīng)由幀緩 沖器114從傳感器102接收運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，和根據(jù)需要將逃避的策略傳送給飛行 控制和導(dǎo)航116的圖像詢問器112。最好是，該碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110是工 作在適宜的增強(qiáng)視覺系統(tǒng)中的智能的工具。 一個(gè)適宜的這樣的增強(qiáng)視覺系統(tǒng) 的例子在2004年9月14日由Sanders-Reed等等申請(qǐng)的，公布的美國專利申 請(qǐng)公布號(hào)No.2006/0055628A1，稱作"Situational Awareness Components of an Enhanced Vision System"中描述，分配給本發(fā)明的受讓人。此外，該優(yōu)選的圖 像詢問器112是在具有嵌入的通用中央處理單元(CPU)核心的一個(gè)或多個(gè)現(xiàn) 場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)處理器中實(shí)現(xiàn)的。FPGA處理器的典型技術(shù)現(xiàn)狀，諸 如Xilinx Virtex-II例如是與獨(dú)立的處理器板的形狀因數(shù)相符的幾英寸。因此， 不需要外部計(jì)算機(jī)總線或者其它的系統(tǒng)特定的結(jié)構(gòu)外硬件，整個(gè)FPGA處理 器可以是以單個(gè)3.5",或者甚至更小的立方體實(shí)施的單個(gè)小的處理器板。在 這樣的FPGA處理器中實(shí)施，該圖像詢問器112可以差不多地粘到非常小的 UAV的側(cè)面上，諸如來自波音公司的ScanEagle。
來自一個(gè)或多個(gè)傳感器102的圖像數(shù)據(jù)可以臨時(shí)地緩存在幀緩沖器114 中，其可以僅僅是在FPGA處理器中，永久地或者臨時(shí)地指定用于幀緩沖存 儲(chǔ)的本地隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、固有的或者動(dòng)態(tài)的(SRAM或者DRAM)。 每個(gè)傳感器102可以提供有專用的幀緩沖器114，或者共享的幀緩沖器114 可以臨時(shí)地存儲(chǔ)用于所有傳感器的圖像幀。該圖像數(shù)據(jù)被從幀緩沖器114傳 送給在優(yōu)選的圖像詢問器112中的雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)單元118。該雜波抑制 和目標(biāo)檢測(cè)單元118能夠在任何條件之下，例如，相對(duì)于自然天空，在云中 和相對(duì)于地形背景，和在各種各樣的照明條件之下識(shí)別目標(biāo)。LOS、多目標(biāo) 跟蹤單元120以LOS坐標(biāo)跟蹤在目標(biāo)檢測(cè)單元118中識(shí)別的目標(biāo)。LOS、多
目標(biāo)跟蹤單元120還保持對(duì)于每個(gè)識(shí)別的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的歷史122。威脅評(píng)價(jià)單 元124監(jiān)浮見識(shí)別的目標(biāo)和用于每個(gè)的軌跡史以確定與每個(gè)目標(biāo)石並撞的可能 性。規(guī)避策略單元126確定用于視為在與主飛機(jī)的碰撞航向上的任何目標(biāo)的 適宜的規(guī)避策略。該規(guī)避策略單元126將規(guī)避策略傳送給飛行控制和導(dǎo)航116 用于執(zhí)行。
該雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)單元118以及LOS、多目標(biāo)跟蹤單元120可以使 用許多適宜的、在目標(biāo)跟蹤中廣泛地使用的眾所周知的算法的任何 一 個(gè)實(shí)現(xiàn)。 最好是，雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)或者是在單個(gè)幀目標(biāo)檢測(cè)模式或者多個(gè)幀目標(biāo) 檢測(cè)模式中實(shí)現(xiàn)的。在單個(gè)幀模式中，每個(gè)幀被以一個(gè)光點(diǎn)擴(kuò)展功能(OPSF) 巻積。因此，由于是所有大的特點(diǎn)，即，直徑為大于幾個(gè)像素的特點(diǎn)，單個(gè) 像素噪聲被拒絕，因此，僅僅未分解的或者幾乎未分解的形狀留待識(shí)別真實(shí)
目標(biāo)。 一個(gè)通常稱為活動(dòng)目標(biāo)指示器(MTI)的適宜的多幀活動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法的 例子由Sanders-Reed等等于2002年4月在SPIE的Proc., 4727發(fā)表的 "Multi-Target Tracking In Clutter，，提供。Sanders-Reed等等教導(dǎo)假定活動(dòng)目標(biāo)相 對(duì)于背景移動(dòng)，由此，借助于僅僅剩下活動(dòng)目標(biāo)的結(jié)果，以恒定視速度(背景) 移動(dòng)的所有東西被拒絕。
該軌跡史122提供每個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程，并且可以包含在本地存 儲(chǔ)中，例如作為表或者數(shù)據(jù)庫。以前，因?yàn)楦檰卧牡湫偷募夹g(shù)現(xiàn)狀只是 在聚焦平面像素坐標(biāo)中跟蹤目標(biāo)，高級(jí)的坐標(biāo)系為知曉目標(biāo)移動(dòng)所必需。但 是，該優(yōu)選實(shí)施例碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110不需要這樣的高級(jí)坐標(biāo)系，并且 作為替代，LOS、多目標(biāo)跟蹤單元120在LOS坐標(biāo)中采集軌跡史122。對(duì)于 一個(gè)顯現(xiàn)、保持和使用適宜的軌跡史的系統(tǒng)的例子，參見，例如，由 J.N,Sanders-Reed2004年4月在SPIE的J,Proc., 5430上發(fā)表的"Multi-Target, Multi-Sensor, Closed Loop Tracking"。
圖3示出一個(gè)例如在威脅評(píng)價(jià)單元124中的威脅評(píng)價(jià)1240，以確定是否 每個(gè)檢測(cè)的目標(biāo)是在與主飛機(jī)可能的碰撞航向上的例子。最好是，為簡(jiǎn)單起 見，該威脅評(píng)價(jià)單元124確定是否每個(gè)目標(biāo)的相對(duì)位置是基于用于"僅僅角度" 成像方法的軌跡史而變化的。因此，例如，在1242開始，識(shí)別的目標(biāo)是由威 脅評(píng)價(jià)單元124選擇的。然后，在1244,對(duì)于選擇的目標(biāo)的該軌跡史是從軌 跡史存儲(chǔ)器122中恢復(fù)的。接下來，在1246, LOS跟蹤相對(duì)于主飛機(jī)對(duì)于選 擇的目標(biāo)確定，例如，從目標(biāo)的聚焦平面跟蹤，和從已知的姿態(tài)和光學(xué)傳感
器特性。在1248,該威脅評(píng)價(jià)單元124從目標(biāo)在大小和/或強(qiáng)度方面的明顯的 變化中確定明顯的距離。然后，在1250,該威脅評(píng)價(jià)單元124將LOS跟蹤與 明顯的范圍相關(guān)，以重建三維(3D)相應(yīng)的目標(biāo)軌跡。3D軌跡可以相對(duì)于主飛 機(jī)提取，并且在恒定的縮放因子內(nèi)。其他條件都相同，變亮的目標(biāo)接近，并 且暗淡的目標(biāo)退回。因此，即使不知道這個(gè)縮放因子，即，不知道真實(shí)的距 離，該威脅評(píng)價(jià)單元124可以在1252相對(duì)于平均明顯的目標(biāo)直徑確定精確的 碰撞危險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在1252，如果其確定該目標(biāo)太接近于主飛機(jī)通過，那么，目 標(biāo)是碰撞威脅1254的指示被傳送給該規(guī)避策略單元126。在1252,如果該威 脅評(píng)價(jià)單元124確定選擇的目標(biāo)沒有碰撞威脅，在1256另 一個(gè)目標(biāo);波選擇， 并且返回到1242,該威脅評(píng)價(jià)單元124確定是否該目標(biāo)是威脅。
因此，例如，在1250,該威脅評(píng)^介單元124可以確定在4妄下來的30秒內(nèi) 目標(biāo)將在主飛機(jī)的一個(gè)平均目標(biāo)直徑內(nèi)接近。另外，在1252，該威脅評(píng)價(jià)單 元124可以認(rèn)為這個(gè)碰撞危險(xiǎn)1254與該目標(biāo)的真實(shí)尺寸和距離無關(guān)。
選擇性地，該威脅評(píng)價(jià)單元124可以在1252進(jìn)行是否真實(shí)的距離估算是 想要的或者認(rèn)為是必要的不確定性的估算。在真實(shí)的距離估算是想要的那些 例子中，該威脅評(píng)價(jià)單元124可以從重建的標(biāo)度三維軌跡中確定目標(biāo)速度對(duì) 尺寸比，例如，在1250。然后，在1252,目標(biāo)速度對(duì)尺寸比可以與速度對(duì)尺 寸比相比，并且已知的真實(shí)碰撞威脅的概率具有表示該目標(biāo)是碰撞威脅的匹 配。選擇性地，主飛機(jī)相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)可以，例如，通過目標(biāo)4企測(cè)單元118 被跟蹤，并且歸結(jié)為用于更好的精度的這個(gè)不確定性的真實(shí)的距離確定。
短期的強(qiáng)度尖峰例如可以從瞬間的鏡面反射導(dǎo)致。這些短期的強(qiáng)度尖峰 趨向于導(dǎo)致范圍抖動(dòng)，其可以削弱碰撞威脅評(píng)價(jià)。因此，為了增強(qiáng)碰撞威脅 評(píng)價(jià)精度和穩(wěn)定度，該威脅評(píng)價(jià)單元124可以使用任何適用的技術(shù)，諸如在 該技術(shù)中為大家所熟知的，除去或者濾除這些短期的強(qiáng)度尖峰，例如，在1248 中。
圖4示出一旦由威脅評(píng)價(jià)單元124確定目標(biāo)表示碰撞威脅1254時(shí)，例如， 由規(guī)避策略單元126顯現(xiàn)規(guī)避策略的例子。在1262，該規(guī)避策略單元126從 軌跡史存儲(chǔ)器122中恢復(fù)用于其它的非威脅目標(biāo)的跟蹤歷史。在1264,該規(guī) 避策略單元126確定主飛機(jī)的軌跡。該規(guī)避策略單元126必須考慮所有本地 目標(biāo)的軌跡以避免生成另一個(gè)，并且或許，與另一個(gè)目標(biāo)更加逼近的威脅。 因此，在1266，該規(guī)避策略單元126確定安全區(qū)，以通過超過指定的最小安
全距離的距離來避免碰撞威脅1254。但是，該飛機(jī)不必執(zhí)行非常地猛烈的策 略，這可能使它本身陷于危險(xiǎn)中(例如，通過超出限定的飛行器安全參數(shù)或者 操作限制)，同時(shí)避免一個(gè)識(shí)別的威脅。因此，在1268，該失見避策略單元126 確定策略約束。然后，在1270，該規(guī)避策略單元126與主飛機(jī)軌跡數(shù)據(jù)一起 使用在附近所有跟蹤的飛機(jī)的最好的估算，以確定逃避的策略1272，其通過 一個(gè)超過指定的最小安全距離的距離將主飛機(jī)與識(shí)別的威脅(在附近所有其 它的飛機(jī))隔離。該逃避的策略1272被傳送給用于無人操縱的飛行器或者用 于有人操縱的飛行器的引導(dǎo)的飛行控制和導(dǎo)航(例如，在圖2中的116)。在逃 避的策略1272被執(zhí)行之后，目標(biāo)監(jiān)控繼續(xù)，釆集成像，識(shí)別目標(biāo)和確定是否 識(shí)別的目標(biāo)的任何一個(gè)引起^i撞威脅。
在供選擇的實(shí)施例中，由于可以是該威脅評(píng)價(jià)和規(guī)避策略計(jì)算需要的， 該圖像詢問器112可以使用 一個(gè)或多個(gè)FPGA與用于高級(jí)計(jì)算能力的一個(gè)或 多個(gè)并行處理設(shè)備的組合實(shí)現(xiàn)。
有利地， 一種優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110提供"查看和規(guī)避"或者"檢 測(cè)和規(guī)避"能力給任何飛機(jī)，不僅識(shí)別和監(jiān)視本地目標(biāo)，而且識(shí)別任何可能引 起的碰撞威脅，并且提供實(shí)時(shí)規(guī)避策略。該優(yōu)選的圖像詢問器112可以包含 在小的圖像處理硬件模塊內(nèi)，該圖像處理硬件模塊包含硬件和嵌入軟件，并 且其重量?jī)H僅是幾盎司。這樣顯著地減小的尺寸和重量允許^使典型的^^測(cè)和 跟蹤能力甚至對(duì)于小的UAV,例如，ScanEagle或者更小的是可利用的。因 此，該優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110可以隨著有人和無人操縱的飛機(jī)使用。 在有人駕駛的航空器中，該優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110增加引導(dǎo)的顯示。 在無人駕駛飛機(jī)中，該優(yōu)選的碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)110可以替換引導(dǎo)的顯示， 檢測(cè)可能引起碰撞危險(xiǎn)的飛機(jī)，并且必要時(shí)，提出對(duì)于無人駕駛飛機(jī)的飛行 控制逃避的策略。
雖然已經(jīng)就優(yōu)選實(shí)施例而言描述了本發(fā)明，那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí) 到，可以在所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)借助于修改實(shí)踐本發(fā)明。希望的 是所有這樣的變化和修改落在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，舉例和附圖 被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1. 一種識(shí)別和規(guī)避有可能的碰撞威脅的圖像詢問器，所述圖像詢問器包括:從局部圖像中檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)的雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)單元；跟蹤檢測(cè)的所述目標(biāo)的視距(LOS)、多目標(biāo)跟蹤單元；確定是否一些跟蹤目標(biāo)引起碰撞威脅的威脅評(píng)價(jià)單元；和確定策略以規(guī)避任何識(shí)別的所述碰撞威脅的規(guī)避策略單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的圖像詢問器，其中所述圖像詢問器進(jìn)一步包括目標(biāo) 軌跡史、所述LOS、在所述目標(biāo)軌跡史中保持用于每個(gè)所述跟蹤目標(biāo)的軌跡 史的多目標(biāo)跟蹤單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的圖像詢問器，其中所述威脅評(píng)價(jià)單元基于相應(yīng)的軌 跡史確定是否每個(gè)所述跟蹤目標(biāo)引起碰撞威脅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的圖像詢問器，其中所述威脅評(píng)價(jià)單元將每個(gè)所述跟 蹤目標(biāo)分類為或者不在碰撞航向上，或者在可能的碰撞航向上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的圖像詢問器，其中分類為在碰撞航向上的所述每個(gè) 跟蹤目標(biāo)以與包含所述圖像詢問器的主飛機(jī)恒定角度保持跟蹤。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的圖像詢問器，其中所述威脅評(píng)價(jià)單元進(jìn)一步將分類 為在可能的碰撞航向上的每個(gè)所述跟蹤目標(biāo)分類為或者有可能的碰撞威脅， 或者不大可能的碰撞威脅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的圖像詢問器，其中在可能的碰撞上變亮的所述目標(biāo) 被分類為可能的碰撞威脅，并且在可能的碰撞上暗淡的所述目標(biāo)被分類為不 大可能的碰撞威脅。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的圖像詢問器，其中所述規(guī)避策略單元選擇策略以規(guī) 避對(duì)于包含所述圖像詢問器的主飛機(jī)的碰撞，所述策略是基于所有所述目標(biāo) 的軌跡選擇的，并且規(guī)避與所述所有目標(biāo)碰撞。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的圖像詢問器，其中所述圖像詢問器包括至少一個(gè)現(xiàn) 場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)處理器。
10. —種飛機(jī)，包括 多個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器； 圖像詢問器包括 從局部圖像中^r測(cè)移動(dòng)目標(biāo)的雜波抑制和目標(biāo)^r測(cè)單元，跟蹤檢測(cè)的所述目標(biāo)的視距(LOS)、多目標(biāo)跟蹤單元，目標(biāo)軌跡史、所述LOS、在所述目標(biāo)軌跡史中保持用于每個(gè)檢測(cè)目標(biāo)的LOS坐標(biāo)的軌跡史的多目標(biāo)跟蹤單元；確定是否一些跟蹤目標(biāo)引起碰撞威脅的威脅評(píng)價(jià)單元，和 確定策略以規(guī)避任何識(shí)別的所述碰撞威脅的^見避策略單元；和 從所述規(guī)避策略單元接收規(guī)避策略，并且有選擇地執(zhí)行所述接收的規(guī)避策略的飛行控制和導(dǎo)航單元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的飛機(jī)，其中所述威脅評(píng)價(jià)單元基于相應(yīng)的目標(biāo)軌 跡史確定是否每個(gè)所述跟蹤目標(biāo)引起碰撞威脅。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的飛機(jī)，其中所述威脅評(píng)價(jià)單元將每個(gè)所述跟蹤目 標(biāo)分類為或者不在碰撞航向上，或者在與所述飛機(jī)可能的碰撞航向上，和分 類為在碰撞航向上的每個(gè)所述跟蹤目標(biāo)以與所述飛機(jī)恒定的角度保持跟蹤。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO的飛機(jī)，其中所述圖像詢問器是在至少一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可 編程門陣列處理器中實(shí)現(xiàn)的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11的飛機(jī)，其中所述威脅評(píng)價(jià)單元將每個(gè)所述跟蹤目 標(biāo)分類為或者不在碰撞航向上，或者在與所述飛機(jī)可能的碰撞航向上，分類 為在可能的碰撞上的每個(gè)所述跟蹤目標(biāo)進(jìn)一步分類為或者對(duì)所述飛機(jī)有可能 的碰撞威脅，或者不大可能的碰撞威脅。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的飛機(jī)，其中變亮的所述目標(biāo)被分類為可能的碰撞 威脅，并且暗淡的所述目標(biāo)被分類為不大可能的碰撞威脅。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10的飛機(jī)，其中所述規(guī)避策略單元基于所有所述目標(biāo) 的軌跡選擇用于所述飛機(jī)的策略，并且規(guī)避與所述所有目標(biāo)碰撞。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10的飛機(jī)，其中所述多個(gè)傳感器包括多個(gè)成像傳感器。
18. 根據(jù)權(quán)利要求10的飛機(jī)，其中所述多個(gè)傳感器包括多個(gè)紅外傳感器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求10的飛機(jī)，其中所述飛機(jī)是無人操縱的航空器(UAV)。
20. —種通過飛行器檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)的方法，該飛行器具有多個(gè)成像傳感 器，所述方法包括提供用于從在飛行器上的多個(gè)成像傳感器接收輸入的模塊，該模塊具有 用于處理來自多個(gè)成像傳感器的多個(gè)圖像的邏輯電路； 處理多個(gè)圖像以相對(duì)于雜波的背景檢測(cè)目標(biāo)；和 生成目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷史；其中該模塊包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列處理器。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該模塊被提供在無人操縱的飛行器上。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該模塊被提供在有人操縱的飛行器上。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中處理多個(gè)圖像包括使用單幀處理和具 有光點(diǎn)擴(kuò)展功能的巻積。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中處理多個(gè)圖像包括使用多幀活動(dòng)目標(biāo) 檢測(cè)算法。
25. —種通過飛行器檢測(cè)和規(guī)避目標(biāo)碰撞的方法，該飛行器具有多個(gè)成像 傳感器，所述方法包括提供用于從在飛行器上的多個(gè)成像傳感器接收輸入的模塊，該模塊具有 用于處理來自多個(gè)成像傳感器的多個(gè)圖像的邏輯電路，該模塊包括現(xiàn)場(chǎng)可編 程門陣列處理器；處理多個(gè)圖像以相對(duì)于雜波的背景檢測(cè)目標(biāo)；生成目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷史； 評(píng)價(jià)與一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的碰撞威脅的等級(jí)；和命令飛行器去規(guī)避與一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)碰撞。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中評(píng)價(jià)碰撞威脅的等級(jí)包括 從所述檢測(cè)的目標(biāo)中選擇一個(gè)目標(biāo)；確定用于所述選擇的目標(biāo)的軌跡；通過一個(gè)以上選擇的最小安全距離確定是否所述軌跡通過所述飛行器； 從所述檢測(cè)的目標(biāo)中選擇另 一個(gè)目標(biāo)；和 返回到確定用于所述選擇的目標(biāo)的軌跡的步驟。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中每當(dāng)用于所述選擇的目標(biāo)的所述軌跡 通過小于所述選擇的最小安全距離被確定是通過所述飛行器時(shí)，所述目標(biāo)被 識(shí)別為碰撞威脅。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述目標(biāo)軌跡是三維的(3D)軌跡，并 且確定所述3D軌跡包括確定用于所述選擇的目標(biāo)到所述飛行器的視距(LOS)軌跡；和 確定在所述選擇的目標(biāo)和所述飛行器之間明顯的距離變化。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中目標(biāo)速度與尺寸比是從所述3D軌跡 確定的，并且通過小于所述選擇的最小安全距離確定是否用于所述選擇的目 標(biāo)的所述軌跡通過所述飛行器包括，將以速度與尺寸比確定的所述目標(biāo)速度 與尺寸比結(jié)果和已知的真實(shí)碰撞威脅的概率比較。
30. 根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中命令飛行器去規(guī)避碰撞，包括 恢復(fù)用于所有^r測(cè)的所述目標(biāo)的軌跡；從識(shí)別為碰撞威脅的每個(gè)目標(biāo)中確定用于所述飛行器的最小安全距離；和確定用于所述飛行器去規(guī)避所有檢測(cè)的所述目標(biāo)的策略。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中用于所述飛行器的軌跡是在確定所述 最小安全距離之前確定的。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中確定所述策略包括確定用于所述飛行器的策略限制，所述策略限制約束所述飛行器規(guī)避執(zhí) 行超出限定的飛行器操作限制的策略；和確定用于在所述策略限制內(nèi)的所述飛行器的規(guī)避策略去規(guī)避每個(gè)所述碰 撞威脅。
全文摘要
碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)以及方法和飛機(jī)，諸如包括碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)的無人操縱的航空器(UAV)和/或遙控飛行器(RPV)。該碰撞感測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)包括對(duì)飛機(jī)有可能的碰撞威脅的圖像詢問器，并且提供規(guī)避任何識(shí)別的威脅的策略。運(yùn)動(dòng)傳感器(例如，圖像和/或紅外傳感器)提供圍繞雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)單元的圖像幀，其在該幀中檢測(cè)局部目標(biāo)移動(dòng)。視距(LOS)、多目標(biāo)跟蹤單元跟蹤檢測(cè)的局部目標(biāo)，并且以LOS坐標(biāo)保持用于每個(gè)檢測(cè)的局部目標(biāo)的軌跡史。威脅評(píng)價(jià)單元確定是否一些跟蹤的局部目標(biāo)引起碰撞威脅。規(guī)避策略單元以策略提供飛行控制和導(dǎo)航去規(guī)避任何識(shí)別的所述碰撞威脅。
文檔編號(hào)G08G5/04GK101385059SQ200780005308
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2007年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者丹尼斯·J·耶爾頓, 克里斯托弗·J·穆夏爾, 克里斯琴·C·威特, 杰克·桑德斯-里德, 邁克爾·R·亞伯拉罕 申請(qǐng)人:波音公司