Machine Vision im Flugzeugbetrieb | Softarex Blog

Ein Verfahren zur Steuerung des Landeanflugs mittels Maschinellem Sehen (Computer Vision)

Ein Computer Vision System (CVS) ist eine sensorbasierte Einrichtung, die qualitativ hochwertige Bilder empfängt, verarbeitet und transformiert. Dank eines richtig abgestimmten Systems wird die Fehlerwahrscheinlichkeit des Menschen auf ein Minimum reduziert.

Eine der möglichen Anwendungen eines CVS ist ein automatisches Flugzeuglandesystem, das Algorithmen der Trackingnormalisierung verwendet.
Die Landung eines modernen Verkehrsflugzeugs ist ein ziemlich komplizierter und verantwortungsvoller Prozess, der eine besondere Herangehensweise und Aufmerksamkeit sowohl von der Crew als auch von den Diensten am Boden erfordert. Zur deutlichen Vereinfachung und Entlastung von Menschen kann man ein automatisches Landesystem mit einem CVS anbieten.

Einstellungen der automatischen Steuerung während des Landeanflugs

Wir betrachten den Prozess der automatischen Steuerung des Flugzeugs während des Landungsanflugs aus einer Flughöhe von 400 bis 500 m. Hier bewegt sich das Flugzeug entlang einer starren oder flexiblen Flugbahn. Bei einer starren Flugbahn wird die Bewegungsbahn, der Gleitweg, unter Verwendung der bodengebundenen Funkfeuer eingestellt. Bei einer flexiblen Flugbahn werden Informationen über die Position des Flugzeugs relativ in Bezug auf den Landepunkt von den Onboard-Geräten geliefert.

Ein Funksystem des automatischen Landungeanflugs besteht aus Bord- und Bodenausrüstung. Bodenausrüstung: Gleitwegsender, Flugkurssender sowie Nah-, Mittel- und Weitmarkersender. Sender von Markierungsbaken befinden sich in Richtung der Mittellinie der Landebahn in einem Abstand von 60 m, 1600 m und 7200 m. Das Flugzeug beginnt in einer Höhe von 300 bis 400 m abzusinken, das heißt das Spurführungssystem kommt zum erstmaligen Einsatz beim Überfliegen der Fernmarkierung bei 7200 m. Der Vorteil dieses Systems ist die Verbindung mit dem Autopiloten und der Nachteil ist die Komplexität der Funkausrüstung. Man ist leider nicht in der Lage, mit den eng fokussierten und vom Boden reflektierten Funksignalen zu arbeiten, wenn das Flugzeug aus niedrigen Höhen anfliegt.

Der Prozess der automatischen Steuerung des Flugzeugs während der Landung kann stattdessen durch das Tracking des Flugzeugs mit Hilfe von Videoframes in Echtzeit und anschließender Kontrolle der Landung gemäß dem mathematischen Modell der Bewegung des Flugzeugs durchgeführt werden. In diesem Fall beginnt auch das CVS mit der Steuerung des Flugzeugs, wenn es die Fernmarkierung bei 7200 m passiert.

Steuerung des Landeanflugs mittels Computer Vision

Die erste Phase des Systembetriebs besteht darin, das Flugzeug digital einzufangen, sobald es in seine Sichtzone einfliegt. Der Fluglotse markiert es auf dem Bildschirm, auf dem das Sichtfeld der Kamera angezeigt wird, oder automatisch mithilfe von Erkennungs- und Segmentierungsalgorithmen. Das Tracking-Frame (der rechteckiger Begrenzungsrahmen) wird auf dem Bild des Flugzeugs platziert und der Tracking-Prozess (Tracking) beginnt. Bis das Flugzeug in die Sichtbarkeitszone eintritt, speichert das CVS das Sichtfeld, um den Hintergrund während des Trackingvorgangs vom Bild auszugrenzen. Dadurch kann die Störunanfälligkeit des Systems erhöht werden.

Als nächstes folgt die Landung des Flugzeugs entlang eines Gleitwegs. Der Gleitweg wird von einem Funkstrahl bestimmt, der aus einem in der Nähe der Landebahn in einem Winkel von 2-3 ° liegenden Gleitwegsender austritt. Bei der Steuerung der Landung eines Flugzeugs mittels Computer Vision CVS müssen die Videokameras des Systems so eingestellt werden, daß die Neigung der Beobachtungslinie 2-3° beträgt. Damit wird die Gleitweglinie gesichert, die mit der Sichtlinie zusammenfällt. Die CVS-Kamera wird an der gleichen Stelle wie der Nahmarkersender installiert. Mit der Überfliegung dieses Gleitwegsenders befindet sich das Flugzeug in einer Höhe von 16-25 m.

Bei dem Landeanflug steuert der Autopilot das Flugzeug so, dass der Geschwindigkeitsvektor seines Massenmittelpunktes im stationären Zustand entlang des Gleitwegs ausgerichtet ist. Wenn sich das Flugzeug nicht entlang des Gleitwegs bewegt, wird sein Bild und dementsprechend die Mitte des Tracking-Frames relativ zur Bildmitte der CVS verschoben. Und zur Steuerung wird ein Korrektursignal basierend auf dem Fehlersignal erzeugt. Es wird durch die Abweichungen der Mitte des Tracking-Frames von der Mitte des CVS “Sichtfelds” bestimmt.

Es ist notwendig, die Annäherung sowohl des Bildes des Flugzeugs als auch des Tracking-Frames an die Mitte des Sichtfelds zu kontrollieren. Das Zusammentreffen der Mitte des Tracking-Frames und der Mitte des Sichtfelds wird ein Kriterium sein, um den Betrieb des Steuerungssystems an Bord des Flugzeugs zu stoppen. Aber das CVS wird das Flugzeug jedoch so lange überwachen, bis es den Nahweitmarkersender erfolgreich passiert – den Ort, an dem das Kamerasystem installiert ist.
Die Abb. 1 zeigt den Zeitpunkt t0 – das Abfangen eines Flugzeugs durch ein automatisches Landesystem. Die Zeichnung zeigt, dass der Mittelpunkt des Tracking-Frames versetzt bezogen auf den Nullpunkt der Koordinaten in der X0Y0-Ebene liegt. Die Punkte В und С sind die Schnittpunkte des Koordinatensystems XS und YS, die im Tracking-Frame liegen, mit den Koordinatenachsen X0 und Y0. Wir verbinden sie mit der Bildmitte in der CVS-Kamera, durch die Sichtlinie verläuft, und wir erhalten den Winkel β – die Kursabweichung von der Sichtlinie in der vertikalen Ebene und den Winkel γ – die Kursabweichung in der horizontalen Ebene. Der Abstand in Pixeln von der Mitte des Tracking-Frames zu Х0-Achse wird als und zur Y0-Achse als angegeben. Die Abweichungen des Tracking-Frames von der Mitte des Sichtfelds können bestimmt werden, da die Koordinaten der Mitte des Tracking-Frames immer bekannt sind.

Abb. 1 – Position des CVS, der Landebahn und der Bildebene beim Betrieb des Flugleitsystems zur Landebahn

Mathematisches Modell der automatischen Kontrolle und Regelung des Flugzeugs

Um das Problem zu lösen, das Flugzeug auf die Gleitweglinie, d.h. auf den richtigen Landekurs zu bringen, muss ein Regelungsgesetz erstellt werden, das vorhandene Kursabweichungen automatisch beseitigt und dementsprechend die Abweichung des Tracking-Frames auf Null reduziert, und auf diese Weise wird das CVS den Prozess des Anfluges des Flugzeugs zur Gleitweglinie kontrolieren.

Das deterministische mathematische Modell der Flugzeugbewegung basiert auf folgenden Parametern:
Flugzeugparameter (Masse, Geschwindigkeit, Jet Schub, Flügelfläche, Kraftstoffverbrauch),
Umgebungsparameter (Schallgeschwindigkeit in einer gegebenen Höhe, Luftdichte, bekannt als Funktion der Höhe H bei konstanter Temperatur),
Bewegungsparameter des Flugzeugs (Anstellwinkel, Massenträgheitsmoment des Flugzeugs in Bezug auf die -Achse , Neigungswinkel der Flugbahn, Auslenkungswinkel des Höhensteuers, Nickwinkel). Dieses Modell ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von Gleichungen zur Steuerung des Flugzeugs in allen Flugphasen.

Für die Landung entlang eines Gleitwegs wird eine vereinfachte Gleichung der gestörten Bewegung mit kleinen Richtungsabweichungen des Geschwindigkeitsvektors des Massenmittelpunktes des Flugzeugs von der Richtung des Gleitwegs verwendet, die durch Linearisierung des allgemeinen Modells der Flugzeugbewegung gebildet wird. Die wichtigsten Parameter in der vereinfachten Gleichung sind Pi- die Größe der Nichtübereinstimmung der aktuellen und der erforderlichen Höhe des Flugzeugs und Δδ – der Auslenkwinkel des Höhensteuers.
Die Ausgangsfunktion η soll während des Fluges gemessen werden, ebenso wie der Wert der Steuerungsfunktion Δδ – die Abweichung des Höhensteuers vom erforderlichen Winkel. Um ein Regelsystem zu erstellen, ist es erforderlich, das Regelungsobjekt mit einem Feedback zu versehen, wobei η zur Eingangsfunktion und Δδ zur Ausgangsfunktion wird. Die Funktion, die Δδ mit der Eingangsfunktion η verknüpft, nennen wir Regelungsgesetz.

Nach den Prinzipien der Synthese von Regelungssystemen unter Bedingungen der Unsicherheit bauen wir ein adaptives Steuersystem auf, das auf die Gleichung reduziert ist:

– Nr. 1

In Nr. 1 , wo k – ein Koeffizient ist, der die Eigenschaften des Flugzeugs berücksichtigt, was bedeutet, dass der Nenner nicht gleich Null ist. Die Koeffizienten К1 und К0 werden durch das Lösen des Systems der Riccati-Gleichungen ermittelt.

Ergo: es wird das Regelungsgesetz für das Höhensteuer des Flugzeugs bestimmt, das den Wert des Höhensteuerauslenkungswinkels δ – mit der Abweichung der Flughöhe des Flugzeugs η von der erforderlichen Flughöhe verknüpft. Mit diesem Regelungsgesetz ist es möglich, den Höhensteuerauslenkungswinkel zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen.

Um den Anfangswert der Größe η zu bestimmen, wird der Nichtübereinstimmungswert in Pixeln verwendet- ηk. Sie wird im Sichtfeld des CVS als Abstand vom Zentrum des Tracking-Frames zur X-Achse definiert. Diese Werte sind über den Skalenfaktor miteinander verbunden. Die Größe des Skalenfaktors wird basierend auf den Parametern der CVS-Objektive festgelegt.
Der Skalenfaktor wird bei dem Einsetzen in die Gleichung Nr. 1 reduziert, und die Werte der ersten und der zweiten Ableitungen
kwerden als Projektionen der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung auf die Y0-Achse berechnet und wir erhalten:

Nach dem Umschreiben der Gleichung Nr.1 erhalten wir:
– Nr. 2

dabei ist Δηk0 – die Änderung der Abweichung der Mitte des Tracking-Frames von der Х0-Achse im vorherigen Schritt zum Zeitpunkt t0,
Δηk1 ist die Änderung der Abweichung der Mitte des Tracking-Frames von der Х0 – Achse zum aktuellen Schritt zum Zeitpunkt t1,
Δηk ist die Abweichung der Mitte des Tracking-Frames von der Х0-Achse.

Das Koordinatensystem Х0Y0 liegt in der Mitte des Sichtfeldes der CVS. Der Wert von ηk ist in diesem Fall der Abstand zwischen der Mitte des Tracking-Frames und der X-Achse.

Die Gleichung zeigt die Verbindung zwischen den Parametern, die durch Normalisieren des Tracking-Frames und dem Ablenkwinkel des Höhensteuers des Flugzeugs erhalten werden. Es enthält nicht die Entfernung zum Flugzeug oder seine Flughöhe. Dadurch kann man auf zusätzliche Sensoren verzichten, die Komplexität wird verringert und die Berechnungsfehler werden erheblich reduziert.
Der Wert Δδ wird mit einem an Bord des Flugzeugs befindlichen Sensor gemessen und an den Autopilot übermittelt, und das automatisierte Landesystem übermittelt ihm die Abweichung des Tracking-Frames vom Zentrum des Sichtfelds. Im Autopilot wird die erforderliche Änderung des Ablenkwinkels vom Höhensteuer im aktuellen Schritt berechnet.

In ähnlicher Weise kann man die Regelungsgleichung für den Flugzeuglenkwinkel erhalten.

Es ist möglich die Gleichung Nr. 1 auf der Grundlage von finiten Differenzoperatoren in ein diskretes Formular zu konvertieren, das Berechnungen auf einem Computer ermöglicht. In diesem Fall wird die Größe der Fehlanpassung ηk wie zuvor auch mit dem CVS gemessen, und die Ableitungen werden durch Finite-Differenz-Operatoren ersetzt.