一种直升机合成视景显示方法与流程

本发明属于直升机座舱显示领域，具体涉及一种直升机合成视景显示方法。

背景技术：

直升机具有垂直起降、机动飞行等能力，在应急救援、货物运输、边防巡逻等方面具有广泛用途。在直升机起降和飞行过程中，山区、丘陵等复杂的自然环境和雨雪雾霾、沙尘等复杂气象条件，对飞行安全都造成了严重威胁。尤其是，当直升机在野外起飞和降落时，旋翼吹起的大量沙尘会影响飞行员视野，再加上飞行员不熟悉周围地理环境和着陆场地，容易发生危险。

合成视景是一种根据直升机位置和高度，利用地形数据、障碍物数据、机场跑道数据生成的三维虚拟视景。在合成视景上可叠加显示电子飞行仪表、飞行指引符号和地形告警信息。合成视景具有显示范围广、距离远、分辨率高，不受天气状况影响等优点，可有效增强飞行员在复杂自然环境和低能见度条件下的情景意识，提高飞行安全。

现有直升机座舱内显示的合成视景图像都是以本机航向为中心。当直升机在飞行或侧风进近过程中因气流影响产生一定角度的偏流，即直升机航向与航迹不一致时，沿直升机航向方向的外部环境，与直升机实际飞行的航迹周围环境不一致。此时，飞行员更关注航线而不是航向，因为沿直升机航迹周围的起伏地形或障碍物会直接威胁飞行安全。然而，座舱内保持显示以航向为中心的合成视景图像，容易使飞行员难以观察直升机航迹周围的环境，产生飞行安全隐患。

现有飞行画面中的主要仪表有姿态指示器和水平位置指示器，水平位置指示器始终处于飞行画面下部。当在直升机在不良目视条件下执行陡峭的进近，飞行员需要通过合成视景的下部图像观察着陆场地和周围环境，而水平位置指示器则会遮挡这部分图像，影响飞行员获取信息，增加工作负担。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新的合成视景显示方法，根据直升机状态显示适当视角的合成视景图像，自动调整仪表位置，实现飞行环境与合成视景图像协调一致，使飞行员能更准确地感知周围环境，提高飞行安全。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种直升机合成视景显示方法，包括以下步骤：

直升机在地面时，根据直升机位置、姿态和航向信息，基于三维地形数据库、机场跑道信息生成合成视景图像，直升机姿态指示器和水平位置指示器叠加显示在合成视景图像上；

直升机飞行过程中，根据直升机地速和偏流角决定合成视景显示的视角，并根据直升机位置、姿态和高度，以视角为中心，搜索机载的三维地形数据库、障碍物数据库，生成并输出合成视景图像；

显示所述合成视景图像，并提示当前视角，在水平位置指示器中，根据视角显示合成视景两侧视野边界线，以提示飞行员当前合成视景的视角和视野；

直升机下降进近时，合成视景图像显示跑道或直升机停机坪符号，当直升机飞行路径角大于精密仪表进近方式的标准进近角6°时，画面中的水平位置指示器逐渐下降同时姿态指示器最小俯仰刻度逐渐增加。

进一步地，所述基于三维地形数据库、机场跑道信息生成合成视景图像，包括：

在机载三维地形数据库和机场数据库中定位，搜索匹配出直升机周围地形的地理信息；根据地形数据库中的高程数据，使用地形网格模拟高低起伏和近密远疏的地表形状，根据地形属性覆盖匹配的纹理，实时出渲染沿直升机航向方向的前方地形图像；在地形图像基础上叠加显示机场信息，突出显示跑道轮廓线、跑道编号和跑道中心线，形成合成视景图像。

进一步地，所述根据直升机地速和偏流角决定合成视景显示的视角，其中视角的判断条件是：

其中，trk表示航迹角，hdg表示航向角，gs表示地速，da表示偏流角。

进一步地，所述以视角为中心，搜索机载的三维地形数据库、障碍物数据库，生成并输出合成视景图像，包括：

根据地形数据库中的高程数据，使用地形网格模拟高低起伏和近密远疏的地表形状，根据地形属性覆盖匹配的纹理，实时渲染沿直升机航向方向的前方地形图像，在地形图像基础上叠加显示机场位置，突出显示直升机机场标识。

进一步地，在地形图像基础上叠加显示机场信息的同时，还包括：在地形图像基础上叠加显示障碍物信息，突出显示障碍物轮廓；轮廓的放大系数采用距离的固定增量的倒数放大实现，具体的放大公式如下所示

其中，d为障碍物到直升机的实际距离，dscale为开始放大的距离，dmax为最大放大距离，smax最大允许的放大倍数。

进一步地，显示合成视景图像时，在空速刻度带旁提示当前视角“航向”/“航迹”/“过渡”；在水平位置指示器中，以视角为中心，根据合成视景的最小可视角度和最大可视角度，与直升机符号连线，形成合成视景两侧视野边界线。

进一步地，为显著区分视野边界线与其他符号，将视野边界线设置为虚线。

进一步地，所述画面中的水平位置指示器逐渐下降同时姿态指示器最小俯仰刻度逐渐增加，具体为：

画面中的水平位置指示器器逐渐下降，显示范围从360°减少至210°，同时姿态指示器最小俯仰刻度从-10°增加至-20°。

一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述直升机合成视景显示方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现所述直升机合成视景显示方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

在直升机座舱显示中，本发明能根据直升机地速和偏流角，显示适当视角的合成视景图像和合成视景视野范围，能根据直升机飞行路径角，自动调整水平位置指示器的显示位置和俯仰刻度显示范围，使飞行环境与合成视景图像协调一致，切换视角衔接顺畅，不仅符合飞行员的操作习惯，减轻工作负担,还能大幅提高飞行员环境感知能力，提高飞行安全。本发明适用于所有直升机型号的合成视景显示，通用性强。

附图说明

图1是本发明中合成视景显示流程；

图2是本发明中航向视角的合成视景画面；

图3是本发明中过渡视角的合成视景画面；

图4是本发明中航迹视角的合成视景画面；

图5是本发明中水平位置指示器下降的合成视景画面。

具体实施方式

为解决直升机在侧风飞行过程中，航向与航线方向不一致，仅向飞行员提供沿航向方向的合成视景图像，不能满足飞行员观察航线和着陆场地周围环境的要求，从而影响飞行安全的问题，本发明提供一种新的合成视景显示方法，基于直升机地速和偏流角进行视角切换，当直升机在地面时，提供以航向为视角的合成视景图像，当直升机起飞爬升超过设定的速度值时，提供过渡视角的合成视景图像，当直升机速度继续增加超过最佳爬升速度时，提供以航迹为视角的合成视景图像。当直升机偏流角过大时，合成视景切换为过渡视角、航向视角。当直升机减速进近时，切换为航向视角。此时，如果直升机飞行路径角超过标准进近角，则水平位置指示器显示位置下降，姿态俯仰刻度显示更大范围。本方案根据直升机地速和偏流角，显示适当视角的合成视景图像，根据直升机飞行路径角，自动调整水平位置指示器的显示位置和俯仰刻度显示范围，使飞行环境与合成视景图像协调一致。下面结合附图对本发明的具体内容作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种直升机合成视景显示方法，包括以下步骤：

步骤1，直升机在地面时，根据直升机位置、姿态和航向信息，基于三维地形数据库、机场跑道信息生成合成视景图像，直升机姿态指示器和水平位置指示器叠加显示在合成视景图像上。

具体地，在机载三维地形数据库和机场数据库中定位，搜索匹配出直升机周围地形的地理信息；根据地形数据库中的高程数据，使用地形网格模拟高低起伏和近密远疏的地表形状，根据地形属性覆盖匹配的纹理(如草皮、沙地等)，实时出渲染沿直升机航向方向的前方地形图像；在地形图像基础上叠加显示机场信息，突出显示跑道轮廓线、跑道编号和跑道中心线，形成合成视景图像。

当直升机在雨雪雾霾或夜间等低能见度条件下，需出动执行紧急救援救灾任务时，在地面状态为飞行员提供实时准确地合成视景图像，能有效地辅助飞行员判断当前起飞环境，减轻飞行员的心理压力，降低起飞过程中的事故概率。

步骤2，直升机飞行过程中，根据直升机地速和偏流角决定合成视景显示的视角，在合成视景视角切换的过程中，提供过渡视角；并根据直升机位置、姿态和高度，以视角为中心，搜索机载的三维地形数据库、障碍物数据库，生成并输出合成视景图像。

合成视景的视角有三种：航向视角，过渡视角，航迹视角。视角的判断条件是：

其中，trk表示航迹角，hdg表示航向角，gs表示地速，da表示偏流角。

当直升机地速小于35km/h时，通常处于起飞阶段，此时飞行员需要了解航向方向的前方环境是否存在威胁起飞安全的起伏地形或障碍物，因此合成视景的视角应设置为航向角。当直升机的偏流角超过50°时，表示直升机航向角与航迹角相差超过50°。根据直升机常规性能，此时直升机已经脱离了航线飞行，处于机动飞行状态，如侧飞。此时，飞行员通过前期观察已确认周围地形满足飞行安全要求，才会进行侧飞机动。为使飞行员通过驾驶舱观察的外部环境与合成视景图像一致，保持统一的环境感知，应将合成视景的视角设置为航向角。

当直升机地速大于55km/h时，通常进入巡航或航线飞行阶段，根据直升机飞行数据统计，此时偏流小于50°。当直升机航向与航迹不一致时，沿直升机航向方向的外部环境，与直升机实际飞行的航迹周围环境不一致。此时，飞行员更关注航线周围环境情况而不是航向，因为沿直升机航迹周围的起伏地形或障碍物会直接威胁飞行安全。如果座舱内保持显示以航向为中心的合成视景图像，容易使飞行员难以观察直升机航迹周围的环境，产生飞行安全隐患。因此，在直升机地速大于55km/h，偏流角小于50°时，合成视景的视角应设置为航迹角。

当直升机地速大于35km/h小于55km/h时，通常处于起飞后爬升，尚未进入巡航的过渡阶段。如果直升机未进行机动飞行，则偏流角通常小于50°。为避免直升机进入巡航阶段时，合成视景图像直接切换视角，造成图像不连续，影响飞行员观察效果的问题，过渡阶段中，在两个合成视景视角之间定义过渡视角2/3(hdg-trk)+trk，即1/3trk+2/3hdg。通过设置过渡阶段的合成视景视角，使起飞阶段和巡航阶段的合成视景图像平滑地切换视角。在该步骤中，能为飞行员提供适配直升机飞行状态的合成视景图像，可有效地提高飞行安全。

步骤3，显示所述合成视景图像，并提示当前视角，在水平位置指示器中，根据视角显示合成视景两侧视野边界线，以提示飞行员当前合成视景的视角和视野，如图2、图3和图4所示。

在该步骤中，显示合成视景图像的过程为：根据地形数据库中的高程数据，使用地形网格模拟高低起伏和近密远疏的地表形状，根据地形属性覆盖匹配的纹理(如草皮、沙地等)，实时渲染沿直升机航向方向的前方地形图像，在地形图像基础上叠加显示机场位置，突出显示直升机机场标识在地形图像基础上叠加显示障碍物信息，突出显示障碍物轮廓；轮廓的放大系数采用距离的固定增量的倒数放大实现，具体的放大公式如下所示

其中，d为障碍物到直升机的实际距离，dscale为开始放大的距离，dmax为最大放大距离，smax最大允许的放大倍数。

地形图像上叠加显示机场标识和障碍物轮廓，形成直升机合成视景图像，在低能见度条件和复杂地形环境下，提供飞行所需的外部环境图像，使飞行员获得有效、全面、实时的环境感知，从而有效地降低直升机与起伏的山地、地面障碍物相撞的风险，提高飞行安全。

显示合成视景图像时，在空速刻度带旁提示当前视角“航向”/“航迹”/“过渡”；在水平位置指示器中，以视角为中心，根据合成视景的最小可视角度和最大可视角度，与直升机符号连线，形成合成视景两侧视野边界线。为显著区分视野边界线与其他符号，将视野边界线设置为虚线。

合成视景为飞行员提供了垂直视角的外部环境图像，水平位置指示器是为飞行员提供水平视角的信息，飞行员在观察合成视景图像时，通过水平位置指示器中的视野边界线，能更直观地掌握当前合成视景的视角和视野。通过该步骤设计，能使飞行员在垂直和水平视角同步观察合成视景的可视范围，更好地掌握外部环境相对直升机的情况，进一步提高环境感知能力。

步骤4，直升机下降进近时，合成视景图像显示跑道或直升机停机坪符号，当直升机飞行路径角大于精密仪表进近方式的标准进近角6°时，画面中的水平位置指示器逐渐下降同时姿态指示器最小俯仰刻度逐渐增加；例如，画面中的水平位置指示器器逐渐下降，显示范围从360°减少至210°，同时姿态指示器最小俯仰刻度从-10°增加至-20°，如图5所示。

以显示器左上角为原点，显示器右小角坐标为(x,y)，水平位置指示器显示坐标原为(x1,y1)，下降后的显示坐标为(x1,y-(r×cos75°))。

该步骤中，飞行路径角代表飞机运动方向与法向轴的夹角。在姿态指示器俯仰刻度带上指示飞行路径角(符号为)并叠加在合成视景图像上，飞行员可通过飞行路径角符号直观地观察到当前飞行路径上的威胁地形和障碍物，从而提前规划飞行路径，避障飞行。在直升机下降进近过程，飞行路径角应指示在俯仰刻度带低于0°的范围。在当直升机飞行路径角大于精密仪表进近方式的标准进近角6°时，直升机的进近路径处于陡峭状态。当直升机需在狭窄的空间中降落，最大飞行路径角能达到20°，此时超出了姿态指示器俯仰刻度0°以下的显示范围，因此需将姿态指示器最小俯仰刻度-10°增加至-20°。为了扩展显示俯仰刻度，同时避免与水平位置指示器显示冲突，需将水平位置指示器下降。经过直升机飞行数据统计和飞行员人机工效评估结果，水平位置指示器前方210°是能满足飞行员进近飞行过程中使用要求的最小范围。通过该步骤设计，能使飞行员在陡峭进近过程中同时观察目标跑道或机场、飞行路径角以及外部环境威胁，从而提高直升机进近过程中的飞行安全。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。