DE102008008273A1

DE102008008273A1 - Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe

Info

Publication number: DE102008008273A1
Application number: DE200810008273
Authority: DE
Inventors: Jean Dr. Blondeau
Original assignee: FTI TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: FTI TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts (2) abhängigen Größe. Die Vorrichtung weist eine Strahlenquelle zum Erzeugen von Licht (5), einen auf dem Objekt (2) anordbaren Reflektor (6) zum Reflektieren des erzeugten Lichts (8) und einen Detektor zum Detektieren des reflektierten Lichts (5) auf. Des Wezum Steuern der Strahlenquelle und des Detektors so, dass der Detektor ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht (8) der Strahlenquelle den Reflektor (6) nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht (8) der Strahlenquelle den Reflektor (6) bestrahlt. Zudem umfasst die Vorrichtung eine Differenzbilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Differenzbildes als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild und eine Positionsbestimmungseinheit zum Bestimmen der von der Position des Objekts (2) abhängigen Größe aus dem Differenzbild.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogramm zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Reflektor und eine Detektions- und Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer von einer Position eines Objekts abhängigen Größe. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein bewegliches Objekt mit einem erfindungsgemäßen Reflektor und/oder mit einer erfindungsgemäßen Detektions- und Bestimmungseinrichtung.
Es ist bekannt, die Position von beweglichen Objekten, beispielsweise von Flugzeugen, Fahrzeugen oder Schiffen, mit Hilfe eines GPS-Systems zu bestimmen. Die Bestimmung der Position eines beweglichen Objektes mit einem GPS-System hat den Nachteil, dass es die Position relativ ungenau ermitteln kann. Es wurde daher ein sogenanntes differentielles GPS-System entwickelt, bei dem die Genauigkeit der Positionsbestimmung im Zentimeterbereich liegt. Dieses differentielles GPS-System hat allerdings den Nachteil, dass die Positionsbestim mung relativ träge ist, das heißt, die Position wird erst nach wenigen Minuten bestimmt, und dass es leicht durch elektromagnetische Felder gestört werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, ein Verfahren, ein Computerprogramm, einen Reflektor und eine Detektions- und Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer von einer Position eines Objekts abhängigen Größe und ein entsprechendes bewegliches Objekt anzugeben, mit denen die Bestimmung einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe verbessert wird.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe bereit, wobei die Vorrichtung aufweist:

– eine Strahlenquelle zum Erzeugen von Licht,
– einen auf dem Objekt anordbaren Reflektor zum Reflektieren des erzeugten Lichts,
– einen Detektor zum Detektieren des reflektierten Lichts,
– eine Steuereinheit zum Steuern der Strahlenquelle und des Detektors so, dass der Detektor ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor bestrahlt,
– eine Differenzbilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Differenzbildes als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild,
– eine Positionsbestimmungseinheit zum Bestimmen der von der Position des Objekts abhängigen Größe aus dem Differenzbild.

Die Erfindung basiert auf der Idee, dass durch die Verwendung des Differenzbildes zum Bestimmen einer von der Position des Objekts abhängigen Größe, die Störanfälligkeit herabgesetzt wird. Denn das optische Verfahren wird nicht durch elektromagnetische Strahlen aus dem Funkbereich gestört und auch Lichtstrahlen beeinflussen die Bestimmung der von der Position des Objekts abhängigen Größe auf Grund der Verwendung des Differenzbildes kaum oder gar nicht.
Zudem erfolgt diese Bestimmung auf Grund der Verwendung von Lichtstrahlen sehr schnell und ist sehr genau.
Wenn das erste Bild detektiert wird, strahlt die Strahlenquelle bevorzugt kein Licht aus, so dass das erste Bild detektiert wird, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor nicht bestrahlt.
Die von der Position des Objekts abhängige Größe ist bevorzugt die Richtung, in der der Reflektor ausgehend von dem Detektor angeordnet ist oder die Position des Reflektors oder des Objektes oder die Geschwindigkeit des Reflektors oder des Objektes.
Die Strahlenquelle ist bevorzugt eine Strahlenquelle, die Licht im nahen infraroten Wellenlängenbereich ausstrahlt. Die Strahlenquelle ist bevorzugt monochromatisch. Die Strahlenquelle kann in bevorzugten Ausführungsformen auch eine oder mehrere Wellenlängen ausstrahlen, die nicht im nahem Infrarotbereich liegen. Bevorzugte Strahlenquellen sind Laserlichtstrahlenquellen oder LEDs, welche bevorzugt monochromatische Licht abstrahlen.
Die Strahlenquelle ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine Blitzbeleuchtung erzeugt, so dass der Reflektor zu einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten blitzartig beleuchtet werden kann. Die Blitzbeleuchtung ist bevorzugt nur von geringer Dauer, die ausreicht um das beleuchtete Bild, das heißt das zweite Bild, mit dem Detektor, insbesondere einer Kamera, aufnehmen zu können. Die Dauer liegt bevorzugt im Millisekundenbereich.
Der Artikel „ein" beschränkt die jeweiligen Elemente nicht auf die Einzahl. So können beispielsweise mehrere Strahlenquelle, mehrere Reflektoren und/oder auch mehrere Detektoren vorhanden sein. Des Weiteren können auch mehrere Objekte vorhanden sein, so dass für mehrere Objekte eine Größe bestimmt wird, die von der Position des jeweiligen Objekts abhängt. Auch können mehrere Differenzbilderzeugungseinheiten und Positionsbestimmungseinheiten vorhan den sein, um von der Position des Objekts abhängige Größen aus verschiedenen Richtungen zu bestimmen.
Es ist bevorzugt, dass zumindest die Strahlenquelle und der Detektor auf einem weiteren Objekt anordbar sind. Dies ermöglicht es, Relativrichtungsvektoren, -positionen und -geschwindigkeiten zwischen mindestens zwei Objekten zu bestimmen, insbesondere zwischen mindestens zwei sich bewegenden Objekten. Hierzu sind bevorzugt auch die Steuereinheit, die Differenzbilderzeugungseinheit und die Positionsbestimmungseinheit auf dem weiteren Objekt angeordnet. Ist der Reflektor auf einem beweglichen Objekt angeordnet, so können die Strahlenquelle und der Detektor auch in einer ortsfesten Referenzstation angeordnet sein, um eine von der Position des Objekts abhängige Größe zu bestimmen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlenquelle angepasst ist, um Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu erzeugen, und der Reflektor einen Wellenlängenfilter zum Reflektieren des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und/oder der Detektor einen Wellenlängenfilter zum Detektieren des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist. Hierdurch wird die Störanfälligkeit durch Strahlen, die nicht von der Strahlenquelle ausgehen, weiter verbessert.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Strahlenquelle angepasst ist, um Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu erzeugen und die Vorrichtung des Weiteren eine Wellenlängenbildfiltereinheit zum Filtern des vorbestimmten Wellenlängenbereichs in dem ersten und/oder zweiten Bild und/oder dem Differenzbild aufweist. Auch hierdurch wird die Störanfälligkeit gegen Licht, das nicht von der Strahlenquelle erzeugt wird, weiter reduziert.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung des Weiteren eine Formbildfiltereinheit zum Filtern der Form des Reflektors in dem ersten und/oder zweiten Bild und/oder dem Differenzbild aufweist. Auch durch diese Filterung der Form des Reflektors wird die Störanfälligkeit weiter reduziert.
Es kann vorgesehen sein, dass die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die Position eines Reflektorbildes im Differenzbild als die von der Position des Objekts abhängige Größe zu bestimmen. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die Position eines Bereichs oder Punkts innerhalb eines Reflektorbildes im Differenzbild als Position des Reflektorbildes zu bestimmen. Bevorzugt ist der Punkt der Schwerpunkt des Differenzbildes. Hierdurch wird die Bestimmung der von der Position des Objekts abhängigen Größe weiter verbessert.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Positionsbestimmungseinheit des Weiteren eine Transformationseinheit zum Transformieren der bestimmten Position des Reflektorbildes zu einer Position des Objekts aufweist. Da die geometrischen Beziehung zwischen der Position des Reflektorbildes in dem Differenzbild zu der Position des realen Reflektors bekannt ist und da die geometrische Beziehung zwischen der Position des Reflektors und der Position des Objektes bekannt ist, kann durch einfache geometrischen Transformationen aus der Position des Reflektorbildes in dem Differenzbild die Position des Reflektors und des Objektes, auf dem der Reflektor angeordnet ist, bestimmt werden. Diese Position ist beispielsweise der Richtungsvektor, der ausgehend von dem Detektor in Richtung des Reflektors zeigt. Des Weiteren kann diese Position auch die genaue Position im dreidimensionalen Raum sein.
Die Transformation kann in einer Ausführungsform beispielsweise durch die innere und äußere Orientierung der Abbildung durchgeführt werden. Durch die Lage des Bildpunktes in dem Detektor, insbesondere in der Kamera, welche sich aus der Kamerakonstante (beschreibt Lage der Bildebene zum Projektionszentrum; kann also als die Brennweite verstanden werden) und des von der Kamera bestimmten Bildhauptpunktes auf der Abbildungsebene (Bildsensor) zusammensetzt, kann der Vektor vom Projektionszentrum zum Bildhauptpunkt der Abbildung des Reflektors ermittelt werden. Unter Berücksichtigung der Kameraausrichtung (äußere Orientierung), welche sich aus der rotatorischen Komponente (Drehwinkel der optischen Achse im Raum) und translatorischen Komponente (Lage des Projektionszentrums im Raum) zusammensetzt, kann der Richtungs vektor zum Reflektor bestimmt werden. Ist dieser Richtungsvektor bekannt, kann durch Schneiden mit einer beliebigen Referenzebene (beispielsweise bei der Luftbetankung die parallele Ebene, in der der Betankungsschlauch verläuft) durch den Schnittpunkt die Lage im Raum (auf der festzulegenden Schnittebene) bestimmt werden.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass

– die Steuereinheit angepasst ist, um zu mindestens zwei Zeitpunkten jeweils ein erstes Bild und ein zweites Bild durch den Detektor zu detektieren,
– die Differenzbilderzeugungseinheit angepasst ist, um zu den mindestens zwei Zeitpunkten jeweils ein Differenzbild als Differenz zwischen dem jeweiligen ersten Bild und zweiten Bild zu erzeugen,
– die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die Positionen des Reflektorbildes in den mindestens zwei Differenzbildern und eine Bewegung unter Verwendung der ermittelten Positionen und der mindestens zwei Zeitpunkte zu ermitteln. Hierdurch lässt sich die Bewegung eines Reflektors oder eines Objektes, wobei auch Bewegungen von mehreren Reflektoren oder mehreren Objekten umfasst sind, insbesondere auch die Relativbewegung zwischen zwei Reflektoren oder zwischen zwei Objekten, bestimmen. Insbesondere lässt sich die Geschwindigkeit der Bewegung, das heißt insbesondere die Geschwindigkeit von einem oder mehreren Reflektoren, die Geschwindigkeit von einem oder mehreren Objekten und deren Relativgeschwindigkeit bestimmen.

Es kann vorgesehen sein, dass auf dem Objekt mehrere Reflektoren angeordnet sind und/oder mehrere Objekte jeweils mindestens einen Reflektor aufweisen und die Vorrichtung angepasst ist, die Position der Reflektoren in mindestens einem Differenzbild zu bestimmen. Die Reflektoren in dem Differenzbild können beispielsweise dadurch unterschieden werden, dass deren relative Anordnung bekannt ist. Wenn beispielsweise ein erster Reflektor und ein zweiter Reflektor vorhanden sind und in dem Differenzbild zu sehen sind, so kann jedes Reflektorbild dem ersten oder dem zweiten Reflektor zugeordnet werden, wenn beispielsweise bekannt ist, dass der erste Reflektor immer links von dem zweiten Reflektor angeordnet ist. Die Anordnung kann auch verwendet werden, wenn sich die Anordnung verändert, solange die Reihenfolge der Reflektoren in einer vorgegebenen Richtung gleich bleibt. Das heißt, so lange diese Reihenfolge nicht verändert wird, können sich die Abstände zwischen den Reflektoren in dieser Richtung ändern.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass sich mindestens zwei Reflektoren bezüglich der Wellenlängenreflektivität unterscheiden. Diese unterschiedliche Wellenlängenreflektivität kann bei entsprechender Anpassung der Strahlenquelle und/oder des Detektors verwendet werden, um die mindestens zwei Reflektoren voneinander zu unterscheiden. Hilfsweise kann die Strahlenquelle so ausgebildet sein, dass sie zunächst Licht eine ersten Wellenlänge ausstrahlt, die nur von einem ersten Reflektor reflektiert wird, und dann Licht von einer zweiten Wellenlänge ausstrahlt, die nur von dem zweiten Reflektor reflektiert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Reflektoren unterschiedliche Formen aufweisen. Auch hierdurch lassen sich die Reflektorbilder in dem Differenzbild unterscheiden und den jeweiligen Reflektoren zuordnen.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass der Reflektor ausgebildet ist, um Licht in die Richtung zu reflektieren, aus der das Licht auf den Reflektor trifft. Ein derartiger Reflektor ist beispielsweise ein Retroreflektor oder ein catadioptrischer Reflektor. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Anteil des von der Strahlenquelle ausgehenden und vom Reflektor reflektierten Lichts, das von dem Detektor detektiert wird, sehr hoch ist, wodurch die Störanfälligkeit der Bestimmung der von der Position des Objekts abhängigen Größe weiter reduziert wird. Zudem wird unter Verwendung eines solchen Reflektors das Licht nur gezielt in die Ursprungsrichtung zurückgestrahlt. Streulicht in andere Richtungen wie in Richtung der Lichtquelle wird hierdurch vermieden.
Es kann vorgesehen sein, dass

– die Vorrichtung mindestens zwei Strahlenquellen und mindestens zwei Detektoren aufweist, um den Reflektor aus mindestens zwei verschiedenen Richtungen zu bestrahlen,
– die Steuereinheit und die Differenzbilderzeugungseinheit angepasst sind, um jeweils ein Differenzbild für jede Richtung zu erzeugen, und
– die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die von der Position des Objekts abhängige Größe aus den Differenzbildern zu bestimmen.

Hierdurch ist es möglich, eine von der Position des Objekts abhängige Größe aus mindestens zwei Richtungen zu bestimmen. So kann beispielsweise ein erster Richtungsvektor ausgehend von einem ersten Detektor bestimmt werden, der in Richtung eines Reflektors zeigt, und ein zweiter Richtungsvektor, der ausgehend von einem zweiten Detektor zu dem Reflektor zeigt, wobei die Position des Reflektors als Schnittpunkt der Richtungsvektoren bestimmt werden kann.
Da die geometrische Beziehung zwischen der bestimmten Position des Reflektors und des Objektes bekannt ist, kann schließlich aus der bestimmten Position des Reflektors die Position des Objekts bestimmt werden.
Der Ausdruck geometrische Beziehung meint hier insbesondere eine konstante Ablage des Reflektor in Bezug auf den zu vermessenden Punkt, diese ist bekannt und prinzipiell nicht veränderbar, so dass die Beziehung auch als "konstante geometrische Ablage" bezeichnet werden könnte.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Position des Objekts auf bestimmte Positionen beschränkt ist und die Positionsbestimmungseinheit Informationen über die Beschränkung auf bestimmte Positionen aufweist und die von der Position des Objekts abhängige Größe unter Verwendung der Information über die Beschränkung auf bestimmte Positionen bestimmt. Es ist daher nicht notwendig, um beispielsweise eine Position im dreidimensionalen Raum zu bestimmen, einen Reflektor aus zwei Richtungen zu detektieren, da beispielsweise bekannt sein kann, dass sich das Objekt und damit der Reflektor auf einer Linie bewegt und lediglich die Position des Objekts und/oder des Reflektors auf dieser Linie zu bestimmen ist. Es kann dann ausreichend sein, lediglich einen Richtungsvektor zu bestimmen, der ausgehend von einem Detektor zu einem Reflektor zeigt, wobei die dreidimensionale Position des Reflektors als Schnittlinie des Rich tungsvektors mit der Linie, auf der sich der Reflektor bewegt, bestimmt werden kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Flugzeug in der Luft von einem Tankflugzeug betankt wird. Wenn der Detektor in dem Tankflugzeug angeordnet wird und der Reflektor an dem zu betankenden Flugzeug oder beispielsweise an einem Element des Tankschlauches angeordnet ist, verläuft die Bewegung des Reflektors im Wesentlichen parallel zu dem Tankflugzeug auf einer Parallellinie, dessen Abstand zu dem Tankflugzeug bekannt ist. In diesem Fall kann die dreidimensionale Position des Reflektors durch Bestimmung des Richtungsvektors von dem Detektor zu dem Reflektor und des Schnittspunkts des Richtungsvektors mit der Parallellinie bestimmt werden.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Strahlenquelle angepasst ist, um den Reflektor zeitlich begrenzt zu beleuchten.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Differenzbilderzeugungseinheit angepasst ist, um ein Differenzbild als Differenz zwischen dem ersten und zweiten Bild zu erzeugen, wobei das zweite Bild detektiert worden ist, während der Reflektor zeitlich begrenzt beleuchtet worden ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die von der Position des Objekts abhängige Größe unter Verwendung der Größe des Reflektorbildes in dem Differenzbild zu bestimmen. Durch Berücksichtigung der Größe des Reflektorbildes in dem Differenzbild, insbesondere des Verhältnisses der Seiten des Reflektorbildes in dem Differenzbild, kann die Bestimmung des von der Position des Objekts abhängigen Größe, insbesondere der Position des Reflektors und des Objekts, weiter verbessert werden. Eine Zuordnung zwischen Größe des Reflektorbildes und Abstand des Reflektors von dem Detektor kann beispielsweise durch Kalibrationsmessungen und Abspeichern der Kalibrationsmessungsergebnisse in der Positionsbestimmungseinheit erfolgen.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Reflektor zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe bereitgestellt, wobei der Reflektor auf dem Objekt anordbar ist und angepasst ist, um mit der Detektions- und Bestimmungseinheit gemäß Anspruch 21 zur Bestimmung der von der Position des Objekts abhängigen Größe zusammenzuwirken.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren eine Detektions- und Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer von einer Position eines Objekts abhängigen Größe bereitgestellt, wobei die Detektions- und Bestimmungseinrichtung aufweist:

– eine Strahlenquelle zum Erzeugen von Licht,
– einen Detektor zum Detektieren von Licht, das von einem auf einem anderen Objekt angeordneten Reflektor reflektiert worden ist,
– eine Steuereinheit zum Steuern der Strahlenquelle und des Detektors so, dass der Detektor ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor bestrahlt,
– eine Differenzbilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Differenzbildes als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild,
– eine Positionsbestimmungseinheit zum Bestimmen der von der Position des Objekts abhängigen Größe aus dem Differenzbild.

Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein bewegliches Objekt mit einem Reflektor gemäß Anspruch 20 und/oder mit einer Detektions- und Bestimmungseinrichtung gemäß Anspruch 21 bereitgestellt.
Zudem wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

– Erzeugen von Licht mit einer Strahlenquelle,
– Reflektieren des erzeugten Lichts mit einem auf dem Objekt anordbaren Reflektor,
– Detektieren des reflektierten Lichts mit einem Detektor,
– Steuern der Strahlenquelle und des Detektors so, dass der Detektor ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor bestrahlt, mit einer Steuereinheit,
– Erzeugen eines Differenzbildes als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild mit einer Differenzbilderzeugungseinheit,
– Bestimmen der von der Position des Objekts abhängigen Größe aus dem Differenzbild mit einer Positionsbestimmungseinheit.

Zudem wird erfindungsgemäß ein Computerprogramm zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe bereitgestellt, wobei das Computerprogramm Programmmittel aufweist, die bewirken, dass die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 die Schritte gemäß Anspruch 23 ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird, der die Vorrichtung steuert.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, der Reflektor gemäß Anspruch 20, die Detektions- und Bestimmungseinrichtung gemäß Anspruch 21, das bewegliche Objekt gemäß Anspruch 22, das Verfahren gemäß Anspruch 23 und das Computerprogramm gemäß Anspruch 24 weisen entsprechende Ausführungsformen auf, die in den abhängigen Ansprüche definiert sind. Das heißt beispielsweise, dass Ausführungsformen des in Anspruch 23 definierten Verfahrens Merkmale aufweisen können, die den Merkmalen in den abhängigen Ansprüche 2 bis 19 entsprechen.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben.
1 zeigt schematisch und exemplarisch Einheiten einer Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe,
2 zeigt schematisch und exemplarisch eine Detektions- und Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer von einer Position eines Objekts abhängigen Größen,
3 zeigt schematisch und exemplarisch ein Differenzbild mit einem Reflektorbild,
4 zeigt schematisch und exemplarisch eine weitere Ansicht von Einheiten der Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe,
5 zeigt schematisch und exemplarisch das Prinzip der Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Objekts,
6 zeigt schematisch und exemplarisch zwei Detektions- und Bestimmungseinrichtungen zur Bestimmung der Position eines Reflektors,
7 zeigt schematisch und exemplarisch das Prinzip der Bestimmung einer Position von Reflektoren unter Verwendung von zwei Detektions- und Bestimmungseinrichtungen und
8 zeigt exemplarisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer von einer Position eines Objekts abhängigen Größe.
1 zeigt schematisch und beispielhaft Einheiten einer Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe angeordnet an einem ersten Objekt 13 und einem zweiten Objekt 2. Das erste Objekt 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Tankflugzeug und das zweite Objekt 2 ist in diesem Ausführungsbeispiels ein zu betankendes Flugzeug. Das Tankflugzeug 13 weist einen Flügel 20 auf, an dem ein Tankschlauch 23 zur Betankung des Flugzeuges 2 befestigt ist. Der Tankschlauch 23 weist ein trichterförmiges Anschlusselement 19 auf, das einen Tankstutzen 22 des Flugzeugs 2 aufnehmen und den Tankschlauch 23 mit dem Tankstutzen 22 zur Betankung des Flugzeuges 2 verbinden kann. Die erfindungsgemäß Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe kann verwendet werden, um das Führen des Tankstutzens in das trichterförmige Anschlusselement 19 zu erleichtern und damit den Verbindungsprozess zu vereinfachen.
Die Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe weist eine Strahlenquelle 4 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel in der in 1 und in 2 näher gezeigten Detektions- und Bestimmungseinrichtung 3 enthalten ist. Die Strahlenquelle 4 erzeugt Licht 8, das auf einen Reflektor 6 trifft, der an dem Flugzeug 2 angeordnet ist. Die Strahlenquelle 4 strahlt Licht bevorzug in einem größeren Winkelbereich aus, der bevorzugt so groß ist, dass während der Bestimmung einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe der Reflektor 6 innerhalb des Winkelbereichs angeordnet ist. Das von dem Reflektor 6 reflektierte Licht wird zu der Detektions- und Bestimmungseinrichtung 3 zurückreflektiert und dort von einem Detektor detektiert. Die Strahlenquelle ist beispielsweise eine Strahlenquelle, die Licht im nahen infraroten Wellenlängenbereich ausstrahlt oder die sichtbares Licht ausstrahlt. Der Reflektor 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Retroreflektor, der das Licht in die Richtung zurückstrahlt, aus der es gekommen ist. Der Detektor 7 ist bevorzugt eine Videokamera. Die Strahlenquelle 4 ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine Blitzbeleuchtung ermöglicht.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe eine Steuereinheit zum Steuern der Strahlenquelle 4 und des Detektors 7 so, dass der Detektor ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht 5 der Strahlenquelle 4 den Reflektor nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht 5 der Strahlenquelle 4 den Reflektor bestrahlt.
Die Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe umfasst des Weiteren eine Differenzbilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Differenzbildes 11 als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild. Ein Differenzbild 11 ist schematisch und beispielhaft in 3 gezeigt. Da das erste Bild erzeugt worden ist, ohne dass der Reflektor von dem Licht der Strahlenquelle beleuchtet worden ist, und da das zweite Bild erzeugt worden ist, während der Reflektor von dem Licht der Strahlenquelle beleuchtet worden ist, und da die Aufnahme des zweiten Bildes kurz nach der Aufnahme des ersten Bildes erfolgte, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Beleuchtungsverhältnisse, die nicht durch Licht der Strahlenquelle verursacht werden, zwischen der Aufnahme des ersten Bildes und des zweiten Bildes nicht oder nur unwesentlich verändert haben, während sich auf Grund der unterschiedlichen Beleuchtung durch die Strahlenquelle ein starker Unterschied bezüglich des von dem Reflektor reflektierten und von dem Detektor detektierten Lichts zwischen dem ersten und dem zweiten Bild ergibt. In dem Differenzbild ist daher ein Reflektorbild 16 sehr gut zu erkennen.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe eine Positionsbestimmungseinheit 12 zum Bestimmen der von der Position des Objekts abhängigen Größe aus dem Differenzbild 11.
In dem in 1 gezeigten Beispiel kann beispielsweise die Position des Reflektorbildes 16 innerhalb des Differenzbildes 11 als Größe bestimmt werden, die von der Position des Objektes 2 in diesem Fall relativ zu dem Tankflugzeug 13 abhängt. Des Weiteren kann, da die geometrische Beziehung zwischen der Position des Reflektors 6 und der Position des Flugzeuges 2 und auch des Tankstutzens 22 bekannt ist, unter Verwendung der bestimmten Position des Reflektorbildes 16 zunächst die Position des Reflektors 6 und dann die Position des Flugzeuges 2 und auch die Position des Tankstutzens 22 bestimmt werden.
Der Reflektor 6 weist in dieser Ausführungsform einen Wellenlängenfilter zum Reflektieren des Wellenlängenbereichs auf, der von der Strahlenquelle 4 emittiert wird. Des Weiteren weist in dieser Ausführungsform der Detektor 7 einen Wellenlängenfilter von derart auf, dass nur Licht des Wellenlängenbereichs detektiert wird, der von der Strahlenquelle emittiert wird.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eine Wellenlängenbildfiltereinheit zum Filtern des Wellenlängenbereichs aufweisen, der von der Strahlenquelle emittiert wird.
Diese Filterung kann auf dem ersten, dem zweiten oder dem Differenzbild erfolgen.
Der Detektor ist bevorzugt kein wellenlängensensitiver Detektor.
Der Detektor ist beispielsweise ein Bildsensor, welcher nur Helligkeiten feststellen und keine Wellenlängen (Farben) bestimmen kann, beispielsweise eine Schwarz/Weiß-Kamera, insbesondere eine Schwarz/Weiß-Videokamera. Die Bildsensoren sind bevorzugt zum progressiven Abtasten ausgebildet, um eine gleichzeitige Aufnahme während der Blitzbeleuchtung zu erreichen.
Die Vorrichtung 1 zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe umfasst des Weiteren eine Formbildfiltereinheit 15 zum Filtern der Form des Reflektors in dem ersten, dem zweiten und/oder dem Differenzbild. Der Reflektor hat in diesem Ausführungsbeispiel eine quadratische Form und die Formbildfiltereinheit ist so ausgebildet, dass quadratische Strukturen in dem ersten Bild, dem zweiten Bild und/oder dem Differenzbild hervorgehoben werden. In anderen Ausführungsformen kann der Reflektor andere Formen aufweisen, wobei dann die Formbildfiltereinheit so ausgebildet ist, dass die entsprechende Form durch die Filterung hervorgehoben wird.
Die Filterung basiert bevorzugt auf Ermittlung der Formfaktoren. Nach der Differenzbildbildung wird im Bild die geometrische Eigenschaft der abgebildeten Reflektorfläche untersucht. Im Speziellen werden hierbei bevorzugt die Kantenlängen des Reflektorbildes vermessen. Hierbei wird die Pixelanzahl im Bild in horizontaler und vertikaler Richtung bestimmt. Daraus wird das Seitenverhältnis gebildet, welches sich in einem gewissen Toleranzbereich befinden muss, beispielsweise Breite zu Höhe zwischen 0,5:1 und 1:2. Objekte, welche andere Verhältnisse haben, werden nicht als Zielobjekt erkannt. Dies kann auf quadratische, rechteckige oder auch elliptische Körper verwendet werden, bei elliptischen Körpern kann als Filterbasis die Länge der Achsen verwendet werden.
Die Positionsbestimmungseinheit 12 ist angepasst, um die Position des Schwerpunktes 17 des Reflektorbildes 16 in dem Differenzbild 11 zu bestimmen. Die Positionsbestimmungseinheit 12 weist des Weiteren eine Transformationseinheit 18 zum Transformieren der bestimmten Position des Reflektorbildes zu einer Position des Objektes 2 und/oder 22 auf. Die Transformationseinheit 18 ist insbesondere angepasst, um aus dem bestimmten Schwerpunkt 17 des Reflektorbildes 16 in dem Differenzbild 11 die Position des Flugzeugs 2 und des Tankstutzens 22 relativ zu dem Tankflugzeug 13 zu bestimmen. Hierzu wird insbesondere die bekannte geometrische Beziehung zwischen der Position des Reflektorbildes 16, insbesondere der Position des Schwerpunkts 17, in dem Differenzbild 11 und der tatsächlichen Position des Reflektors 6 verwendet. Zudem wird die bekannte geometrische Beziehung zwischen der tatsächlichen Position des Reflektors 6 und der Position des Tankstutzens 22 bzw. des Flugzeugs 2 verwendet.
Die Lage des Detektors, insbesondere der Kamera, und deren Ausrichtung ist in einem Koordinatensystem bekannt. Als Referenz kann ein flugzeugfestes Koordinatensystem verwendet werden. Darin bekannt ist ebenfalls die Lage des Tankschlauches und Baskets, das heißt insbesondere des trichterförmigen Anschlusselements. Die sich in der Bildebene bewegende Reflektorabbildung kann damit beispielsweise durch Kalibrierung an ausgewählten Punkten mit Interpolation dazwischen auf die Bezugsebene geschehen. Hier kann zur Positionsbestimmung die Lage des Reflektors anhand der horizontalen und vertikalen Lage des Schwerpunktes des Reflektors bestimmt werden (Zählen der Pixelwerte horizontal und vertikal). Ansonsten bleibt die Allgemeine Methode über Richtungsvektoren, Koordinatentransformationen und Schnittebene bestehen.
Die Steuereinheit 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel so angepasst, dass sie an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils ein erstes Bild und ein zweites Bild durch den Detektor detektiert. Die Differenzbilderzeugungseinheit 18 ist des Weiteren so angepasst, dass sie für die Zeitpunkte, zu denen die ersten und zweiten Bilder detektiert worden sind, Differenzbilder erzeugen kann, so dass zu unterschiedlichen Zeitpunkte Differenzbilder vorhanden sind, die das Reflektorbild in dem Referenzbild zu unterschiedlichen Zeitpunkten zeigt. Durch Bestim mung der Position des Reflektorbildes in dem Differenzbild, insbesondere der Position des Schwerpunkts des Reflektorbildes, zu unterschiedlichen Zeitpunkten, kann die Geschwindigkeit als von der Position des Objekts abhängige Größe von der Positionsbestimmungseinheit 12 bestimmt werden. In dem in 1 gezeigten Beispiel kann dadurch beispielsweise die Relativgeschwindigkeit des Flugzeugs 2 und des Tankstutzens 22 relativ zu dem Tankflugzeug 13 bestimmt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist auch das trichterförmige Anschlusselement 19 reflektierend, so dass das von der Strahlenquelle 4 ausgestrahlte Licht auch von dem trichterförmigen Anschlusselement 19 zu dem Detektor 7 zurückreflektiert wird. Somit kann die Positionsbestimmungseinheit 12 nicht nur die Position und die Geschwindigkeit des Reflektors 6, des Flugzeugs 2 und des Tankstutzens 22 relativ zum Tankflugzeug 13 bestimmen, sondern mit dem oben beschriebenen Differenzbildverfahren auch die Position und Geschwindigkeit des trichterförmigen Anschlusselements 19 relativ zu dem Tankflugzeug 13. Damit ist es ermöglicht, den Verbindungsprozess mittels der Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe zu überwachen.
Der Reflektor und das reflektierende trichterförmige Anschlusselement 19 oder ein weiterer Reflektor, der an dem trichterförmigen Anschlusselement befestigt ist, weisen unterschiedliche Formen auf, so dass die beiden Reflektoren in dem Differenzbild unterschieden werden können. In anderen Ausführungsformen könnte eine Unterscheidung auf Grund einer bekannten Anordnung der Reflektoren getroffen werden. Des Weiteren könnten die Reflektoren unterschiedliche Wellenlängen reflektieren und die Strahlenquelle könnte so angepasst sein, dass sie entweder Licht eines Wellenlängenbereichs ausstrahlt, das von dem Reflektor 6 reflektiert wird, oder Licht eines Wellenlängenbereichs ausstrahlt, das von dem trichterförmigen Anschlusselement 19 oder einem an diesem trichterförmigen Anschlusselement 19 befestigten Reflektor reflektiert wird. Durch sequentielle Beleuchtung der beiden Reflektoren mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge könnte die Unterscheidung der Reflektoren weiter verbessert werden.
In dem in 1 gezeigten Beispiel, das schematisch und exemplarisch in einer Draufsicht auch in 4 gezeigt ist, sind der Tankschlauch 23 und das Flugzeug 2 im Wesentlichen parallel zu dem Tankflugzeug 13 angeordnet. Die Parallellinie auf der der Tankschlauch 23 und das Flugzeug 2 angeordnet sind, weist einen Abstand zu dem Tankflugzeug 13 auf, der im Wesentlichen durch die Position des Tankschlauchanschlusses an dem Tankflugzeug 13 bestimmt ist. Das heißt, in dem gezeigten Beispiel ist bekannt, dass das trichterförmige Anschlusselement 19 und zumindest während des Betankens auch das Flugzeug 2 mit dem Tankstutzen 22 auf dieser Parallellinie angeordnet sind. Die Positionsbestimmungseinheit 12 kann nun auf Grund der bestimmten Reflektorbildposition im Differenzbild und der bekannten Transformation der Position des Reflektorbildes im Differenzbild zu dem realen Reflektor, einen Richtungsvektor bestimmen, der von dem Detektor in Richtung des tatsächlichen Reflektors zeigt. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Positionsbestimmungseinheit Informationen über die Beschränkung auf bestimmte Positionen ausweist, nämlich die Beschränkung der Bewegung auf die Parallellinie, kann die dreidimensionale Position des Reflektors als Schnittpunkt des Richtungsvektors mit der Parallellinie bestimmt werden.
Des Weiteren kann die Positionsbestimmungseinheit angepasst werden, um aus der Größe und insbesondere aus den Seitenverhältnissen des Reflektorbildes in dem Differenzbild auf die Entfernung des Reflektors von dem Detektor zu schließen. Hierzu können Kalibrationsmessungen durchgeführt werden, wobei Reflektoren vorbestimmter Größe an vorbestimmten Abständen zu dem Detektor positioniert werden und die resultierenden Reflektorbildgrößen in dem Differenzbild in der Positionsbestimmungseinheit abgespeichert werden, so dass bei eigentlichen Positionsbestimmungen der für eine bestimmte Reflektorbildgröße abgespeicherte Abstand zur Positionsbestimmung verwendet werden kann. Beispielsweise kann zunächst mittels der Reflektorbildposition ein Richtungsvektor bestimmt werden, der von dem Detektor in Richtung des Reflektors zeigt, wobei die genaue Position des Reflektors auf dem Richtungsvektor durch den Abstand zwischen Detektor und Reflektor gegeben ist, der auf Grund der Größe und insbe sondere der Seitenverhältnisse des Reflektorbildes im Differenzbild bestimmt wird.
5 zeigt schematisch und beispielhaft das Prinzip der Bestimmung der Geschwindigkeit eines Flugzeuges 41.
Zum Zeitpunkt t1 wird ein erstes Bild detektiert. Zum Zeitpunkt t2 wird das Flugzeug mit einem Blitzlicht der Strahlenquelle beleuchtet und ein zweites Bild wird detektiert. Die Detektions- und Bestimmungseinrichtung kann hierzu auf einem anderen Objekt angeordnet sein, wie beispielsweise auf einem anderen Flugzeug, an einer Bodenstation, auf einem Schiff oder einem anderen Fahrzeug. Die zu den Zeitpunkten t1 und t2 detektierten Bilder werden voneinander abgezogen, so dass ein Differenzbild 43 entsteht, in dem das Reflektorbild 43 klar zu sehen ist. Um das Reflektorbild 43 noch besser im Differenzbild 43 erkennen zu können, können die oben beschriebenen Filter, insbesondere ein Wellenlängenfilter und/oder ein Formfilter verwendet werden.
Zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t3 wird ein weiteres erstes Bild 46 aufgezeichnet, ohne dass die Strahlenquelle das Flugzeug 41 beleuchtet, und zu einem wiederum nachfolgenden Zeitpunkt t4 wird das Flugzeug 41 mit einem Blitzlicht der Strahlenquelle beleuchtet. Das von dem Flugzeug 41 reflektierte Licht wird von dem Detektor detektiert und ein weiteres zweites Bild 47 wird erzeugt. Das weitere erste Bild 46 und das zweite weitere Bild 47 werden verwendet, um ein weiteres Differenzbild 48 zu erzeugen, in dem sich die Position des Reflektorbildes 43 auf Grund der Fortbewegung des Flugzeugs 41 verändert hat. Aus der Änderung der Position des Reflektorbildes kann unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Beziehung zwischen dem Reflektorbild und der Position des realen Reflektors, insbesondere des Richtungsvektors, der von dem Detektor in Richtung des Reflektors zeigt, die Geschwindigkeit des Flugzeug 41 bestimmt werden.
In einer Ausführungsform wird die Differenz des bestimmten Abbildungsschwerpunktes anhand von Pixelpositionen bestimmt, die je nach Kalibrierung unter schiedliche Wertigkeiten erhalten. Da der Detektor, insbesondere die Kamera, bevorzugt schräg auf den Reflektor blickt, entspricht ein Pixeldifferenz im hinteren Bildbereich (entgegen der Flugrichtung) einer größeren Strecke als im vorderen Bildbereich. Diese Position wird bevorzugt als Lage bestimmt und bei zwei Messungen kann die Differenz der Lage mit der verstrichenen Zeit zur Ermittlung der Geschwindigkeit herangezogen werden.
6 zeigt schematisch und beispielhaft eine Anordnung, bei der zwei Detektions- und Bestimmungseinrichtungen 3 vorhanden sind. Die Detektions- und Bestimmungseinrichtungen 3 strahlen Licht 51 und 52 aus, das von dem Reflektor 49, der auf dem Objekt 50 angeordnet ist, zurückreflektiert wird. Dies ermöglicht es mit Hilfe des oben beschriebenen Differenzbildverfahrens jeweils einen Richtungsvektor zu bestimmen, der von der jeweiligen Detektions- und Bestimmungseinrichtung zu dem Reflektor 49 zeigt, wobei die Position des Reflektors nicht nur als Richtungsvektor, sondern auch die dreidimensionale Position des Reflektors 49 als Schnittpunkt der Richtungsvektoren bestimmt werden kann.
7 zeigt schematisch und beispielhaft das Prinzip der Bestimmung der dreidimensionalen Position eines Reflektors mit Hilfe von zwei Detektions- und Bestimmungseinrichtungen 3. In 7 weist ein Hubschrauber 50 einen ersten Reflektor 52 und eine Plattform 51, auf der der Hubschrauber landen möchte, einen zweiten Reflektor 53 auf. Bei einer durch die Anordnung der Detektions- und Bestimmungseinrichtung 3 vorgegebenen ersten Richtung wird ein erstes Bild detektiert, während die Strahlenquelle der Detektion- und Bestimmungseinrichtung nicht strahlt, und ein zweites Bild detektiert, während die beiden Reflektoren mit einem Blitzlicht der Strahlenquelle beleuchtet werden. Das erzeugte erste Bild und das erzeugte zweite Bild werden verwendet, um ein Differenzbild 54 zu erzeugen, in dem Reflektorbilder 55, 56 der Reflektoren 52, 53 zu erkennen sind. Auch hier werden bevorzugt Form- und/oder Farbfilter verwendet, um die Reflektorbilder 55, 56 noch besser in dem Differenzbild 54 erkennen zu können. Des Weiteren werden, bevorzugt gleichzeitig, mittels der zweiten Detektions- und Bestimmungseinrichtung, die eine zweite Detektionsrichtung vorgibt, ein weiteres erstes Bild und ein weiteres zweites Bild erzeugt, wobei bei Erzeugung des weiteren ersten Bildes die Strahlenquelle wiederum nicht leuchtete, und während der Erzeugung des zweiten Bildes, die Reflektoren mit einem Blitzlicht der Strahlenquelle beleuchtet wurden. Das zweite Detektions- und Bestimmungseinrichtung 3 erzeugt ein weiteres Differenzbild 57, das auch die Reflektorbilder 55, 56 zeigt, allerdings aus einer anderen, der zweiten Richtung. Aus dem ersten Differenzbild 54 können Richtungsvektoren bestimmt werden, die ausgehend von dem Detektor der ersten Detektor- und Bestimmungseinrichtung zu den jeweiligen Reflektoren 52, 53 zeigen. Des Weiteren können weitere Richtungsvektoren bestimmt werden aus dem zweiten Differenzbild, die von dem Detektor der zweiten Detektions- und Bestimmungseinrichtung in Richtung der Reflektoren 52, 53 zeigen. Damit dann die Position der Reflektoren durch Bestimmung der Schnittpunkte der Richtungsvektoren der entsprechenden Reflektoren bestimmt werden.
Mittels der beschriebenen Vorrichtung kann die relative Position und die Geschwindigkeit von Objekten der Luft- und Raumfahrt auf Grundlage einer optischen Methode bestimmt werden. Insbesondere kann mit der Erfindung die Messung zwischen im Flug befindlichen Luftfahrzeugen oder die Messung der relativen Position zwischen einem Bodenobjekt und einem Luftfahrzeug durchgeführt werden. Insbesondere wird eine hochgenaue Positionsbestimmung auch über sehr kurze Distanzen gewährleistet.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe beispielhaft unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm beschrieben, das in 8 gezeigt ist.
In Schritt 101 wird mittels des Detektors 7 ein Bild des Flugzeuges 2 als erstes Bild von dem Detektor 7 detektiert, ohne dass die Strahlenquelle 4 strahlt. In Schritt 102, wird das Flugzeug 2 durch die Strahlenquelle 4 mit einem Blitzlicht beleuchtet und das reflektierte Licht, insbesondere das von dem Reflektor 6 reflektierte Licht, wird von dem Detektor als zweites Bild empfangen. In Schritt 103 erzeugt die Differenzbilderzeugungseinheit 10 ein Differenzbild aus dem ersten Bild und dem zweiten Bild.
In Schritt 104, wird das Differenzbild gefiltert. Bevorzugt filtert die Formbildfiltereinheit 15 die Form des Reflektors in dem Differenzbild so, dass die Form des Reflektors hervorgehoben wird. In anderen Ausführungsformen kann auch eine Filterung auf dem ersten Bild und/oder dem zweiten Bild stattfinden. Zudem kann in anderen Ausführungsformen die Wellenlängenbildfiltereinheit 14 Bilder eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs, der von der Strahlenquelle emittiert worden ist, in dem Differenzbild derart filtern, dass derartige Wellenlängen hervorgehoben sind. Des Weiteren kann in anderen Ausführungsformen auch der Filterschritt 104 ausgelassen werden.
In Schritt 105 wird die Position des Reflektorbildes in dem Differenzbild bestimmt, insbesondere wird die Position des Schwerpunktes des Reflektorbildes in dem Differenzbild ermittelt. In Schritt 106 wird dann mittels der Transformationseinheit 18 die Position, insbesondere ein Richtungsvektor, des Objekts und/oder des Reflektors, das heißt, in dieser Ausführungsform insbesondere des Flugzeuges 2 und insbesondere des Tankstutzens 22, auf Grund der bekannten geometrischen Beziehung zwischen Reflektorbild und tatsächlichem Reflektor ermittelt. Des Weiteren kann in Schritt 106 die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt werden.
Der Reflektor wird beispielsweise an der Struktur eines Luftfahrzeuges angebracht oder hinter der Verglasung des Cockpits im Innenraum angebracht.
Das erste Bild, das von dem Detektor, der bevorzugt eine Videokamera ist, detektiert wird, ist bevorzugt ein normal belichtetes Bild einer gewünschten Beobachtungszone. Das zweite Bild wird bevorzugt in direktem Anschluss daran mit zeitlich sehr kurzem Abstand aufgenommen, wobei während der Aufnahme des zweiten Bildes die Strahlenquelle die Beobachtungszone mit einer Blitzbeleuchtung beleuchtet.
Die Bildfolge für ein einziges Differenzbild ist liegt bevorzugt im Millisekundenbereich, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 10 ms. Das weitere Bild ohne Beleuchtung wird dann bevorzugt mit gleicher Verschlusszeit mit etwas Abstand aufgenommen, um sicherzustellen, dass Beleuchtung nicht mehr stattfindet, wobei der Laser bevorzugt ideal ist um scharf abgegrenzte Beleuchtung zu ermöglichen. Die Aufnahme der beiden Bilder wird bevorzugt innerhalb von 20 bis 30 ms abgeschlossen.
Bevorzugt werden zur Bestimmung des Differenzbildes nur zweite Bilder verwendet, die erzeugt worden sind, während das Objekt mittels der Blitzbeleuchtung der Strahlenquelle beleuchtet worden ist.
Bei der Bestimmung der Position des Reflektorbildes in dem Differenzbild werden Strukturen in dem Differenzbild gesucht, die mit der bekannten Form des Reflektors übereinstimmen. Weitere reflektierende Objekte, die möglicherweise ebenfalls in dem Differenzbild vorhanden sind, werden dabei, soweit sie eine andere Form aufweisen als der Reflektor, von der Formfiltereinheit herausgefiltert.
Die Lage des Reflektorbildes wird bevorzugt durch ein Schwerpunktverfahren der ausgeleuchteten Pixel bestimmt, beispielsweise die geometrische Mitte der hellen Pixel. Daraufhin wird die Lage dieses Punktes im Bild bestimmt, beispielsweise durch Zählen der Pixel vom Bildrand in vertikaler und horizontaler Richtung.
Die Anwendung der beschriebenen Vorrichtung zum Bestimmen einer der Position von dem Objekts abhängigen Größe ist nicht auf die Bestimmung von Komponenten eines Tankflugzeugs oder eines zu betankenden Flugzeuges beschränkt, um den Verbindungsprozess zu überwachen. Die Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objektes abhängigen Größe kann beispielsweise auch verwendet werden, um Deformationsmessungen an der eigenen Struktur eines Flugzeuges im Flug durchzuführen. Des Weiteren könnte eine Annäherungsbewachung und -steuerung auch bei der Durchführung von engen Formationsflügen und anderen Andockvorgängen, die sich nicht auf eine Luftbetankung beziehen, zum Beispiel bei Weltraumstationen durchgeführt werden. Zudem könnten die durch die Vorrichtung zum Bestimmen einer von der Position eines Objektes abhängigen Größe ermittelten Daten verwendet werden, um die genannten Vorgänge, beispielsweise Andockvorgänge, auf Basis der ermittelten Daten, insbesondere auf Basis der ermittelten Relativdaten, zu automatisieren.
Bei der Betankung durch das Schlauch und Fangtrichtersystem (Tankschlauch und trichterförmiges Anschlusselement) kann der Fuel Operator das zu betankende Flugzeug in den meisten Tankflugzeugen nicht direkt sehen oder wird durch Witterungseinflüsse, wie z. B. Sonnenreflektionen, Regen oder Nebel in seiner Sicht behindert.
Des Weiteren kann die empfindliche Tankanlage des Tankflugzeugs durch eine zu schnelle Annäherung des zu betankenden Flugzeugs beschädigt und/oder unbrauchbar werden.
Durch die Erfindung kann das in der Luft stattfindende Tankmanöver durch das Schlauch und Fangtrichtersystem unterstützt werden. Sie kann während der Annäherungs- und Verbindungsphase des Tankvorganges nicht nur dem Piloten des Tankflugzeugs, sondern auch dem des Flugzeugs helfen, welches betankt werden soll.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dazu bevorzugt einen Monitor auf, auf dem dem Piloten des Tankflugzeugs die Möglichkeit gegeben wird, das sich nähernde Flugzeug und dessen Geschwindigkeit auf dem Monitor sichtbar zu machen. Hierzu ist Strahlenquelle bevorzugt ein IR-Beleuchtungssystem und der Detektor eine Infrarot (IR) empfindliche Videokamera, die an dem Tankflugzeug installiert sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung misst bevorzugt den Abstand, die Höhe und die Geschwindigkeit des zu betankenden Flugzeugs und zeigt die Messwerte auf einem Monitor an. Bevorzugt ist das Kamera- und IR-System auf der linken Flugzeugseite vor dem letzten Fenster innerhalb der Flugzeugkabine auf ein dafür angefertigtes Stativ montiert.
Bevorzugt während des Anfluges durchsucht die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der IR empfindlichen Kamera eine kreisrunde Fläche mit einem Durchmesser von ca. 10 m nach dem Reflektor und das reflektierende trichterförmige Anschlusselement. Der Reflektor ist bevorzugt im Cockpit des zu betankenden Flugzeugs angebracht.
Die Strahlenquelle ist bevorzugt ein Infrarot-Laser (IR). Während der Annäherung des zu betankenden Flugzeugs sendet der Laser bevorzugt mehrmals in der Sekunde impulsartig Signale aus. Dabei wird die Umgebung nach den Reflektoren bzw. dem reflektierenden trichterförmigen Anschlusselement, i. e. der Tankstutzen des Tankflugzeugs, durchsucht.
Das IR-Signal wird bevorzugt durch eine Blitzsteuerung erzeugt, welche eine optimale Abstimmung auf die IR empfindliche Kamera gewährleistet. Dieses Signal wird vom Reflektor im zu betankenden Flugzeug reflektiert und vom Detektor empfangen. Unterhalb des Detektors, der bevorzugt eine Kamera ist, wird der IR Laser bevorzugt angeordnet.
Um eine möglichst fehlerfreie Funktion zu gewährleisten, werden für die IR empfindlichen Kameras bevorzugt sog. Smart Kameras verwendet. Bei diesen Kameras handelt es sich um intelligente Kameras, d. h. sie besitzen ein integriertes Prozessorsystem und sind programmierbar. Dadurch ist die Kamera in der Lage intern Daten zu verarbeiten und auszugeben. Die verwendeten Smart Kameras beinhalten bevorzugt das Differenzbildverfahren, auch DPCM genannt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist also die Differenzbilderzeugungseinheit in dem Detektor integriert.
Bei der Differenzbilderzeugung werden bevorzugt jeweils zwei Bilder, das jeweils erste Bild und das jeweils zweite Bild, hintereinander aufgenommen, die anschließend Pixel für Pixel voneinander abgezogen werden. Dadurch entsteht bevorzugt ein Differenzbild.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wiederholt diesen Vorgang bevorzugt mehrmals in der Sekunde, so dass ein videoähnliches Signal entsteht. Bevorzugt werden die beiden zusammengehörigen Aufnahmen im Abstand von 80 ms aufgenommen, weiter bevorzugt liegt der Abstand im Bereich von 60 bis 70 ms, wobei bevorzugt eine Parallelverarbeitung eingesetzt wird.
Bevorzugt werden abwechselnd Bilder mit ein- und ausgeschaltetem IR-Laser aufgenommen. Bei eingeschaltetem Laser wird das IR-Signal vom Reflektor und vom Tankstutzen, das heißt vom trichterförmigen Anschlusselement, reflektiert.
Die Intensität des reflektierten Signals liegt dabei bevorzugt über einem vorher programmierten Grenzwert, so dass es von der Kamera als Ziel bzw. Reflektor erkannt wird.
Beim jedem zweiten Bild, also ohne IR-Laser, werden der Reflektor und der Tankstutzen nur von den Umgebungseinflüssen angestrahlt. Daher liegt die Intensität der Reflektionen nicht über dem programmierten Grenzwert. Somit werden sie von der Kamera nicht als Reflektor bzw. Tankstutzen erkannt.
Dadurch dass die beiden Bilder voneinander abgezogen werden, entfernt die DPCM somit sämtliche anderen Reflektionen, die in beiden Bildern auftreten. Um fehlerhafte Messungen durch andere sich bewegende oder herumfliegende Objekte, die den IR-Laser stark reflektieren zu verhindern, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt nach folgender Regel:
Ein heller IR-Bereich im Differenzbild wird nur als Reflektor erkannt, wenn im zweiten Bild (ohne IR-Laser) im gleichen Bereich kein heller IR-Bereich zu sehen ist.
Aus diesem Differenzbild und der Zeit die zwischen dem Aufnehmen der Bilder vergangen ist, kann nun die Entfernung zum und die Geschwindigkeit des sich nähernden Flugzeuges errechnet werden.
Die Reflektoren im zu betankenden Flugzeug werden bevorzugt im Cockpit auf das Elektronikgehäuse zwischen Pilot und Copilot mit selbstklebendem Klettband befestigt. Die Basis des Reflektors stellt den richtigen Anstellwinkel sicher.
Der Reflektor selbst hat bevorzugt die Abmessungen 100 × 100 × 7 mm und wird bevorzugt so angebracht, dass er etwa normal zur optischen Achse der Kamera in der Mitte des Messbereichs orientiert ist.
Der Ausdruck „auf dem Objekt anordbaren" Reflektor ist nicht beschränkt auf die Anordnung eines Reflektors an eine Außenfläche eines Objektes. Der Reflektor kann auch in dem Objekt angeordnet sein, insbesondere wenn das Objekt durchsichtige Elemente, wie beispielsweise Fenster aufweist. Genauso sind auch die weiteren Einheiten zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts abhängigen Größe in einem Objekt oder an einem Objekt angeordnet.
Andere Variationen sind für einen Fachmann ausgehend von der beanspruchten Erfindung, insbesondere von den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, offensichtlich.
In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus.
Eine einzelne Einheit kann mehrere Funktionen erfüllen, die in verschiedenen Ansprüchen aufgeführt sind. Die Tatsache, dass Merkmalen in unterschiedlichen Ansprüchen aufgeführt sind, schließt nicht aus, dass auch Kombinationen dieser in unterschiedlichen Ansprüchen aufgeführten Merkmalen erfindungsgemäß verwendet werden können.
Berechnungen und Bestimmungen, die von einer oder mehreren Einheiten durchgeführt werden, können von jeder anderen Anzahl an Einheiten oder auch von einer einzelnen Einheit durchgeführt werden. Das heißt, Funktionen, die in den obigen Ausführungsbeispielen von unterschiedlichen Einheiten erfüllt worden sind, können erfindungsgemäß auch von einer anderen Anzahl von Einheiten erfüllt werden. Die Berechnungen und Bestimmen und/oder die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Programmcode mittels eines Computerprogramms implementiert sein und/oder als entsprechende Hardware.
Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium, wie beispielsweise einem optischen Speichermedium oder einem Festkörpermedium, gespeichert und mittels dieses Mediums verteilt werden, insbesondere zusammen oder als Teil von Hardware. Es kann aber auch in anderen Formen verteilt werden, wie beispielsweise über das Internet oder über andere Datenübertragungssysteme.
Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen den Schutzbereich der Ansprüche nicht beschränken.

Claims

Vorrichtung (1) zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts (2) abhängigen Größe mit: – einer Strahlenquelle (4) zum Erzeugen von Licht (8), – einem auf dem Objekt (2) anordbaren Reflektor (6) zum Reflektieren des erzeugten Lichts (8), – einem Detektor (7) zum Detektieren des reflektierten Lichts (5), – einer Steuereinheit (9) zum Steuern der Strahlenquelle (4) und des Detektors (7) so, dass der Detektor (7) ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht (8) der Strahlenquelle (4) den Reflektor (6) nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht (8) der Strahlenquelle (4) den Reflektor (6) bestrahlt, – einer Differenzbilderzeugungseinheit (10) zum Erzeugen eines Differenzbildes (11) als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild, – einer Positionsbestimmungseinheit (12) zum Bestimmen der von der Position des Objekts (2) abhängigen Größe aus dem Differenzbild (11).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Strahlenquelle (4) und der Detektor (7) auf einem weiteren Objekt (13) anordbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (4) angepasst ist, um Licht (8) eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu erzeugen, und der Reflektor (6) einen Wellenlängenfilter zum Reflektieren des vorbestimmten Wellenlängenbereichs und/oder der Detektor (7) einen Wellenlängenfilter zum Detektieren des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (4) angepasst ist, um Licht (8) eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu erzeugen und die Vorrichtung des Weiteren eine Wellenlängenbildfiltereinheit (14) zum Filtern des vorbestimmten Wellenlän genbereichs in dem ersten und/oder zweiten Bild und/oder dem Differenzbild aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren eine Formbildfiltereinheit (15) zum Filtern der Form des Reflektors (6) in dem ersten und/oder zweiten Bild und/oder dem Differenzbild aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinheit (12) angepasst ist, um die Position eines Reflektorbildes (16) im Differenzbild (11) als die von der Position des Objekts abhängige Größe zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinheit (12) angepasst ist, um die Position eines Bereichs oder Punkts (17) innerhalb eines Reflektorbildes (16) im Differenzbild (11) als Position des Reflektorbildes (16) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Punkt (17) der Schwerpunkt des Differenzbildes (11) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinheit (12) des Weiteren eine Transformationseinheit (18) zum Transformieren der bestimmten Position des Reflektorbildes zu einer Position des Objekts aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuereinheit (9) angepasst ist, um zu mindestens zwei Zeitpunkten jeweils ein erstes Bild und ein zweites Bild durch den Detektor (7) zu detektieren, – die Differenzbilderzeugungseinheit (10) angepasst ist, um zu den mindestens zwei Zeitpunkten jeweils ein Differenzbild als Differenz zwischen dem jeweiligen ersten Bild und zweiten Bild zu erzeugen, – die Positionsbestimmungseinheit (12) angepasst ist, um die Positionen des Reflektorbildes in den mindestens zwei Differenzbildern und eine Bewegung unter Verwendung der ermittelten Positionen und der mindestens zwei Zeitpunkte zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Objekt mehrere Reflektoren angeordnet sind und/oder mehrere Objekte (2, 19) jeweils mindestens einen Reflektor aufweisen und die Vorrichtung angepasst ist, die Position der Reflektoren in mindestens einem Differenzbild zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens zwei Reflektoren bezüglich der Wellenlängenreflektivität unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Reflektoren unterschiedliche Formen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor ausgebildet ist, um Licht in die Richtung zu reflektieren, aus der das Licht auf den Reflektor trifft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorrichtung mindestens zwei Strahlenquellen und mindestens zwei Detektoren aufweist, um den Reflektor aus mindestens zwei verschiedenen Richtungen zu bestrahlen, – die Steuereinheit und die Differenzbilderzeugungseinheit angepasst sind, um jeweils ein Differenzbild für jede Richtung zu erzeugen, und – die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die von der Position des Objekts abhängige Größe aus den Differenzbildern zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objekts auf bestimmte Positionen beschränkt ist und die Positionsbestimmungseinheit Informationen über die Beschränkung auf bestimmte Positionen aufweist und die von der Position des Objekts abhängige Größe unter Verwendung der Information über die Beschränkung auf bestimmte Positionen bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle angepasst ist, um den Reflektor zeitlich begrenzt zu beleuchten.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzbilderzeugungseinheit angepasst ist, um ein Differenzbild als Differenz zwischen dem ersten und zweiten Bild zu erzeugen, wobei das zweite Bild detektiert worden ist, während der Reflektor zeitlich begrenzt beleuchtet worden ist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinheit angepasst ist, um die von der Position des Objekts abhängige Größe unter Verwendung der Größe des Reflektorbildes in dem Differenzbild zu bestimmen.
Reflektor zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts (2) abhängigen Größe, wobei der Reflektor auf dem Objekt anordbar ist und angepasst ist, um mit der Detektions- und Bestimmungseinheit gemäß Anspruch 21 zur Bestimmung der von der Position des Objekts abhängigen Größe zusammenzuwirken.
Detektions- und Bestimmungseinrichtung (3) zum Bestimmen einer von einer Position eines Objekts abhängigen Größe mit: – einer Strahlenquelle zum Erzeugen von Licht, – einem Detektor zum Detektieren von Licht, das von einem auf einem anderen Objekt angeordneten Reflektor reflektiert worden ist, – einer Steuereinheit zum Steuern der Strahlenquelle und des Detektors so, dass der Detektor ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlen quelle den Reflektor nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht der Strahlenquelle den Reflektor bestrahlt, – einer Differenzbilderzeugungseinheit zum Erzeugen eines Differenzbildes als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild, – einer Positionsbestimmungseinheit zum Bestimmen der von der Position des Objekts abhängigen Größe aus dem Differenzbild.
Bewegliches Objekt mit einem Reflektor gemäß Anspruch 20 und/oder mit einer Detektions- und Bestimmungseinrichtung gemäß Anspruch 21.
Verfahren zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts (2) abhängigen Größe mit: – Erzeugen von Licht (8) mit einer Strahlenquelle (4), – Reflektieren des erzeugten Lichts (8) mit einem auf dem Objekt (2) anordbaren Reflektor (6), – Detektieren des reflektierten Lichts (5) mit einem Detektor (7), – Steuern der Strahlenquelle (4) und des Detektors (7) so, dass der Detektor (7) ein erstes Bild detektiert, wenn das Licht (8) der Strahlenquelle (4) den Reflektor (6) nicht bestrahlt, und ein zweites Bild detektiert, wenn das Licht (8) der Strahlenquelle (4) den Reflektor (6) bestrahlt, mit einer Steuereinheit (9), – Erzeugen eines Differenzbildes (11) als Differenz zwischen dem ersten Bild und dem zweiten Bild mit einer Differenzbilderzeugungseinheit (10), – Bestimmen der von der Position des Objekts (2) abhängigen Größe aus dem Differenzbild (11) mit einer Positionsbestimmungseinheit (12).
Computerprogramm zum Bestimmen einer von der Position eines Objekts (2) abhängigen Größe, wobei das Computerprogramm Programmmittel aufweist, die bewirken, dass die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 die Schritte gemäß Anspruch 23 ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird, der die Vorrichtung steuert.