DE102011009952A1

DE102011009952A1 - Verfahren zum Bestimmen der Position und Lage eines Astronauten

Info

Publication number: DE102011009952A1
Application number: DE102011009952A
Authority: DE
Inventors: Dr. Uhlig Thomas
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Aufzeichnung der Position und Lage eines Astronauten in einem Raumfahrzeug und umfasst die folgenden Schritte: Zunächst wird die dreidimensionale Position mehrerer charakteristischer Punkte (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten, insbesondere mehrere Gelenke, erfasst. Die 3D-Koordinaten der erfassten dreidimensionalen Position jedes erfassten charakteristischen Punkts (14a bis 14j) werden vom Raumfahrzeug (12) an eine Kontrollstation übermittelt (nur geringe Datenrate zur Übertragung nötig) und dort dargestellt/prozessiert/gespeichert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position und Lage eines Astronauten in einem Raumfahrzeug.
Bei bemannten Raumflügen sind die Astronauten auf Unterstützung ihrer Aktivitäten an Bord des Raumfahrzeugs durch die Bodenteams angewiesen. Das Crew-Training, das einer Raumfahrtmission vorausgeht, soll die Astronauten befähigen, bestimmte Aktivitäten anhand einer schrittweisen Anleitung durchzuführen. Hierbei kann nur ein relativ oberflächliches Wissen vermittelt werden, da das Training nicht sehr viel Zeit beanspruchen darf und ferner die Astronauten aufgrund der Komplexität des Raumfahrzeugs ohnehin kein Expertenwissen erwerben könnten. Den Supportteams in der Kontrollstation auf der Erde kommt insbesondere dann eine tragende Rolle zu, wenn es notwendig wird, die den Astronauten bekannten schrittweisen Anleitungen zur Durchführung verschiedener Aktivitäten zu verlassen. Dies kann beispielsweise aufgrund einer unerwarteten Situation, einem Fehler, einem Missverständnis oder einer Fehlfunktion der Ausstattung geschehen.
In diesen Fällen müssen die Personen in der Kontrollstation über die Situation an Bord des Raumfahrzeugs möglichst detailliert informiert sein, um optimale Unterstützung sicherstellen zu können. Es sind gegenwärtig verschiedene Kommunikationswege im Einsatz, um der Kontrollstation die Situation im Raumfahrzeug zu vermitteln. Beispielsweise ist die Sprachkommunikation zwischen den Astronauten und dem Kontrollcenter möglich. Weiterhin können Telemetriedaten oder Videoaufnahmen vom Raumfahrzeug an die Kontrollstation übermittelt werden. Videoaufnahmen sind beispielsweise dazu geeignet, der Kontrollstation die exakte Position und Lage eines Astronauten innerhalb des Raumfahrzeugs bekannt zu machen.
Problematisch hierbei ist, dass beispielsweise Videoaufnahmen eines Astronauten an Bord eines Raumfahrzeugs eine große Datenmenge produzieren, die über eine Datenverbindung an die Kontrollstation übermittelt werden muss. Es wird daher ein großer Datenverkehr auf der entsprechenden Datenleitung erzeugt. Eine Übertragung von Videoaufnahmen von Bord eines Raumfahrzeugs würde aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Bandbreite eine Einschränkung der verwendbaren Videokanäle mit sich bringen. Beispielsweise müsste die Übertragung von der ISS auf vier Videokanäle beschränkt werden, was bedeutet, dass lediglich die Bilder vier verschiedener Kameras von der ISS an die Bodenstation übermittelt werden können. Somit ist es oft nicht möglich, die gewünschte Videounterstützung zu gewährleisten.
Weiterhin stellt jede Videoübertragung einen Eingriff in die Privatsphäre der Besatzung dar. Es sind daher strikte Regeln etabliert, die für bestimmte Tätigkeiten und zu bestimmten Zeiten die Videoübertragung nicht gestatten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen der Position und Lage eines Astronauten in einem Raumfahrzeug bereitzustellen, das einen geringeren Datenverkehr zur Kontrollstation ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst das Erfassen der dreidimensionalen Position mehrerer charakteristischen Punkte des Körpers des Astronauten. Bei diesen charakteristischen Punkten kann es sich beispielsweise um mehrere Gelenke des Astronauten handeln. Die Kenntnis der Position dieser charakteristischen Punkte des Körpers des Astronauten erlaubt es, die Position und Lage eines Astronauten im Raumfahrzeug zu bestimmen. Hierbei müssen so viele charakteristische Punkte erfasst werden, dass es möglich ist, die Position und Lage des Astronauten mit einer ausreichenden Genauigkeit zu bestimmen.
Beispielsweise ist es möglich, die Position der folgenden charakteristischen Punkte oder Gelenke eines Astronauten zu erfassen: Füße, Knie, Schultern, Ellenbogen und Hände. Von den genannten charakteristischen Punkten werden jeweils zwei erfasst (links und rechts), so dass sich insgesamt zehn charakteristische Punkte des Körpers des Astronauten ergeben. Für jeden charakteristischen Punkt wird die dreidimensionale Position innerhalb des Raumfahrzeugs erfasst, so dass sich für jeden Punkt drei Werte (Koordinaten auf der x-, y- und z-Achse) ergeben. Es ergäbe sich somit ein Datenset von drei mal zehn Werten.
Erfindungsgemäß werden die 3D-Koordinaten der dreidimensionalen Position jedes erfassten charakteristischen Punkts vom Raumfahrzeug an eine Kontrollstation übermittelt. Diese kann sich beispielsweise auf der Erde befinden. Im eben dargestellten Beispiel würden somit die drei mal zehn Datenwerte übermittelt, was nur eine minimale Bandbreite für die Übertragung erfordert. Anhand der übermittelten Datenwerte ist eine virtuelle Rekonstruktion der Position und Lage des Astronauten in der Kontrollstation möglich. Die virtuelle Rekonstruktion im dreidimensionalen Raum eröffnet der Bodenstation alle Möglichkeiten der Visualisierung, die einschlägige Softwarepakete für dreidimensionale Datendarstellung zur Verfügung stellen (Drehungen, 3D-Darstellung mittels entsprechender Brille, etc.).
Erfindungsgemäß wird somit die Tatsache ausgenutzt, dass es zur Bestimmung der Position und Lage eines Astronauten ausreichend ist, die Position mehrerer charakteristischer Punkte, insbesondere mehrerer Gelenke seines Körpers zu kennen. Beispielsweise ist die Kenntnis der Position der o. g. zehn Gelenke ausreichend, um die Lage und Position eines Astronauten mit ausreichender Genauigkeit bestimmen zu können. Die Datenmenge, die an die Kontrollstation übermittelt werden muss, kann somit erheblich verringert werden. Weiterhin stellt das Verfahren den Bodenstationen nur wirklich essentielle Informationen zur Verfügung, während die Verletzung der Privatsphäre auf ein Minimum reduziert wird.
Das Überwachen der Position und Lage des Astronauten kann kontinuierlich erfolgen. Jedoch ist auch ein Ermitteln der Position und Lage eines Astronauten zu einem bestimmten Zeitpunkt möglich, sofern eine bestimmte Anwendung dies erfordert.
Das Erfassen der dreidimensionalen Position der charakteristischen Punkte des Astronauten kann beispielsweise optisch durch mindestens zwei Kameras erfolgen, die den Astronauten aus verschiedenen Betrachtungswinkeln im Raumfahrzeug aufnehmen. Bei dieser Aufnahme kann es sich um eine Videoaufnahme handeln, so dass die Position der charakteristischen Punkte kontinuierlich erfasst wird. Auch ist es möglich, diese Position der charakteristischen Punkte diskret zu erfassen, so dass lediglich Einzelbilder ausgewertet werden. Die Frequenz, mit der diese Einzelbilder aufgenommen werden, ist abhängig von der gewünschten zeitlichen Auflösung der Positions- und Lageinformation über den Astronauten.
Für die Errechnung der dreidimensionalen Positionsdaten aus Bildern sind verschiedene Ansätze denkbar, die im Folgenden exemplarisch beschrieben werden.
Es wäre möglich, an den charakteristischen Punkten des Astronauten Marker anzubringen, die durch die Kamera erfassbar sind. Durch eine Software kann dann über einen geeigneten Algorithmus automatisch aus den Bildern mehrerer Kameras die dreidimensionale Position der charakteristischen Punkte errechnet werden. Hierbei kann es sich um Einzelbilder einer Videoaufnahme oder um allein aufgenommene Bilder, d. h. Einzelfotos handeln.
Ähnliche Verfahren finden bei der Produktion von animierten Filmen Anwendung, in der Schauspieler mit Markern versehen werden, um die Bewegungen von virtuellen Charakteren vorzugeben.
Werden Marker verwendet, so wäre es möglich, selbstleuchtende, blinkende Marker an charakteristischen Punkten des Körpers des Astronauten anzubringen, deren Position durch die Anwendung eines zeitlichen Fourier-Filters auf einen kontinuierlichen von einer Kamera erfassten Videostream ermittelt werden kann. Oder es wäre möglich, lumineszente Marker zu verwenden, die, sofern sie mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden, leuchten.
Werden Marker am Körper der Astronauten verwendet, so ist es möglich, unterschiedliche Marker zu verwenden, um zwischen verschiedenen Astronauten im selben Raumfahrzeug oder zwischen verschiedenen charakteristischen Punkten des Körpers eines Astronauten unterscheiden zu können.
Alternativ oder zusätzlich zu der Anbringung von Markern am Körper des Astronauten kann die Position und Lage des Astronauten durch Verwendung von Bilderkennungsalgorithmen bestimmt werden. Diese Algorithmen sind in der Lage, die Position und Lage des menschlichen Körpers ohne die Verwendung von Markern zu erkennen. Letzteres ist bevorzugt, um die Erfindung möglichst generisch einsetzen zu können.
Es ist bevorzugt, die verwendeten Kameras mit einem zentralen Computer zu verbinden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen der im Raumfahrzeug vorhandenen Crewlaptops handeln. Dieser Laptop müsste Zugang zu dem Telemetriesystem des Raumfahrzeugs zu haben, um die Rauminformation in den Datenstrom einbauen zu können. Für die verwendeten Kameras existieren keine besonderen Voraussetzungen, so dass beispielsweise handelsübliche Webcams verwendet werden können.
Es ist bevorzugt, dass das Errechnen der dreidimensionalen Position der charakteristischen Punkte des Astronauten die folgenden Schritte umfasst: Zunächst werden mehrere Bilder des Astronauten aus verschiedenen Perspektiven zum gleichen Zeitpunkt aufgenommen. Die Position der charakteristischen Punkte des Körpers des Astronauten werden in jedem Bild durch eine Software bestimmt. Dann kann im dreidimensionalen Raum eine rechnerische Rekonstruktion aller charakteristischen Punkte vorgenommen werden, indem jedes Einzelbild als zweidimensionale Projektion verstanden wird. Hierbei wird die Position der Kameras innerhalb des Raumfahrzeugs, die bekannt sein muss, berücksichtigt. Ähnliche Algorithmen werden etwa bei der Computertomographie eingesetzt.
Die so gewonnenen Koordinaten der charakteristischen Punkt aller Astronauten werden dann in den Datenstrom des Raumschiffs eingebaut und erreichen die Bodenstationen.
Neben den 3D-Koordinaten der Positionen der charakteristischen Punkte des Körpers des Astronauten müssen keine Bildaufnahmen oder Videoaufnahmen der Kameras vom Raumfahrzeug an die Kontrollstation übermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vom Raumfahrzeug zur Kontrollstation zusammen mit den 3D-Koordinaten ein Schätzwert über die Genauigkeit jeder 3D-Koordinate übermittelt. Es wäre ferner denkbar, aus dem Fakt, dass bestimmte charakteristische Punkte aus bestimmten Kamerablickwinkeln nicht zu sehen sind, weitere Hinweise auf die Körperposition des Astronauten zu gewinnen.
Auf einer Anzeige in der Kontrollstation kann die Position und Lage des Astronauten im Raumfahrzeug in abstrakter Weise dargestellt werden.
Auch ist es möglich, dass ein Benutzer in der Kontrollstation in dieser Anzeige die Perspektive ändern kann. Beispielsweise ist es möglich, das Raumfahrzeug in dieser Anzeige aus der Perspektive des Astronauten darzustellen. Ferner ist ein Zoomen innerhalb der Anzeige in der Kontrollstation möglich. Obwohl es erfindungsgemäß nicht notwendig ist, Bilder oder Videos von dem Raumfahrzeug an die Kontrollstation zu übermitteln, kann dennoch eine dreidimensionale Anzeige der Astronauten im Raumfahrzeug erfolgen. Hierzu ist es bevorzugt, dass in der Kontrollstation ein virtuelles Model des Raumfahrzeugs zur Verfügung steht, innerhalb dessen die Position und Lage der Astronauten angezeigt werden kann.
Weiterhin ist es möglich, die Position und Lage des oder der Astronauten im Raumfahrzeug kontinuierlich und insbesondere rund um die Uhr zu erfassen. Dennoch kann hierbei die Privatsphäre der Astronauten gewahrt werden. Bei der Erfassung der Position und Lage der Astronauten durch Videoaufnahmen können diese Videoaufnahmen nicht kontinuierlich rund um die Uhr erfolgen. Beispielsweise ist es unerwünscht, Videoaufnahmen während des Schlafes oder anderer intimer Tätigkeiten durchzuführen. Dadurch, dass es erfindungsgemäß möglich ist, die Position und Lage der Astronauten im Raumfahrzeug abstrakt darzustellen, kann eine kontinuierliche Überwachung erfolgen. Jedoch ist es auch hier möglich, die Überwachung zu gewissen Zeiten oder an gewissen Orten innerhalb des Raumfahrzeugs auszuschalten. Dies kann auch erst durch ”Masking” am Boden erfolgen, da die Rohdaten selbst kaum interpretierbar sind. So wäre es auch möglich, die Anzeige der Position und Lage der Astronauten an die Rechte der Benutzer in der Bodenstation anzupassen. Ferner ist es möglich, die Genauigkeit der Anzeige eines Astronauten etwa während der Schlafzeit zu verringern, so dass beispielsweise ein Astronaut lediglich als Kugel anstelle eines virtuellen menschlichen Körpers angezeigt wird. Auch ist es möglich, bestimmte Astronauten selektiv aus der Anzeige zu entfernen, sofern sie beispielsweise gerade nicht im Dienst sind, ohne die Sichtbarkeit der anderen Astronauten zu beeinflussen. Eine derartige Selektion wäre beispielsweise bei einer Videoüberwachung nicht möglich.
Weiterhin ist es möglich, die Positionsdaten zusammen mit anderen Telemetriedaten in der Kontrollstation zu speichern und diese zu einem späteren Zeitpunkt – synchron mit der Telemetrie der technischen Geräte – wieder abzurufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, potentiell gefährliche Anwendungen durch ein Kommando von der Kontrollstation erst dann zu starten, wenn detektiert wurde, dass sich kein Astronaut in der Nähe befindet. Auch ist es möglich, bestimmte Anwendungen zu beenden, sofern sich ein Astronaut derart annähert, dass eine Gefahr für ihn oder die Ausstattung des Raumfahrzeugs bestünde.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für die Überwachung von Astronauten in der internationalen Raumstation verwendet werden. Besonders geeignet ist das Verfahren für zukünftige Deep-Space-Projekte, bei denen es zum einen besonders wichtig ist, den Datenverkehr vom Raumfahrzeug zur Kontrollstation auf der Erde zu verringern, da hier besonders lange Signallaufzeiten bestehen. Zum anderen ist es gerade durch die langen Signallaufzeiten (Frage-Antwort-Interaktionen nahezu unmöglich) besonders wichtig, jede verfügbare Quelle zu verwenden, um Informationen über die Situation an Bord zu gewinnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann neben der Bestimmung der Position und Lage eines Astronauten in einem Raumfahrzeug auch zur Bestimmung der Position und Lage anderer Personen in anderen Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann es bei anderen sicherheitsrelevanten Anwendungen wichtig sein, die Position und Lage einer oder mehrerer Personen zu kennen. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch hier die übertragene Datenmenge, die zur Feststellung der Position und Lage der Person notwendig ist, reduziert werden.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Figur erläutert.
Die 1 zeigt die Abbildung eines Astronauten in einem Raumfahrzeug.
2 zeigt die virtuelle Darstellung der Position und Lage desselben Astronauten.
In 1 ist die Bildaufnahme dargestellt, die von einer von mehreren Kameras in einem Raumfahrzeug 12 aufgenommen wurde. In der Figur sind die entsprechenden Gelenke 14a bis 14j bereits markiert. Die Markierung dieser Gelenke kann durch eine Bilderkennungssoftware oder durch die Verwendung geeigneter Marker erfolgen. Aus Gründen der Reproduzierbarkeit ist die 1 lediglich vereinfacht dargestellt.
2 zeigt die Darstellung des virtuellen Körpers des Astronauten 10 in einer Anzeigevorrichtung in der Kontrollstation. Hierbei wird der Astronaut 10 in der Umgebung eines virtuellen Models des Raumfahrzeugs 12 angezeigt, wobei seine Position und Lage derjenigen in der 1 entspricht. Zur Bestimmung seiner Position und Lage ist es ausreichend, die Position der Gelenke 14a bis 14j zu kennen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Position und Lage eines Astronauten (10) in einem Raumfahrzeug (12), mit den Schritten: Erfassen der dreidimensionalen Position mehrerer charakteristischer Punkte (14a bis 14j) des Körpers, insbesondere mehrerer Gelenke des Astronauten (10), Übermitteln der 3D-Koordinaten der erfassten dreidimensionalen Position jedes erfassten charakteristischen Punkts (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) vom Raumfahrzeug (12) an eine Kontrollstation als Telemetriedaten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der dreidimensionalen Position der mehreren charakteristischen Punkte (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) optisch durch mehrere Kameras erfolgt, die den Astronauten (10) aus verschiedenen Betrachtungswinkeln im Raumfahrzeug (12) aufnehmen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den charakteristischen Punkten (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) Marker angebracht sind, die durch die Kamera erfassbar sind und durch eine Software automatisch aus den Bildern mehrerer Kameras die dreidimensionale Position der charakteristischen Punkte berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der dreidimensionalen Position der charakteristischen Punkte (14a bis 14j) im Körper des Astronauten (10) folgende Schritte umfasst: Aufnehmen von Bildern des Astronauten (10) durch mehrere Kameras aus verschiedenen Blickwinkeln, Lokalisieren der Positionen der charakteristischen Punkte (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) in allen Bildern, Berechnen der dreidimensionalen Position der charakteristischen Punkte (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) aus den ermittelten Positionen der charakteristischen Punkte (14a bis 14j in den Bildern der Kameras unter Berücksichtigung der bekannten Positionen derselben im Raumfahrzeug (12).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben den 3D-Koordinaten der Positionen der charakteristischen Punkte (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) keine Bildaufnahmen und/oder Videoaufnahmen der Kameras vom Raumfahrzeug (12) an die Kontrollstation übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position und Lage des Astronauten (10) Bilderkennungsalgorithmen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass selbstleuchtende, blinkende Marker an charakteristischen Punkten (14a bis 14j) des Körpers des Astronauten (10) angebracht sind, deren Position durch die Anwendung eines zeitlichen Fourier-Filters auf einen kontinuierlichen von einer Kamera erfassten Videostream ermittelt werden, oder dass lumineszente Marker verwendet werden, die, sofern sie mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt werden, leuchten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vom Raumfahrzeug (12) zur Kontrollstation zusammen mit den 3D-Koordinaten ein Schätzwert über die Genauigkeit jeder 3D-Koordinate und/oder die Information, in welcher der mindestens zwei Kameras der charakteristische Punkt (14a bis 14j) am Körper des Astronauten (10) sichtbar war.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und Lage des Astronauten (10) im Raumfahrzeug (12) in der Kontrollstation angezeigt wird und ein Benutzer in der Kontrollstation in dieser Anzeige die Perspektive ändern kann, wobei es möglich ist, das Raumfahrzeug (12) in dieser Anzeige aus der Perspektive des Astronauten (10) darzustellen und ferner insbesondere ein Zoomen innerhalb der Anzeige in der Kontrollstation möglich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und Lage des Astronauten (10) im Raumfahrzeug (12) kontinuierlich insbesondere rund um die Uhr erfasst wird und insbesondere potentiell gefährliche Anwendungen durch ein Kommando von der Kontrollstation erst dann gestartet werden, wenn detektiert wurde, dass sich kein Astronaut (10) in der Nähe aufhält.