ES1306718U - Sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente plantaciones en superficie - Google Patents
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Abstract
Sistema electroóptico transportable en una aeronave (30) para detectar e identificar automáticamente plantaciones en superficie, comprendiendo la aeronave una unidad de geolocalización, y comprendiendo el sistema: - una unidad de captación (10) que comprende al menos un sensor electroóptico (11), donde el sensor electroóptico (11) comprende una óptica para captar señales en el espectro visible e infrarrojo cercano; - una unidad inercial (23) para medir los parámetros de la actitud de vuelo de la aeronave (30), donde los parámetros de vuelo incluyen cabeceo, alabeo y guiñada; - una interfaz de adaptación (24) a la aeronave (30) donde está montada la unidad de captación (10) para obtener una visión cenital de la superficie; caracterizado por que adicionalmente comprende: - una unidad de procesamiento (22) para: - conectarse con la unidad de geolocalización de la aeronave (30), - lanzar una alarma con las señales captadas por la unidad de captación (10), - detectar una planta entre otras plantaciones en la imagen, implementando una técnica de detección espectral para la imagen, y - estimar la geolocalización de la planta a partir de los parámetros de la actitud de vuelo y de la geolocalización de la aeronave (30); - una unidad de condiciones ambientales (20) para medir los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica; y - una unidad de comunicación (21) para servir de puente entre la unidad de condiciones ambientales (20), la unidad inercial (23), la unidad de procesamiento (22) y la unidad de captación (10).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente plantaciones en superficie
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo de la búsqueda e identificación de plantaciones. Concretamente se refiere a un sistema de detección automática para emplear preferentemente en operaciones de identificación de plantaciones exteriores desde altura.
Antecedentes de la invención
Tradicionalmente la detección de campos de cultivo de marihuana en exteriores se hacía mediante sobrevuelos en los que un operador realizaba la tarea mediante observación, en tiempo real o a posteriori a partir de los vídeos adquiridos. El operador, también conocido como observador, está sometido a un gran estrés y fatiga, que acaba conduciendo a errores humanos. Para hacer un reconocimiento visual es necesario que el sobrevuelo se realice a una velocidad baja, ya que en caso contrario el observador no tendría tiempo de distinguir la planta a detectar de otras cercanas. Por otra parte, aunque la visión humana es muy buena detectando patrones, es imprescindible que estos estén aislados y con buena iluminación para poder observarlos. Como se ha indicado anteriormente, la atención prestada por el observador no será constante, por lo que puede ocurrir que no se detecten plantas aisladas debido a la fatiga. La visión humana no observa toda la superficie en cada instante, sino que va haciendo barridos, ya que la zona con mayor agudeza visual es la fóvea.
Actualmente, en los campos de cultivo de grandes dimensiones se vienen utilizando cámaras hiperespectrales para detectar si hay estrés hídrico o su estado de salud. Estas cámaras, principalmente centradas en luz visible e infrarroja cercana, se basan en la descomposición espectral de la luz mediante redes de difracción internas en las que, identificando líneas de absorción, por ejemplo, del agua, se puede identificar, por ejemplo, si hay exceso o falta de riego en las plantaciones. El análisis de estas imágenes se realiza mediante un software especializado posteriormente al sobrevuelo, por lo que no se puede hacer una detección en tiempo real, sino que hay que esperar a terminar el sobrevuelo y que un técnico especializado y con un entrenamiento extraiga la información requerida.
Sumario de la invención
A la vista de las soluciones que existen actualmente para la detección de los cultivos, en especial de los de marihuana, es deseable contar con un sistema automático para detectar e identificar plantaciones con el que resulte posible obtener una mayor fiabilidad y repetitividad.
Sería deseable que el sistema trabaje sin la necesidad de un operador.
Sería deseable que el sistema trabaje en tiempo real, de modo que se detecten las plantaciones en pleno vuelo sin necesidad de espera.
La invención proporciona un sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente plantaciones en superficie, comprendiendo la aeronave una unidad de geolocalización, y comprendiendo el sistema:
- una unidad de captación que comprende al menos un sensor electroóptico, donde el sensor electroóptico comprende una óptica para captar señales en el espectro visible e infrarrojo cercano;
- una unidad inercial para medir los parámetros de la actitud de vuelo de la aeronave, donde los parámetros de vuelo incluyen cabeceo, alabeo y guiñada;
- una interfaz de adaptación a la aeronave donde está montada la unidad de captación para obtener una visión cenital de la superficie;
- una unidad de procesamiento para:
- conectarse con la unidad de geolocalización de la aeronave, - lanzar una alarma con las señales captadas por la unidad de captación, - detectar una planta entre otras plantaciones en la imagen, implementando una técnica de detección espectral para la imagen, y - estimar la geolocalización de la planta a partir de los parámetros de la actitud de vuelo y de la geolocalización de la aeronave;
- una unidad de condiciones ambientales para medir los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica; y
- una unidad de comunicación para servir de puente entre la unidad de condiciones ambientales, la unidad inercial, la unidad de procesamiento y la unidad de captación.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
Breve descripción de los dibujos
Todo lo anteriormente comentado se verá complementado claramente a partir de la descripción detallada y los dibujos presentados a continuación como forma preferente de realización y a título de ejemplo ilustrativo y sin carácter limitativo, en los que:
La FIG. 1 muestra esquemáticamente un diagrama de bloques del sistema según la invención.
La FIG. 2 muestra una posible implementación del sistema según la invención para una aeronave de ala rotatoria.
Descripción detallada de la invención
En la FIG. 1 se ilustra a modo de ejemplo un diagrama de bloques funcionales.
Una interfaz de adaptación 24 dispone de los medios mecánicos y de los conectores necesarios para montar el resto del sistema (bloques 10, 20, 21, 22 y 23, que se describirán a continuación) en la aeronave 30 y realizar barridos, entre otras funciones. La interfaz de adaptación 24 alimenta de energía a la unidad de captación 10 y a otros dispositivos (20, 21, 22 y 23), y permite la comunicación de señales y comandos entre el sistema y la aeronave 30.
La aeronave 30 dispone habitualmente de una unidad inercial 23. La información de la geolocalización se puede obtener de la propia aeronave 30, que comprende una unidad de geolocalización.
La unidad de condiciones ambientales 20 proporciona los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica obtenidos durante el barrido de la superficie. Los parámetros obtenidos por esta unidad permiten calibrar las imágenes adquiridas y calibrarlas para reducir la tasa de falsas alarmas.
La unidad de comunicación 21 es el sistema que asegura la comunicación entre la unidad de captación 10 que comprende los sensores electroópticos 11, la unidad de condiciones ambientales 20, la unidad de procesamiento 22 y la unidad inercial 23. Además, estabiliza la alimentación de todos los sensores y unidades anteriores. Esta unidad de comunicación se acopla a la aeronave mediante la interfaz de adaptación 24.
Una unidad de captación 10 incluye uno o más sensores electroópticos 11 que recogen los datos de una escena en un momento dado de acuerdo con su campo de observación. Esta unidad de captación 10 envía información de la escena a la unidad de procesamiento 22. Dicha unidad de procesamiento 22 también recibe información de la unidad inercial 23 respecto del cabeceo, del alabeo y/o de la guiñada de la aeronave 30.
De esta forma, la unidad de captación 10 puede captar una imagen cenital de las plantaciones de un campo de cultivo como el cannabis, donde es posible que existan blancos que detectar. Esta imagen puede asociarse a una posición y actitud de la aeronave 30. A partir de estos datos, es posible estimar la geolocalización del blanco detectado.
La unidad de procesamiento 22 puede procesar las imágenes captadas y, cuando detecta un posible blanco, establecer una correspondencia entre posiciones asociadas a píxeles de una imagen con posiciones asociadas a píxeles de otra imagen captada en diferente momento para mejorar la relación entre la probabilidad de detección y la probabilidad de falsas alarmas.
La unidad de procesamiento 22 implementa la detección de una planta de cannabis mediante la comparación de espectros de una librería con los obtenidos durante el sobrevuelo, y puede implementar algoritmos de realce de la señal y optimización de la relación señal-ruido. También puede implementar un ajuste de umbral de la detección para optimizar la relación entre la probabilidad de detección y la probabilidad de falsa alarma. Por ejemplo, puede mejorar la relación señal-ruido mediante la comparación entre varias imágenes de momentos sucesivos.
La FIG. 2 muestra una interfaz de adaptación 24 del sistema cuando la aeronave 30 es un dron de ala rotatoria. Se ilustra la parte mecánica de la interfaz de adaptación 24. Se puede apreciar que la interfaz de adaptación 24 es un mecanismo de acople utilizado para su montaje en aeronaves. Mientras, en la parte inferior se aprecia la óptica visibleinfrarroja gran angular del sensor electroóptico 11. Dicho sensor electroóptico 11 se instala internamente en dicha interfaz de adaptación 24.
La interfaz 24 monta el sistema de forma que permite al sensor electroóptico 11 la visión cenital de la superficie cultivada, al mismo tiempo que mantiene la estanqueidad. Se aprecia desde el exterior la óptica del sensor electroóptico 11.
El sistema posee un ancho campo de observación. La interfaz de adaptación 24 monta una unidad de captación 10 con los sensores electroópticos 11 para captar espectros en el espectro visible e infrarrojo cercano. La interfaz de adaptación 24 permite que la línea de mira de la unidad de captación 10 sea normal a la superficie cultivada.
La parte mecánica y óptica se puede realizar sin elementos móviles para mejorar la fiabilidad como se ha ilustrado en la FIG 2. El sistema es rápido y no necesita enfocar escenas ni realizar ajustes de los aumentos ópticos. Preferiblemente, se eligen ópticas de campo ancho, es decir, capaces de proporcionar campos de observación superiores a 30°.
La banda visible e infrarrojo cercano (típicamente 400-1000 nanómetros) es donde se produce la reemisión de la luz más característica por parte de la planta y que mejor la distingue de otro tipo de plantas y objetos.
El presente sistema trabaja en el espectro visible e infrarrojo cercano. Desde el punto de vista operativo, actúa como un radar pasivo: detecta espectros de reflexión en cualquier superficie y los compara con un espectro de una librería interna. Esto le permite prescindir de un operador que lo maneje o que detecte la presencia de una planta (por ejemplo, de cannabis) en mitad de una plantación.
Se aprovecha el vuelo de la aeronave para barrer la superficie de búsqueda. Se optimiza la señal recibida de los elementos a detectar y se minimiza la probabilidad de falsas alarmas. Esta técnica de barrido de la escena (denominada “Push Broom”) optimiza la sensibilidad y reduce el camino óptico de absorción de la atmósfera, frente a técnicas de observación más comunes actualmente (como una cámara de imagen directa) de aplicación en el reconocimiento e identificación de objetos.
En la FIG. 1 puede observarse como el campo de observación del sistema se orienta desde el sensor o sensores electroópticos 11 perpendicularmente a la superficie de búsqueda, configuración denominada cenital o “Push Broom”. La configuración cenital es radicalmente opuesta a la configuración que adoptan los sistemas actuales que dirigen sus campos de observación en la dirección de avance del dron para identificar qué hay frente a este.
Para el reconocimiento e identificación de una planta, se suministra la posición respecto de los ejes de la aeronave 30 para que los sensores electroópticos 11 puedan dirigir su línea de mira hacia el blanco detectado, capturar una imagen, o vídeo, y enviarlos a la base de control de la operación de identificación.
Gracias a la ligereza y versatilidad de la interfaz de adaptación 24, el presente sistema puede operar en vehículos aéreos tanto de ala fija como en helicópteros. Incluso, puede ser instalado en drones (también denominados UAVs), como el sistema de la FIG. 2.
La algoritmia evalúa la posición de la línea de mira de la óptica respecto de la normal a la superficie terrestre. Maneja los datos de la unidad inercial 23 y de la unidad de captación 10, y suministra la posición de la imagen de cada punto de la superficie cultivada observada en cada uno de los píxeles del sensor electroóptico 11. Permite trazar la posición de cada punto en los cuadros de vídeo en que dicho punto está presente.
Existe un algoritmo de ajuste del umbral para optimizar la relación de la probabilidad de detección y la probabilidad de falsas alarmas.
Los diversos aspectos aquí explicados dotan al sistema de gran fiabilidad y agilidad en la detección automática, a pesar de las dificultades que implica detectar plantas que a priori son similares en aspecto, pero que se diferencian a nivel espectral.
Las siguientes referencias numéricas están asociadas a los diferentes elementos que integran la invención y sus realizaciones:
10 Unidad de captación
11 Sensor electroóptico
20 Unidad de condiciones ambientales
21 Unidad de comunicación
22 Unidad de procesamiento
23 Unidad inercial
24 Interfaz de adaptación
30 Aeronave
Aunque se han descrito y representado unas realizaciones de la invención, es evidente que pueden introducirse en ellas modificaciones comprendidas dentro de su alcance, no debiendo considerarse limitado éste a dichas realizaciones, sino únicamente al contenido de las reivindicaciones siguientes.
Claims (6)
1. Sistema electroóptico transportable en una aeronave (30) para detectar e identificar automáticamente plantaciones en superficie, comprendiendo la aeronave una unidad de geolocalización, y comprendiendo el sistema:
- una unidad de captación (10) que comprende al menos un sensor electroóptico (11), donde el sensor electroóptico (11) comprende una óptica para captar señales en el espectro visible e infrarrojo cercano;
- una unidad inercial (23) para medir los parámetros de la actitud de vuelo de la aeronave (30), donde los parámetros de vuelo incluyen cabeceo, alabeo y guiñada; - una interfaz de adaptación (24) a la aeronave (30) donde está montada la unidad de captación (10) para obtener una visión cenital de la superficie;
caracterizado por que adicionalmente comprende:
- una unidad de procesamiento (22) para:
- conectarse con la unidad de geolocalización de la aeronave (30), - lanzar una alarma con las señales captadas por la unidad de captación (10),
- detectar una planta entre otras plantaciones en la imagen, implementando una técnica de detección espectral para la imagen, y - estimar la geolocalización de la planta a partir de los parámetros de la actitud de vuelo y de la geolocalización de la aeronave (30);
- una unidad de condiciones ambientales (20) para medir los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica; y
- una unidad de comunicación (21) para servir de puente entre la unidad de condiciones ambientales (20), la unidad inercial (23), la unidad de procesamiento (22) y la unidad de captación (10).
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que la técnica de detección espectral compara la relación señal/ruido con una base de datos interna de espectros y en varios cuadros de vídeo correspondientes a diferentes imágenes.
3. Sistema según la reivindicación 1 o 2, en el que la unidad de captación (10) comprende una estructura para proteger del ambiente al sensor electroóptico (11).
4. Sistema según la reivindicación 1,2 o 3, en el que la interfaz de adaptación (24) alimenta de energía a al menos la unidad de captación (10).
5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de geolocalización está integrada en la aeronave (30).
6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la planta a detectar es una planta de cannabis.
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