ES1306759U - Electro-optical system transportable on an aircraft to automatically detect and identify irrigated areas (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente zonas irrigadas Electro-optical system transportable on an aircraft to automatically detect and identify irrigated areas
Campo técnico de la invenciónTechnical field of the invention
La presente invención pertenece al campo de la búsqueda e identificación de zonas irrigadas. Concretamente se refiere a un sistema de detección automática para emplear preferentemente en operaciones de identificación desde altura de zonas exteriores recientemente regadas. The present invention belongs to the field of searching and identifying irrigated areas. Specifically, it refers to an automatic detection system to be preferably used in identification operations from a height of recently watered outdoor areas.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Típicamente la detección de campos de cultivo que han sido recientemente regados se ha realizado mediante tecnología radar, más concretamente en banda C. Esto permitía únicamente detectar desde satélite los campos que han sido regados, lo que produce varios problemas en la detección: únicamente se puede detectar cada varios días, debido a la órbita del satélite; la resolución es muy limitada al ser una detección a muy larga distancia, y únicamente se pueden realizar detecciones si no hay nubosidad. Typically, the detection of crop fields that have been recently irrigated has been carried out using radar technology, more specifically in C-band. This only allowed fields that have been irrigated to be detected from satellite, which produces several problems in detection: detect every few days, due to the satellite's orbit; The resolution is very limited as it is a very long distance detection, and detections can only be made if there is no cloud cover.
Actualmente, para detecciones a corta distancia, es decir, desde sistemas embarcados, se utilizan cámaras hiperespectrales. 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 si hay exceso o falta de riego en las plantaciones. En grandes extensiones de cultivo se han utilizado para determinar si la plantación tiene estrés hídrico. Con este estrés se podría saber si el campo se está regando con regularidad, pero no se puede saber si se realiza de manera forzada, mediante captación de aguas por bombas o acequias o por lluvias recientes. Currently, for short-distance detections, that is, from on-board systems, hyperspectral cameras are used. These cameras, mainly focused on visible and near-infrared light, are based on the spectral decomposition of light through internal diffraction gratings in which, by identifying absorption lines, for example, from water, it is possible to identify whether there is excess or lack of irrigation in plantations. In large areas of cultivation they have been used to determine if the plantation has water stress. With this stress it would be possible to know if the field is being irrigated regularly, but it is not possible to know if it is done forcefully, by collecting water from pumps or ditches or by recent rains.
El análisis de estas imágenes se realiza mediante 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. Por tanto, este método está sujeto al criterio subjetivo de un observador. The analysis of these images is carried out using specialized software after the overflight, so a detection cannot be made in real time, but rather you have to wait until the overflight is over and for a specialized and trained technician to extract the required information. Therefore, this method is subject to the subjective judgment of an observer.
Sumario de la invenciónSummary of the invention
A la vista de las soluciones que se disponen actualmente para la detección de zonas recientemente irrigadas, es deseable contar con un sistema automático para obtener una mayor fiabilidad y repetitividad. In view of the solutions currently available for the detection of recently irrigated areas, it is desirable to have an automatic system to obtain greater reliability and repeatability.
Sería deseable que el sistema trabaje sin la necesidad de un operador. It would be desirable for the system to work without the need for an operator.
Sería deseable que el sistema trabaje en tiempo real, que se detecten las zonas regadas en pleno vuelo sin necesidad de espera. It would be desirable for the system to work in real time, for irrigated areas to be detected in mid-flight without the need to wait.
La invención proporciona un sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente zonas irrigadas, comprendiendo la aeronave una unidad de geolocalización, y comprendiendo el sistema: The invention provides an electro-optical system transportable in an aircraft to automatically detect and identify irrigated areas, the aircraft comprising a geolocation unit, and the system comprising:
- 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; - a capture unit comprising at least one electro-optical sensor, where the electro-optical sensor comprises optics to capture signals in the visible and near-infrared spectrum;
- 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; - an inertial unit for measuring the flight attitude parameters of the aircraft, where the flight parameters include pitch, roll and yaw;
- una interfaz de adaptación a la aeronave donde está montada la unidad de captación para obtener una visión cenital y acimutal de la superficie; - an interface for adaptation to the aircraft where the capture unit is mounted to obtain a zenith and azimuthal view of the surface;
- una unidad de procesamiento para: - a processing unit for:
- conectarse con la unidad de geolocalización de la aeronave, - lanzar una alarma con las señales captadas por la unidad de captación, - detectar una zona irrigada recientemente entre otros tipos de terrenos adyacentes, implementando una técnica de detección polarimétrica para la imagen, y - connect with the aircraft's geolocation unit, - launch an alarm with the signals captured by the capture unit, - detect a recently irrigated area among other types of adjacent terrain, implementing a polarimetric detection technique for the image, and
- estimar la geolocalización del terreno a partir de los parámetros de la actitud de vuelo y de la geolocalización de la aeronave; - estimate the geolocation of the terrain from the parameters of the flight attitude and the geolocation of the aircraft;
- una unidad de condiciones ambientales para medir los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica; y - a unit of environmental conditions for measuring the parameters of temperature, humidity and atmospheric pressure; and
- 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. - a communication unit to serve as a bridge between the environmental conditions unit, the inertial unit, the processing unit and the collection unit.
Otros aspectos interesantes asociados a diversas realizaciones particulares con ventajas adicionales se definen en las reivindicaciones dependientes. Other interesting aspects associated with various particular embodiments with additional advantages are defined in the dependent claims.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
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: Everything previously mentioned will be clearly complemented by the detailed description and drawings presented below as a preferred embodiment and as an illustrative and non-limiting example, in which:
La FIG. 1 muestra esquemáticamente un diagrama de bloques del sistema según la invención. FIG. 1 schematically shows a block diagram of the system according to the invention.
Las FIGs. 2A y 2B muestran dos vistas de una posible implementación del sistema según la invención en una aeronave de ala rotatoria. FIGS. 2A and 2B show two views of a possible implementation of the system according to the invention in a rotary wing aircraft.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
En la FIG. 1 se ilustra a modo de ejemplo un diagrama de bloques funcionales. In FIG. 1 illustrates as an example a functional block diagram.
Una interfaz de adaptación 24 dispone de los medios mecánicos y de los conectores necesarios para montar el sistema (bloques 10, 20, 21, 22 y 23, que se describirán a continuación) en la aeronave 30 y realizar tomas de imágenes, 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. An adaptation interface 24 has the mechanical means and connectors necessary to mount the system (blocks 10, 20, 21, 22 and 23, which will be described below) on the aircraft 30 and take images, among other functions. . The adaptation interface 24 supplies power to the capture unit 10 and other devices (20, 21,22 and 23), and allows the communication of signals and commands between the system and the aircraft 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. The aircraft 30 usually has an inertial unit 23. The geolocation information can be obtained from the aircraft 30 itself, which comprises a geolocation unit.
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. The environmental conditions unit 20 provides the temperature, humidity and atmospheric pressure parameters obtained during the surface scan. The parameters obtained by this unit allow the acquired images to be calibrated and calibrated to reduce the false alarm rate.
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. The communication unit 21 is the system that ensures communication between the capture unit 10 comprising the electro-optical sensors 11, the environmental conditions unit 20, the processing unit 22 and the inertial unit 23. In addition, it stabilizes the power supply of all the previous sensors and units. This communication unit is coupled to the aircraft through the adaptation interface 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. A collection unit 10 includes one or more electro-optical sensors 11 that collect data from a scene at a given time according to its field of observation. This capture unit 10 sends information about the scene to the processing unit 22. Said processing unit 22 also receives information from the inertial unit 23 regarding the pitch, roll and/or yaw of the aircraft 30.
De esta forma, la unidad de captación 10 puede captar una imagen cenital o azimutal de las plantaciones de un campo de cultivo, 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. In this way, the capture unit 10 can capture a zenithal or azimuthal image of the plantations of a crop field, where it is possible that there are targets to detect. This image can be associated with a position and attitude of the aircraft 30. From this data, it is possible to estimate the geolocation of the detected target.
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. The processing unit 22 can process the captured images and, when it detects a possible target, establish a correspondence between positions associated with pixels of one image with positions associated with pixels of another image captured at a different time to improve the relationship between the probability of detection and the probability of false alarms.
La unidad de procesamiento 22 implementa la detección de una zona recientemente irrigada mediante la observación del cambio de polarización de la luz al reflejarse en el terreno 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. The processing unit 22 implements the detection of a recently irrigated area by observing the change in polarization of light as it reflects off the terrain during the flyby, and may implement signal enhancement and signal-to-noise ratio optimization algorithms. You can also implement a detection threshold adjustment to optimize the relationship between detection probability and false alarm probability. For example, you can improve the signal-to-noise ratio by comparing multiple images from successive moments.
Las FIGs. 2A-2B muestran una interfaz de adaptación 24 del sistema cuando la aeronave 30 es aeronave tipo dron de ala rotatoria, en dos perspectivas diferentes. Se ilustra la parte mecánica de la interfaz de adaptación 24 y en la parte inferior se aprecia la óptica visible-infrarroja gran angular del sensor electroóptico 11. Dicho sensor electroóptico 11 se instala internamente en dicha interfaz de adaptación 24. FIGS. 2A-2B show a system adaptation interface 24 when the aircraft 30 is a rotary wing drone aircraft, in two different perspectives. The mechanical part of the adaptation interface 24 is illustrated and in the lower part the wide-angle visible-infrared optics of the electro-optical sensor 11 can be seen. Said electro-optical sensor 11 is installed internally in said adaptation interface 24.
La interfaz 24 monta el sistema de forma que permite al sensor electroóptico 11 la visión cenital y/o acimutal de la superficie cultivada, al mismo tiempo que mantiene la estanqueidad. Se aprecia desde el exterior la óptica del sensor electroóptico 11. The interface 24 mounts the system in a way that allows the electro-optical sensor 11 the zenithal and/or azimuthal view of the cultivated surface, while maintaining watertightness. The optics of the electro-optical sensor 11 can be seen from the outside.
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 o inclinada respecto a la superficie cultivada, a elección del operador. The system has a wide observation field. The adaptation interface 24 mounts a collection unit 10 with the electro-optical sensors 11 to capture spectra in the visible and near-infrared spectrum. The adaptation interface 24 allows the line of sight of the collection unit 10 to be normal or inclined with respect to the cultivated area, at the operator's choice.
La parte mecánica y óptica se puede realizar sin elementos móviles para mejorar la fiabilidad como se ha ilustrado en las FIGs 2A-2B. 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°. The mechanical and optical part can be made without moving elements to improve reliability as illustrated in FIGS 2A-2B. The system is fast and does not need to focus scenes or make optical magnification adjustments. Preferably, wide-field optics are chosen, that is, capable of providing observation fields greater than 30°.
La banda visible e infrarrojo cercano (típicamente 400-1000 nanómetros) es donde se produce la reflexión de la luz por parte del terreno y la polarización de su luz, lo que permite que se detecte si el terreno está humedecido o no. The visible and near-infrared band (typically 400-1000 nanometers) is where the reflection of light by the ground and the polarization of its light occur, which allows it to be detected if the ground is moistened or not.
El presente sistema trabaja en el espectro visible e infrarrojo cercano. Desde el punto de vista operativo, actúa como un sistema pasivo de detección ya que, además de ver la escena en tiempo real, detecta si ha ocurrido algún cambio de polarización de la luz al reflejarse en un terreno debido a que este está humedecido. Esto le permite prescindir de un operador que lo maneje o que detecte la presencia de una zona irrigada en mitad de una superficie extensa. The present system works in the visible and near infrared spectrum. From an operational point of view, it acts as a passive detection system since, in addition to seeing the scene in real time, it detects if any change in the polarization of light has occurred when it is reflected off a terrain because it is humid. This allows you to do without an operator to handle it or to detect the presence of an irrigated area in the middle of a large surface.
No es necesario que la nave se esté desplazando para tener una visión de conjunto de la escena y de la superficie irrigada. Esto facilita la identificación de las fuentes de riego, optimiza la señal recibida de los elementos a detectar y se minimiza la probabilidad de falsas alarmas. Esta técnica optimiza la sensibilidad y reduce el camino óptico de absorción de la atmósfera, frente a otras técnicas de detección. It is not necessary for the ship to be moving to have an overall view of the scene and the irrigated surface. This facilitates the identification of irrigation sources, optimizes the signal received from the elements to be detected and minimizes the probability of false alarms. This technique optimizes sensitivity and reduces the optical absorption path of the atmosphere, compared to other detection techniques.
En la FIG. 1 puede observarse como el campo de observación del sistema se orienta desde los sensores electroópticos 11 perpendicularmente a la superficie de búsqueda, configuración denominada cenital, aunque también se podría utilizar en visión acimutal en cualquier dirección, no es necesario que se observe en la dirección del movimiento. Lo cual permite ver qué hay frente y en torno al dron. In FIG. 1 it can be seen how the observation field of the system is oriented from the electro-optical sensors 11 perpendicular to the search surface, a configuration called zenith, although it could also be used in azimuthal vision in any direction, it is not necessary that it be observed in the direction of the motion. Which allows you to see what is in front of and around the drone.
Para el reconocimiento e identificación de una zona irrigada, 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. For the recognition and identification of an irrigated area, the position with respect to the axes of the aircraft 30 is provided so that the electro-optical sensors 11 can direct their line of sight towards the detected target, capture an image, or video, and send them to the control basis of the identification operation.
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). Thanks to the lightness and versatility of the adaptation interface 24, the present system can operate on both fixed-wing aerial vehicles and helicopters. It can even be installed on drones (also called UAVs).
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 regada 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. The algorithm evaluates the position of the line of sight of the optics with respect to the normal to the Earth's surface. It manages the data from the inertial unit 23 and the capture unit 10, and provides the image position of each point of the irrigated surface observed in each of the pixels of the electro-optical sensor 11. It allows the position of each point to be plotted in the video frames in which said point is present.
Existe un algoritmo de ajuste del umbral para optimizar la relación de la probabilidad de detección y la probabilidad de falsas alarmas. There is a threshold adjustment algorithm to optimize the ratio of detection probability and false alarm probability.
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 zonas humedecidas sin tener un acceso directo a ellos, explotando la física de la polarización de la luz cuando se refleja en este tipo de terrenos. The various aspects explained here provide the system with great reliability and agility in automatic detection despite the difficulties involved in detecting humid areas without having direct access to them, exploiting the physics of the polarization of light when it is reflected in this type. of land.
Las siguientes referencias numéricas están asociadas a los diferentes elementos que integran la invención y sus realizaciones: The following numerical references are associated with the different elements that make up the invention and its embodiments:
10 Unidad de captación 10 Collection unit
11 Sensor electroóptico 11 Electro-optical sensor
20 Unidad de condiciones ambientales 20 Environmental conditions unit
21 Unidad de comunicación 21 Communication unit
22 Unidad de procesamiento 22 Processing unit
23 Unidad inercial 23 Inertial unit
24 Interfaz de adaptación 24 Adaptation interface
30 Aeronave 30 Aircraft
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. Although some embodiments of the invention have been described and represented, it is evident that modifications may be introduced within its scope, and this should not be considered limited to said embodiments, but only to the content of the following claims.
Claims (5)
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