ES2318636T3 - Procedimiento de asistencia de vuelos bajos para reconocer obstaculos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de asistencia de vuelos bajos, en el que se efectúa un aviso de obstáculos para el piloto, en el que se captan informaciones sobre la topografía del terreno circundante por medio de al menos un sensor situado en el aparato volador, en el que las informaciones representan datos brutos y en el que se calcula una representación semejante a un diagrama a partir de los datos brutos totales, consistiendo la representación semejante a un diagrama en una cantidad de píxeles que contiene píxeles P(i,j) en columnas j y filas i, caracterizado porque el procedimiento comprende los pasos siguientes: - cálculo de los valores de altura h(i,j) de los distintos píxeles P(i,j) en un sistema de coordenadas geodésicas empleando los datos del estado de vuelo del aparato volador; - evaluación de la cantidad de píxeles, en la que se compara para cada píxel P(i,j) el valor de distancia con un valor umbral o un intervalo de valor umbral prefijables y el píxel P(i,j) adquiere un estado inválido cuando el valor de distancia correspondiente está por encima del valor umbral o por fuera del intervalo de valor umbral; - fijación en cada columna de píxeles j, para cada píxel P(i,j), de una altura de comparación h vgl con h vgl=Min(h arriba, h abajo), en donde h arriba es el valor de altura de aquel píxel P(i'',j) con estado válido en la respectiva columna de píxeles j, por encima del píxel de media P(i,j), que está más próximo al píxel de medida P(i,j), y h abajo es el valor de altura de aquel píxel P(i'',j) con estado válido en la respectiva columna de píxeles j, por debajo del píxel de medida P(i,j), que está más próximo al píxel de medida P(i,j); - evaluación de la representación semejante a un diagrama, en la que en cada columna de píxeles j de la representación semejante a un diagrama se comparan de arriba abajo, o viceversa, los valores de distancia de píxeles P(i,j) contiguos dentro de una columna y se destaca el píxel correspondiente P(i,j) como punto de imagen cuando se presenta al menos uno de los casos a) a c) siguientes: a. se cumple la condición (Rgi-1,j-Rgi,j)>dRgmin y (Rgi+1,j-Rgi,j)>dRgmin, b. se cumple la condición de que el píxel P(i-1,j) es inválido y (Rg i+1,j-Rg i,j)>dRg min, c. se cumple la condición de que los píxeles contiguos P(i-1,j) por encima del píxel de medida P(i,j) y los píxeles contiguos P(i+1,j) por debajo del píxel de medida P(i,j) presentan un estado inválido y el valor de altura h(i,j) del píxel de medida P(i,j) es mayor que la altura de comparación h vgl, en donde el valor dRgmin depende de la resolución del sensor empleado, Rgi,j es el valor de distancia al píxel de medida P(i,j), y Rgi-1,j y Rgi+1,j son los valores de distancia de los píxeles directamente contiguos P(i-1,j) y P(i+1,j) en la columna j del diagrama de distancia.
Description
Procedimiento de asistencia de vuelos bajos para
reconocer obstáculos.
La invención concierne a un procedimiento de
asistencia de vuelos bajos según el preámbulo de la reivindicación
1.
En aparatos voladores a baja cota, como, por
ejemplo, helicópteros, se tiene que, debido al espectro de
utilización operacional, las líneas eléctricas aéreas y los cables
representan una gran amenaza. En contraste con obstáculos macizos
-como, por ejemplo, flancos de colinas o de valles, edificios
grandes, orillas de boques o densos grupos de árboles- las líneas
eléctricas aéreas y los cables se caracterizan por su pequeñísimo
contraste visual con respecto al entorno. Esto puede conducir a que
tales obstáculos de líneas eléctricas sólo sean reconocidos muy
tarde por el piloto y ello puede conducir a situaciones de vuelo
críticas.
Los sensores a base de radar de láser
proporcionan informaciones de obstáculos en forma de diagramas de
distancia, es decir, matrices de imágenes de píxeles de telemetría.
El problema consiste en el desarrollo de un procedimiento apto para
tiempo real que sea apropiado para reconocer líneas eléctricas o
píxeles de líneas eléctricas en estos diagramas de distancia, de
modo que el piloto pueda ser deliberadamente avisado ante estos
objetos. La invención consiste en un procedimiento muy fiable para
reconocer píxeles de líneas eléctricas y cables en el que no sean
necesario reconocer la línea eléctrica o el cable como objeto total.
Por tanto, el procedimiento es extremadamente eficiente en tiempo de
cálculo.
Se conocen por el documento DE 100 55 572 C2
unos procedimientos para reconocer líneas eléctricas por medio de
transformadas de Hough. Estos procedimientos aspiran a reconocer la
línea eléctrica como objeto total y son correspondientemente
costosos e intensivos en cálculo. La capacidad de los procesadores
habituales es demasiado pequeña para realizar en tiempo real los
cálculos de estos procedimientos.
Otros procedimientos reconocen píxeles de líneas
eléctricas solamente por la búsqueda de variaciones bruscas del
valor de distancia de un píxel con respecto a su vecino dentro de la
columna del diagrama de distancia. Un procedimiento de esta clase
es conocido por el documento DE 198 28 318 C2. Dado que se tienen
que reconocer también líneas eléctricas mirando hacia el cielo -en
donde no existen valores de telemetría válidos-, se tiene que
clasificar también un píxel como píxel de línea eléctrica cuando
éste quede enmarcado en la columna de píxeles vecinos con valores
de distancia inválidos. Sin embargo, no solo se obtienen píxeles de
medida inválidos cuando el sensor mira hacia el cielo, sino que
éstos se presentan también esporádicamente debido a radiación solar
incidente y con especial frecuencia debido a reflexiones en
superficies lisas, como, por ejemplo, en masas de agua, calles y
plazas asfaltadas, pistas de despegue o aterrizaje o helipuertos.
Estos píxeles de medida inválidos conducen en el procedimiento
según el documento DE 198 28 318 C2 a interpretaciones erróneas de
píxeles de medida como píxeles de línea eléctrica cuya acumulación,
especialmente en la zona de una pista de despegue y de aterrizaje o
en masas de agua, restringe considerablemente la fiabilidad de este
procedimiento. Esto tiene repercusiones negativas sobre la capacidad
de utilización operacional en un sistema de aviso de obstáculos
para aparatos voladores a baja cota.
El cometido de la invención consiste en
perfeccionar un procedimiento de la clase genérica expuesta para la
asistencia de vuelos bajos de tal manera que se reconozcan
fiablemente obstáculos semejantes a cables incluso bajo fuertes
influencias ambientales como, por ejemplo, ecos parásitos (clutter)
o al mirar hacia el cielo.
Este problema se resuelve con las
características de la reivindicación 1. Ejecuciones ventajosas del
procedimiento según la invención son objeto de reivindicaciones
subordinadas.
Según la invención, el procedimiento comprende
los pasos siguientes:
- cálculo de los valores de altura h(i,j)
de los distintos píxeles P(i,j) en un sistema de coordenadas
geodésicas empleando los datos del estado de vuelo del aparato
volador;
- evaluación de la cantidad de píxeles, en la
que se compara para cada píxel P(i,j) el valor de distancia
con un valor umbral o un intervalo de valor umbral prefijables y el
píxel P(i,j) adquiere un estado inválido cuando el valor de
distancia correspondiente está por encima del valor umbral o por
fuera del intervalo de valor umbral;
- fijación en cada columna de píxeles j, para
cada píxel P(i,j), de una altura de comparación h_{vgl} con
h_{vgl}=Min(h_{arriba}, h_{abajo}), en donde
h_{arriba} es el valor de altura de aquel píxel P(i',j)
con estado válido en la respectiva columna de píxeles j, por encima
del píxel de medida P(i,j), que está más próximo al píxel de
medida P(i,j), y h_{abajo} es el valor de altura de aquel
píxel P(i'',j) con estado válido en la respectiva columna de
píxeles j, por debajo del píxel de medida P(i,j), que está
más próximo al píxel de medida P(i,j);
- evaluación de la representación semejante a un
diagrama, en la que en cada columna de píxeles j de la
representación semejante a un diagrama se comparan de arriba abajo,
o viceversa, los valores de distancia de píxeles P(i,j)
contiguos en dirección vertical y se destaca el píxel
correspondiente P(i,j) como punto de imagen cuando se
presenta al menos uno de los casos a) a c) siguientes:
- a.
- se cumple la condición (Rg_{i-1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min} y (Rg_{i+1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min},
- b.
- se cumple la condición de que el píxel P(i-1,j) es inválido y (Rg_{i+1,j}-Rg_{i,j}) > dRg_{min},
- c.
- se cumple la condición de que los píxeles contiguos P(i-1,j) por encima del píxel de medida P(i,j) y los píxeles contiguos P(i+1,j) por debajo del píxel de medida P(i,j) presentan un estado inválido y el valor de altura h(i,j) del píxel de medida P(i,j) es mayor que la altura de comparación h_{vgl},
en donde el valor dRg_{min} depende de la
resolución del sensor empleado, Rg_{i,j} es el valor de distancia
al píxel de medida P(i,j), y Rg_{i-1,j} y
Rg_{i+1,j} son los valores de distancia de los píxeles
directamente contiguos P(i-1,j) y
P(i+1,j) en la columna j del diagrama de distancia.
En lo que sigue se explican con más detalle la
invención y otras realizaciones ventajosas de la misma ayudándose de
un dibujo. Muestran:
La figura 1, la constitución esquemática de un
diagrama de distancia,
La figura 2, una primera representación
esquemática para reconocer un píxel de línea eléctrica,
La figura 3, una segunda representación
esquemática para reconocer un píxel de línea eléctrica y
La figura 4, una tercera representación
esquemática para reconocer un píxel de línea eléctrica.
Ventajosamente, en el diagrama de distancia con
respecto a un píxel de medida no solo se consideran píxeles
individuales directamente contiguos, sino también pares y tripletes
de píxeles directamente contiguos, es decir que se analizan varias
veces las condiciones a) - c), considerándose como píxel de
comparación no solo los vecinos más próximos sino también los
segundos y los terceros vecinos más próximos. Este modo de proceder
puede utilizarse convenientemente cuando, en caso de una resolución
de filas correspondientemente alta, se represente un obstáculo de
línea eléctrica en el diagrama de distancia por medio de dos o más
píxeles de columna contiguos. Mediante la condición de altura en el
caso c) se alcanza la fiabilidad deseada del procedimiento en lo
que respecta a la clasificación errónea de píxeles de medida.
El procedimiento según la invención es un
procedimiento fiable y, no obstante, eficiente en tiempo de cálculo
para reconocer píxeles de líneas eléctrica y de cables a partir de
un diagrama de distancia que, aparte del valor de distancia de los
píxeles de medida, emplee también la altura de los píxeles en un
sistema de coordenadas geodésicas.
Para el procedimiento según la invención es
necesaria, en primer lugar, una captación de datos brutos según
métodos conocidos. Para el reconocimiento de cables según la
invención se tienen que presentar como datos brutos unos valores de
distancia ligados a una dirección que representen una imagen de la
topografía que rodea al aparato volador, o se tiene que presentar
ya una imagen digital pretratada en la que pueda asignarse
unívocamente a cada punto de imagen (píxel) una distancia detectada
por el sensor. Los datos brutos pueden ser obtenidos, por ejemplo,
por un sensor de radar o de láser. La posición relativa de cada
punto de datos con respecto al lugar de ubicación del sensor en el
instante de medida t tiene que ser conocida para que se pueda
calcular a partir de los datos totales una representación semejante
a un diagrama. Esta representación reproduce nuevamente la
"mirada" del sensor sobre el entorno, siendo conocida para cada
punto de imagen la distancia al sensor detector.
Cuando se reconocen objetos semejantes a cables
en tiempo real, se evalúa la imagen pretratada del sensor. Se
comparan para ello en cada columna de píxeles de arriba abajo (o
viceversa) los valores de distancia de puntos de imagen contiguos
en dirección vertical. Para el caso de que el valor de distancia de
un punto de imagen sea netamente más pequeño que el de sus vecinos
o de que el punto de imagen sea enmarcado por puntos de imagen
inválidos, es decir que "destaque" este valor de distancia, se
colorea el punto de imagen correspondiente en un color de contraste
o de señal.
Por tanto, el procedimiento descansa sobre una
matriz de diagrama de distancia que fue recogida por un sensor
activo en un aparato volador, explorando el sensor del diagrama de
distancia según procedimientos conocidos el entorno del aparato
volador situado en la dirección de vuelo. Empleando datos de
navegación o de estado de vuelo del aparato volador se calcula en
un tratamiento previo la posición de los píxeles de medida en un
sistema de coordenadas geodésicas. Mediante procedimientos de
filtrado conocidos [filtros solares, filtros de parásitos (dropin)]
se pueden identificar y filtrar, en un primer paso del
procedimiento, píxeles de medida inválidos a consecuencia de
radiación solar directa o indirecta (clutter), así como a
consecuencia de errores de medida del sensor (píxeles parásitos
(dropin)). Se pueden producir también píxeles de medida inválidos
debido a reflexiones en superficies lisas, como, por ejemplo, en
masas de agua, calles y plazas asfaltadas, pistas de aterrizaje o de
despegue o helipuertos.
Por tanto, la identificación de píxeles de
líneas eléctricas descansa sobre un diagrama de distancia en el que
están disponibles para cada píxel de medida las informaciones
siguientes:
- distancia al aparato volador
- altura en un sistema de coordenadas
geodésicas
- estado de validez.
El procedimiento analiza los píxeles de medida
dentro de una columna j en el diagrama del sensor (figura 1). Como
criterio para un píxel de línea eléctrica se emplea la reducción
brusca del valor de distancia de un píxel con respecto a sus
píxeles vecinos más próximos. Sin embargo, se puede presentar
también una reducción brusca del valor de distancia cuando un píxel
de medida esté enmarcado por dos píxeles de medida inválidos. En
este caso se puede suponer para un píxel de medida inválido un valor
de distancia infinito.
En primer lugar, se definen para un píxel de
medida (i,j) en la fila i y la columna j del diagrama del sensor las
magnitudes siguientes:
- h_{arriba} es la altura del píxel válido
(i',j) en la columna j por encima del píxel (i,j), es decir,
i'<i, que está más próximo al píxel (i,j).
- h_{abajo} es la altura del píxel válido
(i',j) en la columna j por debajo del píxel (i,j), es decir,
i'>i, que está más próximo al píxel (i,j).
Como altura de comparación
h_{vgl}=Min(h_{arriba},h_{abajo}) se define el mínimo
de las dos alturas.
Un píxel (i,j) se clasifica exactamente como
píxel de línea eléctrica cuando se presenta al menos uno de los
casos a) a c) siguientes:
- a)
- los valores de distancia de los dos píxeles vecinos P(i-1,j) y P(i+1,j) de la columna j son mayores que el valor de distancia del píxel de medida P(i,j):
(Rg_{i-1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min}
\hskip0,3cmy
\hskip0,3cm(Rg_{i+1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min},
- b)
- el valor de distancia del píxel vecino inferior P(i+1,j) en la columna j es mayor que el del píxel de medida P(i,j) y el píxel vecino superior P(i-1,j) es inválido:
Píxel
P(i-1,j) inválido
\hskip0,3cmy
\hskip0,3cm(Rg_{i+1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min},
- c)
- ambos píxeles vecinos P(i-1,j) y P(i+1,j) son inválidos y el píxel de medida está por encima de la altura de comparación h_{vgl}:
P(i-1,j)
inválido
\hskip0,3cmy
\hskip0,3cmP(i+1,j) inválido y h(i,j)>h_{vgl}.
El valor dRg_{min} es un parámetro prefijable
que depende del sensor y, por tanto, también de la resolución
angular del diagrama de distancia. Convenientemente, el valor
dRg_{min} está en \geq5% del valor de distancia del respectivo
píxel de medida que se ha de analizar.
La figura 2 muestra a este respecto una primera
representación esquemática para reconocer un píxel de línea
eléctrica según el caso a). El respectivo valor de distancia
Rg(i-1,j) o Rg(i+1,j) de los píxeles
vecinos P(i-1,j) o P(i+1,j) en un
diagrama de sensor no representado es siempre mayor que la suma del
valor de distancia Rg(i,j) del píxel de medida P(i,j)
y un parámetro prefijable dRg_{min}. En este caso, el sensor
reconoce un píxel de línea eléctrica, por ejemplo delante de un
frente de casas o sobre un campo libre.
La figura 3 muestra una segunda representación
esquemática para reconocer un píxel de línea eléctrica según el
caso b). El píxel vecino inferior P(i-1,j) es
inválido, ya que no puede asignarse ningún valor de distancia
unívoco Rg(i-1,j) a este píxel, y el valor de
distancia del píxel vecino superior P(i+1,j) es mayor que la
suma del valor de distancia del píxel de medida P(i,j) y un
parámetro prefijable dRg_{min}. El píxel de medida inválido tiene
aquí un valor de distancia infinito. En este caso, el sensor
reconoce una línea eléctrica por medio de reflexiones especulares
en el aire sobre un campo de rodadura.
En la figura 4 se muestra una tercera
representación esquemática para reconocer un píxel de línea
eléctrica según el caso c). El píxel de medida P(i,j) está
enmarcado por dos píxeles de medida inválidos P(i+1,j) y
P(i-1,j). Los píxeles de medida
P(i+1,j) y P(i-1,j) se han clasificado
como inválidos, ya que no puede asignarse ninguna distancia
definida Rg(i+1,j) o Rg(i-1,j) a los
dos píxeles de medida. Los píxeles de medida inválidos tienen aquí
un respectivo valor de distancia infinito. En este caso, el sensor
reconoce una línea eléctrica al mirar hacia el cielo.
El procedimiento según la invención está en
condiciones de reconocer de manera muy fiable líneas eléctricas
aéreas y cables en diagramas de distancia. Además, es sencillo y,
por tanto, es manifiestamente eficiente en tiempo de cálculo.
Particularmente por la condición de altura en el caso c) se reducen
drásticamente las clasificaciones erróneas debido a píxeles de
medida inválidos. Dado que se acumulan píxeles de medida inválidos
por reflexiones precisamente en la zona de pistas de despegue y
aterrizaje, en helipuertos o en masas de agua, esto conduce en un
sistema de aviso de obstáculos basado en un diagrama de distancia
para aparato voladores a baja cota a una mejora considerable de su
fiabilidad, una significativa reducción de la tasa de alarmas
erróneas y, por tanto, un incremento de su capacidad de utilización
operacional y de su utilidad.
Claims (5)
1. Procedimiento de asistencia de vuelos bajos,
en el que se efectúa un aviso de obstáculos para el piloto, en el
que se captan informaciones sobre la topografía del terreno
circundante por medio de al menos un sensor situado en el aparato
volador, en el que las informaciones representan datos brutos y en
el que se calcula una representación semejante a un diagrama a
partir de los datos brutos totales, consistiendo la representación
semejante a un diagrama en una cantidad de píxeles que contiene
píxeles P(i,j) en columnas j y filas i, caracterizado
porque el procedimiento comprende los pasos siguientes:
- cálculo de los valores de altura h(i,j)
de los distintos píxeles P(i,j) en un sistema de coordenadas
geodésicas empleando los datos del estado de vuelo del aparato
volador;
- evaluación de la cantidad de píxeles, en la
que se compara para cada píxel P(i,j) el valor de distancia
con un valor umbral o un intervalo de valor umbral prefijables y el
píxel P(i,j) adquiere un estado inválido cuando el valor de
distancia correspondiente está por encima del valor umbral o por
fuera del intervalo de valor umbral;
- fijación en cada columna de píxeles j, para
cada píxel P(i,j), de una altura de comparación h_{vgl} con
h_{vgl}=Min(h_{arriba}, h_{abajo}), en donde
h_{arriba} es el valor de altura de aquel píxel P(i',j)
con estado válido en la respectiva columna de píxeles j, por encima
del píxel de media P(i,j), que está más próximo al píxel de
medida P(i,j), y h_{abajo} es el valor de altura de aquel
píxel P(i'',j) con estado válido en la respectiva columna de
píxeles j, por debajo del píxel de medida P(i,j), que está
más próximo al píxel de medida P(i,j);
- evaluación de la representación semejante a un
diagrama, en la que en cada columna de píxeles j de la
representación semejante a un diagrama se comparan de arriba abajo,
o viceversa, los valores de distancia de píxeles P(i,j)
contiguos dentro de una columna y se destaca el píxel
correspondiente P(i,j) como punto de imagen cuando se
presenta al menos uno de los casos a) a c) siguientes:
- a.
- se cumple la condición (Rg_{i-1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min} y (Rg_{i+1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min},
- b.
- se cumple la condición de que el píxel P(i-1,j) es inválido y (Rg_{i+1,j}-Rg_{i,j})>dRg_{min},
- c.
- se cumple la condición de que los píxeles contiguos P(i-1,j) por encima del píxel de medida P(i,j) y los píxeles contiguos P(i+1,j) por debajo del píxel de medida P(i,j) presentan un estado inválido y el valor de altura h(i,j) del píxel de medida P(i,j) es mayor que la altura de comparación h_{vgl},
en donde el valor dRg_{min} depende de la
resolución del sensor empleado, Rg_{i,j} es el valor de distancia
al píxel de medida P(i,j), y Rg_{i-1,j} y
Rg_{i+1,j} son los valores de distancia de los píxeles
directamente contiguos P(i-1,j) y
P(i+1,j) en la columna j del diagrama de distancia.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que en el diagrama de distancia con respecto a un píxel de
medida se consideran no solo píxeles individuales directamente
contiguos, sino también pares y tripletes de píxeles directamente
contiguos, es decir que se analizan varias veces las condiciones a)
- c), considerándose como píxeles de comparación no solo los
vecinos más próximos, sino también los segundos y terceros vecinos
más próximos.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que el paso de destacar el punto de imagen se efectúa por
coloración del punto de imagen correspondiente en un color de
contraste o de señal.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que los datos brutos son valores
de distancia ligados a una dirección que definen una imagen de la
topografía que circunda al aparato volador.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el cálculo de una
representación semejante a un diagrama se efectúa a partir de los
datos brutos totales empleando la posición relativa de cada punto
de datos brutos con respecto al lugar de ubicación del sensor.
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