ES2346327T3 - Procedimiento y dispositivo de deteccion hiperaguda de un borde de contraste sensiblemente rectilineo y sistema de fijacion y seguimiento fino de dicho borde de contraste. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo de deteccion hiperaguda de un borde de contraste sensiblemente rectilineo y sistema de fijacion y seguimiento fino de dicho borde de contraste. Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo para detectar un borde de contraste (E) que tiene una zona de transición de la luz substancialmente rectilínea en una dirección especificada, comprendiendo dicho dispositivo: por lo menos un primer y un segundo sensor óptico (D1, D2, O11, O12, O22, O31, O32) que tiene un ángulo visual global (Δφ) delimitado por la dirección promedio (O1OY1, O2OY2) de observación de dicho primer y dicho segundo sensor óptico, y - una lente (L) que tiene un centro óptico (O), estando colocados el primer y segundo sensor óptico substancialmente en el plano focal de imagen de esta lente y las direcciones promedio (O1OY1, O2OY2) de observación del primer y del segundo sensor óptico corresponden substancialmente con una línea que conecta respectivamente el centro del primer y de segundo sensor óptico y el centro óptico (O) de esta lente, suministrando dichos primer y segundo sensores ópticos señales de detección, y - medios (2) para medir, sobre la base de estas señales de detección, la diferencia de tiempo entre las señales vinculadas a la posición angular de la zona de transición de la luz en relación con una dirección de referencia en este ángulo visual global (Δφ) sobre la base de la ley de escaneado, estando vinculada esta dirección de referencia con un valor específico de esta diferencia de tiempo, caracterizado por el hecho de que dicho dispositivo también comprende: - medios para el movimiento de traslación relativo (1, A; A1, A2) de la unidad formada por el primer y segundo sensor óptico en relación con la lente (L), o de la lente (L) frente de la unidad formada por el primer y el segundo sensor óptico (D1, D2) en una dirección diferente (S) transversal a esta dirección especificada según un escaneado de posición periódico del ángulo visual global (Δφ) según una ley de escaneado periódico no uniforme durante por lo menos parte de cada periodo de escaneado periódico.
Description
Procedimiento y dispositivo de detección
hiperaguda de un borde de contraste sensiblemente rectilíneo y
sistema de fijación y seguimiento fino de dicho borde de
contraste.
La invención se refiere a un procedimiento y a
un dispositivo para la detección óptica hiperaguda de tipo de un
borde de contraste sustancialmente rectilíneo y a un sistema de
adquisición y el seguimiento de un objetivo que comprende al menos
un borde de contraste.
En el campo técnico de las imágenes, una
solución para la obtención de un sensor de imágenes de muy alta
resolución que implica asociar un sensor que tiene una alta densidad
de píxeles con un sistema óptico adecuado. Además del volumen
significativo, esta solución es muy costosa.
Otra solución consiste en desplazar un sensor de
imagen mediante micro-etapas de desplazamiento, que
son sub-múltiplos de la distancia entre sus píxeles,
y reconstituir una imagen final sobre la base de las imágenes
parciales adquiridas en cada micro-desplazamiento.
Una solución de este tipo implica el uso de una memoria de
almacenamiento de gran capacidad, así como un algoritmo de
reconstrucción de la imagen que sea particularmente potente, y por
lo tanto costoso en tiempo y recursos informáticos.
En el campo de la técnica correspondiente
relativo a la detección del horizonte de pilotaje automático y
estabilización de un buque o una aeronave, se han propuesto
procedimientos de detección óptica, además de los procedimientos
que utilizan sistemas inerciales. Los procedimientos mencionados de
detección óptica básicamente consisten en medir una diferencia en
la intensidad de la radiación infrarroja y/o visible entre el cielo
y la tierra.
También se han propuesto otros sistemas
experimentales. Este tipo de sistema utiliza un sensor CCD y un
algoritmo de procesamiento de imágenes, para extraer el horizonte
del mismo con una precisión adecuada. Sin embargo, un sistema de
este tipo requiere una alta luminancia y una considerable capacidad
de procesamiento.
La detección mediante ondas electromagnéticas u
ondas de radar se utiliza para la detección de obstáculos tales
como cables de acero y objetos de pequeño tamaño a una distancia
relativamente grande.
Los radares de ondas milimétricas son capaces de
detectar un cable de acero de 6 mm de diámetro a una distancia de
unos 25 m, y los sistemas de radar de banda ultra ancha son capaces
de detectar un cable de acero del mismo diámetro a una distancia de
unos 80 m.
En el mismo campo, un cable con un diámetro
similar se puede detectar hasta una distancia limitada a 6 metros,
sin embargo, mediante procedimientos que emplean un láser de
escaneado. Los correspondientes detectores de escaneado de tipo
láser son voluminosos y pesados, con un peso 6 a 8 kg.
Más recientemente, un procedimiento de detección
con un ojo electrónico sometido a las micro escaneado, que gira
respecto a un borde de contraste sustancialmente rectilíneo fue
descrito por Stéphane Viollet y Nicolas Franceschini, Equipe UMR
Microrobotique et Mouvement Perception, CNRS/Université de la
Méditerranée 31, Chemin Joseph Aiguier 13402 Marseille Cedex 20,
durante el quinto taller de polo microrobótico y el primer taller
de RTP microrobótico del 6 y 7 de noviembre de 2002 en Rennes, Irisa
y ENS Cachan, Antenne de Bretagne, Francia.
El artículo publicado resultante de estos
talleres y designado A_{1}, describe el diseño y la producción de
un tipo específico de sensor visual conocido como sensor visual
"neuromimético", cuyas leyes operativas están directamente
inspiradas en el mundo de los vivos. Este sensor, conocido como
OSCAR, para escáner óptico para el control de robots autónomos,
permite la posición angular de un contraste que tiene un borde
substancialmente rectilíneo que se determinará mediante dos
fotodiodos espacialmente desplazados, en los que se impone micro
escaneado rotativo periódico inspirado mediante observaciones de la
retina de una mosca en vuelo.
La medición del movimiento relativo del entorno
visual, es decir, del borde sustancialmente rectilíneo, se realiza
utilizando un circuito detector de movimiento elemental, circuito
DEM, cuyo uso y leyes operativas se inspiran en las neuronas de
detección del movimiento de una mosca.
Para un escaneado de rotación a velocidad
variable, la señal enviada por el circuito DEM desde los dos
fotodiodos es una señal cuya amplitud depende de la posición angular
del borde de contraste respecto a la dirección media del campo de
visión total del sensor formado por los dos fotodiodos.
Para una descripción más completa de este sensor
OSCAR, debe hacerse referencia al artículo publicado A_{1}
correspondiente a estos dos talleres.
Con referencia a este artículo, se menciona que
este sensor OSCAR permite la producción, en particular, de:
- una agudeza mucho más fina que el ángulo
\Delta\varphi que separa los ejes visuales, que son los ejes de
máxima sensibilidad de los dos fotodiodos, definiendo el ángulo de
visión total del sensor, por ejemplo un sensor que reacciona a una
rotación de tan sólo el 2,5% del ángulo \Delta\varphi;
- un mínimo visible que es mucho más fino que
este ángulo \Delta\varphi, detectando fácilmente un sensor de
este tipo una barra negro con una anchura de 1 cm a una distancia de
200 cm, subtendiendo esta barra un ángulo de solamente 0,28º, que
es un ángulo que representa el 7,8% del total de este ángulo de
visión \Delta\varphi.
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Un sensor de este tipo tiene la capacidad
suficiente de agudeza visual para permitir la integración del mismo
en un bucle de control viso-motor servo, variando la
ganancia estática del sensor también mínimamente de acuerdo con la
naturaleza del objeto, su contraste o su distancia.
La presente invención se refiere a la aplicación
de un procedimiento y un dispositivo para la detección de tipo
hiperagudo de cambio de un borde de contraste sustancialmente
rectilíneo, que se basan en una ley similar, pero que mediante los
cuales el volumen y también la masa, la inercia y la potencia
consumida del dispositivo de detección se reducen substancialmente
en comparación con el sensor OSCAR del estado de la técnica, y que
permite mejorar de una manera particularmente significativa la
fiabilidad, en el sentido de la capacidad de repetición de la
operación de escaneado, del dispositivo de detección de tipo
hiperagudo de acuerdo con la invención.
La presente invención se refiere también a la
aplicación de un sistema para la fijación y seguimiento fino de un
objetivo que comprende al menos un borde de contraste, que tiene una
zona de transición de luz substancialmente rectilínea para la
monitorización y la estabilización de la dirección de observación de
un dispositivo de detección de tipo hiperagudo de acuerdo con el
objeto de la invención, siendo la capacidad de este sistema
comparable, al menos cualitativamente, a la del proceso VOR (reflejo
de vestíbulo ocular), que se conoce que estabiliza el ojo y, por lo
tanto, la línea de la vista humana, debido a la combinación, por
una parte, del procedimiento de detección de tipo hiperagudo de
acuerdo con la invención y, por otra parte, del control
particularmente rápido inspirado en el proceso VOR mencionado
anteriormente.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se refiere por último a
cualquier aplicación del procedimiento y del dispositivo para la
detección de un borde de contraste de acuerdo con la invención y del
sistema para la fijación y el seguimiento fino de un objetivo, en
particular,
- la detección y la localización del horizonte
para estabilizar un avión, una nave espacial, una nave marina o un
aparato aéreo;
- la detección de cables, postes, rieles y otros
obstáculos delgados o filiformes mediante un avión u otro
vehículo;
- la ayuda a la estabilización y/o la navegación
de una máquina voladora, tal como un helicóptero dirigido o
dirigido de forma remota en un área confinada;
- la ayuda al mantenimiento de líneas eléctricas
de alta tensión, líneas telefónicas o similares, mediante el uso de
un aparato aéreo dirigido o dirigido de forma remota mediante un
bucle viso-motor de alta precisión y de alta
estabilidad;
- la estabilización, mediante detección óptica
de un avión que está en vuelo libre o cautivo respecto a un blanco
estacionario colocado en el suelo;
- la estabilización de una plataforma con
relación a marcadores ópticos fijos (soportes de instrumentos o
máquinas, plataformas marinas o similares);
- la estabilización de un sensor de imagen
(cámara, dispositivo para la toma de fotografías);
- el diferencial de alta precisión de
micro-posicionamiento de los objetos que tienen
contraste de una o dos dimensiones, tal como máscaras ópticas, para
la detección de micro-defectos o similares;
- un teodolito pasivo para una estructura de
contraste muy remota;
- la detección a larga distancia de movimiento
de muy baja amplitud, en particular, de intrusos que entran en un
recinto protegido;
- el seguimiento óptico de agentes (aviones,
aves, etc.) mediante una cámara o un dispositivo para tomar
fotografías;
- la ayuda a la navegación mediante la detección
de obstáculos cerca de la dirección de desplazamiento, en
particular durante robótica terrestre, aérea, espacial y/o
submarina.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención tiene pues por objeto un
procedimiento y un dispositivo de detección de un borde de contraste
según las reivindicaciones 1 y 15, respectivamente.
El procedimiento y el dispositivo para la
detección de un borde de contraste, de acuerdo con la presente
invención, se utilizan para la aplicación de los sistemas de
fijación y seguimiento fino de un blanco que tenga al menos un
borde de contraste, en los que se puede utilizar un procedimiento
para compensar la línea de visión similar al proceso VOR de la
vista humana, debido a la alta precisión y a la alta velocidad de
este procedimiento y este dispositivo, así como a la alta
miniaturización y la extrema ligereza de este dispositivo, de los
cuales la inercia muy baja permite dicha aplicación de una manera
particularmente notable.
Una descripción más detallada del procedimiento
y del dispositivo para la detección de un borde de contraste y de
un sistema para la fijación y seguimiento fino de un objetivo que
comprende al menos un borde de contraste, de acuerdo con la
invención, se dará ahora en conjunción con los dibujos adjuntos, en
los cuales:
La figura 1 muestra, a modo de ilustración, un
diagrama de bloques de la aplicación del procedimiento de detección
de un borde de contraste de acuerdo con la presente invención;
Las figuras 2a a 2h muestran, a modo de
ilustración, diferentes sub-etapas para la
aplicación del procedimiento que se muestra en la figura 1,
permitiendo estas sub-etapas, en particular, la
detección, en relación a una dirección media, de la posición
angular de la zona de transición de luz del borde de contraste,
sobre la base de la ley de escaneado y la diferencia de tiempo
\Deltat como un función de la posición angular relativa del
primer y segundo sensor óptico respecto a la zona de contraste de la
luz, traduciéndose este tiempo de retardo en la desalineación de la
dirección media de la observación del primer y segundo sensor óptico
respecto a esta transición de luz;
La figura 3a muestra, a modo de ilustración, un
diagrama de bloques de un dispositivo para la detección de un borde
de contraste de acuerdo con la presente invención;
La figura 3b proporciona un ejemplo las
características de entrada/salida estáticas (en voltios por grado)
del detector de acuerdo con la invención, que se obtiene frente a un
borde de contraste (C_{1}) o una barra negra (C_{2}) con una
anchura de 1 cm, ambos colocados a 130 cm de este detector;
Las figuras 4a, 4b, 4c, 4d y 4e muestran, a modo
de ilustración, realizaciones específicas del dispositivo de
detección de acuerdo con la presente invención, tal como se muestra
en la figura 3a, o una primera, una segunda, una tercera, una
cuarta y una quinta variación de las mismas;
Las figuras 5a y 5b muestran, como ejemplo no
limitativo, una primera y una segunda variación no limitativa del
dispositivo de detección de acuerdo con la invención, en las que la
dirección de traslación de escaneado aplicada a los sensores
ópticos se puede ajustar en una dirección prácticamente
perpendicular al borde de contraste, para una aplicación
específica;
Las figuras 6a y 6b muestran, a modo de ejemplo
no limitativo, dos variaciones adicionales del dispositivo de
detección de acuerdo con la invención que se puede utilizar más
particularmente para escaneado de dos dimensiones y son aplicables
a objetivos de dos dimensiones;
La figura 7a es una vista en planta de la
porción del sistema para la fijación visual y el seguimiento fino
según la invención, para la definición de los parámetros de
funcionamiento del mismo, en el contexto del sistema de fijación
visual y de seguimiento fino que se muestra en la figura antes
mencionada;
La figura 7b muestra, a modo de ilustración, un
diagrama de bloques general del sistema de fijación visual y de
seguimiento fino según la invención para los parámetros o variables
de estado que se muestran en la figura 7a cuando el dispositivo de
detección de acuerdo con la invención incorpora el sistema de
fijación visual y el seguimiento fino de un objetivo según la
invención y el proceso de fijación visual y de seguimiento fino se
realiza con la asistencia de un segundo sistema sustancialmente
correspondiente al proceso VOR para estabilizar la línea de la
observación de la vista humana.
Una descripción más detallada del procedimiento
para la detección de un borde de contraste que tiene una zona de
contraste de luz que es substancialmente rectilínea en una dirección
dada, de acuerdo con la presente invención, ahora será facilitada
con relación a la figura. 1 y las siguientes figuras.
Con referencia a la mencionada figura 1, se
menciona que la zona de contraste de la luz, la zona de transición
de la luz y, en particular, el borde de contraste son rectilíneos en
una dirección que es sustancialmente ortogonal respecto al plano
del borde que contiene la figura 1, siendo la dirección dada, por
ejemplo, la dirección del borde E de una placa P que se muestra
aquí en las posiciones sucesivas 1, 2 y 3.
El proceso de acuerdo con la invención consiste
en por lo menos en realizar, en otra dirección transversal respecto
a la dirección dada correspondiente al borde E de la placa P, el
escaneado periódico de la posición angular del ángulo de visión
total \Delta\varphi de un primer y un segundo sensor óptico
indicado como D_{1} y D_{2}.
Con referencia a la figura. 1, se apreciará que
el escaneado periódico de posición del ángulo de visión total
implica el escaneado de angular de esta posición en el plano de la
figura 1, estando el ángulo de visión total dado por dos
direcciones O_{1}Y_{1} del eje de visión del primer sensor
óptico D_{1} y O_{2}Y_{2} del eje de visión del segundo
sensor óptico
D_{2}.
D_{2}.
En una realización no limitativa, se menciona
que este ángulo de visión total puede estar formado por una lente
convexa L, estando los sensores ópticos D_{1} y D_{2} colocados
así substancialmente en el plano focal de la imagen en la lente L
antes mencionada.
Según un aspecto especialmente destacable del
procedimiento según la invención, el escaneado periódico de
posición del ángulo de visión total \Delta\varphi se realiza
mediante la traslación relativa del conjunto formado por el primer
y segundo sensor óptico D_{1} y D_{2} y la lente L en esta otra
dirección, estando esta otra dirección, en la figura 1, incluida en
el plano que contiene esta figura. El escaneado de traslación se
indica con S y se representa con una flecha.
La ley de escaneado periódico corresponde al
escaneado no uniforme durante al menos una porción de cada período
de escaneado periódico, estando así el ángulo de visión total
indicado con \Delta\varphi = (O_{1}Y_{1}, O_{2}Y_{2})
delimitado por la dirección promedio de observación del primer y
segundo sensor óptico D_{1}, D_{2}.
El procedimiento según la invención también
consiste en detectar la diferencia de tiempo entre las señales
suministradas por el primer y segundo sensor óptico D_{1} y
D_{2}, estando esta diferencia de tiempo \Deltat vinculada con
la posición angular de la zona de transición de la luz, en otras
palabras, del borde E de la placa P, respecto a la dirección de
referencia. La dirección de referencia es ventajosamente la
dirección MOY_{12} que corresponde sustancialmente a la dirección
del tiempo promedio de la bisectriz entre las direcciones de visión
del primer y segundo sensor óptico D_{1}, D_{2}.
Por tanto, un desplazamiento lineal de la
amplitud s aplicado al conjunto formado, por ejemplo, por el primer
y el segundo sensor D_{1} y D_{2} según el escaneado de
traslación S provoca la rotación del ángulo de visión total
\Delta\varphi y hace que las direcciones de observación
OY_{1}, OY_{2} roten un ángulo \Delta\xi.
El proceso de medición de la mencionada
diferencia de tiempo \Deltat, la imagen de la posición angular de
la zona de contraste de la luz E en relación con la dirección de
referencia MOY_{12}, sobre la base de la ley de escaneado
\Omega, ahora se describirá en relación con las figuras 2a a
2h.
La figura 2a muestra el proceso de escaneado
periódico de la posición angular del ángulo de visión total
\Delta\varphi. En particular, se observará que el ángulo de
visión total mencionado anteriormente está delimitado por las
direcciones OY_{1} y OY_{2} correspondientes a la máxima
sensibilidad de cada uno de los sensores ópticos D_{1} y D_{2},
sus curvas de sensibilidad en el plano OX, OY, el plano de la
figura 1, correspondiente de manera convencional a curvas en forma
de campana.
En la figura 2a mencionada anteriormente, la
placa P ocupa la posición 1, 2 ó 3 en la figura 1, estas posiciones
se seleccionan arbitrariamente para explicar el proceso que se
describe a continuación.
El escaneado con una velocidad angular \Omega,
que se puede variar con el ángulo de visión total \Delta\varphi
del borde de contraste E que tiene la zona de contraste de la luz
substancialmente rectilínea paralela con el eje OX, en la figura
2a, este borde de contraste está ubicado en la posición 1, 2 ó 3 en
la figura anterior, lo que significa que la velocidad angular
\Omega(t) de escaneado del ángulo de visión total,
representada por 1/\Deltat medida por el par de sensores ópticos
D_{1} y D_{2}, varía dependiendo de si el borde de contraste E
de la placa P se encuentra en la posición 1, 2 ó 3.
La figura 2b muestra una ley periódica de
escaneado periódico correspondiente a un escaneado no uniforme en
el tiempo, mostrándose la ley de escaneado \Omega como una función
del tiempo en la figura 2b, así como el ángulo \psi, en función
del tiempo, de una dirección OY_{1} que delimita el ángulo de
visión total, estando el eje de abscisas de la figura 2b graduado
en segundos y estando el eje de ordenadas para la ley de escaneado
\Omega graduado en grados.s^{-1} o en grados en el ángulo
\psi.
Las Figuras 2c, 2d y 2e muestran las señales de
salida suministradas por los sensores ópticos D_{1} y D_{2}, en
función de la posición del borde de contraste E durante la operación
de escaneado para las posiciones 1, 2 y 3 que se muestran en las
figuras 1, 2a o 2b.
Las señales de salida antes mencionadas se
filtran así ventajosamente mediante un filtro de paso alto de orden
1, que permite limitar las señales antes mencionadas y, por lo
tanto, la medición de la diferencia de tiempo \Deltat, tal como
se muestra en las figuras 2f, 2g y 2h para las posiciones 1, 2 y 3
correspondientes a las figuras 2c, 2d, 2e, respectivamente.
El resultado básico es que la diferencia de
tiempo \Deltat entre las señales filtradas suministradas por los
sensores D_{1} y D_{2} varía en función de la posición 1, 2, 3
del borde de contraste E: el proceso permite codificar una posición
angular por una diferencia de tiempo.
El eje de abscisas en la figura 2c a 2h se
gradúa en tiempo, es decir, en segundos, y el eje de ordenadas se
gradúa en amplitud relativa de 0 a 1 de la señal suministrada por
los sensores ópticos D_{1} y D_{2}, respectivamente, o mediante
el proceso de filtrado en el caso de las figuras 2f a 2h.
Evidentemente, se apreciará que, para llevar a
cabo el procedimiento según la invención, es posible realizar un
escaneado de traslación S del conjunto formado por el primer y
segundo D_{1} y D_{2} sensor óptico respecto a la lente L y
que, recíprocamente, esta etapa de escaneado posicional periódico
ventajosamente puede corresponder a realizar la traslación de la
lente de la misma amplitud pero en la dirección opuesta frente al
primer y segundo sensor óptico D_{1} y D_{2} que se mantienen
estacionarios.
En estas condiciones, se apreciará que las leyes
de retraso \Deltat entre las señales suministradas por el primer
y segundo sensor óptico D_{1} y D_{2}, tal como se muestra en
las figuras 2c a 2e, en el caso de la ley de escaneado \Omega
ilustrada en las figuras 2a o 2b, implican el escaneado periódico
realizado en torno a la dirección de referencia MOY_{12}, tal
como se muestra en la figura. 1.
Preferiblemente, de manera no limitativa, la
dirección del borde de contraste E ortogonal al plano de la figura
1 y de la figura 2a y la dirección transversal del escaneado del
posicionamiento angular del ángulo de visión total, que
corresponden sustancialmente a la dirección OX en las figuras 1 y
2a, son ortogonales.
Respecto a la aplicación del proceso para medir
el retraso \Deltat, tal como se muestra en relación con las
figuras 2a a 2h, se menciona que este proceso de medición se puede
llevar a cabo de manera no limitativa, de acuerdo con un producto
de detección de la técnica anterior, tal como se describe en el
artículo designado A_{2} y titulado "Visual Servo System based
on a biologically-inspired Scanning Sensor",
publicado por Stéphane Viollet y Nicolas Franceschini, CNRS
Laboratoire de Neurobiologie, LNB 3, 31 Chemin José Aiguier 13402
Marseille Cedex Francia, editado por SPIE Conference on Sensor
Fusion and Decentralised Control in Robotic Systems II, Boston,
Massachusetts, septiembre de 1999: SPIE Vol. 3839.
0277-78 6X/99.
Se apreciará que, con un proceso particularmente
ventajoso para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la
presente invención, el escaneado de traslación del conjunto formado
por el primer y el segundo sensor óptico D_{1} y D_{2} o, por
el contrario, de la lente L frente a los mismos, cuando están
estacionarios, permite la implementación de una ley de escaneado de
la posición angular del ángulo de visión total \Delta\varphi,
de acuerdo con una posición angular del mismo, lo que corresponde
por ejemplo a la ley de escaneado angular del conjunto formado por
el primer y el segundo sensor D_{1} y D_{2} y por la lente L,
tal como se describe en el citado documento A_{2}.
Por otra parte y de acuerdo con un aspecto a
destacar del procedimiento según la presente invención, el proceso
de procesamiento, en el caso de escaneado posicional angular, puede
ser así substancialmente idéntico al descrito en el artículo antes
mencionado, a pesar de que el escaneado aquí descrito se consigue
mediante la rotación total del conjunto que comprende la lente +
los sensores ópticos D_{1}, D_{2}.
Una descripción más detallada de un dispositivo
para la detección de un borde de contraste, que tiene una zona de
contraste de la luz substancialmente rectilínea en una dirección
dada, según el objeto de la presente invención, se dará facilitada
ahora en relación con las figuras 3a, 3b y las siguientes
figuras.
El dispositivo según la invención comprende,
obviamente, al menos el primer y el segundo sensor óptico de
D_{1} y D_{2} de la figura 1, que tiene el ángulo de visión
total \Delta\varphi, tal como se definen aquí antes, y una
lente L que tiene un centro óptico.
El primer y segundo sensor óptico D_{1} y
D_{2} están colocados sustancialmente en el plano focal de la
imagen de la lente L, correspondiendo las direcciones promedio de
observación del primer y segundo sensor óptico D_{1} y D_{2}
sustancialmente con una línea (O_{1}OY_{1}, O_{2}OY_{2}) que
une el centro del primer o el segundo sensor óptico,
respectivamente, y el centro óptico de la lente L, tal como se
muestra en particular, en la figura 1.
Tal como se muestra en la figura 3a, el
dispositivo de acuerdo con la invención también comprende recursos
para el desplazamiento relativo de traslación del conjunto formado
por el primer y segundo sensor óptico D_{1}, D_{2} respecto a
la zona de contraste de la luz, es decir, la zona destinada a otra
dirección que es transversal a la dirección dada del borde de
contraste antes mencionado. Este desplazamiento es un
desplazamiento de acuerdo con el escaneado periódico angular del
citado ángulo de visión total \Delta\varphi, según la ley de
escaneado periódico angular, que no es uniforme en por lo menos una
porción de cada período de escaneado, la ley de escaneado \Omega
tal como se representa en las figuras 2a y 2b, repetida
periódicamente.
Los recursos relativos de traslación de
desplazamiento se indican con A y 1 en la figura 3a. Además, el
dispositivo para la detección de un borde de contraste de acuerdo
con la invención comprende un circuito de detección 2 que mide,
sobre la base de las señales suministradas por el primer y segundo
sensor óptico D_{1} y D_{2}, la diferencia de tiempo \Deltat
como una función de la posición angular de la zona de contraste de
la luz, el borde de contraste E, en relación con una dirección de
referencia, la dirección MOY_{12} contenida en el ángulo de
visión total \Delta\varphi, realizándose esta detección sobre la
base de la ley de escaneado \Omega.
En una realización preferida no limitativa, se
menciona que el primer y segundo sensor óptico D_{1} y D_{2}
están cada uno formados por un sensor fotoeléctrico, tal como un
diodo fotoeléctrico, de los cuales la sensibilidad espectral puede
seleccionarse en el rango visible o incluso en el rango ultravioleta
o, alternativamente, en el rango infrarrojo, por ejemplo para
detección nocturna.
La elección de la longitud de onda de máxima
sensibilidad de los fotodiodos mencionados anteriormente se puede
hacer así en función de la aplicación del dispositivo para la
detección de un borde de contraste de acuerdo con la presente
invención.
Respecto a la aplicación del circuito de
detección 2, se menciona que puede servir comprender un
ventajosamente un amplificador de separación 20, también llamado
amplificador de trans-impedancia y un circuito de
detección de movimiento elemental (EMD) 21 que recibe las señales
suministradas por el primer y segundo sensor óptico D_{1} y
D_{2} después de la amplificación por el amplificador de
separación 20 y, sobre la base del tiempo de retardo \Deltat y la
ley de escaneado no uniforme \Omega, permitiendo el suministro de
una señal de salida V sustancialmente proporcional a la inversa,
1/\Deltat, de la diferencia de tiempo \Deltat y, en
consecuencia substancialmente proporcional a la posición angular de
la zona de contraste de luz E en relación a la dirección de
referencia MOY_{12}.
Respecto a la implementación del circuito
detector del movimiento elemental 21, se menciona que este circuito
puede corresponder substancialmente al circuito descrito en el
artículo A_{2} antes mencionado editado en 1999, y al que se
puede hacer referencia para una descripción más detallada de este
circuito, en particular, el capítulo 3 de dicho artículo que se
titula "Measuring angular speed with an LMD".
La figura 3b muestra la señal de salida V
suministrada por el circuito detector de movimiento elemental 21,
estando el eje de abscisas de la figura 3b graduado en valores
angulares positivos o negativos de la posición angular del borde de
contraste E en relación con la línea de visión MOY_{12} del
sensor. El eje de ordenadas en la figura 3b está graduado mediante
la amplitud relativa positiva o negativa de la señal V suministrada
por el circuito 21.
Cabe señalar que el valor de esta señal es
substancialmente lineal en el caso de la posición angular esté
desplazada entre -2º y 2º.
Una descripción más detallada de los recursos
desplazamiento relativo de traslación del conjunto formado por el
primer y segundo sensor óptico D_{1} y D_{2} o de la lente L
respecto a la zona de contraste de la luz E se darán ahora en
conjunción con la figura 4a a 4e con referencia a la figura 3a.
Tal como se muestra en las figuras 4a, 4b, por
ejemplo, los recursos de desplazamiento de traslación relativo
comprenden, cuando la lente L está estacionaria, un elemento de
soporte deformable A, del cual un extremo es solidario con un
soporte mecánico de referencia estacionario y cuyo otro extremo
lleva el primer y segunda sensor óptico D_{1}, D_{2}.
Los recursos antes mencionados anteriormente
también comprenden un circuito para su aplicación en el soporte
deformable A, que forma así un accionador, de una tensión de control
de desplazamiento periódico para generar un desplazamiento de
traslación periódico en la otra dirección, la dirección de escaneado
S, del conjunto formado por el primer y segundo sensor óptico
D_{1}, D_{2}, de acuerdo con la ley de escaneado en relación
con el soporte mecánico fijo de referencia.
Con referencia a las figuras 3a, 4a, 4b, 4c y
4d, el soporte de referencia estacionario está representado
mediante un sombreado.
Preferiblemente, y tal como se muestra en las
figuras 4a o 4b, el accionador A soporta el conjunto de sensores
ópticos D_{1} y D_{2}, en uno de sus extremos y su otro extremo
puede, por ejemplo, fijarse a la referencia mecánica estacionaria.
El conjunto puede estar encerrado ventajosamente en un recinto
tubular hecho de carbono, por ejemplo, comprendiendo la parte
delantera del espacio tubular la lente L en la figura 4a, mientras
que una ventana hecha en la superficie generada por la revolución de
la cámara tubular permite una recepción de la lente L, que así se
sitúa frente a los sensores ópticos D_{1} y D_{2}, tal como se
muestra en la figura 4b.
Una descripción más detallada del accionador A
para generar el desplazamiento de traslación se dará ahora en
relación con la figura 4c y la figura 4d, independientemente de la
aplicación del desplazamiento relativo respecto al conjunto de
sensores ópticos D_{1}, D_{2} o a la lente L.
Preferiblemente, tal como se muestra en las
figuras 4c y 4d, el accionador A puede estar formado por dos
láminas piezoeléctricas coincidentes A_{1} y A_{2} que se fijan
al soporte estacionario en uno de sus extremos, el extremo opuesto
que comprende el conjunto de sensores ópticos D_{1}, D_{i} ...
D_{n}, tal como se muestra en la figura 4c, o la lente L tal como
se muestra en la figura 4d.
Se apreciará, en particular, que las láminas
piezoeléctricas pueden estar compuestas de una manera no
limitativa, por dos láminas piezoeléctricas coincidentes bimórficas
o monomórficas, o más de una lámina piezoeléctrica y una lámina
elástica, por ejemplo, o de medios equivalentes. En estas
condiciones, la aplicación de un voltaje eléctrico, adaptado de
conformidad con la ley de escaneado permite la aplicación de una
tensión para controlar el desplazamiento periódico en la dirección
de escaneado S, tal como se muestra en las figuras 4c y 4d.
En una variante, una de las dos láminas
piezoeléctricas puede utilizarse como un sensor de posición para
los fotodiodos D_{1}, D_{2}, figura 4c, o de la lente L, figura
4d, pudiendo así este sensor incluirse en un bucle de servo control
posicional de los fotodiodos o la lente. Con el mismo fin, se pueden
prever ventajosamente un circuito de medida, que utiliza medidores
de tensión, de la posición lineal de la primera y el segundo sensor
óptico D1, D2 o de la lente L, sobre la base de la deformación del
soporte deformable.
\newpage
Tal como se muestra en la figura 3a, el recurso
1 que permite la aplicación de una tensión de control de
desplazamiento ventajosamente puede comprender un generador de
escaneado 10, que suministra un voltaje de escaneado, un circuito
de conformación 11 que recibe el voltaje de escaneado y el
suministro de una señal intermedia de escaneado de control y un
circuito amplificador de alta tensión 12 alimentado con tensión de
corriente continua a través de un generador de alta tensión 13,
estando controlado el circuito amplificador de alta tensión
mediante la señal de control intermedia de escaneado emitida por el
circuito de conformación 11 para suministrar una tensión de
desplazamiento de control periódica que, evidentemente, se aplica al
accionador A en las figuras 4a y 4b, y, en particular, a las
láminas piezoeléctricas A_{1} y/o A_{2} en las figuras 4c y
4d.
Respecto a la aplicación de la tensión de
desplazamiento de control antes mencionada, se menciona que este
estrés de desplazamiento puede ser llevado de vuelta a una mera
calibración del desplazamiento angular descrito por el artículo
A_{2} editado en 1999. Tal como se muestra en la figura 1, el
desplazamiento de traslación 4 se puede asimilar a la rotación
\Delta\xi del ángulo de visión total \Delta\varphi o de la
mitad del ángulo del mismo dado substancialmente por la relación de
la distancia media de los centros O_{1} y O_{2} separando los
sensores ópticos D_{1} y D_{2} y la distancia focal f de
la
lente L.
lente L.
De acuerdo con una variación mostrada en la
figura 4e, una pluralidad de dispositivos, tal como se han descrito
aquí anteriormente en conjunción con las figuras antes mencionadas,
se pueden proporcionar con el fin de aumentar el campo de visión
total del dispositivo de detección hasta que se hace panorámico, si
es necesario. Cada dispositivo que forma un dispositivo elemental
comprende una lente estacionaria, indicada como L_{1} a L_{3},
a modo de ejemplo no limitativo. Estos dispositivos elementales
están dispuestos substancialmente sobre una superficie esférica que
comprende un centro común, constituyendo este centro común, para el
sistema de adquisición, el centro óptico de un ángulo de visión
ampliado a todos los ángulos de visión totales \Delta\varphi de
cada uno de los dispositivos tomados juntos.
En la mencionada figura 4e, el número de
dispositivos elementales está voluntariamente limitado a tres, con
el fin de no sobrecargar el dibujo.
En estas condiciones, cada par de primer y
segundo sensor O_{11}, O_{12}, O_{21}, O_{22} y O_{31},
O_{32} para las lentes L_{1}, L_{2} y L_{3},
respectivamente, se pueden conectar así a un dispositivo de
detección de movimiento elemental que comprende de hecho un circuito
de detección, simbolizado con 20-21, para cada uno
de los dispositivos elementales. La señal de salida suministrada por
cada V_{1}, V_{2} y V_{3}, pueden muestrearse así para el
procesamiento digital posterior.
Una descripción más detallada de una realización
particularmente ventajosa del dispositivo para la detección de un
borde de contraste de acuerdo con el objeto de la presente invención
se dará ahora en conjunción con las figuras 5a y 5b.
En general, se recordará que la dirección S, en
el que se realiza el escaneado periódico mediante la traslación
relativa del conjunto formado por el primer y segundo sensor óptico
D_{1}, D_{2} respecto al borde de contraste E en teoría puede
ser cualquier dirección. En una realización no limitativa, sin
embargo, cuando este escaneado se realiza con el objetivo de
detectar un único borde de contraste E, esta dirección
ventajosamente puede ser perpendicular a la dirección dada en la que
se extiende el borde de contraste E.
Se menciona que este modo de operación puede
facilitarse mediante la orientación de la dirección de escaneado S
en un plano que corresponde substancialmente al plano focal de la
lente L.
Para este propósito y de acuerdo con una
realización ventajosa del dispositivo de detección de acuerdo con
la presente invención, el dispositivo de detección, tal como se
muestra en las figuras 5a y 5b, ventajosamente comprende un
dispositivo para orientar el conjunto formado por el elemento de
soporte deformable A o el conjunto del primer y segundo sensor
óptico D_{1}, D_{2} y el soporte mecánica de referencia
estacionario. Este dispositivo de orientación, por lo tanto,
permite la orientación de la dirección del desplazamiento de
traslación periódico S del primer y segundo sensor óptico D_{1},
D_{2} en esta otra dirección, que es transversal a la dirección
dada de la zona de contraste de la luz substancialmente rectilínea,
el borde de contraste E.
En el caso de la figura 5a, donde la lente L se
encuentra frente a la carcasa tubular que comprende el conjunto de
diodos D_{1}, D_{2} y el accionador A, se menciona, tal como se
muestra en esta figura, que el soporte puede consistir en una
plataforma accionada por un micromotor \muM, haciendo que el
conjunto formado por el accionador A, los diodos D_{1} y D_{2}
y obviamente, el soporte estacionario para formar una rotación
alrededor del eje longitudinal del conjunto, representada por la
flecha doble OS, cuyo efecto es modificar la orientación del
escaneado S.
Se apreciará así que la dirección de escaneado S
es, pues, orientada respecto a la dirección (no mostrada en los
dibujos) del borde de contraste E.
Si, por otra parte, el conjunto formado por los
sensores ópticos D_{1} y D_{2} se coloca opuesto a una lente
estacionaria L, tal como se muestra en la figura 5b, el accionador
A, en particular si está formado por los accionadores A_{1} y
A_{2} que son solidarios con el conjunto formado por los diodos
D_{1}, D_{2}, tal como se muestra en la figura 5b, se puede
montar ventajosamente en una corona circular desplazable, indicada
con CC, montada en un cojinete de bolas cuyo eje se combina con el
de L respecto a un soporte estacionario SF en forma de un raíl de
guía circular, por ejemplo. El conjunto de la corona circular CC del
accionador A o A_{1}, A_{2} y del conjunto de diodos D_{1},
D_{2} en la figura 5b, por lo tanto, se puede colocar en
orientación mediante un micromotor \muM no representado en los
dibujos y, por lo tanto, proporcionando una nueva dirección de
escaneado S.
Finalmente, para la detección de un objetivo de
dos dimensiones que comprende al menos dos bordes de contraste, el
dispositivo para la detección de un borde de contraste de acuerdo
con la presente invención puede comprender, tal como se muestra en
la figura 6a, un primer y segundo dispositivo de detección, tal como
se describe aquí anteriormente en la descripción, en conjunción con
las figuras 4a a 4c, por ejemplo, el primer y el segundo sensor
óptico del primer o segundo dispositivo de detección y siendo las
direcciones de su desplazamiento periódico relativo
substancialmente perpendiculares.
En una realización no limitativa, tal como se
muestra en las figuras 6a y 6b, los dos sensores ópticos D_{1} y
D_{2} pueden ser sustituidos ventajosamente por una matriz de
detectores ópticos tales como fotodiodos, constituyendo cada uno un
pixel D_{i}, formando así la matriz rectangular de diodos una
retina en dos dimensiones.
En estas condiciones, las dos direcciones de
desplazamiento relativo periódico son así substancialmente
perpendiculares y están referenciados S_{V} y S_{H} en la figura
6a. La matriz de diodos, por lo tanto, puede montarse en un límite
F que forma un marco rígido y que se puede fijar con muelles SP que
proporcionan una suspensión adecuada respecto al límite F, para la
matriz de diodos formada de esta manera, y los accionadores son
accionadores A_{1} y A_{2} que están montados de una manera
similar a la descrita en relación con las figuras 4a a 4c, por
ejemplo mediante un microesfera, para llevar a cabo el escaneado en
la dirección vertical S_{V} o la dirección horizontal S_{H},
respectivamente.
Una disposición de este tipo se puede lograr
preferentemente, tal como se muestra en la figura 6b, mediante la
aplicación de la tensión de desplazamiento que tiene dos dimensiones
citada no en el mosaico de fotodiodos D_{i}, sino en un borde de
soporte de la lente L situado delante de una matriz de diodos
estacionarios y así desplazándose en un plano perpendicular a su
eje óptico y a una distancia constante de los fotodiodos.
Bajo estas condiciones, para realizar el
escaneado horizontal S_{H} o el escaneado vertical S_{V} y de
acuerdo con una realización concreta del dispositivo de detección de
acuerdo con la presente invención, se menciona que el escaneado
periódico vertical y el escaneado periódico horizontal se pueden
realizar así de forma alterna. Por lo tanto, la detección puede
realizarse en sincronización con el escaneado vertical y el
escaneado horizontal, respectivamente.
A modo de ejemplo, un detector de borde
contraste de acuerdo con la presente invención, en el que el
escaneado de rotación del ángulo de visión total de los sensores
ópticos se obtiene mediante escaneado de traslación rectilíneo de
dos fotodiodos colocados substancialmente en el plano focal de una
lente de distancia focal f = 8,5 mm dio los siguientes
resultados:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El accionador de tipo piezoeléctrico con un
ancho de banda amplio de 500 Hz que tiene una pequeña masa de 1,4 g
permite la generación de una translación de amplitud que es tan
grande como 1 mm, en un bucle abierto, con tiempos de respuesta
bajos.
El uso de una lente L, de la cual la distancia
focal es 50 veces mayor que la de 8,5 mm del dispositivo detector
de prueba según la invención, permite detectar una barra negra con
una anchura de 50 mm, tal como un cable de alta tensión para una
línea eléctrica, a una distancia de 500 m, o bien una barra negra de
100 mm de diámetro, tal como un cable aéreo de tranvía a una
distancia de 1 km.
Una descripción más detallada de un sistema para
la fijación y el seguimiento fino de un objetivo que comprende al
menos un borde de contraste que tiene una zona de contraste de la
luz substancialmente rectilínea en una dirección dada que
constituye este borde de contraste E ahora se dará en conjunción con
las figuras 7a y 7b.
La figura 7a es una vista en planta de un
conjunto que constituye un sistema de estabilización para la línea
para la visión y el seguimiento fino de un objetivo que comprende al
menos un borde de contraste E de acuerdo con el objeto de la
presente invención.
El mencionado sistema comprende un dispositivo
de detección DD tal como se ha descrito aquí anteriormente en la
descripción, en relación con las figuras 1 a 4e, más particularmente
4b, y un soporte mecánico ET en el que se puede orientar este
dispositivo de detección.
En la figura citada anteriormente, ET designa un
alojamiento, que simbólicamente representa la referencia espacial
del cráneo humano y el dispositivo DD, por lo tanto, es una fiel
representación de un ojo humano capaz de moverse en su alojamiento.
Un micromotor electrónico \muME, a través de un sistema de unión
que comprende un tornillo V, un enlace B y una manivela M sin
juego, permite la orientación del dispositivo de detección D de
acuerdo con el objeto de la presente invención respecto al
alojamiento externo ET y permite un movimiento comparable con el
del globo ocular en su alojamiento en el cráneo humano.
La posición angular del alojamiento ET en un
marcador absoluto se indica con \theta_{h}. La línea de visión
del dispositivos de detección DD (eje MOY_{12} en la figura 1) se
indica con \theta_{eh} relación con el alojamiento ET y
\theta_{g} en relación con la dirección absoluta OY,
correspondiendo este último ángulo estrictamente con la suma
\theta_{eh} + \theta_{h}. Respecto al borde de contraste E,
su posición angular en el marcador absoluto (O, X, Y) se denota con
\theta_{t}.
Con referencia a la figura 7a, se apreciará que
una rotación del motor por pasos \muME accionado por la señal de
control U_{e} provoca, a través del sistema
tornillo-enlace-manivela B, una
rotación y una orientación del dispositivo de detección DD, que se
libre de girar el interior del alojamiento ET. En consecuencia, el
control U_{e} que acciona la posición del árbol del motor \muME
monitoriza directamente la orientación y, por lo tanto, la línea de
visión (= dirección de referencia MOY_{12}) del dispositivo de
detección DD.
El sistema que se muestra en la figura 7a
permite mantener la línea de visión del dispositivo de detección DD
constantemente en el borde de contraste E, provocando así la
"fijación" mediante el dispositivo de detección DD de este
borde de contraste si el borde de contraste es estacionario y el
"seguimiento fino" del mismo si el borde de contraste se
desplaza.
De acuerdo con una característica notable del
sistema de acuerdo con la invención, todo esto ocurre a pesar de
las perturbaciones de rotación aplicadas al soporte ET. En el
hombre, la línea de visión del ojo es frecuentemente perturbada por
movimientos de la cabeza. El reflejo
vestíbulo-ocular (VOR) permite rechazar estos
trastornos. Este reflejo permite que la línea de visión se mantenga
constante a pesar de las perturbaciones generadas por la rotación
de la cabeza.
La figura 7b muestra el diagrama de bloques del
sistema de estabilización de la línea de visión y del seguimiento
fino según la invención.
Con referencia a la mencionada figura 7b, se
menciona que el sistema de acuerdo con la invención también
comprende un recurso H(p) para medir la velocidad de rotación
\Omega_{h} del soporte mecánico ET. Este recurso consiste
ventajosamente en un girómetro que es solidario con el alojamiento
ET, tal como se muestra en la figura 7a.
También comprende un recurso de control directo,
sobre la base de una señal de control de bucle abierto de la
orientación de la dirección de referencia del dispositivo de
detección DD, suministrando este recurso una señal de control
directo U_{VOR} sobre la base de la medición de la velocidad de
rotación \Omega_{h} del soporte mecánico ET.
Finalmente, comprende un bucle de servo control
visual de la dirección de referencia MOY_{12} respecto a la
dirección detectada \thetat de al menos un borde de contraste
perteneciente al objetivo. Este bucle de servo control visual está
formado por el dispositivo de detección DD, un inversor Inv, un
circuito no lineal ZSL y un corrector de CV(p) y suministra
la señal de control U_{v}.
Finalmente, un recurso de fusión permite una
combinación lineal de la señal de control directo U_{VOR} y la
señal de control U_{v} que se obtiene. Con referencia a la figura
7b, el recurso de fusión consiste en un restador ST, restándose la
señal de control directo U_{VOR} de la señal de servo control
directa U_{v}.
La diferencia entre \theta_{g} y
\theta_{t} es una señal de error que se mide por el dispositivo
de detección DD. Se apreciará que el control U_{e} del micromotor
electrónico \muME resulta en última instancia en cada instante de
la diferencia entre una señal U_{v} que origina el bucle de servo
control visual basado en el dispositivo de detección DD y una señal
de U_{VOR} procedente de un corrector C_{VOR} de la cual la
entrada es la velocidad angular del alojamiento ET medida mediante
el girómetro H(p).
La posición angular \theta_{n} del
alojamiento constituye:
- una perturbación para el bucle visual, que a
su vez está constituido por las funciones de transferencia del
dispositivo de detección DD, el limitador no lineal ZSL y el
corrector CV(p) = Kv/p;
- un control para el bucle visual a través del
U_{VOR} de control generado por el filtro corrector C_{VOR}.
Una rotación del alojamiento ET provoca una
rotación del dispositivo de detección DD y, por lo tanto, una
diferencia angular entre \thetag y \thetat. Esta diferencia se
compensa con el corrector Cv, pero con una dinámica lenta, ya que
está limitada por la frecuencia de escaneado del dispositivo de
detección DD. El bucle visual en solitario puede rechazar sólo las
perturbaciones de rotación que tengan una frecuencia máxima de 0,4
Hz para una amplitud de 2º. Para acelerar la dinámica de rechazo de
la perturbación \theta_{h}, un U_{VOR} de control cuya
función es accionar la orientación del dispositivo de detección DD
sobre la base de una medición directa de la velocidad angular de la
perturbación \thetah (control directo) ha sido añadido así al
control U_{v} asociado con la dinámica de rechazo muy lenta.
En el caso teórico ideal, C_{VOR} se calcula
para compensar perfectamente la dinámica introducida por OP y por
H(p):
\vskip1.000000\baselineskip
En consecuencia, cuando Uv = 0, se obtiene lo
siguiente:
Esto significa que una rotación del soporte ET
está perfectamente compensada mediante una rotación del dispositivo
de detección DD de la misma amplitud pero en la dirección
opuesta.
Sin embargo, la función de transferencia C_{VOR
(p)} no puede ser utilizada directamente, ya que no es lo
suficientemente estable. Esta función de transferencia teórica, por
lo tanto, se ha aproximado mediante la siguiente función de
transferencia:
Este filtro compuesto de esta manera, está
formado por un pseudo-integrador que está en cascada
con un filtro de todo paso que proporciona la fase negativa, sin
modificar la curva de ganancia del
pseudo-integrador.
En última instancia, el sistema en la figura 7b
permite que un bucle visual relativamente lento, y es responsable
de la fijación y el seguimiento fino de un borde de contraste se
combine (fusione) con una acción que permite que el dispositivo de
detección DD reaccione rápidamente ante las perturbaciones de
rotación aplicadas al soporte ET. En otras palabras, este sistema
permite que dos sub-sistemas cohabiten de una manera
notablemente complementaria y en combinación, estos
sub-sistemas, cada uno, hacen su aporte:
- un primer sub-sistema que es
lento pero preciso, ya que está dotado de hiperagudeza: el bucle
visual formado por el bucle de servo control basado en el
dispositivo de detección DD;
- en un segundo sub-sistema que
es rápido pero impreciso (en términos de la deriva introducida por
el girómetro): el sistema VOR.
La citada fusión o combinación del sistema del
dispositivo de detección DD de acuerdo con la invención con un
sistema girométrico representa un desarrollo importante del
mismo.
Se ha establecido mediante experimentación que
el sistema oculomotor mostrado en la figura 7a es perfectamente
capaz, debido a la fusión o la combinación conseguida, de seguir un
objetivo que está viajando según una ley sinusoidal
\theta_{t}(t) (4º de amplitud, frecuencia de 0,2 Hz)
mientras se rechaza una perturbación de rotación \theta_{h},
que también es sinusoidal y tiene una amplitud similar de 4º, pero
con una frecuencia de 2 Hz, que es diez veces mayor).
Las pruebas en el sistema de modelado de esta
manera, tal como se muestra en la figura 7b, se llevaron a cabo
mediante pruebas de rechazo de perturbaciones del movimiento de la
cabeza, es decir, del alojamiento externo ET, para mantener una
dirección de visión fija que implica dos tipos de perturbación
aplicados al alojamiento externo ET:
- un giro brusco (intervalo de escala de 3º)
\theta_{h}, que se repite rápidamente, o una rotación
\theta_{t} que así provoca el seguimiento fino, tal como se ha
descrito anteriormente en la descripción.
Las pruebas mencionadas han mostrado que la
introducción de una perturbación que corresponde a una rotación del
alojamiento externo ET en un ángulo \theta_{h} genera una
perturbación para el corrector visual Cv y para el corrector
C_{VOR}. Este trastorno se puede dividir en dos porciones:
- una porción transitoria correspondiente a la
respuesta inercial del sistema VOR, en la que el tiempo de
respuesta es sólo de aproximadamente 10 ms;
- una porción continua que corresponde
sustancialmente a la respuesta visual, que soporta un tiempo de
respuesta más largo de aproximadamente 100 ms, con la que el
dispositivo de detección DD funciona de manera efectiva, precisa y
estable a largo plazo.
Las pruebas realizadas en un laboratorio han
mostrado que la dirección de visión \theta_{g} es
substancialmente fija en el espacio, debido a la utilización del
sistema completo que se indica en el diagrama de bloques en la
figura 7b.
Este modo de funcionamiento puede compararse de
manera particularmente ventajosa con la compensación para la
dirección de visión de la vista humana. Las pruebas han mostrado
que, debido a la fusión de la señal de control visual U_{V} y la
señal de control inercial U_{VOR}, una perturbación del tipo de
intervalo, con una amplitud de 3º, aplicada a la orientación
\theta_{h} del alojamiento externo ET se rechaza al 90% de su
valor final en 30 ms.
- Una segunda serie de pruebas se realizó para
una perturbación que corresponde a una perturbación armónica
substancialmente sinusoidal de la orientación del alojamiento
externo ET, es decir, de la cabeza, aplicándose así esta
perturbación a la instalación oculomotriz.
Las pruebas, por lo tanto, han mostrado que
incluso en presencia de una perturbación substancialmente
sinusoidal con una frecuencia rápida a 2 Hz impuesta al alojamiento
externo ET, esta perturbación es inmediatamente compensada por una
rotación contraria en la oposición de fase del dispositivo de
detección DD que representa el ojo, siendo el único efecto de esta
compensación causar una ligera desviación en el ángulo de visión
\theta_{g}, habiendo sido evaluado el valor efectivo de
\theta_{g} en 0,32º, que es de 19 veces menor que la
perturbación de pico a pico de 6º que se aplica al alojamiento
externo ET que simula la cabeza.
Finalmente, las pruebas de la perturbación
armónica aplicada al alojamiento externo ET se llevaron a cabo en
diferentes frecuencias, habiéndose seleccionado la frecuencia de
estas perturbaciones de un rango de valores entre 0,5 y 6 Hz.
Bajo estas condiciones, la variación en la
dirección de visión \thetag nunca superó 0,55º hasta la
frecuencia máxima de 6 Hz mencionada.
Como comparación, la frecuencia máxima de las
perturbaciones que el bucle de retroacción visual por sí solo es
capaz de rechazar, es decir, en ausencia de la combinación con el
bucle de control directo VOR, se limita a 0,4 Hz para una amplitud
de pico a pico de 6º aplicada al alojamiento.
El rendimiento del sistema de estabilización de
la línea de visión y de seguimiento fino de un objetivo, de acuerdo
con la presente invención es notable, porque el sistema anterior,
según lo descrito, es capaz, cuando se utiliza a bordo de un
helicóptero de tamaño natural, de compensar el modo fundamental de
las vibraciones en aproximadamente 5 Hz introducidas por el rotor
principal.
Así, se ha descrito un procedimiento y un
dispositivo para la detección de un borde de contraste, que son
particularmente potentes en la medida en que el procedimiento y el
dispositivo según la invención permiten el uso de un sistema que
reproduce el comportamiento de la visión y, por lo tanto, de la
línea de visión del ojo del hombre o de los mamíferos
superiores.
En particular, el procedimiento y el dispositivo
para la detección de un borde de contraste de acuerdo con la
presente invención y el correspondiente sistema, que utiliza el
procedimiento y el dispositivo, tienen una amplia variedad de
aplicaciones, como se ha mencionado aquí anteriormente en la
introducción de la descripción.
En particular, se menciona como ejemplo no
limitativo de que el dispositivo para la detección de un borde de
contraste de acuerdo con la presente invención, tal como se muestra
en las figuras 5a o 5b, se puede aplicar directamente para ayudar a
la navegación de aeronaves tales como helicópteros, que se dirigen o
se dirigen de forma remota, por ejemplo, en particular cuando
tienen que moverse en condiciones operativas difíciles y, en
particular, en un valle cerrado, en una área urbana o en presencia
de objetos filiforme tales como líneas de alta tensión.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto
el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad al
respecto.
\bullet Stéphane VIOLLET; Nicolas
FRANCESCHINI. Visual Servo System based on a
biologically-inspired Scanning Sensor. CNRS
Laboratoire de Neurobiologie, Septembre 1999, vol. 3839 [0043]
Claims (15)
1. Dispositivo para detectar un borde de
contraste (E) que tiene una zona de transición de la luz
substancialmente rectilínea en una dirección especificada,
comprendiendo dicho dispositivo:
por lo menos un primer y un segundo sensor
óptico (D_{1}, D_{2}, O_{11}, O_{12}, O_{22}, O_{31},
O_{32}) que tiene un ángulo visual global (\Delta\varphi)
delimitado por la dirección promedio (O_{1}OY_{1},
O_{2}OY_{2}) de observación de dicho primer y dicho segundo
sensor óptico, y
- una lente (L) que tiene un centro óptico (O),
estando colocados el primer y segundo sensor óptico substancialmente
en el plano focal de imagen de esta lente y las direcciones
promedio (O_{1}OY_{1}, O_{2}OY_{2}) de observación del
primer y del segundo sensor óptico corresponden substancialmente con
una línea que conecta respectivamente el centro del primer y de
segundo sensor óptico y el centro óptico (O) de esta lente,
suministrando dichos primer y segundo sensores ópticos señales de
detección, y
- medios (2) para medir, sobre la base de estas
señales de detección, la diferencia de tiempo entre las señales
vinculadas a la posición angular de la zona de transición de la luz
en relación con una dirección de referencia en este ángulo visual
global (\Delta\varphi) sobre la base de la ley de escaneado,
estando vinculada esta dirección de referencia con un valor
específico de esta diferencia de tiempo,
caracterizado por el hecho de que dicho
dispositivo también comprende:
- medios para el movimiento de traslación
relativo (1, A; A_{1}, A_{2}) de la unidad formada por el primer
y segundo sensor óptico en relación con la lente (L), o de la lente
(L) frente de la unidad formada por el primer y el segundo sensor
óptico (D_{1}, D_{2}) en una dirección diferente (S) transversal
a esta dirección especificada según un escaneado de posición
periódico del ángulo visual global (\Delta\varphi) según una
ley de escaneado periódico no uniforme durante por lo menos parte de
cada periodo de escaneado periódico.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el primer y el segundo
sensores ópticos (D_{1}, D_{2}) están cada uno formado por un
sensor fotoeléctrico.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado por el hecho de que dichos medios (1, A;
A_{1}, A_{2}) para el movimiento de traslación relativo
comprenden, estando dicha lente (L) fija:
- un elemento de soporte deformable (A)
integrado, por un lado, en dicha unidad formada por el primer y el
segundo sensor óptico (D_{1}, D_{2}), y por otro lado en un
soporte mecánico de referencia fijo;
- medios para aplicar, a dicho soporte
deformable, una fuerza de control de movimiento periódico haciendo
posible llevar un movimiento de traslación periódico en esta otra
dirección transversal (S) de la unidad formada por el primer y el
segundo sensores ópticos (D_{1}, D_{2}) según dicha ley de
escaneado en relación con dicho soporte mecánico de referencia
fijo;
- medios para medir la posición lineal del
primer y el segundo sensor óptico o de la lente sobre la base de la
deformación del soporte deformable.
4. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado por el hecho de que dichos medios para el
movimiento de traslación relativo comprenden, estando dicha unidad
formada por el primer y el segundo sensor óptico (D_{1}, D_{2})
fija:
- un elemento de soporte deformable integrado,
por un lado, en esta lente (L) y, por otro lado, en un soporte
mecánico de referencia fijo;
- medios para aplicar, a este elemento de
soporte, una fuerza de control de movimiento periódico que hace
posible llevar un movimiento de traslación periódico en esta otra
dirección de dicha lente, según dicha ley de escaneado, en relación
con dicho soporte mecánico de referencia fijo.
5. Dispositivo según la reivindicación 3 ó 4,
caracterizado por el hecho de que dichos medios para aplicar
una fuerza de control de movimiento comprenden al menos:
- un generador de escaneado (10) que suministra
una tensión de escaneado;
- un circuito de formación (11) que recibe la
tensión de escaneado y suministra una señal de control de escaneado
intermedia, según la ley de escaneado no uniforme;
- un circuito de amplificación (12), alimentado
con una tensión continua, controlado mediante dicha señal de
escaneado intermedia, y que suministra una tensión de control de
movimiento periódica;
- un accionador electromecánico (A, A_{1},
A_{2}) sensible a la tensión de control periódica.
6. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que
dichos medios para medir la posición angular de la zona de
transición de la luz comprenden al menos:
- un amplificador de separación (20) que recibe
las señales suministradas por el primer y el segundo sensor óptico
y señales amplificadas de suministro;
- un módulo detector de movimiento elemental
(21) que recibe dichas señales amplificadas, haciendo posible,
sobre la base de dicho retardo del tiempo y la ley de escaneado no
uniforme, suministrar una señal de función substancialmente lineal
de la posición angular de dicha zona de contraste de la luz en
relación con dicha dirección de referencia.
7. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que la
dirección especificada y la otra dirección transversal (S) a dicha
dirección especificada son ortogonales.
8. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que
este último también comprende medios (\muM; CC) para orientar el
conjunto formado por el elemento de soporte deformable, la lente o
el conjunto del primer y segundo sensor óptico y el soporte mecánico
de referencia fijo, tal como para orientar la dirección del
movimiento de traslación periódico de la lente o del conjunto del
sensor óptico en esta otra dirección transversal a dicha dirección
especificada de la zona de transición de la luz substancialmente
rectilínea.
9. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que el
primer y el segundo sensores ópticos están formados por una matriz
rectangular de fotodiodos y por el hecho de que los medios para el
movimiento relativo del primer y el segundo dispositivo de detección
y para su dirección de movimiento relativo periódico están formados
por:
- un marco substancialmente rectangular (F);
- medios (38) para unir elásticamente la matriz
de fotodiodos con el marco; y
- medios electromecánicos (A_{1}, A_{2}) que
hacen posible transformar el movimiento periódico de manera
alternativa de la matriz de fotodiodos o de la lente en una primera
y una segunda dirección perpendicular al marco.
10. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que
este último comprende una pluralidad de dispositivos elementales
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo cada
dispositivo elemental una lente fija (L_{1}, L_{2}, L_{3}) que
está dispuesta substancialmente sobre una superficie esférica que
comprende un centro común, constituyendo el centro común, para dicho
dispositivo, el centro óptico de un ángulo visual global ampliado a
todos los ángulos visuales globales de cada uno de los dispositivos
elementales tomados juntos.
11. Sistema para la fijación visual y el
seguimiento fino de un objetivo que comprende por lo menos un borde
de contraste que tiene una zona de transición de la luz
substancialmente rectilínea en una dirección especificada que forma
este borde de contraste, caracterizado por el hecho de que
comprende por lo menos:
- un dispositivo de detección (DD) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10;
- un soporte mecánico (ET) en el que dicho
dispositivo de detección es capaz de orientarse;
- unos medios H(p) para medir la
velocidad de rotación de dicho soporte mecánico (ET);
- unos medios de control directos, en bucle
abierto, para orientar la dirección de referencia de dicho
dispositivo de detección, suministrando estos medios de control una
señal de control directa (U_{VOR}) sobre la base de la medición
de la velocidad de rotación de dicho soporte mecánico (ET);
- medios que forman un bucle de servo control
visual de la dirección de referencia en la dirección detectada de
por lo menos un borde de contraste que pertenece al objetivo;
- medios para fusionar, mediante combinación
lineal, dicha señal de control directa (U_{VOR}) y la señal de
comando de servo control visual.
12. Sistema según la reivindicación 11,
caracterizado por el hecho de que los medios de control
directo para orientar la dirección de referencia del dispositivo de
detección sobre la base de la velocidad de rotación del soporte
mecánico comprenden un corrector (C_{VOR}(p)) capaz de
controlar la dirección de referencia del dispositivo de detección
(DD) en oposición de fase y con una ganancia substancialmente
unitaria en relación con la posición angular de dicho soporte
mecánico (ET), tal como para compensar rápidamente cualquier
interrupción en la rotación provocada por el soporte mecánico
(ET).
13. Sistema según la reivindicación 11 ó 12,
caracterizado por el hecho de que los medios que forman un
bucle de servo control visual comprenden al menos:
- dicho dispositivo de detección (DD),
- un inversor de polaridad (Inv) de la señal de
salida suministrada por el dispositivo de detección (DD);
- una función de transferencia no lineal
(ZSL);
- un corrector de bucle (Cv(p)).
14. Sistema para la fijación visual y el
seguimiento fijo de un objetivo según cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por el hecho de que
dichos medios de fusión están formando por un sustractor (S_{t})
que recibe la señal de salida suministrada por los medios de control
directo y la señal de comando de servo control.
15. Procedimiento para detectar un borde de
contraste (E) que tiene una zona de transición de la luz
substancialmente rectilínea en una dirección especificada, el
procedimiento especificado con la ayuda de un dispositivo según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por
el hecho de que consiste por lo menos en:
- ejecutar, en una dirección transversal
diferente a esta dirección especificada, un escaneado periódico de
la posición del ángulo visual global de un primer y un segundo
sensor óptico, mediante la traslación relativa entre, por un lado,
el conjunto formado por este primer y este segundo sensor óptico, y
por el otro lado, la lente (L) es esta dirección diferente;
- medir la diferencia del tiempo, sobre la base
de las señales suministradas por el primer y el segundo sensor
óptico, que depende de la posición angular de esta zona de
transición luminosa, en relación con una dirección de referencia,
incluida en este ángulo visual global, sobre la base de la ley de
escaneado, estando esta dirección de referencia vinculada con un
valor específico de esta diferencia de tiempo.
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