ES2584554A1 - Sistema de detección de punta de la pértiga y boca de receptáculo, automatización progresiva del repostaje aéreo con botalón y procedimiento de repostaje - Google Patents

Sistema de detección de punta de la pértiga y boca de receptáculo, automatización progresiva del repostaje aéreo con botalón y procedimiento de repostaje Download PDF

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Abstract

Sistema de detección de punta de la pértiga y boca de receptáculo, automatización progresiva del repostaje aéreo con botalón y procedimiento de repostaje. Sistema de detección de la punta de la pértiga del botalón volador de un avión tanquero y de la boca del receptáculo del receptor para contacto semiautomático o automático para repostaje en vuelo con botalón que no precisa de dispositivos de señalización sobre el avión receptor, donde el sistema y procedimiento asociado es robusto y asegura proporcionar al sistema de control del botalón del tanquero, información robusta, fiable y simultánea en tiempo real, del extremo de su pértiga y de la boca del receptáculo del receptor, en cada instante. Para ello el sistema cuenta con: 1) unos emisores de luz montados en la punta de su pértiga, 2) un subsistema de procesamiento y 3) dos cámaras 3D y bien una cámara TOF o una de tipo DOE, (o ambas) además de, al menos, un láser L para proporcionarles su funcionalidad específica.

Description

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procesadores, tanto de tipo convencional, que ejecutan instrucciones de forma secuencial (como son aquellos los procesadores multi-núcleo o los fpga-s (Field Programmable Gate Array) y gpu-s (graphics processor units) y otra con otros procesadores basados en redes neuronales con capacidad de entrenamiento y procesamiento en paralelo. Además el elemento P consta de un subsistema de comunicaciones con el resto de los subsistemas que componen la invención. Las funciones del elemento P consisten en obtener por un lado la posición del receptor y por otro la ubicación del botalón a partir de la información proporcionada por los subsistemas S3D, STOF y SDOE. Entre otros resultados, el elemento P obtiene una nube de puntos del receptáculo, y partes anexas a este, del avión receptor. Conocida esa nube de puntos y comparándola con información, almacenada en una base de datos, de los modelos 3D de los posibles aviones a contactar, se puede colocar en un espacio virtual un modelo 3D del receptor y partir de él obtener la posición exacta del receptáculo de este. También se hace pasar la nube de puntos por una red neuronal previamente entrenada para finalmente obtener de nuevo la posición del receptáculo (de forma redundante). Lo mismo hará con los datos de las nubes de puntos y el modelo 3D del botalón. Otra función que realiza el elemento P es determinar las posiciones de los emisores del elemento BD de la boquilla de la pértiga para obtener la posición del extremo de ésta. El elemento P calcula todos los puntos y vectores significativos ya indicados. También realiza el ajuste de dimensiones y eliminación de aberraciones procedentes de las lentes o del propio sensor. Una calibración previa será indispensable para el funcionamiento correcto de todo el sistema. Los componentes del elemento P pueden estar concentrados en una ubicación única o dispersos en partes junto con los demás subsistemas de esta invención.
En una primera instancia sólo las cámaras 3D realizan las funcionalidades necesarias. El sistema se reduciría a dos cámaras y el dispositivo BD de emisores de luz colocado en la punta de la pértiga. Todos con sus accesorios correspondientes, y a los que habría que añadir finalmente, el elemento P de procesamiento .
En una segunda implementación más completa, todos los subsistemas, están presentes aunque en una primera realización, el láser que algunos subsistemas emplean puede ser el mismo y la funcionalidad de sus cámaras realizada por una de las cámaras de 3D o por ambas.
En sucesivas realizaciones, los componentes de cada subsistema se van independizando y especializando en la tarea exigida por cada subsistema específico y el sistema completo va sumando más elementos individuales hasta
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subsistemas que lo integran puedan estar dispersos, colocados en diferentes zonas del tanquero en distintas implementaciones de la misma patente.
Dentro del elemento C tenemos hasta tres subsistemas distintos, dependiendo de la implementación concreta de esta patente:
1.- En primer lugar un primer subsistema que denominamos S3D (9) que contiene a las cámaras 3D (17) y es responsable de la localización de los LEDs del elemento BD descrito en el punto I (figura 1) y de determinar la posición de dichos emisores frente a estas. También es responsable de determinar la posición del receptáculo a partir de las imágenes que se obtienen del avión receptor sobre cuya superficie se encuentra el mismo. Estas cámaras disponen de sus respectivos sensores de imagen, electrónica de procesamiento, lentes de enfoque (18) y un filtro paso-banda B3 estrecho centrado en un lugar λ3 del espectro. Alguna cámaras pueden contar con unas lentes de control electrónico variable (19). Esa longitud de onda es compatible con las otras cámaras involucradas en la operación de repostaje y está centrada en la misma longitud de onda de emisión de los LEDs (16) del elemento BD. Esto ayudará en la eliminación de fotones procedentes de otras fuentes como el propio sol. La electrónica adicional también tiene como misión controlar el encendido de los LEDs a lo largo del tiempo, generando ciertos patrones que ayudan también a distinguirlos de la luz emitida por otras fuentes. El procesado consiste, en esencia, en la realización de una correlación cruzada entre el patrón de luz, generado y la luz recibida en cada cuadro de imagen. Finalmente, esta electrónica, tras detectar cada emisor LED del elemento BD, que sea visible desde las cámaras, calcula la distancia y el resto de coordenadas de cada LED respecto un conjunto de ejes de referencia, que por simplicidad se colocan en el centro del sensor de una de las cámaras y que denominamos CR. El subsistema S3D será alimentado por una fuente de alimentación del avión y dará como salida un conjunto de coordenadas (X, Y, Z) de los puntos activos que vaya localizando en cada “frame” o cuadro de imágenes. La electrónica de procesamiento abarcará funcionalidades como la detección de coordenadas (x, y) de cada punto activo localizado por cada cámara de forma independiente así como el cálculo de las coordenadas globales respecto a los ejes de referencia con centro CR a partir de las (x, y) de ambas cámaras. También realizará ajuste de dimensiones y eliminación de aberraciones procedentes de las lentes
o del propio sensor. Una calibración previa será indispensable para el funcionamiento correcto de las mismas.
El cálculo de la distancia lo realiza cada intervalo temporal de cuadro, empleando las imágenes obtenidas por ambas cámaras a la frecuencia de obtención de imágenes de éstas. Además identificando un conjunto de puntos en ambas, podemos obtener por triangulación la distancia de cada punto a ellas y así obtener una nube de puntos de nuestro avión receptor y de nuestro
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para identificar los mismos puntos en ambas imágenes de cuadro procedentes de ambas cámaras en cada instante. A partir de sus posiciones en al menos dos cámaras, y por un método de triangulación similar al empleado para detectar los emisores de luz en el apartado anterior, se obtienen las coordenadas de todos los puntos identificados en todas las cámaras de S3D. Ese conjunto de coordenadas no es ni más ni menos que la nube de puntos respecto al CR que se persigue conseguir. Obsérvese que se obtienen dos sub-nubes de puntos unidas: Una correspondiente al extremo del botalón y otra correspondiente al avión receptor.
- Obtención de una segunda nube de puntos, que se corresponde de nuevo, con el extremo del botalón y el avión receptor a partir del subsistema STOF, L1 junto con los demás otros componentes auxiliares. El láser L1 proporciona un conjunto de pulsos de luz de longitud de onda λ1. El circuito que dispara el encendido de este láser es el mismo que gobierna el disparo y adquisición de cuadros de imagen de la cámara tipo TOF incluida en STOF. Considerando la velocidad de la luz y el tiempo que tarda en recibirse el pulso generado en cada pixel del sensor de dicha cámara tipo TOF, puede obtenerse la distancia del punto del escenario que refleja la luz recibida. Para facilitar esa tarea se le antepone a la cámara tipo TOF un filtro paso banda estrecho B1 centrado en λ1. Además se emplea la técnica de desplazamiento de fase para determinar con exactitud el momento en el que el pulso emitido por L1 llega de vuelta al sensor. Eso se realiza para cada punto de nuestro escenario que es recibido en cada pixel de nuestro sensor en la cámara TOF. Se obtiene así una nueva nube con tantos puntos como la resolución del sensor empleado. Cada tiempo de cuadro, la cámara tipo TOF proporciona una nueva nube de puntos.
- Obtener una tercera nube de puntos que se corresponde de nuevo, con el extremo del botalón y el avión receptor a partir de la información que nos proporciona de forma muy similar a la anterior, el subsistema SDOE formado por la cámara tipo DOE más el láser L2 y demás componentes auxiliares. El láser L2 genera un patrón (este patrón puede ser fijo o variable según se controlen los demás lentes del láser) de luz estructurada gracias a la lente de difracción, por la que lo hacemos pasar una vez colimado adecuadamente. Los elementos de este patrón pueden ser identificados si somos capaces de "ver" la luz que emite el láser al ser reflejada por nuestro entorno. Para facilitarlo, empleamos un nuevo filtro paso banda B2 estrecho delante de la cámara del SDOE, sintonizado con L2 y que eliminará la luz de otras longitudes de onda. Además, el encendido y apagado con cierta cadencia nos ayudará también a distinguir la luz del láser con respecto a otra, de fuentes
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distintas, que no parpadearán de la misma forma. Con técnicas de correlación cruzada obtendremos los píxeles que son reflejados en los objetos de nuestro escenario y a partir de sus intensidades relativas determinaremos qué píxeles corresponden a determinados puntos del patrón. Como resultado obtenemos un conjunto de puntos que, de nuevo, mediante técnicas de triangulación y trigonometría, teniendo en cuenta que conocemos la distancia del láser L2 a la cámara de SDOE y los ángulos de ambos, nos permitirán obtener las distancias desde la cámara de SDOE a cada punto de ese conjunto de puntos. En definitiva tendremos un conjunto de coordenadas (xi, yi, zi) pertenecientes a los objetos de nuestro escenario, por cada cuadro de imagen. Así las cosas de nuevo tenemos una nube de puntos similar a la obtenida por la cámara del STOF pero a partir de una forma diferente.
- El siguiente paso es, alternativamente, bien realizar una fusión de la información de las nubes de puntos, por cada cuadro, para obtener la mejor nube de puntos de partida, o aplicamos uno de los métodos de procesamiento (que se explicarán más adelante) de entre los que P puede realizar, a cada una de las nubes de puntos, para realizar una fusión de los resultados obtenidos y conseguir la mejor y más robusta solución de la posición de los puntos y vectores de interés. Como se ha dicho, todo esto para cada cuadro de imagen a lo largo del tiempo. El cálculo de las velocidades y aceleraciones relativas así como de los versores ortogonales indicados, es una cuestión meramente algebraica que requiere de pocos recursos de procesamiento. Los procesamientos que podemos realizar en P a las nubes de puntos obtenidas por los distintos elementos que integran esta invención consisten en:
•
Hacerlas pasar por una red neuronal artificial entrenada para proporcionar como salidas las coordenadas de la ubicación y vector ortogonal de los dos puntos de interés con respecto a nuestro centro de referencia CR.
•
Compararlas con uno de los modelos 3D almacenados, de nuestro receptor y del botalón, para hallar la posición tanto de la boca de repostaje de dicho receptor como del centro del extremo de la boquilla (4) de la pértiga una vez separados ambos. Dichos puntos con respecto a nuestro centro de referencia CR. La gran certidumbre que proporciona el elemento BD a la hora de obtener la posición de la puna del botalón nos permite eliminar la parte de la nube de puntos correspondiente a dicha punta del botalón y quedarnos con las subnubes correspondientes exclusivamente al avión receptor.
Las etapas por las que pasa el elemento P, en el caso de realizar una comparación de las nubes de puntos con uno de los modelos 3D
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- 4ª.- Realizar una fusión de las informaciones obtenidas por métodos alternativos para obtener la información de interés de una forma robusta y fiable y así poder alimentar las leyes de control del botalón y llevar a cabo la operación automática de repostaje. Para realizar esta tarea, cada subsistema es asignado con el cálculo de ciertos valores que se conocen como factores de calidad y nos indican en esencia cuán fiables son los resultados que han proporcionado o cuál es su probabilidad de error. Esa información es empleada para garantizar la fusión óptima de los resultados que se obtienen.
Las nubes de puntos obtenidas por los subsistemas S3D, SDOE y STOF se emplean en un cálculo híbrido con los dos procedimientos indicados, es decir, empleará conjuntamente redes neuronales y la comparación con un modelo 3D, para obtener las posiciones y vectores de interés.
Por lo tanto, gracias al sistema y procedimiento de esta invención, se proporciona un mecanismo de obtención de un conjunto de datos en función del tiempo, con una latencia despreciable y un ritmo adecuado, para permitir al sistema que gobierna las leyes de control del tanquero y del botalón del mismo así como al avión receptor, incorporar dichos datos en su control y así gobernar tanto al tanquero, al botalón y al receptor para dar lugar a un contacto entre los dos últimos de forma semiautomática o incluso automática, supervisada o no.
Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.
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Claims (1)

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