ES2849625A1 - Sistema de apoyo al despegue, navegacion y aterrizaje de vehiculos aereos no tripulados - Google Patents

Sistema de apoyo al despegue, navegacion y aterrizaje de vehiculos aereos no tripulados Download PDF

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Abstract

Sistema de apoyo al despegue, navegación y aterrizaje de vehículos aéreos no tripulados. La invención se refiere a un sistema de soporte de localización que se puede utilizar en las etapas de despegue, navegación y aterrizaje de vehículos aéreos no tripulados (1) en entornos en los que las señales GNSS están inhibidas/no están disponibles. Para hacerlo, hay unos prismas (2) fijados al vehículo aéreo no tripulado (1), capaces de una reflexión retrorreflectante de 360 grados, fijados entre sí a un ángulo de 45 grados. El teodolito (7), que es una parte del sistema de medición de posición y azimut (3), se orienta ópticamente hacia los prismas (2) del vehículo aéreo no tripulado (1) y rastrea el vehículo aéreo no tripulado (1), mide instantáneamente su distancia al vehículo aéreo no tripulado (1) y la envía al procesador junto con los ángulos de azimut y elevación de la línea de visión con respecto a su eje. El procesador calcula la posición absoluta del vehículo aéreo no tripulado (1) utilizando los datos del teodolito (7) y del sistema de navegación inercial (8). El sistema de medición terrestre (3) envía instantáneamente la información de posición calculada al vehículo aéreo no tripulado (1).

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE APOYO AL DESPEGUE. NAVEGACIÓN Y ATERRIZAJE DE VEHÍCULOS
AÉREOS NO TRIPULADOS
Campo técnico
La invención se refiere a un sistema de soporte de localización que se puede utilizar en las etapas de despegue, navegación y aterrizaje en entornos en los que las señales GNSS están inhibidas/no están disponibles.
Técnica anterior
Los sistemas ANT (aeronaves no tripuladas) de clase pequeña tienen arquitecturas de navegación que dependen del GNSS (por sus siglas en inglés de "Global Navigation Satellite System", sistema global de navegación por satélite) debido a la baja sensibilidad de los sensores de navegación inerciales que llevan incorporados. Estos sistemas no pueden despegar cuando las señales del GNSS están inhibidas. Los sistemas en vuelo también pierden su precisión de navegación o fallan.
El aumento de la sensibilidad de los sensores inerciales utilizados aumenta los costes unitarios por aeronave y el coste del sistema aumenta los costes que se deben soportar en caso de accidente.
Existen estudios disponibles para aumentar la exactitud de la navegación de este tipo de sistemas de vuelo lento con diversos sensores y métodos.
Aunque existen sistemas basados en imágenes y sistemas de apoyo a la localización que aprovechan los datos de elevación (altura), no existen sistemas de ANT de clase pequeña que puedan mantener la exactitud de localización deseada durante largos períodos de tiempo cuando los sistemas de GNSS están inhibidos.
Existen sistemas de reconocimiento de patrones, basados en imágenes, que están disponibles para un aterrizaje preciso. Sin embargo, estos sistemas tienen un corto alcance vertical. Los sistemas tales como cámaras estéreo 3D, etc., pueden trabajar con precisión dentro de los últimos 10-20 metros del vuelo.
Cuando las señales GNSS están inhibidas, el despegue no se puede realizar o se realiza corriendo riesgos porque no hay información de localización en la aeronave. Dado que algunos sistemas no tienen un altímetro láser, la información de altitud se detecta utilizando un altímetro barométrico y una combinación de GNSS. Cuando el GNSS está inhibido en un sistema de este tipo, la información de altitud del vehículo aéreo también puede ser poco fiable.
Si bien algunos de los sistemas de vinculación son sistemas de antenas direccionales capaces de rastrear RF y con patrones de barrido cónicos, generalmente, la antena y el vehículo aéreo se orientan hacia el vehículo aéreo utilizando la posición del GNSS. Aunque las coordenadas de la estación terrestre están disponibles cuando se interrumpe la señal del GNSS puesto que son coordenadas conocidas previamente, las coordenadas del vehículo aéreo se vuelven inválidas en poco tiempo y la capacidad del grupo de antenas terrestres para rastrear la aeronave disminuye o falla durante el rastreo.
En el caso conocido de la técnica, se han ofrecido muchas soluciones de navegación en sistemas de ANT de clase pequeña en entornos donde las señales del GNSS están inhibidas/ausentes:
• Los sistemas de navegación asistida por tierra necesitan datos de un radar altimétrico, pero los radares altímetros no se pueden utilizar en sistemas multirrotores pequeños debido a su tamaño y coste.
• Los sistemas de altímetro láser no siempre pueden proporcionar datos de altitud fiables.
• Los sistemas basados en imágenes se basan en el principio de encontrar la localización del vehículo aéreo centrándose en las características distintivas de las fotografías del terreno cargadas previamente en el vehículo aéreo o en la estación de control terrestre, cuya información de localización ha sido procesada. En tales sistemas, se deben integrar cámaras adicionales en el vehículo aéreo. Si bien la definición del paisaje visto en diferentes condiciones climatológicas y la extracción de puntos de interés brindan soporte de localización, no siempre es posible realizar un aterrizaje de alta precisión.
• Aunque los sistemas de ayuda a la velocidad basados en flujo óptico, como los sistemas de odometría visual, reducen la tasa de aumento de los errores del sistema de navegación a lo largo del tiempo, no pueden evitar que disminuya la exactitud de la posición a lo largo del tiempo.
• Se puede obtener información de localización de mayor alcance si el vehículo aéreo es rastreado por un sistema basado en radar. No obstante, también se pueden detectar las localizaciones de los sistemas basados en radar y sus costes son elevados.
En la solicitud de patente número EP2818958A3, se expone la transferencia de información de localización a través del enlace midiendo la distancia con una estación total robotizada (teodolito) al prisma retrorreflectante equipado con un sistema de rastreo GPS y que permite, por tanto, el vuelo en áreas donde la aeronave vuela sin señal de GPS (túnel, etc.). Aunque las partes de esta solicitud de patente con respecto a la medición de distancia y el rastreo de la aeronave son las mismas que las del método, se proponen los puntos conocidos o GPS como fuente de localización de la estación terrestre. En este sentido, la utilización de un sistema de medición terrestre que utiliza un teodolito robótico integrado en el sistema de navegación inercial se diferencia de otras invenciones en que no requiere sistemas GNSS como fuente de localización y proporciona información de posición absoluta y ángulo de dirección a partir del sistema de navegación inercial.
En la solicitud número JP2019119221A, se utiliza el punto conocido o el propio GPS como fuente de localización de la estación terrestre, no obstante, no se proporciona información sobre la naturaleza del dispositivo de posicionamiento y no está claro cómo se determina la localización. No se indica cómo encontrar la localización en la estación terrestre en aquellos casos en los que la señal GPS no está disponible en la aeronave. Se indica que se puede utilizar un GPS o una entrada manual u otro dispositivo de posicionamiento, pero no está claro qué podría ser este dispositivo y cómo podría funcionar en un entorno en el que las señales GPS están inhibidas. Dicho documento no tiene otra característica que no sea la de transmitir información de localización basada en la medición de distancia. La solicitud n.0 US20170248948A1 y la patente n.0 US9758239B2 también tienen un contenido similar a la patente anteriory presentan, asimismo, problemas similares.
Para ambas solicitudes, JP2019119221A y EP2818958A3, no está claro cómo realizar mediciones de la posición y del ángulo de dirección cuando el GPS está inhibido en el área donde está situada la estación terrestre o se puede utilizar un punto medido previamente. Sin embargo, en caso de inhibición de GPS, estos métodos no pueden operar con la posición absoluta (real) en el caso de que se realice una operación de vuelo desde una posición previamente no identificada. En ese caso, dado que se desconoce la posición absoluta de la aeronave, las mediciones y la transferencia de las posiciones de destino por parte de la aeronave con su carga útil electroóptica no son posibles.
Como resultado, debido a los inconvenientes mencionados anteriormente y a la insuficiencia de las soluciones existentes, se requiere una mejora en el campo técnico.
El objetivo de la invención
El objetivo de la invención consiste en garantizar que vehículos aéreos no tripulados (ANT), mini y pequeños, de despegue vertical, multirrotores o de tipo helicóptero prosigan su vuelo/misión calculando la posición relativa o absoluta del vehículo aéreo no tripulado con gran precisión durante las etapas de vuelo de despegue, navegación y aterrizaje en entornos y situaciones en las que los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) están inhibidos o no disponibles.
En comparación con la mayoría de los demás sistemas de apoyo, la invención tiene la capacidad de ser utilizada en todas las situaciones de vuelo desde el primer segundo hasta el último momento de vuelo y de encontrar una posición absoluta con una sensibilidad de "exactitud de coordenadas de la estación terrestre máxima de /-10 cm". También puede proporcionar información de posición y altitud relativas con una precisión de /-10 cm.
La invención comprende un prisma retrorreflectante de 360 grados montado en una ANT de clase pequeña, multirrotor o de tipo helicóptero, que realizan aterrizajes y despegues verticales y un teodolito robótico que se fija a este prisma antes del despegue y mide el azimut o el ángulo de guiñada, el ángulo de elevación y la distancia y se basa en el principio de suministrar la información de posición absoluta calculada por el sistema de medición terrestre equipado con un teodolito robótico y que tiene un sistema adicional de medición inercial integrado en el sistema de enlace de la ANT por RF o un sistema cableado y que la envía al vehículo aéreo a través del sistema de enlace de la ANT. De este modo, incluso cuando no hay señales de GNSS durante la misión, se proporciona un despegue, una navegación y un aterrizaje precisos con la información de posición obtenida al realizar una medición de distancia de gran exactitud ~ (una precisión de /- 10 cm). De esta manera, incluso en los casos en los que no hay GNSS, es posible un posicionamiento tan preciso como con los sistemas GNSS RTK (por sus siglas en inglés de "Real-Time Kinematic", cinemática en tiempo real), siempre que las coordenadas de la estación terrestre ya se hayan establecido.
Hay estudios que proporcionan la localización midiendo la distancia al prisma mediante sistemas de teodolito robótico (estación total). Sin embargo, en estos estudios, la localización de la estación terrestre se toma bien del GPS o debe situarse en un punto y una línea de ángulo de dirección conocidos. En la invención, por otro lado, la línea de visión del teodolito robótico, que está integrado en el sistema de navegación inercial, indica directamente el ángulo de dirección con respecto al norte y puede calcular la posición real del vehículo aéreo no tripulado con relación al plano terrestre de manera instantánea y continua con la medición de distancia. La unidad de medición inercial se puede desplegar operativamente con una fuente de alimentación integrada, y ensamblando el teodolito robótico en el lugar donde este se va a instalar y estableciendo conexiones de datos, se crea una estación de medición donde las coordenadas del punto y el ángulo de dirección de la línea se pueden calcular de manera continua e instantánea. Se distingue de otras invenciones en la creación de un sistema integrado de medición en tierra y el hecho de que este sistema no necesita soportes externos tales como un GPS o un punto conocido en la tarea de rastreo del vehículo aéreo. Esta invención también permite el despegue y aterrizaje preciso de sistemas de vigilancia, multirrotor, conectado.
En contraste con las aplicaciones mencionadas anteriormente, la invención utiliza un sistema de medición terrestre que funciona integrado en el sistema de navegación inercial y que se puede transferir/transportar al área deseada objeto de una inhibición de GPS. De esta forma, la estación terrestre siempre tendrá información sobre la posición absoluta y el ángulo de dirección preciso y podrá operar con una posición absoluta (posición geográfica) en todas las etapas desde el despegue, que es la primera etapa del vuelo, hasta el aterrizaje.
Si se utiliza un dispositivo de artillería de medición de posición y azimut que consiste en un sistema de navegación inercial y un sistema integrado de teodolito robótico en la estación terrestre, el sistema de artillería de medición de posición y azimut, que opera hasta un punto en el que no se ha realizado ninguna determinación de localización previa, está instalado en un trípode. El sistema de medición de posición y azimut, que calcula de forma continua y automática su posición, su ángulo de balanceo, cabeceo y rumbo con el norte verdadero trabaja de manera integrada con el teodolito robótico y garantiza que las coordenadas absolutas del vehículo aéreo con respecto a la tierra se calculen continuamente midiendo la distancia del vehículo aéreo.
Dado que todas las operaciones de rastreo y medición de distancia utilizando el teodolito robótico de medición de distancia están hechos con un haz muy estrecho ópticamente, posiblemente no sea detectado ni inhibido por sistemas de inhibición de RF u otros sistemas.
La medición de la distancia al prisma realizada por el teodolito robótico distanciómetro se puede transformar en posición absoluta utilizando las coordenadas, así como la dirección de la estación terrestre, y la información de posición absoluta relativa a la tierra se puede transferir al vehículo aéreo. Dado que el rastreo de la aeronave se efectúa íntegramente sobre una base óptica, no es necesario ningún sistema de rastreo de RF basado en radar. Además, el sistema de medición de distancia óptica no se ve afectado por los inhibidores de RF; en realidad, es muy difícil inhibir ópticamente.
El sistema de la invención también puede realizar despegues precisos, aterrizajes precisos y actividades de posicionamiento precisas en las tareas estáticas de los sistemas de vigilancia continua, basados en ANT, multirrotores, conectados. Los sistemas basados en imágenes no tienen una función de soporte de localización a partir del momento del primer despegue. Aunque los sistemas RTK presentan similitudes en cuanto a precisión con el método, no funcionan cuando el GNSS está inhibido.
Se entenderán claramente los elementos estructurales y característicos, así como todas las ventajas de la invención ilustrados en los siguientes dibujos y en la descripción detallada realizada con referencia a estas figuras.
Figuras
La figura 1 muestra un vehículo aéreo no tripulado multirrotor y el prisma retrorreflectante de 360 grados en el mismo.
La figura 2 muestra un sistema de navegación inercial y un sistema de medición terrestre que consiste en un teodolito robótico integrado.
La figura 3 muestra la transferencia de la información de localización absoluta calculada midiendo la distancia a la ANT con el sistema de medición terrestre, que conoce su posición y orientación, a la ANT a través del enlace de datos de RF.
La figura 4 muestra la transferencia del punto de despegue y de la información de posición absoluta de la aeronave calculada midiendo la distancia a la ANT con el sistema de medición terrestre que conoce su posición y orientación del sistema de la invención, a la ANT a través de la conexión cableada.
Los dibujos no tienen que estar necesariamente a escala y es posible que se haya prescindido de aquellos detalles que no son necesarios para entender la invención.
Números de referencia
1. Vehículo aéreo no tripulado
2. Prisma
3. Sistema de medición de posición y azimut
4. Trípode
5. Placa
6. Interfaz mecánica
7. Teodolito
8. Sistema de navegación inercial
9. Aparato de pa ra lizac ión
10. Estación de control terrestre
11. Conexiónalámbrica
12. Puntodedespegue/aterrizaje
Descripción detallada de la invención
En esta descripción detallada, las estructuras preferidas de la invención se explican únicamente para una mejor comprensión de la materia objeto y sin ningún efecto restrictivo.
Para que el sistema funcione, el vehículo aéreo no tripulado (dron), multirrotor o de tipo helicóptero (1) está equipado con prismas (2) fijados a 45 grados entre sí, capaces de reflejar en la dirección del haz (retrorreflectante) con un amplio rango en vertical y 360 grados en horizontal. El vehículo aéreo no tripulado (1) tiene su propio sistema de piloto automático y un módulo de comunicación. El vehículo aéreo no tripulado (1), preferentemente, es capaz de despegar y aterrizar en vertical y forma parte de un sistema de vigilancia cableado o un sistema ANT de reconocimiento que incluye requisitos precisos de aterrizaje y despegue.
El sistema de medición de posición y azimut (3) es un sistema que se puede llevar en una mochila, cuando es necesario, se puede instalar en un trípode (4), cuando es necesario, y actúa estáticamente en cuanto rastrea el vehículo aéreo no tripulado (1). Sus componentes comprenden un sistema de navegación inercial (8), una placa (5) en la que está montado el sistema de navegación inercial (8), una interfaz mecánica (6) en la superficie superior de la placa (5), un teodolito robótico (7) unido a la interfaz mecánica (6) desde la parte superior, con un eje motorizado con capacidad de rastreo de objetivos, un procesador/ordenador, una fuente de alimentación y un trípode (4). Las herramientas del eje de referencia del teodolito (7) y el sistema de navegación inercial (8) se calibran previamente con una medición de coincidencia de dirección realizada en fábrica.
Cuando el sistema de medición terrestre (3) se inicializa en una posición conocida o recibe la primera posición del GNSS, empieza a desarrollar una solución de navegación y proporciona información sobre la posición, orientación, velocidad y el ángulo de manera fija o móvil. El procesador del sistema de medición terrestre (3) del sistema combina la posición a partir del sistema de navegación inercial (8), los ángulos de balanceo, cabeceo y dirección (ángulo relativo al norte) con respecto a la tierra, y los ángulos laterales y de elevación de la línea de visión del teodolito robótico (7) según su conjunto de ejes, y calcula automáticamente el ángulo de la línea de visión del teodolito (7) con respecto al norte y el ángulo de elevación con respecto a la tierra. De este modo, la información angular de la línea de visión del teodolito (7) y la información de posición del sistema de medición terrestre (3) se calculan continuamente sin necesidad de una pa ra lizac ión completa del sistema de medición de posición y azimut (3) al suelo.
El sistema de medición de posición y azimut (3) se lleva operativo y ensamblado cerca del área de despegue del vehículo aéreo no tripulado (1). El teodolito (7) se conecta al sistema de medición de posición y azimut (3) y se realizan las conexiones eléctricas y de señales. El operador orienta ópticamente el teodolito (7) hacia el prisma (2) del vehículo aéreo no tripulado (1). Luego, el teodolito (7) cambia al modo de rastreo automático de objetivos. En el rastreo automático de objetivos, el teodolito (7) mide continuamente la distancia al prisma (2) y, en caso de que el prisma (2) se mueva, sigue al prisma (2) utilizando la medición de distancia, el desplazamiento de fase y métodos ópticos. La distancia medida por el teodolito (7) se envía al procesador del sistema de medición de posición y azimut (3) junto con los ángulos de azimut y elevación según el propio conjunto de ejes del teodolito (7). La posición absoluta del vehículo aéreo no tripulado (1) se calcula combinando la posición, el balanceo, el cabeceo y el ángulo con respecto a la información del norte real procedente del sistema de navegación inercial (8). Esta posición calculada se transmite a la estación de control terrestre (10) del vehículo aéreo no tripulado (1) a través de un cable o con señales de RF. La estación de control terrestre (10) envía esta información de localización al vehículo aéreo no tripulado (1) por RF o mediante una conexión cableada (11) para un sistema de vigilancia cableado. Cuando la estación de control terrestre (10) envía la orden de despegue al vehículo aéreo no tripulado (1), el sistema de medición de posición y azimut (3) controla continuamente la posición del vehículo aéreo no tripulado (1) siguiendo el prisma (2) del vehículo aéreo a través del teodolito óptico (7) que es robótico, tiene un eje motorizado, un medidor de distancia; y la envía al vehículo aéreo no tripulado (1) por la estación de control terrestre (10) para ser enviado a través de la conexión cableada (11) o de manera inalámbrica.
En el sistema, la localización y el ángulo de dirección de la localización de la estación de control terrestre (10) se pueden calcular de diversas formas. Cuando se utiliza el sistema de medición de posición y azimut (3), el sistema de navegación inercial (8) calcula automática y continuamente la información de posición absoluta y el ángulo de dirección según el norte verdadero.
Un uso del sistema es satisfacer las necesidades de despegue, navegación y aterrizaje con precisión de un sistema de vigilancia, que forma parte del sistema de vigilancia, multirrotor, conectado, que establece la alimentación de energía y comunicación de datos a través de la conexión cableada (11). Después de que el operador haya encontrado las coordenadas de los puntos de despegue/aterrizaje (12) del vehículo aéreo no tripulado (1) del sistema de vigilancia, multirrotor, conectado, apuntando al vehículo aéreo (1) en el punto de despegue, el teodolito (7) se pone en modo de seguimiento automático, la información de localización relativa (posición relativa) con respecto a la primera posición obtenida midiendo continuamente la distancia al vehículo aéreo no tripulado (1) se transfiere a través de la estación de control terrestre (10) al vehículo aéreo no tripulado (1) a través de la conexión cableada (11).
Otra área de uso del sistema es medir con precisión la posición de naves no tripuladas que protegen instalaciones críticas tales como bases navales dentro de un radio operativo limitado desde tierra y transferirlas al vehículo cuando las señales GNSS no están disponibles.
En una aplicación preferida de la invención, la medición de distancia también se puede realizar, por ejemplo, con un distanciómetro láser inofensivo para el ojo a una longitud de onda de 1550 nm. En ese caso, aumenta el rango de medición de distancia.
En una aplicación preferida de la invención, también se puede utilizar un distanciómetro láser a efectos de comunicación y transferencia de datos. En ese caso, se puede transmitir a través del rayo láser la información de localización, otros datos de conexión e imágenes de la ANT basadas en la distancia medida por el sistema de medición terrestre (3). En tal caso, el sistema se vuelve completamente independiente de la inhibición de RF.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de soporte de posicionamiento que permite que vehículos aéreos no tripulados (1) despeguen, naveguen y aterricen sin utilizar un sistema de posicionamiento global, caracterizado por comprender;
• prismas (2) fijados en el vehículo aéreo no tripulado (1), capaces de una reflexión retrorreflectante de 360 grados, fijados entre sí a un ángulo de 45 grados,
o un sistema de navegación inercial (8) que determina la posición de su localización, el ángulo de balanceo y cabeceo con relación a la tierra y su ángulo con respecto al norte verdadero y los envía al procesador,
o un teodolito de eje motorizado (7) que está conectado a la parte superior del sistema de navegación inercial (8) con una interfaz mecánica (6), que proporciona una orientación óptica hacia los prismas (2) del vehículo aéreo no tripulado (1) y rastrea el vehículo aéreo no tripulado (1), midiendo instantáneamente su distancia al vehículo aéreo no tripulado (1) y la envía al procesador junto con los ángulos laterales y de elevación de la línea de visión con respecto a su eje, sin necesidad de nivelación,
o un sistema de medición de posición y azimut (3) que comprende un procesador que calcula la posición absoluta del vehículo aéreo no tripulado (1) utilizando datos del teodolito (7) y del sistema de navegación inercial (8)
y transmite instantáneamente la información de la posición calculada al vehículo aéreo no tripulado (1).
2. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por comprender; una estación de control terrestre (10) que envía la información de posición transmitida por el sistema de medición terrestre (3) al vehículo aéreo no tripulado (1) ya sea por cable o inalámbricamente.
3. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por comprender; un distanciómetro láser en el sistema de medición de posición y azimut (3), que calcula la distancia entre los mismos centrándose en el vehículo aéreo no tripulado (1) y transmite la información de posición determinada por el procesador al vehículo aéreo no tripulado (1).
4. El sistema según la reivindicación 1, caracterizado por comprender; dicho procesador que determina la posición donde despega el vehículo aéreo no tripulado (1) con la información de distancia que recibe del teodolito (7) y calcula la posición relativa del vehículo aéreo no tripulado (1) con relación al punto de despegue durante la navegación.
5. El sistema según la reivindicación 1, en donde; el sistema de medición terrestre (3) comprende una placa (5) sobre la que está montado el sistema de navegación inercial (8), y en su superficie superior, está conectada la interfaz mecánica (6).
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