ES2436726B2 - Sistemas y métodos para el cálculo de la velocidad de aproximación en maniobras de reabastecimiento aéreo de combustible - Google Patents

Sistemas y métodos para el cálculo de la velocidad de aproximación en maniobras de reabastecimiento aéreo de combustible Download PDF

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Abstract

Sistemas y métodos para el cálculo de la velocidad de aproximación en maniobras de reabastecimiento aéreo de combustible. Los sistemas comprenden: a) medios de captura (31) de una secuencia de fotogramas digitales del escenario de la operación de aproximación situados calibrados para poder conocer la distancia real correspondiente a un pixel de un fotograma; b) medios computacionales dispuestos para obtener las coordenadas de la trayectoria relativa de la aeronave receptora (11) respecto a la aeronave cisterna (13) mediante el proceso de una secuencia de fotogramas (35, 35’, 35’’, …) de la operación de aproximación obtenida por dichos medios de captura (31) y calcular la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora (11) y la aeronave cisterna (13) a partir de la trayectoria definida por las coordenadas registradas en el proceso b1). La invención también se refiere a los métodos para realizar el cálculo de la velocidad de aproximación.

Description

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DESCRIPCIÓN
SISTEMAS Y MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE APROXIMACIÓN EN
MANIOBRAS DE REABASTECIMIENTO AÉREO DE COMBUSTIBLE
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere en general al reabastecimiento aéreo de combustible en vuelo y, más en particular, al cálculo de la velocidad de aproximación de la aeronave receptora a la aeronave cisterna.
ANTECEDENTES
La Figura 1 ilustra un método conocido para realizar operaciones de reabastecimiento en vuelo que utiliza un dispositivo de manguera y cesta 15.
Este método de reabastecimiento emplea una manguera flexible 19 que se arrastra desde la aeronave cisterna 13. La cesta 21 es un accesorio que recuerda a un cono-veleta o que está unido por su final estrecho con una válvula a la manguera flexible 19. La cesta 21 estabiliza a la manguera 19 en vuelo y proporciona un canal que ayuda a la inserción de la sonda 25 de la aeronave receptora 11 en la manguera 19.
El dispositivo de manguera y cesta manguera 19 está conectado a una unidad de tambor situada en una góndola 17 de la aeronave cisterna 13 en la que se enrolla cuando no está en uso. La góndola 17 puede estar situada como se ilustra en la Figura 1 en un ala de la aeronave cisterna 13 aunque también puede estar situada en la parte trasera del fuselaje.
La sonda 25 de la aeronave receptora 11 es un brazo rígido situado en el fuselaje o en la nariz de la aeronave. La sonda 25 está normalmente retraída cuando no está en uso, particularmente en aviones de alta velocidad. Al final de la sonda 25 hay una válvula que está cerrada hasta que conecta con la manguera 19, tras lo cual se abre y permite el paso del combustible desde la aeronave cisterna 13 a la aeronave receptora 11.
La operación de aproximación de una aeronave receptora 11 a una aeronave cisterna 13 para proceder a una operación de reabastecimiento en vuelo es una operación delicada que si no se realiza adecuadamente puede dar lugar a aproximaciones fallidas o, incluso, a la ruptura de la válvula de paso del combustible impidiendo pues la operación de reabastecimiento de la aeronave receptora 11.
Uno de los aspectos relevantes de la operación de aproximación es el control de la velocidad diferencial entre la aeronave receptora y la aeronave cisterna que debe encontrarse dentro de un determinado rango para lo que suelen utilizar comunicaciones por radio entre las dos aeronaves. Eso tiene el inconveniente de que la aeronave cisterna no tiene una información continuada en tiempo real de la velocidad de aproximación de la aeronave receptora que le permita dirigir eficientemente la operación.
Es también conocido el documento DE102008008273 que describe un dispositivo que tiene una fuente de radiación para producir una luz y un reflector para reflejar la luz producida. Dispone también de un detector para detectar la luz reflejada y de un dispositivo de control para controlar la fuente de radiación. El reflector es irradiado por la luz de la fuente de radiación de modo que se proporciona una imagen diferencial mediante una unidad de producción de dicha imagen diferencial. Dicha imagen diferencial se corresponde con una velocidad diferencial que se determina por las posiciones del centro de gravedad del reflector en imágenes tomadas en distintos momentos. El método divulgado por este documento involucra un elevado número de elementos técnicos complejos, como por ejemplo un emisor de luz, así como una alta complejidad computacional.
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SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Es un objeto de la presente invención proporcionar sistemas y métodos de bajo coste para calcular (especialmente en tiempo real) la diferencia de velocidad entre una aeronave receptora y una aeronave cisterna en una operación de aproximación para realizar una operación de reabastecimiento de combustible usando un dispositivo de manguera/cesta.
En un primer aspecto, ese objeto se consigue con un sistema que comprende medios de captura de una secuencia de fotogramas digitales de la operación de aproximación situados en un lugar de la aeronave cisterna que permita visualizarla lateralmente y medios computacionales dispuestos para obtener las coordenadas de la trayectoria relativa de la aeronave receptora respecto a la aeronave cisterna mediante el proceso de una secuencia de fotogramas de la operación de aproximación y para calcular a partir de dicha trayectoria la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora y la aeronave cisterna. En dicho proceso, se elige una imagen de una parte de la aeronave que se utiliza como zona patrón de búsqueda en los sucesivos fotogramas. La búsqueda de la zona patrón en cada fotograma no se realiza en el conjunto de la imagen completa del fotograma sino dentro un marco de referencia de la zona patrón del fotograma anterior con su mismo centro y un tamaño definido por un factor de escala predeterminado.
En un segundo aspecto, el objeto antes mencionado se consigue mediante un método que comprende los siguientes pasos: a) obtener una secuencia de fotogramas digitales de la operación de aproximación desde un lugar de la aeronave cisterna que permita visualizarla lateralmente; b) obtener las coordenadas 2D de la trayectoria relativa de la aeronave receptora respecto a la aeronave cisterna; c) calcular la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora y la aeronave cisterna a partir de dicha trayectoria. El paso b) comprende los siguientes sub-pasos: b1) seleccionar en el primer fotograma una zona patrón de la aeronave receptora de pequeño tamaño en la que visualice una parte de la aeronave receptora, obtener las coordenadas 2D de su centro e identificar un marco de referencia de la misma con su mismo centro igual forma y un tamaño superior al de la zona patrón en un factor de escala predeterminado; b2) buscar la zona patrón del fotograma anterior en el siguiente fotograma dentro del marco de referencia identificado en el fotograma anterior, utilizarla como nueva zona patrón, obtener y registrar las coordenadas 2D de su centro así como el instante temporal del fotograma e identificar y definir su marco de referencia; b3) repetir el sub-paso b2) para los demás fotogramas de la secuencia.
En aquellas aeronaves cisterna en las que el dispositivo de manguera/cesta se despliega desde una góndola situada en el ala de la aeronave cisterna los medios de captura de los fotogramas digitales (por ejemplo una cámara de vídeo) están situados en la parte trasera del fuselaje de la aeronave cisterna.
Ventajosamente, el cálculo de la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora y la aeronave cisterna se realiza en tiempo real.
En una realización de la invención, la zona patrón y el marco de referencia tienen forma cuadrada y el factor de escala entre el número de pixels de cada lado del marco de referencia y de la zona patrón está comprendido entre 3 y 5.
Otras características deseables y ventajas de los sistemas y métodos para el cálculo de la velocidad de aproximación en maniobras de reabastecimiento aéreo de combustible según la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención y de las reivindicaciones adjuntas, en relación con los dibujos que se acompañan.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una vista esquemática de una operación de reabastecimiento de combustible entre una aeronave cisterna y una aeronave receptora usando un dispositivo de manguera/cesta.
La Figura 2 es una vista inferior en planta de una aeronave cisterna ilustrando la posición del dispositivo de manguera/cesta y la posición de la cámara de vídeo utilizada en la presente invención.
La Figura 3 es una vista esquemática de una imagen del escenario de reabastecimiento.
La Figura 4 es una vista esquemática de una imagen del escenario de reabastecimiento ilustrando la zona patrón seleccionado para identificar a la aeronave receptora y un marco de referencia utilizado en el proceso de obtención de la velocidad de aproximación según la presente invención.
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La Figura 4a es una vista esquemática de la imagen de la zona patrón.
La Figura 5 es una vista esquemática de la imagen del escenario de reabastecimiento siguiente a la de la Figura 4.
La Figura 6 es una vista inferior en planta de una aeronave cisterna ilustrando la corrección angular que 5 debe hacerse a la velocidad de aproximación.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La Figura 2 muestra una aeronave cisterna 13 con una góndola 17 situada en un ala desde la que se
10 despliega el dispositivo de reabastecimiento de manguera y cesta 15. En esa Figura se muestra también una cámara de vídeo 31 situada en la parte trasera del fuselaje de la aeronave cisterna 13 para capturar imágenes del escenario de reabastecimiento en torno a la cesta 21.
La Figura 3 muestra una imagen tomada por la cámara de vídeo 31 en la que puede verse una aeronave receptora 11 acercándose al dispositivo de manguera y cesta 15 de la aeronave cisterna 13.
15 La cámara de vídeo 31 debe estar calibrada para poder relacionar los pixels de la imagen con las longitudes reales en el escenario del reabastecimiento para una distancia conocida del objeto fotografiado. Esa calibración puede llevarse a cabo identificando en una imagen un objeto de dimensiones conocidas como por ejemplo la cesta 21.
La invención proporciona métodos y sistemas para obtener la velocidad diferencial entre la aeronave
20 receptora 11 y la aeronave cisterna 13 procesando en un computador (no representado en las Figuras) ubicado en la aeronave cisterna 13 una secuencia de fotogramas proporcionada por la cámara de vídeo 31 de la manera que describiremos seguidamente.
El computador puede estar conectado directamente a la cámara de video 31 o recibir los fotogramas por telemetría.
25 Una cámara de vídeo 31 apropiada para la invención es, por ejemplo, una cámara que proporcione fotogramas digitales con una resolución de 704x576 pixels a una velocidad de 25 fotogramas por segundo.
El proceso comienza cuando lo desea el operador de la aeronave cisterna 13, que está viendo en una pantalla del computador mencionado anteriormente las imágenes proporcionadas por la cámara de vídeo 31, a la vista de la evolución de la operación de aproximación.
30 En ese momento inicial, representado en la Figura 4, el operador selecciona en el fotograma 35 una zona patrón 41 de la aeronave receptora 11 elegida arbitrariamente (se ha elegido la zona de la nariz de la aeronave receptora 11 pero se podría haber elegido otra zona) que determina automáticamente un marco de referencia 43 con el mismo centro, la misma forma y mayor tamaño a una escala predeterminada que queda identificado por su posición dentro del fotograma 35. Además se registran en una memoria secundaria del
35 computador las coordenadas 2D (dentro del fotograma 35) del centro de la zona patrón 41 y el instante temporal correspondiente al fotograma 35.
La zona patrón 41 y el marco de referencia 43 tienen el mismo centro y forma cuadrada. Como se sugiere en la Figura 4a la imagen de la zona patrón 41 elegida se extrae del fotograma 35 y se almacena en la memoria secundaria del computador.
40 En el siguiente fotograma 35’, representado en la Figura 5, se busca la imagen de la zona patrón 41 dentro de la imagen contenida en el marco de referencia 43 (identificado en el fotograma anterior 35) utilizando técnicas de reconocimiento de imagen y, una vez encontrada, se utiliza como nueva zona patrón 41’ y se almacena en la memoria secundaria del computador. A partir de la zona patrón 41’ se identifica en el fotograma 35’ el marco de referencia 43’ (utilizando la misma escala que el fotograma anterior) y, como en el caso anterior,
45 se registran en una memoria secundaria del computador las coordenadas 2D de la zona patrón 41’ y el instante temporal correspondiente al fotograma 35’.
En los sucesivos fotogramas n+1 se procede de análoga manera buscando la zona patrón 41n identificada en el fotograma anterior n dentro del marco de referencia 43n con centro en las coordenadas 2D identificadas en el fotograma anterior n hasta el final de la secuencia y registrando en cada fotograma n+1 las
50 coordenadas 2D del centro de la nueva zona patrón 41n+1 y el instante temporal correspondiente a cada fotograma n+1.
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Paralelamente al proceso de imágenes mencionado se utiliza la trayectoria definida por las coordenadas 2D del centro de dicha zona patrón 41 en la secuencia de fotogramas para determinar la velocidad diferencial entre la aeronave cisterna 13 y la aeronave receptora 11, utilizando como herramienta para calcular la derivada de la trayectoria un filtro digital tal como, por ejemplo, el superlanczos de orden 5.
5 En una realización de la invención, en la que se utilizan fotogramas de 704x576 pixels se utiliza una zona patrón de 26x26 pixels y un marco de referencia de 80x80 pixels, procesándose los 25 fotogramas por segundo proporcionados por la cámara de vídeo 31.
Como se representa en la Figura 6, cuando la orientación de la cámara de vídeo 31 en relación con el punto de contacto C de la aeronave receptora con el dispositivo de manguera y cesta (recta OC) no forma un
10 ángulo de 90º con la trayectoria de la aeronave receptora (paralela a la de la aeronave cisterna) es preciso corregir la velocidad diferencial calculada VA dividiéndola por el cosβ, que es un dato conocido en una aeronave cisterna determinada.
Esa velocidad diferencial así como la propia trayectoria se pueden representar en la misma pantalla en la que se visualizan las imágenes capturadas por la cámara de vídeo 31.
15 A la vista de lo expuesto, cabe destacar como características básicas del proceso mencionado:
-En cada operación de reabastecimiento se elige la zona patrón 41 por lo que el proceso es aplicable a cualquier tipo de aeronave receptora.
-Se puede efectuar la búsqueda de la zona patrón 41 (de pequeño tamaño) dentro de un marco de referencia de un tamaño mucho menor al de la imagen completa del fotograma porque se puede asumir que el
20 desplazamiento de la aeronave receptora entre dos fotogramas tiene lugar dentro del marco de referencia definido en el primero de ellos. Ello reduce drásticamente las necesidades computacionales y permite realizar el cálculo en tiempo real.
-El sistema tiene un coste bajo (requiere una cámara de vídeo y un computador convencionales) en comparación con sistemas alternativos como, por ejemplo, un sistema de radar.
25 Aunque la presente invención se ha descrito en relación con varias realizaciones, debe entenderse a partir de lo dicho que pueden hacerse combinaciones de elementos, variaciones o mejoras que están dentro del alcance de la invención.

Claims (9)

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    15
    20
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    REIVINDICACIONES
    1.-Sistema para calcular la diferencia de velocidad entre una aeronave receptora (11) y una aeronave cisterna (13) en una operación de aproximación para realizar una operación de reabastecimiento de combustible usando un dispositivo de manguera/cesta (15), caracterizado porque comprende:
    a) medios de captura (31) de una secuencia de fotogramas digitales del escenario de la operación de aproximación situados en un lugar de la aeronave cisterna (13) que permita visualizar lateralmente dicho escenario, estando dichos medios de captura (31) calibrados para poder conocer la longitud real correspondiente a un pixel de un fotograma para una distancia conocida del objeto fotografiado;
    b) medios computacionales dispuestos para:
    b1) obtener las coordenadas de la trayectoria relativa de la aeronave receptora (11) respecto a la aeronave cisterna (13) mediante el proceso de una secuencia de fotogramas (35, 35’, 35’’, …) de la operación de aproximación obtenida por dichos medios de captura (31) en el que:
    -tras la selección en el primer fotograma (35) de una zona patrón (41) de un tamaño predeterminado en la que se visualice una parte de la aeronave receptora (11), el registro de las coordenadas 2D de su centro y la identificación de un marco de referencia (43) de la misma con su mismo centro, igual forma y un tamaño superior al de la zona patrón (41) en un factor de escala predeterminado,
    -se identifica en cada fotograma posterior al primero (35’, 35’’, …) una nueva zona patrón (41’, 41’’, …) y un nuevo marco de referencia (43’, 43’’, …) de la misma, con las mismas características que en el primer fotograma (35), buscando la imagen de la zona patrón (41, 41’, …) del fotograma anterior (35, 35’, …) en su marco de referencia (43, 43’, …),
    -y se registran las coordenadas 2D del centro de la nueva zona patrón (41’, 41’’, …) y el instante temporal del fotograma;
    b2) calcular la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora (11) y la aeronave cisterna (13) a partir de la trayectoria definida por las coordenadas registradas en el proceso b1).
  2. 2.-Sistema según la reivindicación 1, en el que el dispositivo de manguera/cesta (15) es del tipo de los se despliega desde una góndola (17) situada en el ala de la aeronave cisterna (13) caracterizado por que dichos medios de captura (31) están situados en la parte trasera del fuselaje de la aeronave cisterna (13).
  3. 3.-Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que el cálculo de la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora (11) y la aeronave cisterna (13) se realiza en tiempo real.
  4. 4.-Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la zona patrón (41, 41’, …) y el marco de referencia (43, 43’, …) tienen forma cuadrada.
  5. 5.-Sistema según la reivindicación 4, en el que el factor de escala entre el número de pixels de cada lado del marco de referencia (43, 43’, …) y de la zona patrón (41, 41’, …) está comprendido entre 3 y 5.
  6. 6.-Método para calcular la diferencia de velocidad entre una aeronave receptora (11) y una aeronave cisterna (13) en una operación de aproximación para realizar una operación de reabastecimiento de combustible usando un dispositivo de manguera/cesta (15), caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
    a) obtener una secuencia de fotogramas digitales (35, 35’, …) de la operación de aproximación desde un lugar de la aeronave cisterna (13) que permita visualizar lateralmente dicho escenario, conociendo la longitud real correspondiente a un pixel de un fotograma para una distancia conocida del objeto fotografiado;
    6
    b) obtener las coordenadas 2D de la trayectoria relativa de la aeronave receptora (11) respecto a la aeronave cisterna (13) mostrada en dicha secuencia de fotogramas (35, 35’, …) mediante los siguientes subpasos:
    b1) seleccionar en el primer fotograma (35) una zona patrón (41) de la aeronave receptora (11) de
    5 pequeño tamaño en la que visualice una parte de la aeronave receptora (11), obtener y registrar las coordenadas 2D de su centro e identificar un marco de referencia (43) de la zona patrón (41) con su mismo centro, igual forma y un tamaño superior al de la zona patrón en un factor de escala predeterminado;
    b2) buscar la zona patrón (41) del fotograma anterior (35) en el siguiente fotograma (35’) dentro del marco de referencia (43) identificado en el fotograma anterior (35) y, una vez encontrada, utilizarla como nueva
    10 zona patrón (41’), obtener y registrar las coordenadas 2D de su centro así como el instante temporal del fotograma (35’) e identificar y definir el marco de referencia (43’) de la nueva zona patrón (41’) de igual manera que en el sub-paso anterior;
    b3) repetir el sub-paso b2) para los demás fotogramas de la secuencia;
    c) calcular la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora (11) y la aeronave cisterna (13) a 15 partir de la trayectoria definida por las coordenadas 2D del centro de cada zona patrón (41, 41’, 41’’, …) registradas en el paso b).
  7. 7.-Método según la reivindicación 6, en el que el dispositivo de manguera/cesta (15) es del tipo de los que se despliega desde una góndola (17) situada en el ala de la aeronave cisterna (13) caracterizado por que los 20 fotogramas (35, 35’, …) se obtienen desde la parte trasera del fuselaje de la aeronave cisterna (13).
  8. 8.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, en el que se calcula en tiempo real la diferencia de velocidad entre la aeronave receptora (11) y la aeronave cisterna (13).
    25 9.-Método según cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en el que la zona patrón (41, 41’, …) y el marco de referencia (43, 43’, …) tienen forma cuadrada.
  9. 10.-Método según la reivindicación 9, en el que el factor de escala entre el número de pixels de cada lado del marco de referencia (43, 43’, …) y de la zona patrón (41, 41’, …) está comprendido entre 3 y 5.
    30
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