ES3036714A1 - Sistema y método de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión y sistema de navegación de dicho objeto - Google Patents
Sistema y método de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión y sistema de navegación de dicho objetoInfo
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Abstract
Sistema y método de posicionamiento relativo respecto a una superficie objetivo basado en visión, caracterizado porque comprende: - al menos tres marcadores de referencia (1) situados en la superficie objetivo en los vértices de un triángulo equilátero (2) visto desde una vista cenital a dicha superficie objetivo, - al menos un dispositivo de formación de imágenes situado en el objeto, - un medio de procesamiento configurado para recibir y procesar las imágenes (4) capturadas configurado para: detectar los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida, identificar el centroide (5) de un triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida, circunscribir los marcadores de referencia (1) mediante una elipse circunscrita (6), determinar la posición relativa respecto a la superficie objetivo mediante la relación entre la elipse circunscrita (6) y la posición de los marcadores de referencia (1).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema y método de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión y sistema de navegación de dicho objeto
Campo de la invención
La invención se refiere a un sistema a un método de estimación de la posición de un objeto relativa a una superficie objetivo. El método podría utilizarse como parte de los sistemas de navegación de vehículos, tales como aeronaves, para lograr un posicionamiento preciso y/o proporcionar redundancia a los sistemas de posicionamiento tradicionales en entornos complejos, por ejemplo, con un Sistema de Negación Global por Satélite (GNSS) negado.
Antecedentes de la invención
La navegación basada en visión (VBN) se refiere al uso de datos adquiridos ópticamente, mediante cámaras, para fines de navegación.
Los tres pasos principales de la navegación basada en visión (VBN) son típicamente los siguientes:
a) Captura de una imagen de una parte del entorno que rodea a un objeto. Esta imagen contendrá la información que permitirá generar una medición de posición.
b) Extraer y procesar información de la imagen capturada para generar la medición de posición. En este paso se suelen utilizar técnicas de visión computacional como el reconocimiento de patrones, la detección e identificación de objetos o la estimación de movimiento con odometría visual.
c) Filtrar las mediciones para calcular una estimación óptima de la posición.
Se sabe que el aterrizaje en pistas sin pavimentar hace que dicha operación sea más exigente de lo habitual. En estos casos, no se suele disponer de aproximaciones por instrumentos con alcance omnidireccional de muy alta frecuencia (VOR), equipos de medición de distancias (DME) y, mucho menos, de sistemas de aterrizaje por instrumentos (ILS). En los aeropuertos, los Sistemas de Aumentación en Tierra (ILS/GBAS) que permiten aterrizajes asistidos son hoy en día la principal forma de facilitar la tarea de pilotaje durante esta fase. Gracias a estos sistemas, las desviaciones de la aeronave respecto a la aproximación ideal pueden calcularse y utilizarse en las leyes de guiado. Sin embargo, estos sistemas son costosos y su disponibilidad se limita a los aeropuertos que han desplegado la infraestructura necesaria.
Además, en el caso de las pistas sin pavimentar, basarse únicamente en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) plantea algunos problemas.
Los sistemas basados en visión conocidos suelen tener un alcance limitado, y el vehículo aéreo debe estar cerca del objetivo para lograr una localización precisa.
Además, un sistema basado en visión puede verse afectado por condiciones de iluminación como el deslumbramiento y las sombras, que dificultan la visión de algunas características en pistas sin pavimentar. En determinados entornos, como los terrenos sin accidentes, la nieve y los desiertos, no se pueden utilizar métodos basados en visión porque no hay características visuales distintivas en el entorno.
Sumario de la invención
Es el objetivo de la invención estimar la posición del objeto, por ejemplo, una aeronave, respecto a una superficie objetivo. Para ello el sistema objeto de la invención permite estimar la posición relativa de dicho objeto en coordenadas esféricas, proporcionando sendos ángulos y una distancia, lo que posiciona tridimensionalmente al objeto. Más específicamente, el sistema y método objeto de la invención permite proporcionar la distancia, la elevación y el acimut del objeto respecto a un patrón situado sobre la superficie objetivo.
Según lo anterior, es objeto de la presente invención un sistema de estimación de la posición relativa de un objeto con respecto a una superficie objetivo basado en visión, que comprende:
- Al menos tres marcadores de referencia configurados para estar situados en la superficie objetivo de forma que estén situados en los vértices de un triángulo equilátero visto desde un vista cenital a dicha superficie objetivo, donde los tres vértices tienen un centroide. El centroide de dicho triángulo corresponde al origen del sistema de referencia que se utilizará para el posicionamiento relativo. Visto desde una vista cenital, los tres marcadores de referencia podrían ser circunscritos por una circunferencia denominada circunferencia circunscrita.
- Al menos un dispositivo de formación de imágenes, configurado para estar situado en el objeto, siendo el objeto capaz de realizar una localización espacial de los marcadores de referencia, y para capturar imágenes de la superficie objetivo que incluyen los marcadores de referencia, donde el dispositivo de formación de imágenes posee una distancia focal.
- Un medio de procesamiento configurado para recibir y procesar las imágenes capturadas por el al menos un dispositivo de formación de imágenes y configurado para:
<o>detectar los marcadores de referencia en la imagen recibida,
<o>identificar el centroide de un triángulo formado por los marcadores de referencia en la imagen recibida,
<o>circunscribir en la imagen recibida los marcadores de referencia mediante una elipse circunscrita con centro en el centroide del triángulo y que pase por los vértices del triángulo,
<o>determinar la posición relativa del objeto respecto a la superficie objetivo según sus coordenadas geométricas esféricas distancia, elevación y acimut mediante la relación geométrica en la imagen recibida entre los semiejes y el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita y la posición de los marcadores de referencia y del radio de su circunferencia circunscrita.
Según lo anterior, el medio de procesamiento dispone de los datos de entrada proporcionados por los tres marcadores de referencia que constituyen unas coordenadas bidimensionales en píxeles en la imagen tomada por el dispositivo de formación de imágenes.
Según la invención reivindicada, el triángulo equilátero formado por los tres marcadores de referencia puede ser circunscrito por una circunferencia. Cuando ese triángulo se ve en perspectiva, es decir, desde un objeto, por ejemplo, una aeronave que se aproxima a una pista de aterrizaje, el triángulo deja de ser equilátero. La circunferencia circunscrita se percibe entonces como una elipse, cuyos parámetros pueden determinarse analíticamente sobre la imagen tomada. Esta elipse se denomina elipse circunscrita de Steiner, que es la única elipse que pasa por los tres vértices y tiene centro en el centroide del triángulo.
De acuerdo con lo anterior, el objetivo de la invención reivindicada es obtener la estimación de la posición relativa de un objeto.
La invención resuelve por lo tanto la estimación de la posición 3D relativa de un objeto mediante el dispositivo de captura de imágenes y los objetos observados en la imagen capturada.
Además, la instalación de marcadores de referencia en la superficie objetivo, por ejemplo, en el terreno objetivo, podría permitir la creación de un sistema de aterrizaje de bajo coste y fácilmente transportable.
Varios tipos de objetos podrían beneficiarse del sistema de la invención: aviones, helicópteros, drones, cohetes reutilizables de primera etapa, vehículos no tripulados, etc.
Una aplicación específica del sistema y método objeto de la invención podría ser una ayuda al aterrizaje en pistas no pavimentadas, reduciendo así la carga de trabajo del piloto. Otras aplicaciones podrían ser el posicionamiento relativo durante maniobras de reabastecimiento en vuelo, el aterrizaje en heliplataformas pequeñas o móviles, la guía de aterrizaje para el aterrizaje vertical retropropulsivo de una etapa de cohete reutilizable, como ayuda al aterrizaje de multicópteros, etc.
Otra aplicación en la que el aterrizaje basado en visión (VBL) resulta de gran ayuda es cuando la superficie de aterrizaje está en movimiento, por ejemplo, en cubiertas de buques o portaaviones, ya que unos pocos centímetros de diferencia pueden poner en peligro y comprometer la misión. La invención es capaz de determinar la posición relativa en 3D en estos escenarios en los que a menudo no se dispone de ayudas para el aterrizaje.
Además, la capacidad de aterrizar con precisión en terrenos no pavimentados y en entornos sin GPS facilitaría la logística de las misiones humanitarias.
El sistema reivindicado podría reducir la fatiga de la tripulación y los costes de formación de la misma, proporcionando así operaciones más eficaces en, por ejemplo, el reabastecimiento en vuelo.
Para la determinación del número de marcadores de referencia se tiene en cuenta el conjugar los dos siguientes aspectos:
<o>Utilizar el menor número posible de marcadores.
<o>Permitir la detección de la posición 3D del objeto.
Colocar tres marcadores de referencia como si fueran los vértices de un triángulo equilátero es suficiente para resolver el posicionamiento 3D de forma analítica, siempre que se cumpla la hipótesis de que el objeto se encuentra dentro de un sector de acimut de 120° ya que hay tres soluciones posibles en acimut y es necesario resolver la ambigüedad. Esta hipótesis suele ser aplicable a muchos de los escenarios descritos.
El sistema objeto de la invención proporciona resultados precisos incluso con una cámara básica como dispositivo de captura de imágenes. La presente invención incluye el método para convertir las coordenadas de píxeles 2D de los tres puntos de referencia en la imagen capturada en una posición 3D relativa con respecto al centroide del triángulo formado por los puntos de referencia. Por lo tanto, el método determina la posición 3D relativa con respecto al centroide del triángulo equilátero formado por los puntos de referencia, a partir de las coordenadas de píxeles 2D de dichos puntos de referencia. De este modo, los marcadores de referencia facilitan la tarea de procesamiento de imágenes.
Por lo tanto, el sistema y el método reivindicados comprenden una solución que proporciona resultados tanto precisos como rápidos de calcular.
El sistema reivindicado posee las siguientes ventajas:
• Es capaz de utilizar imágenes de uno o más dispositivos de formación de imágenes, por ejemplo, cámaras, instalados en el objeto para estimar su posición 3D, sensores infrarrojos, etc.
• Es un sistema potencialmente certificable bajo la normativa aeronáutica. Esto es debido a la naturaleza determinista del método.
• Inicialmente, está destinado a ser utilizado como sistema externo de ayuda a la navegación, además de las arquitecturas de sensores certificadas, por ejemplo, ADIRUS (Air Data Inertial Reference Unit) y GPS en las plataformas civiles. • Es compatible con los protocolos actuales del Sistema de Gestión de Vuelo para poder integrarse en diferentes arquitecturas de aviónica.
• Es ligero.
• Es de bajo consumo de energía.
• Es de bajo coste.
• Permite procesamiento en tiempo real, es decir, el algoritmo posee un tiempo de procesamiento bajo.
• Es fiable e íntegro.
• Fácil de instalar y mantener.
• Los marcadores son capaces de ser detectados desde una gran distancia.
Según lo comentado anteriormente, este sistema de posicionamiento se ha aplicado para desarrollar una solución que permite aterrizar una aeronave con precisión sin necesidad de infraestructuras complejas y a bajo coste. Este innovador sistema de aterrizaje permite aplicaciones específicas como el aterrizaje en pistas sin pavimentar, según lo ya indicado.
Adicionalmente, el sistema de posicionamiento relativo reivindicado podría también utilizarse como parte de los sistemas de navegación de un objeto para lograr un posicionamiento preciso y/o proporcionar redundancia de estimación además de los sensores de posicionamiento tradicionales.
Es también objeto de la invención un sistema de navegación que comprende un sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión según lo explicado anteriormente.
Es también objeto de la presente invención un método de estimación de la posición de un objeto con respecto a una superficie objetivo, que comprende las siguientes etapas:
- proporcionar al menos tres marcadores de referencia situados en la superficie objetivo de forma que estén situados en los vértices de un triángulo equilátero visto desde una vista cenital, donde el triángulo equilátero tiene un centroide y una circunferencia circunscrita,
- proporcionar al menos un dispositivo de formación de imágenes situado en el objeto para capturar imágenes de la superficie objetivo que incluyen los marcadores de referencia, donde el dispositivo de formación de imágenes posee una distancia focal,
- proporcionar un medio de procesamiento que reciba y procese las imágenes capturadas recibidas del al menos un dispositivo de formación de imágenes que:
<o>detecte los marcadores de referencia en la imagen recibida,
<o>identifique el centroide del triángulo formado por los marcadores de referencia en la imagen recibida,
<o>circunscriba en la imagen recibida los marcadores de referencia mediante una elipse circunscrita con centro en el centroide del triángulo y que pasa por los vértices del triángulo,
<o>determine la posición del objeto respecto a la superficie objetivo según sus coordenadas geométricas esféricas: distancia, elevación y acimut, mediante la relación geométrica en la imagen recibida entre los semiejes y el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita y la posición de los marcadores de referencia y del radio de su circunferencia circunscrita.
Descripción de las figuras
Para completar la descripción y proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integrante de la descripción e ilustran realizaciones preferidas de la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras.
La figura 1 muestra una representación esquemática de tres marcadores de referencia situados en los vértices de un triángulo equilátero que tiene un centroide, estando los tres vértices circunscritos por una circunferencia.
La figura 2 muestra una imagen capturada desde una aeronave de una pista de aterrizaje y despegue y sus alrededores, en la que aparecen tres marcadores de referencia situados en la pista de aterrizaje y despegue vistos desde un vista cenital.
La figura 3 muestra una imagen capturada desde una aeronave de la pista de la figura 2 y sus alrededores en la que se aprecian tres marcadores de referencia situados en la pista vistos desde una aeronave que se aproxima a la pista.
La figura 4 muestra una representación esquemática de tres marcadores de referencia situados en los vértices de un triángulo isósceles; los tres vértices están circunscritos por una elipse.
La figura 5 muestra las coordenadas polares tridimensionales que posicionan un objeto: distancia, elevación y acimut.
La figura 6 es una representación esquemática de una cámara, el plano de imagen de la cámara y el objeto observado en el espacio 3D.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 muestra una representación esquemática de tres marcadores de referencia (1) situados en los vértices de un triángulo equilátero (2) que tiene un centroide (5). Los tres vértices están circunscritos por una circunferencia (3).
Los tres marcadores de referencia (1) están situados en la superficie objetivo. La superficie objetivo puede ser una pista de aterrizaje, como se muestra en las figuras 2 y 3. Alternativamente, las cubiertas de buques o portaaviones también pueden ser una superficie objetivo.
La figura 2 muestra una imagen de una pista de aterrizaje (8) y sus alrededores capturada desde una aeronave (10). Los tres marcadores de referencia (1) están situados en la pista de aterrizaje (8) y se ven desde una vista cenital. Los tres marcadores de referencia (1) forman un triángulo equilátero (2) visto desde dicha vista cenital.
Las imágenes (4) capturadas de las figuras 2 y 3 se toman desde al menos un dispositivo de captura de imágenes situado en una aeronave (10).
De las imágenes (4) capturadas de las figuras 2 y 3 se desprende claramente que, visto desde arriba, es decir, cenitalmente, es un triángulo equilátero (2). Existiría una circunferencia circunscrita (3) que pasa por los vértices del triángulo equilátero (2). Sin embargo, visto en perspectiva, como en la figura 3, el triángulo equilátero (2) dejaría de ser equilátero. En ese caso, la circunferencia circunscrita (3) se convertiría en una elipse circunscrita (6) tal y como se ve en la figura 4.
De acuerdo con lo anterior, los medios de procesamiento están configurados para recibir y procesar las imágenes (4) capturadas recibidas del al menos un dispositivo de formación de imágenes y configurados para:
<o>detectar los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida,
<o>identificar el centroide (5) del triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida,
<o>circunscribir en la imagen (4) recibida los marcadores de referencia (1) mediante una elipse circunscrita (6) con centro en el centroide (5) del triángulo (7) y que pase por los vértices del triángulo (7),
<o>determinar la posición relativa del objeto respecto a la superficie objetivo según sus coordenadas geométricas esféricas: distancia, elevación y acimut, mediante la relación geométrica en la imagen (4) recibida entre los semiejes y el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y la posición de los marcadores de referencia (1) y del radio de su circunferencia circunscrita (3).
Dichas coordenadas geométricas esféricas se representan en el figura 5 respecto al objeto aeronave (10). Las coordinadas geométricas esféricas son la distancia, la elevación y el acimut.
Los parámetros que definen a la elipse circunscrita (6), elipse de Steiner, tienen una solución analítica. Es la única elipse que pasa por los vértices de un triángulo y tiene como centro el centroide del triángulo (7). La elipse circunscrita (6) de Steiner es también la elipse de menor área que pasa por los vértices.
Los parámetros de la elipse circunscrita (6) son conocidos. Con ellos, como se ha explicado anteriormente, se puede realizar una estimación de la posición relativa de forma analítica. La estimación visual de la posición es el proceso de estimar la posición del objeto basándose en los datos proporcionados, por ejemplo, por una cámara (9).
El semieje mayor de la elipse circunscrita (6) mide lo mismo para cualquier acimut considerando una distancia al objeto constante. El semieje menor de la elipse circunscrita (6) varía sus dimensiones en función de la elevación del objeto sobre el objetivo para una misma distancia.
La distancia, es la distancia de la cámara al centro de la elipse. Sabiendo la distancia focal de la cámara y las medidas reales del patrón y las percibidas en la imagen (4) es posible calcular la distancia a la que estoy viendo ese punto.
En el ejemplo de realización de la figura 6, el marco del dispositivo de formación de imágenes x - y - z es un marco tridimensional con el origen como centro de proyección y tiene su eje z apuntando en la dirección objetivo. El marco de la imagen (4) u - v es un marco bidimensional con los ejes u y v paralelos a los ejes x e y del marco del dispositivo de formación de imágenes, respectivamente. Es posible relacionar las coordenadas tridimensionales (x, y, z) con las coordenadas de la imagen (u, v) de la siguiente manera:
o
Donde f es la distancia focal del dispositivo de formación de imágenes, u o v es el tamaño mayor de los semiejes de la elipse circunscrita (6) en la imagen (4) recibida, x o y son los radios reales del tamaño de la circunferencia circunscrita (3) y z la distancia desde el dispositivo de formación de imágenes a los marcadores de referencia (1).
f es una constante para un modelo de cámara específico y, para las ecuaciones anteriores, sus dimensiones están en píxeles. Se seleccionará un parámetro del marcador de referencia (1) para introducir en la ecuación tanto su dimensión real (x) como su longitud medida sobre la imagen (4) (u). Este parámetro es el semieje mayor de la elipse circunscrita (6).
Por lo tanto, en un ejemplo de realización para estimar la distancia del objeto respecto a los marcadores de referencia (1) el medio de procesamiento está configurado para calcular la relación geométrica utilizando la siguiente ecuación:
dondefes la distancia focal del dispositivo de formación de imágenes,ves el tamaño del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) en la imagen (4) recibida,yes el radio real del tamaño de la circunferencia circunscrita (3) y z la distancia del objeto a los marcadores de referencia (1).
En otro ejemplo de realización para estimar la elevación del objeto respecto a los marcadores de referencia (1) el medio de procesamiento está configurado para calcular la relación geométrica mediante el arcoseno de la relación entre el semieje menor y el semieje mayor de la elipse circunscrita (6).
En otro ejemplo de realización para estimar el acimut del objeto respecto a los marcadores de referencia (1) el medio de procesamiento está configurado para calcular el ángulo entre el semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y uno de los lados del triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida desde una vista cenital a la superficie objetivo.
El semieje mayor de la elipse circunscrita proporciona información del acimut del objeto. Dicho semieje mayor es perpendicular al vector que une el objeto con el origen proyectado en el plano, pero sólo si lo vemos desde una vista cenital. Al deformar la imagen por estar en otra vista ya no se cumple. En un ejemplo de realización el medio de procesamiento está configurado para deshacer esa deformación y tratar de replicar la vista cenital.
El cálculo de dicho ángulo se puede realizar de diversos modos. En un ejemplo de realización el medio de procesamiento está configurado para calcular la inelipse de Steiner del triángulo (7) de los marcadores de referencia (1) y aplicar el teorema de Marden para el cálculo del ángulo entre el semieje mayor de dicha inelipse de Steiner y uno de los lados del triángulo (7), la base por ejemplo, que coincide con el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y la base del triángulo (7).
Más concretamente, partiendo de la base del Teorema de Marden:
Supóngase que los tres ceros complejos de un polinomio p(z) de tercer grado son z1, z2 y z3 y supóngase que estos tres puntos del plano complejo no sean colineales. Entonces existe una única elipse inscrita en el triángulo de vértices z1, z2, z3 y tangente a los lados en sus puntos medios: la inelipse de Steiner. Los focos de dicha elipse son precisamente los ceros del polinomio derivado p' (z).
La inelipse de Steiner, es una inelipse tangente a los lados del triángulo en sus puntos medios y tiene el área máxima de cualquier inelipse. También es la imagen de la circunelipse de Steiner en la homotecia con centro homotético G y razón de similitud 1/2. El significado de esto es que el eje de simetría de la inelipse de Steiner tendrá la misma dirección que la circunelipse de Steiner. Los focos de cualquier elipse están en el eje mayor y, aprovechando el teorema de Marden, la obtención de sus coordenadas se facilita.
Por último, para obtener el ángulo entre el eje mayor de la elipse y el eje de un lado del triángulo, por ejemplo, la base del triángulo, se restan los focos de la inelipse de Steiner y se calcula el ángulo del número complejo resultante. Éste es el ángulo que define el acimut del objeto.
En un ejemplo de realización, el sistema comprende un cuarto marcador de referencia (1) localizado en uno de los lados del triángulo equilátero (2) para determinar unívocamente el acimut. De este modo se resuelve la ambigüedad en la determinación del acimut, ya que, según los métodos de cálculo, es posible obtener tres soluciones de acimut si se utilizan tres puntos de referencia.
Uno de los primeros aspectos que hay que resolver es determinar cómo deben ser los marcadores de referencia: de qué tipo, qué tamaño, cuántos, etc.
En un ejemplo de realización, los tres marcadores de referencia (1) son objetivos cooperativos pasivos. Los objetivos cooperativos pasivos, en oposición a los objetivos cooperativos activos, son más sencillos, es decir, mecánicamente menos complicados. Los objetivos cooperativos activos iluminan activamente la escena, tienen objetivos parpadeantes o algún otro mecanismo activo. Un ejemplo de este tipo de marcadores de referencia (1) activos podrían ser luces infrarrojas.
Más concretamente, los tres marcadores de referencia (1) pueden ser círculos, como se muestra en las figuras 2 y 3. Y más concretamente, los círculos pueden ser círculos blancos.
Las ventajas de utilizar círculos blancos como objetivos cooperativos pasivos son las siguientes:
<o>Los objetivos cooperativos son una ayuda óptica a la navegación. El objetivo a buscar se conoce de antemano. Por tanto, los algoritmos pueden adaptarse a ellos, lo que se traduce en una gran eficacia y precisión.
<o>Los círculos se detectan con solidez y son, en su mayoría, insensibles a traslaciones y rotaciones.
<o>Los círculos blancos no son una figura geométrica habitual que pueda aparecer en las imágenes aéreas.
<o>Se desea que el marcador de referencia (1) se vea desde la mayor distancia posible. Un círculo liso, sin elementos en su interior cumple esta característica.
En un ejemplo de realización, los centros de los círculos forman los vértices de los triángulos (3, 7).
En un ejemplo de realización, el patrón es un patrón recursivo, por ejemplo, dentro de los tres círculos habría otros tres círculos y así sucesivamente. Esto es así, ya que, al acercarse el objeto al objetivo, el objeto puede ya tener fuera de su campo de visión los tres círculos exteriores.
En otro ejemplo de realización, los objetivos cooperativos pasivos están pintados con una pintura que contiene dióxido de titanio. Así, los círculos blancos están pintados con dióxido de titanio.
En otro ejemplo de realización, los objetivos cooperativos pasivos forman parte de una funda que se sitúa sobre la superficie objetivo. Así, la funda que comprende, por ejemplo, los círculos blancos, se extiende sobre el suelo. Los círculos pueden coserse a la funda, pintarse, pegarse, etc.
De acuerdo con lo anterior, en un ejemplo de realización, para determinar la posición 3D de una aeronave (10), deben detectarse los círculos blancos del marcador de referencia (1). En particular, los centros de los círculos son los parámetros buscados. Para obtenerlos, se utilizan técnicas de visión computacional. Entonces, se espera que, si se elige correctamente el umbral que discrimina si un píxel es blanco o negro, en una imagen binarizada aparezcan los círculos blancos.
Una vez conseguidos los centros en este punto es necesario calcular la elipse circunscrita (6) que pasa por los vértices del triángulo (7).
En un ejemplo de realización, el dispositivo de formación de imágenes está situado en una aeronave (10), preferiblemente, está instalado en un eje longitudinal de la aeronave (10).
En un ejemplo de realización, la superficie objetivo es una pista de aterrizaje (8) y los marcadores de referencia (1) están situados en el inicio de la pista de aterrizaje (8) en su eje longitudinal como se muestra en las figuras 2 y 3.
El dispositivo de formación de imágenes puede ser una cámara.
Existen varios tipos de cámaras (9) que utilizan tecnologías la luz estructurada. Sin embargo, para el aterrizaje basado en visión (VBL) la selección preferentemente se reduce a cámaras (9) monoculares y estereoscópicas. La selección de la cámara (9) influirá en el diseño de los marcadores de referencia (1). Preferiblemente, la elección es utilizar una cámara (9) monocular.
En un ejemplo de realización, la cámara (9) es una cámara de escala de grises. Si la cámara (9) instalada capturase imágenes en color, un paso intermedio en el proceso de visión por ordenador sería convertir la imagen RGB en una imagen de intensidad en escala de grises. Por lo tanto, la mejor opción es instalar en la aeronave (10) una cámara (9) de escala de grises. Esto se debe a que:
<o>Cuando se carga en memoria, una imagen en escala de grises ocupa un tercio del espacio necesario para una imagen RGB.
<o>Como una imagen en escala de grises tiene un tercio de los datos, requiere menos potencia de cálculo para procesarla y puede reducir el tiempo de cálculo.
<o>Una imagen en escala de grises es conceptualmente más simple que una imagen RGB, por lo que el desarrollo de un algoritmo de tratamiento de imágenes puede ser más sencillo cuando se trabaja con escala de grises.
Para cumplir la definición exacta de estimación de la posición del objeto, por ejemplo, una aeronave (10), también debe obtenerse la orientación de la aeronave (10). El sistema objeto de la invención permite obtener la orientación de la aeronave, por ejemplo, en la forma de ángulos de alabeo, cabeceo y guiñada.
- Alabeo: mediante trigonometría se podría obtener el ángulo.
- Cabeceo: el centro de la elipse circunscrita (6) aparecerá más alto en la imagen captada (4) a medida que aumente el cabeceo de la aeronave (10). Mediante trigonometría se obtiene el ángulo.
- Guiñada: a medida que la aeronave (10) guiña, el centro de la elipse circunscrita (6) se desplaza hacia la izquierda o la derecha en la imagen (4) captada. Mediante trigonometría, se obtiene el ángulo.
Es también objeto de la invención un sistema de navegación que comprende un sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión según lo explicado anteriormente.
Claims (1)
- REIVINDICACIONES 1.- Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, caracterizado porque comprende: - al menos tres marcadores de referencia (1) configurados para estar situados en la superficie objetivo de forma que estén situados en los vértices de un triángulo equilátero (2) visto desde una vista cenital a dicha superficie objetivo, donde el triángulo equilátero (2) tiene un centroide (5) y una circunferencia circunscrita (3), - al menos un dispositivo de formación de imágenes configurado para estar situado en el objeto y para capturar imágenes (4) de la superficie objetivo que incluyen los marcadores de referencia (1), donde el dispositivo de formación de imágenes posee una distancia focal, - un medio de procesamiento configurado para recibir y procesar las imágenes (4) capturadas por el al menos un dispositivo de formación de imágenes y configurado para: <o>detectar los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida, <o>identificar el centroide (5) de un triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida, <o>circunscribir en la imagen (4) recibida los marcadores de referencia (1) mediante una elipse circunscrita (6) con centro en el centroide (5) del triángulo (7) y que pase por los vértices del triángulo (7), <o>determinar la posición relativa del objeto respecto a la superficie objetivo según sus coordenadas geométricas esféricas: distancia, elevación y acimut, mediante la relación geométrica en la imagen (4) recibida entre los semiejes y el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y la posición de los marcadores de referencia (1) y del radio de su circunferencia circunscrita (3). 2.- Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según la reivindicación 1, caracterizado porque para estimar la distancia del objeto respecto a los marcadores de referencia (1) el medio de procesamiento está configurado para calcular la relación geométrica utilizando la ecuación:dondefes la distancia focal del dispositivo de formación de imágenes,ves el tamaño del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) en la imagen (4) recibida,yes el radio del tamaño de la circunferencia circunscrita (3) en la superficie objetivo y z la distancia del objeto a los marcadores de referencia (1). 3. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para el cálculo de la elevación del objeto respecto a la superficie objetivo el medio de procesamiento está configurado para calcular el arcoseno de la relación entre el semieje menor y el semieje mayor de la elipse circunscrita (6). 4. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para el cálculo del acimut del objeto respecto a la superficie objetivo el medio de procesamiento está configurado para calcular el ángulo entre el semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y uno de los lados del triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida en una vista cenital a la superficie objetivo. 5. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según la reivindicación 4, caracterizado porque para calcular el ángulo entre el semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y el lado del triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) el medio de procesamiento está configurado para calcular la inelipse de Steiner del triángulo (7) de los marcadores de referencia (1) y aplicar el teorema de Marden para el cálculo del ángulo entre el semieje mayor de la inelipse de Steiner y el lado del triángulo (7) que coincide con el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y el lado del triángulo (7). 6. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un cuarto marcador de referencia (1) localizado en uno de los lados del triángulo equilátero (2) para la determinación unívoca del acimut. 7. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tres marcadores de referencia (1) son objetivos cooperativos pasivos. 8. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según la reivindicación 7, caracterizado porque los tres marcadores de referencia (1) son círculos. 9. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según reivindicación 8, caracterizado porque los centros de los círculos forman los vértices de los triángulos (3, 7). 10. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque los círculos son círculos blancos. 11. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10 anteriores, caracterizado porque los objetivos cooperativos pasivos están pintados con una pintura que comprende dióxido de titanio. 12. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 anteriores, caracterizado porque los objetivos cooperativos pasivos forman parte de una funda configurada para situarse sobre la superficie objetivo. 13. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el objeto es una aeronave (10) y el dispositivo de formación de imágenes está configurado para ser instalado en un eje longitudinal de la aeronave (10). 14. - Sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, según la reivindicación 13, caracterizado porque la superficie objetivo es una pista de aterrizaje (8) y los marcadores de referencia (1) están configurados para situarse en el inicio de la pista de aterrizaje (8) en su eje longitudinal. 15. - Sistema de navegación, caracterizado porque comprende un sistema de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores. 16. - Método de posicionamiento relativo de un objeto respecto a una superficie objetivo basado en visión, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: - proporcionar al menos tres marcadores de referencia (1) situados en la superficie objetivo de forma que estén situados en los vértices de un triángulo equilátero (2) visto desde una vista cenital, donde el triángulo equilátero (2) tiene un centroide (5) y una circunferencia circunscrita (3), - proporcionar al menos un dispositivo de formación de imágenes situado en el objeto para capturar imágenes (4) de la superficie objetivo que incluyen los marcadores de referencia (1), donde el dispositivo de formación de imágenes posee una distancia focal, - proporcionar un medio de procesamiento que reciba y procese las imágenes (4) capturadas recibidas del al menos un dispositivo de formación de imágenes que: <o>detecte los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida, <o>identifique el centroide (5) del triángulo (7) formado por los marcadores de referencia (1) en la imagen (4) recibida, <o>circunscriba en la imagen (4) recibida los marcadores de referencia (1) mediante una elipse circunscrita (6) con centro en el centroide (5) del triángulo (7) y que pasa por los vértices del triángulo (7), <o>determine la posición del objeto respecto a la superficie objetivo según sus coordenadas geométricas esféricas: distancia, elevación y acimut, mediante la relación geométrica en la imagen (4) recibida entre los semiejes y el ángulo del semieje mayor de la elipse circunscrita (6) y la posición de los marcadores de referencia (1) y del radio de su circunferencia circunscrita (3).
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