Un método para evitar colisión de un avión con obstáculos con un eje longitudinal definido por su dirección devuelo comprendiendo los pasos de:

a) definir al menos tres ángulos de observación extendidos dentro de campo de visión frontal

b) adquirir índices de rotación del avión por medios de detección de rotación,

c) adquirir datos visuales en al menos dichos ángulos de observación por al menos un dispositivo de imagen,

d) determinar flujo óptico inducido por traslación en dichos ángulos de observación en base a los índices de rotacióny los datos visuales,

e) para cada ángulo de observación, estimar la proximidad de obstáculos de dicho ángulo de observación en base aal menos el flujo óptico inducido por traslación relacionado con dicho ángulo de observación,

f) para cada eje controlado (cabeceo, alabeo y/o guiñada), definir para cada proximidad, una función de conversiónpara producir una proximidad convertida relacionada con dicho eje controlado,

g) determinar una señal de control para cada eje controlado combinando linealmente las proximidades convertidasusando un conjunto de pesos por eje,

h) usar dichas señales de control para conducir los ejes controlados del avión.

Piloto automático visual para vuelo con obstáculo cercano

Introducción

Esta presente invención describe una nueva estrategia de control basada en visión para vuelo de crucero autónomo en ambientes posiblemente cargados tales como - pero no limitados a - ciudades, bosques, valles o montañas.

Técnica anterior

Hasta el momento, la gran mayoría de pilotos automáticos para aviones autónomos dependen de una estimación completa de sus estados de 6 grados de libertad, incluyendo su posición angular y espacial, usando un conjunto de sensores que comprende un GPS y una unidad de medida inercial (IMU) . Si bien tal método muestra rendimiento muy bueno para control de vuelo a altitud alta, no permite detección de obstáculo y evitación, y falla en casos donde señales GPS no están disponibles. Mientras tales sistemas se pueden usar para una gama amplia de misiones en lo alto del cielo, algunas tareas requieren vuelo de obstáculo cercano, por ejemplo vigilancia o formación de imágenes en ambientes urbanos o control de ambiente en paisajes naturales. Volar a altitud baja en tales ambientes requiere la capacidad de controlar continuamente obstáculos y reaccionar rápidamente para evitarlos. Para conseguir esto, nos inspiramos de insectos y pájaros, que no usan GPS, pero se basan principalmente en la visión y, en particular, flujo óptico (Egelhaaf and Kern, 2002, Davies and Green, 1994) . Este papel propone una manera nueva y simple de mapear señales de flujo óptico para controlar el avión sin estimación de estado en ambientes posiblemente cargados. El método propuesto se puede implementar en un embalaje ligero y de bajo consumo que es adecuado para una amplia gama de aviones, a partir de modelos de juguete a vehículos capaces de misión.

En un sistema de movimiento, el flujo óptico puede servir como un medio para estimar proximidad de obstáculos circundantes (Gibson, 1950, Whiteside and Samuel, 1970, Koenderink and van Doorn, 1987) y así ser usado para evitarlos. No obstante, estimación de proximidad que usa flujo óptico es posible sólo si la egomoción del observador es conocida. Para una aeronave, la egomoción se puede dividir en componentes traslacionales yrotacionales. Índices de rotación sobre los 3 ejes (figura 1) pueden fácilmente ser medidos usando medios de detección de rotación ligeros y poco costosos (por ejemplo giroscopio de índice o, potencialmente, usando el campo de flujo óptico mismo) . Los componentes del vector de traslación son en cambio mucho más difícil de medir en una plataforma de vuelo libre. No obstante, en la mayoría de los casos traslación se puede derivar de las dinámicas de la aeronave. Aeronaves de ala fija típicamente tienen desplazamientos laterales o verticales insignificantes, volando esencialmente a lo largo de su eje longitudinal (eje x en la figura 1) . El comportamiento de aeronave de alas giratorias es similar a las plataformas de ala fija cuando vuelan a velocidad de vuelo (como oposición a modo casi estacionario donde los modelos de traslación pueden ser más complejos) . Por lo tanto restringimos nuestra estrategia de control a los casos en que se supone que el vector de traslación puede ser alineado con el eje longitudinal del avión. Por simplicidad, usamos el término crucero para identificar este régimen de vuelo. Hay que tener en cuenta que en el crucero la amplitud del vector de traslación puede ser medida fácilmente por medio de un sensor de velocidad a bordo (por ejemplo, un tubo pitot, un anemómetro, etc.) . La observación que el vector de traslación tiene una dirección fija con respecto al avión permite directamente interpretar mediciones de flujo ópticas como estimaciones de proximidad, que pueden luego ser usadas para evitación de obstáculo. Mientras que en la práctica, hay pequeñas variaciones en la dirección de traslación, están suficientemente limitadas para ser ignoradas.

Otra característica común de la mayoría de las aeronaves de crucero es la manera en que estas dirigen. La mayor parte de éstas tienen una o más alas de producción de elevación (fijadas, giratorias o de aleteo) sobre las que pueden cabecear y alabear (ver Figura 1 para las convenciones de nombre de eje) . En el vuelo de crucero estándar, la conducción se consigue por una combinación de alabeo en la dirección del giro deseado y luego el cabeceo hacia arriba. Es por lo tanto generalmente suficiente generar sólo dos señales de control para girar el avión correspondiente a los ejes controlados por alabeo y cabeceo.

Recientemente, intentos se han hecho para añadir capacidades de evitación de obstáculo para vehículos aéreos no tripulados. Por ejemplo, Scherer, Singh, Chamberlain, y Saripalli (2007) introdujeron un telémetro de láser de 3-kg en un helicóptero autónomo de 95-kg. No obstante, sensores activos como telémetros ultrasónicos de láser,

o radares tienden a ser pesados y consumidores de energía, y así excluyen el desarrollo de plataformas ligeras que son ágiles y suficientemente seguras para operar a altitud baja en ambientes cargados.

Flujo óptico, al contrario, requiere sólo un sensor pasivo vision para ser extraído, y contiene información sobre la distancia a los alrededores que puede utilizarse para detectar y evitar obstáculos. Por ejemplo, Muratet, Doncieux, Brière, y Meyer (2005) , Barber, Griffiths, McLain, y Beard (2005) y Griffiths, Saunders, Curtis, McLain, y Beard (2007) usaron sensores de flujo ópticos para percibir proximidad de obstáculos. No obstante ambos sistemas todavía requerían GPS e IMU para control de altitud y de actitud. Otros estudios incluyeron flujo óptico en el control de plataformas volantes (Barrows et al., 2001, Green et al., 2003, Chahl et al., 2004) , pero las aeronaves eran sólo parcialmente autónomas, regulando exclusivamente altitud o dirección y requiriendo así todavía control manual parcial. Flujo óptico ha recibido alguna atención para sistemas para interiores para los que GPS es indisponible y limitaciones de pesos son incluso más fuertes ( (Ruffier y Franceschini, 2005, Zufferey et al., 2007) , pero aún tiene que ser demostrada autonomía completa. Finalmente, Neumann and Bülthoff (2002) propusieron un piloto automático completo basado en señales visuales, pero el sistema todavía se basaba en un mecanismo de estabilización de actitud separado que requeriría un medio adicional para medir verticalidad (por ejemplo, un IMU) .

En el documento Green W. et al "Optic-Flow-Based Collision Avoidance", IEEE Robotics & Automation magazine, IEEE Service center, Piscataway, NJ, US vol. 14, N° 1, March 2008, el flujo óptico se utiliza para sentir cuando un obstáculo está dentro de dos radios de rotación del avión, que evita la colisión desviando completamente el timón. El flujo óptico se pasa a un detector de umbral y actúa en el timón cuando el valor excede el umbral. Un ángulo de observación se utiliza para actuar en el timón en un lado y el otro ángulo de observación se utiliza para actuar sobre el timón por otro lado. Los flujos ópticos de diferentes direcciones de vista no son por lo tanto combinados para controlar el eje de guiñada. Esta estrategia de control fallaría tan pronto como más de un obstáculo estuviera produciéndose alrededor de la trayectoria de vuelo. Además, un inconveniente de esta estrategia de control simplificada es que no permite controlar diferentes ejes tal como la posición y la altitud del avión.

Breve descripción de la invención

A diferencia de estos resultados, el planteamiento de la presente invención es un piloto automático que se basa exclusivamente en la información giroscópica y visual, sin requisito para estimación explícita de estado ni mecanismos de estabilización adicionales.

Este planteamiento se basa en un método y un dispositivo para evitar colisión con obstáculos por un avión con un eje longitudinal definido por su dirección de vuelo como se describe por reivindicación 1, respectivamente por reivindicación 9.

Breve descripción de las figuras

La presente invención será mejor entendida gracias a las figuras adjuntas en las que:

- Figura 1: sistema de coordenadas aerodinámico del marco de referencia de avión. Para conveniencia, también se ha indicado el nombre de las tres direcciones de rotación.

- Figura 2: visión de conjunto de los pasos requeridos para mapeo de los datos proporcionada por un dispositivo de imagen y medios de detección de índice en señales de... [Seguir leyendo]

1. Un método para evitar colisión de un avión con obstáculos con un eje longitudinal definido por su dirección de vuelo comprendiendo los pasos de:

a) definir al menos tres ángulos de observación extendidos dentro de campo de visión frontal b) adquirir índices de rotación del avión por medios de detección de rotación, c) adquirir datos visuales en al menos dichos ángulos de observación por al menos un dispositivo de imagen, d) determinar flujo óptico inducido por traslación en dichos ángulos de observación en base a los índices de rotación y los datos visuales, e) para cada ángulo de observación, estimar la proximidad de obstáculos de dicho ángulo de observación en base a al menos el flujo óptico inducido por traslación relacionado con dicho ángulo de observación, f) para cada eje controlado (cabeceo, alabeo y/o guiñada) , definir para cada proximidad, una función de conversión para producir una proximidad convertida relacionada con dicho eje controlado, g) determinar una señal de control para cada eje controlado combinando linealmente las proximidades convertidas usando un conjunto de pesos por eje, h) usar dichas señales de control para conducir los ejes controlados del avión.

2. Método según la reivindicación 1, comprendiendo además el paso de:

- adquirir una imagen por el dispositivo de imagen que incluye los ángulos de observación y extraer los datos visuales relacionados con cada ángulo de observación.

3. Método según la reivindicación 1, en el que el dispositivo de imagen es hecho de un conjunto de sensores de flujo óptico, cada uno dedicado a cada ángulo de observación.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el medio de detección de rotación es hecho de medios giroscópicos y/o sensores inerciales.

5. Método según cualquiera de reivindicaciones 1 a 3, donde el medio de detección de rotación está usando el dispositivo de imagen, viniendo determinados los datos de rotación por tratamiento del flujo óptico extraído de los datos visuales.

6. Método según cualquiera de reivindicaciones 1 a 5, donde los ángulos de observación se extienden a una excentricidad dada con respecto al eje longitudinal del avión, y cada función de conversión es una multiplicación por una ganancia específica.

7. Método según cualquiera de reivindicaciones 1 a 5, donde los ángulos de observación se extienden a varias excentricidades con respecto al eje longitudinal del avión, y cada función de conversión es una multiplicación por una ganancia específica y una división por el seno de la excentricidad del ángulo de observación correspondiente.

8. Método según cualquiera de reivindicaciones 1 a 7, donde la combinación de las proximidades convertidas es una función de promedio.

9. Dispositivo para evitar colisión con obstáculos por un avión con un eje longitudinal definido por su dirección de vuelo comprendiendo: a) medios para definir al menos tres ángulos de observación extendidos dentro de campo de visión frontal visual, b) medios de detección para adquirir índices de rotación del avión, c) al menos un dispositivo de imagen para adquirir datos visuales en dichos ángulos de observación, d) medios de procesamiento para determinar flujo óptico inducido por traslación en dicho ángulo de observación en base a los índices de rotación y los datos visuales adquiridos, e) medios de cálculo para estimar para cada ángulo de observación la proximidad de obstáculos de dicho ángulo de observación en base a al menos el flujo óptico inducido por traslación relacionado con dicho ángulo de observación, f) medios para definir para cada proximidad, para cada eje controlado (cabeceo, alabeo y/o guiñada) , una función de conversión para producir una proximidad convertida relacionada con dicho eje controlado, g) medios para determinar una señal de control para cada eje controlado combinando linealmente las proximidades convertidas usando un conjunto de pesos por eje, h) medios de accionamiento para usar dichas señales de control para conducir los ejes controlados del avión.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que el dispositivo de imagen es hecho de un conjunto de sensores de flujo óptico, cada uno dedicado a cada ángulo de observación.

11. Dispositivo según las reivindicaciones 9 o 10, donde los medios de detección de rotación son hechos de sensores giroscópicos y/o inerciales.

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