Sistema de estabilización para cuerpos voladores.

Procedimiento de estabilización de un vehículo con un motor propio o diseñado como un cuerpo volador que se puede controlar mecánicamente mediante un circuito (7) de regulación con una comparación entre valor objetivo y valor real y control en al menos uno de los ejes de inclinación en el que

- para medir el movimiento y/o la posición según al menos uno de los seis grados de libertad espaciales se utiliza un sistema de sensores optoelectrónico que registra con ayuda de una óptica (2) de imagen que lleva el vehículo (1) una imagen parcial del entorno (4) visible en la posición actual

- la dirección visual óptica de la imagen con una componente prácticamente vertical está orientada hacia abajo

- se adopta una señal de medición óptica del desplazamiento de las estructuras representadas como valor de medición para al menos una de las magnitudes de movimiento horizontales,

posición/recorrido, velocidad y aceleración y

- para el control de la inclinación del cuerpo volador en función del valor de medición se obtiene un valor de posicionamiento en el circuito (7) de regulación eliminándose del valor de medición al menos parcialmente las alteraciones debidas a los movimientos de giro como alabeo, cabeceo y guiñada mezclándose una señal de giro, que es proporcional a una magnitud de giro, a su ángulo o a su velocidad angular, con el valor obtenido ópticamente y compensándose así

Sistema de estabilización para cuerpos voladores.

La invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento para medir magnitudes de movimiento como la velocidad y/o la posición de un vehículo que se puede pilotar mecánicamente o en el que el concepto “vehículo” también comprende cuerpos voladores según al menos uno de sus 6 grados de libertad usando un sistema de sensores óptico, además en particular un uso como sistema de estabilización para pilotar cuerpos voladores tripulados o no tripulados. El objetivo de esta estabilización es hacer el pilotaje mucho más sencillo o incluso asumirlo completamente.

En particular para helicópteros de control remoto esta estabilización es importante puesto que su control es difícil y sólo le resulta posible a los pilotos entrenados. Para un helicóptero la estabilización puede comprender en particular una o ambas componentes horizontales del movimiento de vuelo. Otro campo de aplicación posible de la invención es la simplificación del control de aviones tripulados, en particular, cuando están próximos al suelo y durante la maniobra de aterrizaje. Con otras configuraciones resultan otras aplicaciones como la medición de distancia, el seguimiento de objetivos, la monitorización de un relieve topográfico, la coordinación de los movimientos relativos de vuelo de varios cuerpos voladores.

Los helicópteros por control remoto habituales como los que se utilizan en aeromodelismo y para la fotografía aérea sólo tienen un sensor de giro piezoeléctrico para la estabilización alrededor del eje de altitud con el rotor trasero pero no para los otros ejes.

Tanto el documento DE 69502379 como el documento JP 1032847 describen una regulación para helicópteros en la que están presentes instrumentos para conocer la aceleración gravitatoria y la velocidad de giro con los que se representa un horizonte ficticio y se regula la inclinación de las palas del rotor.

En el documento US 5738300 se mide y se regula adicionalmente la velocidad de vuelo con respecto al aire. La regulación por encima del nivel del suelo y, particularmente, un movimiento de suspensión en el aire estacionario no resultan posibles en todos los casos mencionados.

El documento RU 9300250 y el documento DE 69507168 describen sistemas de estabilización en los que gracias a varios sensores de luz se mide y se evalúa la dirección de incidencia de la luz para conseguir la información sobre la inclinación y regular ésta pudiéndose detectar también la aproximación a objetos. Ambos sistemas mencionados sólo pueden funcionar correctamente para una iluminación uniforme y un horizonte muy plano.

El documento EP 0780807 describe un piloto automático que usa instrumentos tradicionales como un giróscopo y estabiliza la posición de vuelo y las velocidades horizontales de forma relativa. Sin embargo no resulta posible una medición absoluta o la regulación de la posición absoluta con respecto al suelo.

Para regular por ejemplo la trayectoria de vuelo de un helicóptero como, por ejemplo, para quedar suspendido en el aire en una posición se tiene que regular con el control adecuado de las palas del rotor en primer lugar la inclinación (el ángulo de alabeo y de cabeceo) y en segundo lugar la velocidad resultante de esto. Para esto la inclinación y la velocidad horizontal tienen que ser conocidas, en concreto, preferentemente por encima del nivel del suelo. Para un vuelo individual no resulta suficiente que se contrarreste siempre la posición de inclinación porque incluso entonces el helicóptero no puede reducir autónomamente la velocidad que haya sino que se tiene que detener con una contrainclinación controlada. En relación con esto el objetivo de la invención es medir los movimientos horizontales con respecto al suelo para poder estabilizarlos.

El documento DE 6946738 T2 describe un sistema de navegación con un sensor de imágenes fijado a una mesa con suspensión tipo Cardan cuyos datos de imagen se evalúan para ver el desplazamiento y se integran para determinar la posición.

El documento DE 69310695 T2 describe la evaluación de la imagen obtenida de la posición de vuelo mediante una o varias cámaras. Los puntos individuales característicos de la imagen se estudian continuamente por si presentan cambios ópticos, a partir de estos se detecta el centro de este movimiento (el punto de fuga) y se evalúan las velocidades de desplazamiento individuales, se ponderan en función de su distancia al punto de fuga calculándose a partir de esto las distancias respectivas a los puntos del suelo respectivos con fines de navegación.

El documento DE 69012278 T2 compara las imágenes que se han tomado en el momento con un plano de imágenes almacenadas previamente con el fin de hacer un reconocimiento también para la navegación.

Los tres procedimientos que se acaban de mencionar exigen un procesamiento de imágenes costoso y al menos una cámara. La velocidad de medición queda limitada por la frecuencia de secuenciación de imágenes prefijada para la cámara. En el caso de una videocámara esto resulta inconveniente para una regulación rápida de la posición en, particular, para pequeños helicópteros. Para cuerpos voladores ligeros controlados remotamente estos procedimientos son inconvenientes por razones de peso, costes y la tasa de reconocimiento.

La medición de la posición mediante navegación vía satélite (GPS) tiene el inconveniente de que los pequeños movimientos como los que son necesarios cerca del suelo no se pueden registrar con suficiente precisión. Además emplearlos en modelos de juguete no tiene sentido por razones de peso y también de costes.

Por el documento US 4671650 A se conoce un procedimiento para determinar la posición y la velocidad de un avión en el que se derivan unas señales de medida a partir de dos sensores optoelectrónicos que están dispuestos en el avión y que monitorizan el suelo que se sobrevuela. Se toma una señal de giro de alabeo y de guiñada para la inclinación para corregir las alteraciones de la medida matemáticamente que aparecen por la inclinación del avión.

El objetivo de la invención es exponer un procedimiento y un sistema para estabilizar un cuerpo volador con un motor propio durante su funcionamiento en vuelo.

Para conseguir este objetivo están previstas las características de las reivindicaciones independientes.

Como sistema óptico de imagen se puede usar, por ejemplo, una lente convergente, el objetivo de una cámara, un espejo curvo o cualquier grupo de lentes que proyecte una imagen. Como sensor de desplazamiento se puede utilizar preferentemente un sensor óptico con un número menor de elementos fotosensibles que los dispositivos de captura de imágenes y con una electrónica de evaluación que esté integrada en el mismo chip como los que se conocen también habitualmente por sensores de desplazamiento y que se utilizan habitualmente en los ratones ópticos. Estos últimos se llamarán a partir de ahora sensores de ratón óptico.

Un sensor de desplazamiento así comprende una superficie de reconocimiento sobre un sustrato que consta de una pluralidad de subsuperficies fotosensibles (píxeles) cuyas señales se leen regularmente pudiendo ser la tasa de lectura mucho más alta que la frecuencia de refresco de imagen dada de la videocámara y comprende además en el mismo sustrato una unidad de evaluación en la que se puede evaluar el desplazamiento electrónicamente a partir de las señales de los píxeles. El desplazamiento se puede obtener habitualmente para dos coordenadas ortogonales de forma incremental y darse como valores de medición separados (delta x, delta y) . El desplazamiento se puede descomponer en niveles más precisos que puedan corresponder por ejemplo a la distancia de píxel. La detección del sensor puede comprender tanto la dirección como la magnitud del desplazamiento óptico (traslación) .

Para detectar el desplazamiento también en el caso de estructuras de imagen divididas irregularmente de la base del ratón como, por ejemplo, las que aparecen por las fibras microscópicas de un papel los sensores de ratón óptico convencionales comprenden habitualmente un número de píxeles de 16x16 o 18x18 o similar con tecnología CCD (charged coupled device) . La obtención de la magnitud del desplazamiento se puede hacer leyendo repetidamente y sin parar los datos de estos píxeles y haciendo la correlación con los puntos de un instante temporal previo de la... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de estabilización de un vehículo con un motor propio o diseñado como un cuerpo volador que se puede controlar mecánicamente mediante un circuito (7) de regulación con una comparación entre valor objetivo y valor real y control en al menos uno de los ejes de inclinación en el que

- para medir el movimiento y/o la posición según al menos uno de los seis grados de libertad espaciales se utiliza un sistema de sensores optoelectrónico que registra con ayuda de una óptica (2) de imagen que lleva el vehículo (1) una imagen parcial del entorno (4) visible en la posición actual

- la dirección visual óptica de la imagen con una componente prácticamente vertical está orientada hacia abajo

- se adopta una señal de medición óptica del desplazamiento de las estructuras representadas como valor de medición para al menos una de las magnitudes de movimiento horizontales, posición/recorrido, velocidad y aceleración y

- para el control de la inclinación del cuerpo volador en función del valor de medición se obtiene un valor de posicionamiento en el circuito (7) de regulación eliminándose del valor de medición al menos parcialmente las alteraciones debidas a los movimientos de giro como alabeo, cabeceo y guiñada mezclándose una señal de giro, que es proporcional a una magnitud de giro, a su ángulo o a su velocidad angular, con el valor obtenido ópticamente y compensándose así.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 en el que para la estabilización de la magnitud de movimiento horizontal se cierra un circuito de regulación definiéndose un valor de posicionamiento de la inclinación del circuito de regulación proporcionalmente y de sentido contrario a una desviación del valor de medición óptico de un valor objetivo.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado porque a la vez está hecho para la regulación del ángulo de inclinación de la posición de vuelo y para esto se toma una magnitud de medida simulada matemáticamente o real de la inclinación actual de la posición de vuelo.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque un valor objetivo dado de una magnitud de traslación horizontal como la velocidad y/o la posición se compara con el valor de medición óptico y se toma como valor de la inclinación para la velocidad de retrovuelo una desviación espacial (30a) y que la velocidad por su parte a su vez se controla (30b) definiéndose un valor de posicionamiento (30b) proporcionalmente y de sentido contrario a la desviación de la velocidad de inclinación y que la inclinación por su parte se mide con un sensor (25) de inclinación y se controla mediante comparación (30c) con un valor objetivo.

5. Procedimiento de acuerdo con una de la reivindicaciones anteriores caracterizado porque las magnitudes de medida de la inclinación y el desplazamiento y/o la posición del cuerpo (1) volador se mezclan y se controlan conjuntamente.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque una magnitud (24) de medición obtenida ópticamente y proporcional a la velocidad se deriva en al menos un intervalo de frecuencia con respecto al tiempo y que para la representación de un valor de medición de la inclinación de esta señal se mezcla con una señal integrada temporalmente de una señal de giro proporcional a la velocidad angular de la inclinación cuya fracción del espectro de baja frecuencia se pondera menos.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores registrándose la imagen del entorno como datos tipo píxel y que la señal de desplazamiento óptico se obtiene comparando los datos de los píxeles con los datos del ciclo anterior de la misma secuencia.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se usa para la estabilización horizontal de un vuelo de sustentación en el aire pudiendo hacerse cero un valor objetivo de la velocidad horizontal.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 caracterizado porque para la estabilización horizontal del vuelo de sustentación en el aire de un helicóptero (1) se hace un control cíclico del desplazamiento de la pala del rotor.

10. Sistema de regulación para estabilizar un vehículo con un motor propio o diseñado como un cuerpo volador que se puede controlar mecánicamente mediante un circuito (7) de regulación con una comparación entre valor objetivo y valor actual y un control según al menos uno de los ejes de inclinación en el que para medir el movimiento y/o la posición en al menos uno de los seis grados de libertad espaciales está previsto un sistema de sensores optoelectrónico que está diseñado adecuadamente para que con ayuda de la óptica (2) de imagen que lleva el vehículo (1) pueda registrar una imagen parcial del entorno (4) que se pueda ver desde la posición actual estando orientada la dirección visual óptica de la imagen con una componente prácticamente vertical hacia abajo estando diseñado el circuito de regulación (7) para poder tomar una señal de medición óptica del desplazamiento de las

estructuras representadas como valor de medición para al menos una de las magnitudes de desplazamiento horizontales posición/recorrido, velocidad y aceleración y para el control de la inclinación del cuerpo volador en función del valor de medición de la elevación eliminándose al menos parcialmente las alteraciones del valor de medición debidas a los movimientos de giro como el alabeo, cabeceo y la guiñada del vehículo mezclándose una

señal de giro que es proporcional a una magnitud de giro, a su ángulo o a su velocidad angular de forma que se compense un valor de medición extraído ópticamente.

11. Sistema de acuerdo con la reivindicación 10 para estabilizar una magnitud de traslación horizontal caracterizado porque el circuito (7) de regulación se cierra definiéndose el valor de posicionamiento de la inclinación proporcional y de sentido contrario a la desviación del valor de medición óptico de un valor objetivo y estando diseñado el sistema

simultáneamente para la regulación de un ángulo de inclinación de la posición de vuelo y que para esto se tome una magnitud de medida simulada matemáticamente o real de la inclinación actual de la posición de vuelo.

12. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 u 11 caracterizado porque un sensor (3) de desplazamiento optoelectrónico que presenta una pluralidad de superficies parciales fotosensibles y una electrónica de evaluación digital en el mismo chip leyendo repetidamente la electrónica de evaluación las señales de las

superficies parciales fotosensibles de forma continua, estas señales se evalúan para detectar los desplazamientos de imagen de las estructuras representadas y diseñado para transmitir una señal de medición de un desplazamiento de la imagen.

13. Cuerpo volador, en particular, aeronave (1) de alas giratorias que comprende un sistema acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12.