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ES2584231B2 - Sistema de localización del extremo del boom, de la boca del receptáculo de repostaje y del tanquero - Google Patents

Sistema de localización del extremo del boom, de la boca del receptáculo de repostaje y del tanquero Download PDF

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ES2584231B2
ES2584231B2 ES201531460A ES201531460A ES2584231B2 ES 2584231 B2 ES2584231 B2 ES 2584231B2 ES 201531460 A ES201531460 A ES 201531460A ES 201531460 A ES201531460 A ES 201531460A ES 2584231 B2 ES2584231 B2 ES 2584231B2
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Abstract

Sistema de localización del extremo del Boom, de la boca del receptáculo de repostaje y del tanquero.#Sistema de localización que comprende unos Medios de localización de la posición del receptor, y por otro lado unos Medios de localización del extremo del Boom que permiten la exacta determinación de sus posiciones e inclinaciones respecto a un sistema de coordenadas común y por ende la posibilidad de acercamiento por medios automáticos si las leyes que controlan a ambos, esto es, Boom y nave receptora son diseñadas apropiadamente y basadas en esta información suministrada por esta invención para su acercamiento final y contacto. Los medios de localización de la posición del receptor pueden consistir en una serie de LEDs, láseres o emisores de luz dispuestos sobre la nave receptora en combinación con las cámaras colocadas sobre el avión tanquero, o en una cámara TOF, o en un iluminador láser con una lente DOE. También es objeto de la invención un dispositivo localizador que comprende unos emisores de luz, al menos dos cámaras, un sensor de luz y una electrónica, de manera que colocados los primeros (emisores) sobre el tanquero y los demás sobre el receptor, permiten además de la localización, el acercamiento del receptor al tanquero.

Description

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eléctricamente entre sí y colocados en el tanquero, mientras que la comunicación con el dispositivo del receptáculo, que se halla sobre la superficie del receptor, se basa en una comunicación por luz emitida y un sensor que la recibe. Esta comunicación es dúplex, o sea que funciona en ambos sentidos: Desde la nave receptora la emisión es mediante una luz emitida por un elemento activo y la recepción es por las cámaras del avión tanquero. Mientras que desde el tanquero la emisión es también por un elemento de luz activo colocado en el boom y la recepción es mediante un sensor de imagen no necesariamente matricial en la nave receptora de combustible. Esta última comunicación se produce casi exclusivamente en el momento del contacto entre las dos naves cuando se produce el teórico transvase de combustible y la situación y distancia relativa entre ambas es óptima.
A continuación se describen dichos elementos o partes fundamentales con mayor detalle:
Dispositivo del Receptáculo que se dispone sobre la nave receptora, en una implementación preferida, consiste en una banda de acero semi-hueca de alta resistencia a los golpes que incluye al menos cuatro zonas transparentes de material también de alta resistencia como un grafeno, óxido de aluminio o similar, dentro de las cuales van embutidos al menos tres elementos que proporcionan luz y un cuarto elemento consistente en un sensor que recibe y detecta luz de otro dispositivo. Opcionalmente este dispositivo puede disponer de dos cámaras de reducido tamaño, embutidas en él. Esto le permitirá “ver” la luz emitida por otro dispositivo similar al que ahora se describe que se colocará en el tanquero y así determinar la situación relativa del mismo respecto a este receptor. El dispositivo irá fijado al avión receptor mediante pegado, atornillado, remachado o procedimiento similar. Este dispositivo se coloca sobre el receptáculo de la nave receptora. Su caja consiste en un armazón resistente a golpes que puede estar fabricado en acero, titanio, teflón, kevlar u otro material de alta resistencia y con amplio rango de temperaturas de funcionamiento. En este armazón van embutidos los emisores de luz y el sensor que se han comentado más arriba. Esos emisores deben ser capaces de emitir luz con suficiente intensidad como para que las cámaras del tanquero puedan “verlas” a la luz del día y emitirán con su luz la información de posición que las cámaras necesitan para ubicarlas adecuadamente. Cada cámara “verá” cada emisor en una posición (x,y) de su rango de posiciones que la matriz de píxeles de su sensor de imagen le
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proporcionará. Ese par (x, y) corresponde a una recta colocada en el espacio y referida a unos ejes de coordenadas definidos por la propia cámara. El empleo de dos cámaras así como el modo de disposición de las mismas nos permite, mediante el empleo de la geometría, determinar el punto intersección de ambas rectas y por ende la situación de la luz vista por ambas cámaras respecto a un eje de coordenadas solidario a estas mismas. Estas luces consistirán en un emisor LED o LÁSER que al encenderse enviará mediante un código binario y redundante, según se detalla a continuación, información de control y otra información como puede ser una señal de voz comprimida y digitalizada apropiadamente. Este envío de información se realiza simplemente mediante un conjunto de pulsos consecutivos con un cierto patrón de cadencia cuando lo que se envíe sea la información de ubicación del receptáculo o bien la información digitalizada propiamente dicha cuando la misma no sea información de control.
A título de ejemplo, la información cuando no sea de ubicación se podrá enviar con el formato siguiente: Cabecera+L+Datos+CRC16. Donde la cabecera es una ristra de 16 bits para indicar el comienzo de un mensaje, L es la longitud en bits de los datos con hasta 8 bits para L lo que conduce a un máximo de 255 bits de datos. CRC es un código de redundancia cíclica de 16 bits. Los datos podrán incluir un reloj de sincronización entre el subsistema y el dispositivo. Si la información a transmitir es de voz, esta se digitalizará, se comprimirá y se enviará con algún código corrector de errores simple y con tramas de mayor longitud.
El subsistema se alimentará mediante una conexión a la alimentación del receptor que además incluirá un hilo de control que actuará como permiso para la emisión del código almacenado desde el interior de dicho avión receptor.
Para conseguir que los emisores de luz puedan verse adecuadamente, incluso en condiciones de alta luminosidad ambiente procedente del sol y para evitar la confusión con otras fuentes de luz desde tierra o desde otros aviones, el procedimiento que se emplea en esta invención consiste en utilizar dos ayudas de forma simultánea que da unos resultados prácticos muy buenos: En primer lugar la luz emitida se circunscribe a una banda del espectro en un margen de longitudes de onda muy estrecho y de alta coherencia temporal. Con un filtro óptico paso banda igualmente estrecho, colocado delante de las lentes de las cámaras, se elimina el resto de las longitudes de onda.
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Esto nos da un valor relativo de la luz emitida frente a la luz ambiente muy mejorado. Al mismo tiempo, como segunda ayuda, la luz emitida la hacemos parpadear con un patrón definido. De esta forma, para un pixel recibido como consecuencia del reflejo de la luz emitida con ese patrón en un punto de nuestra imagen, obtenemos valores que deben seguir ese mismo patrón. Así, si empleamos una frecuencia igual a la empleada en la cámara (número de cuadros por segundo), podremos tomar los valores de los píxeles en cuadros consecutivos y realizar una correlación con el patrón de luz emitido. Aquellos píxeles cuyo valor de correlación superior a un determinado umbral, nos estarán diciendo que los mismos han sido iluminados por nuestros emisores. La unión de ambos métodos nos permite conseguir “ver” con claridad suficiente aquellos emisores de luz de nuestra imagen con nuestro Subsistema de Visión con la precisión que la resolución de estas cámaras nos permita y teniendo en cuenta que las distancias de trabajo son relativamente bajas, se podrá alcanzar una resolución subcentimétrica y con todas las garantías sin demasiada dificultad. El Dispositivo del Receptáculo posee además un sensor cuya señal de entrada es filtrada y ópticamente amplificada y asimismo acompañada de un cierto patrón para un “cero” y otro patrón con un “uno”. Las señales luminosas provenientes del otro dispositivo o Dispositivo de Boom llegarán sin dificultad a este sensor cuando el contacto entre nozzle y receptáculo se haya realizado o esté próximo a hacerlo y por tanto estén muy cerca entre ellos. Este procedimiento permitirá comunicaciones de 48Kbaudios lo que significa que una conversación hablada podría transmitirse fácilmente por este enlace y método. Finalmente el dispositivo consta de una electrónica cuya función es extraer la señal de voz o datos en su caso o bien generar los pulsos de sus emisores de luz en los instantes adecuados. En una versión más avanzada de este dispositivo se incluirán dos cámaras adicionales así como una electrónica de procesamiento similar a la del Subsiste3ma de Visión.
Dispositivo del Boom: Este segundo dispositivo consiste en una caja de protección y soporte que protege a unos emisores de luz sobre la punta del boom.
El Dispositivo del Boom consiste en una caja que alberga la electrónica y emisores de luz necesarios para la funcionalidad requerida. Esta caja debe tener un medio de agarre al boom. Puede tratarse de un anillo o elemento similar que cumpla con las condiciones anteriores. En una implementación preferida la caja dispone de dos semi
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anillos que la agarran a la zona anterior de la nozzle del boom. Dentro de esta caja se encuentran los drivers de los leds empleados en esta implementación, que les suministran la corriente necesaria para su encendido y apagado de acuerdo a las pautas establecidas. También debe incluir esta electrónica las protecciones necesarias para el resto de la electrónica así como un adaptador de tensión para convertir la tensión suministrada por el avión a la necesaria por los drivers y demás electrónica para funcionar. En la superficie exterior de la caja, en un plano ortogonal al eje del boom se disponen los leds de forma que uno de ellos esté lo más próximo posible al centro de las cámaras del Subsistema de Visión y los otros dos de estos leds queden simétricamente colocados con respecto a esta distancia mínima al dentro de las cámaras. Esa es una configuración mínima y pueden colocarse otros leds adicionales para obtener una redundancia adicional a costa de un cálculo más intenso. La duración de encendido de los leds será el mismo que el tiempo de cuadro de las cámaras cuando dicho encendido se produzca y estará sincronizado con éstas tanto para su encendido como para su apagado. La caja propuesta será de aluminio y su forma y tamaño serán compatibles con la geometría del boom para evitar interferencias geométricas que den lugar a roces o colisiones con otras partes del avión o del propio boom. En una versión más completa, este dispositivo puede incluir unas cámaras que verían al receptor desde una situación privilegiada en el momento del contacto. Ambos dispositivos anteriores emitirán luz difusa que será captada por el Subsistema de Visión que al procesarla obtendrá la posición relativa entre ambos elementos y de ahí mediante un Sistema de control, la capacidad para realizar un contacto con poca o ninguna intervención humana.
Subsistema de Visión: Está compuesto principalmente por un conjunto de cámaras, al menos dos, cuya función es observar el escenario de la operación en el que los otros dispositivos indicados ejercen su rol fundamental de señalizar la posición de sus respectivas ubicaciones de las que se deducirán aquellas informaciones que nos permitirán un contacto entre nozzle y receptáculo con todas las garantías. En una implementación preferida, estas cámaras están preparadas para ver la luz emitida por los emisores colocados en los otros dispositivos de esta invención a las distancias de trabajo. Eso implicará requisitos como una buena resolución, 1080 en nuestro caso, sin perjuicio de otras resoluciones. Una frecuencia de adquisición de al menos treinta cuadros por
segundo y un espectro de trabajo que incluya el infrarrojo. Una conexión eléctrica se encargará de sincronizar el encendido de los leds como emisores preferidos del Dispositivo de punta de Boom, con la adquisición del cuadro de imagen por parte de los sensores de imagen de las cámaras.
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La esencia del Sistema propuesto radica en la sencillez con la que emisores activos de luz en un estrecho margen del espectro y con un gran ángulo de difusión pueden verse fácilmente desde una extensa zona, a distancias de decenas de metros, necesarias en este tipo de operaciones y en toda suerte de condiciones de luz ambiental, con el uso 10 de cámaras con su correspondiente filtro y empleando técnicas de codificación de pulsos. En el Sistema completo también objeto de esta invención, se abarca la funcionalidad adicional de acercamiento inicial entre receptor y tanquero, mediante las mismas técnicas y mismo tipo de dispositivos: añadiendo un Subsistema de Visión en el avión receptor y unos emisores de luz junto al Subsistema de Visión del avión
15 tanquero.
En el caso más amplio de tratarse de un Sistema de acercamiento y localización, el Sistema comprende tres Dispositivos Localizadores para Repostaje, uno dispuesto sobre la nave receptora, otro sobre el tanquero y otro sobre la punta del boom.
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Cada uno de los Dispositivos de Repostaje comprende:
‐Al menos tres emisores de luz de tipo LED, o Láser, o bien una combinación de ambos, cada uno con un difusor de amplio ángulo de difusión para difundir la luz que emiten. Cada emisor de luz estará alimentado por su respectivo driver,
25 y todos comandados por una electrónica de control. ‐Al menos dos cámaras de visión de alta velocidad (>30fps), con sus respectivas lentes y filtros ópticos de paso banda estrecha, sintonizados con la luz emitida por otro dispositivo colaborador. Las cámaras dispondrán de una electrónica de alta velocidad del tipo fpga o similar para determinar en tiempo
30 real las coordenadas de los puntos de luz emitidos por otro Dispositivo Localizador colaborador. ‐Un sensor de luz con su respectiva lente capaz de detectar la luz de otro Dispositivo Localizador colaborador cuando se halla cerca. ‐Una electrónica de procesamiento de las coordenadas proporcionadas por 35 ambas cámaras para obtener las coordenadas relativas de cada emisor
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en esta invención al añadir bien elementos nuevos o nuevas funcionalidades con el fin de obtener las mismas descritas para la totalidad de la presente invención, ahorrando así la instalación en el avión de nuevos dispositivos en la medida de lo posible.
5 Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende el experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.
10 A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones las palabras “comprende”, “consiste” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte
15 de la práctica de la invención.
EXPLICACION DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una
20 mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente. En la figura 1, podemos observar una representación simplificada en una primera
25 realización del Sistema de localización del extremo del Boom y de la boca del Receptáculo.
En la figura 2, podemos observar una representación simplificada del Sistema de Acercamiento y Localización del extremo del Boom y de la boca del Receptáculo.
30 En la figura 3 se muestra una realización alternativa del Sistema de Localización propuesto en la figura 1.
Las figuras 4A, 4B y 4C, representan los tres distintos dispositivos o subsistemas que 35 componen esta invención.
La figura 5A representa con más detalle el primero de los dispositivos de esta invención mostrado en la figura 4A. 5 La figura 5B se muestra un corte transversal del Dispositivo del Receptáculo. La figura 5C representa un corte transversal de esa parte del receptor. La figura 5D es una representación cartesiana de los elementos de la figura 5C.
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La figura 6 representa una nave receptora en el momento en que el boom (15) va a realizar contacto. La figura 7 representa la imagen que se obtiene del boom cuando el Subsistema de 15 Visión es colocado en la Belly Fairing ubicada en la panza del avión tanquero. La figura 8 muestra una vista del avión tanquero así como de su boom desplegado. La figura 9 es una representación cartesiana y esquemática de las ubicaciones de los 20 elementos más importantes que forman parte del Dispositivo del Boom. La figura 10 es una representación cartesiana del Subsistema de Visión. En la figura 11 viene representada la arquitectura del Subsistema de Visión.
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La figura 12 representa una caja en la que van incluidos los elementos que forman parte del Dispositivo del Boom.
En la figura 13 se describe la composición del Dispositivo del Receptáculo.
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En la figura 14 se muestra una representación del Dispositivo Localizador para repostaje.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN.
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un eje ortogonal al eje del mismo receptáculo. Finalmente � es el ángulo entre ambos segmentos descritos anteriormente, (a) y (b).
La figura 5D es una representación cartesiana de los elementos y descritos más arriba. Los ejes están referidos a un origen local O” y deberán más tarde referirse al origen O localizado en el centro del sensor de imagen de la cámara izquierda como aparece representado en la figura 7. P’ es el punto medio entre las luces P2 y P3 y uo, vo y wo son versores (vectores de modulo la unidad) en la direcciones de los distintos ejes. El eje O”P’ es el mismo eje del tubo del receptáculo.
La figura 6 representa una nave receptora en el momento en que el boom (15) va a realizar contacto con la boca del receptáculo (8). La vista representa la imagen cuando el Subsistema de Visión está situado en la posición preferida en esta invención colocada en el cono de cola, en ella pueden verse: Aleta del boom (14), parte extensible (13) del boom, luces del dispositivo (12a) del extremo del boom de esta invención colocadas en la parte superior de la pértiga extensible para esta implementación preferida. También puede observarse la boquilla o nozzle (11) y la rampa (10) del receptáculo sobre la cual la nozzle se suele deslizar previamente al contacto.
La figura 7 representa la imagen que se obtiene del boom cuando el Sistema de Visión es colocado en la Belly Fairing ubicada en la panza del avión tanquero. En la figura puede apreciarse la boquilla o nozzle (11), la parte extensible (13) del boom, la aleta del boom (14) y la parte fija (15) del boom vista desde el a parte inferior del avión tanquero, además se muestra la ubicación (12b) del anillo de iluminación de esta invención cuando el Sistema de Visión es colocado como se ha comentado anteriormente. Ambos puntos de vista, generan imágenes del contacto y cada una con sus propios inconvenientes y ventajas. El dispositivo del Boom podría contener seis o más emisores de luz y de esta forma permitir que el Subsistema de Visión pudiera estar en las dos ubicaciones indicadas (Cono de cola y Belly Fairing) con lo que se obtendrían imágenes complementarias que bien podrían generar una interesante redundancia, muy útil en este tipo de Sistemas.
La figura 8 muestra una vista del avión tanquero así como de su boom desplegado, para indicar las dos posiciones en las que el Subsistema de Visión puede ubicarse.
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observado por ambas cámaras respecto a los mismos ejes coordenados y por lo tanto las coordenadas relativas reales entre ellos.
En la figura 11 viene representada la arquitectura del Subsistema de Visión en la que se incluyen los componentes principales que componen su arquitectura. Una caja exterior preferentemente metálica de aluminio incluye dos cámaras separadas por una distancia de alrededor de medio metro (a mayor distancia, mejor resolución espacial en el eje z). Cada cámara (26) dispone de un sensor y una electrónica de adaptación y lectura del mismo al que se debe anteponer una lente (25) y un filtro (24) para eliminar las longitudes de onda diferentes a aquellas emitidas por los dispositivos de Boom y de Receptáculo. Incluye una electrónica especial (32) basada en FPGA con el fin de obtener resultados en tiempo real donde se realiza un cierto procesado y reconocimiento de imagen y extracción de coordenadas locales xi, yi de los puntos de luz de los dispositivos señalados.
La información de coordenadas de ambas cámaras pasan a un Sistema de Procesamiento (33) donde finalmente las coordenadas X, Y, Z de cada emisor de luz, es obtenida con respecto a un eje de coordenadas cuyo origen se ha tomado en el centro del sensor de la cámara izquierda para mayor facilidad, sin perjuicio de poder elegir cualquier otro.
La figura 12 representa una caja en la que van incluidos los elementos que forman parte del Dispositivo del Boom. Esencialmente está compuesto de unos emisores de luz (38), LEDs en esta implementación preferida, al menos tres, alimentados por sus respectivos drivers (37) que están a su vez manejados por un microcontrolador (36) que a su vez conecta con el Subsistema de Visión a través de un bus de control con su respectiva electrónica de comunicaciones (34). El bus de control estará sincronizado con el Subsistema de Visión para facilitar conseguir la posición de los emisores de luz del mismo.
En la figura 13 se describe la composición del Dispositivo del Receptáculo. En él, en esta implementación preferida, un conjunto de LEDs (LED1, LED 2, LED3,… LEDn)
(38) al menos 3, son alimentados por sus respectivos drivers (37) y estos activados y desactivados por un microcontrolador (36) que será remotamente controlado. Este dispositivo podrá ser encendido o apagado desde la consola de la nave receptora.
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Adicionalmente un sensor (35) recibirá luz a través de su correspondiente filtro (29) para tras un elemento adaptador de señal (39) proporcionar al microcontrolador (36) la información de pulsos recibidos en el mismo y procedentes del dispositivo del boom. El dispositivo podrá almacenar la información recibida en una memoria no volátil. El microcontrolador, con un algoritmo de procesamiento no solamente controla el encendido de los LEDs sino que además de la información recibida desde el sensor de luz (35) podrá extraer tanto información de la posición del dispositivo respecto al dispositivo del boom como de información de audio que pudiera insertarse en la secuencia de pulsos emitida por este último. Finalmente un bus de comunicaciones permite controlar este dispositivo desde el avión receptor, como ya se ha comentado.
La figura 14 muestra la estructura de un Dispositivo de Localización (41). El dispositivo está encerrado en una caja (0) y consta de un conjunto de al menos tres emisores de luz (2) con sus respectivos difusores (23) alimentados por sus correspondientes drivers (37). Un par de cámaras (26) con sus correspondientes lentes (25) y filtros ópticos de paso banda estrecho (24). Tanto cámaras (26) como emisores de luz son controlados por una electrónica de control y la información de las primeras (26) así como la procedente de un sensor de luz (35) provisto de su filtro óptico paso banda
(29) es procesada por una unidad de procesamiento en tiempo real basada en FPGA o electrónica semejante (33, 36, 39). Las cámaras poseen su propia electrónica para el cálculo en tiempo real de las coordenadas de los puntos de luz procedentes de otro Dispositivo de Localización. El dispositivo se comunica con el exterior a través de un bus de comunicaciones (34) y es alimentado por una fuente de energía del avión no representada en el dibujo.
El funcionamiento detallado del Sistema es el siguiente: Cuando el receptáculo (fig.6.10) colocado en la superficie de la nave receptora de combustible se encuentra en posición de ser vista por el subsistema de dos cámaras (fig.4C) colocado en una posición favorable del tanquero (como puede ser el cono de cola (fig.8-18a) o la belly fairing (fig.8-18b)), entonces también unas cámaras colocadas en el Dispositivo del Receptáculo y mirando en sentido inverso, podrán ver al tanquero y más concretamente al sistema de visión del mismo. Junto a este se han colocado los emisores de luz del tanquero que emitirán desde esa posición su correspondiente patrón que será visualizado por las cámaras junto al Dispositivo del Receptáculo. De esa forma el receptor podrá ubicar al tanquero y acercarse a él para
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ES201531460A 2015-10-09 2015-10-09 Sistema de localización del extremo del boom, de la boca del receptáculo de repostaje y del tanquero Active ES2584231B2 (es)

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