Capítulo 1. Introducción

Transcripción

1 Desarrollo de software para la ayuda en el aterrizaje autónomo mediante visión por computador Capítulo 1. Introducción 1.1 Presentación del problema Uno de los aspectos más críticos relacionado con las aeronaves se produce en el momento del aterrizaje. Este es un hecho especialmente relevante tanto para vehículos aéreos tripulados bajo condiciones extremas, como para los vehículos aéreos no tripulados, más conocidos como UAVs (Unmanned Aerial Vehicle). Además, este problema, se ve enormemente incrementado si la zona de aterrizaje está en movimiento, como es el caso de las grandes embarcaciones con capacidad para el aterrizaje y despegue de helicópteros, UAVs e incluso aviones. El análisis y desarrollo de un sistema de aterrizaje autónomo que contemple el aterrizaje de las aeronaves sobre barcos (fluviales o marítimos) u otro tipo de zonas con características y condiciones especiales, es una línea de investigación muy amplia y necesaria para mejorar la seguridad en este tipo de vehículos. En los vehículos aéreos no tripulados, a lo largo del tiempo, se han diseñado e implementado una gran variedad de técnicas de aterrizaje diferentes. Muchas de éstas han sido sonados fracasos, exponiendo los vehículos a riesgos considerables. Hoy en día, una tercera parte de los accidentes de UAVs ocurren durante las fases de despegue y aterrizaje. Por tanto, la automatización de estas dos maniobras, permitiría que el impacto de factores humanos se redujese sensiblemente, aumentando la seguridad y reduciendo la carga de trabajo del operador. El aterrizaje de vehículos aéreos no tripuladas, especialmente cuando se realiza sobre un barco, requiere un sistema que determine de forma precisa los movimientos entre la plataforma de la embarcación y de la 1

2 1. Introducción aeronave. Y que a su vez, genere los comandos adecuados para un aterrizaje sin daños. Sería necesario pues, dotar a las aeronaves de un sistema específico de guiado y control para las operaciones de despegue y sobre todo de aterrizaje, principalmente para aquellas situaciones en las que la plataforma sea móvil. En el caso de un aterrizaje sobre buques o grandes barcos en alta mar, la situación podría tornarse notablemente más compleja, ya que el movimiento de la plataforma no es controlable y además, es difícilmente predecible teniendo en cuenta que depende del estado del mar en ese momento. En esta situación se hace necesario el conocimiento de una serie de datos relativos al movimiento de la plataforma con respecto a la aeronave. Éstos pueden ser adquiridos por la propia aeronave mediante los dispositivos adecuados, como GPS o cámaras o incluso pueden ser enviados a la aeronave por la propia plataforma. Una vez que se han obtenido los datos relativos a la posición, se procesan para generar las órdenes necesarias a los sistemas de control del vehículo. Para el control de un UAV es necesario diseñar e implementar un sistema de aterrizaje seguro y eficaz frente a perturbaciones que puedan originar su desestabilización y posibles accidentes catastróficos y, a su vez, que sea lo suficientemente autónomo. Lo mencionado en los párrafos anteriores, es totalmente trasladable a un sistema de ayuda para el aterrizaje de un vehículo aéreo tripulado o incluso para un sistema de aterrizaje automático para el propio vehículo tripulado. Con ello se facilitaría enormemente la labor del piloto en una de las acciones más peligrosas a la hora de pilotar un vehículo aéreo. 1.2 Sensores para el aterrizaje autónomo Existen multitud de sensores para ayudar al piloto en el proceso de aterrizaje de una aeronave o incluso para llegar a hacer este proceso de una manera automática. A continuación se muestran algunos de estos sistemas Soluciones comerciales La principal solución existente en algunas aeronaves comerciales, se denomina Sistemas de Aterrizaje Instrumental. Básicamente consiste en dos subsistemas independientes: uno proporciona guía lateral y el otro proporciona guía vertical. 2

3 Desarrollo de software para la ayuda en el aterrizaje autónomo mediante visión por computador Por otra parte, existen soluciones comerciales propias para UAVs, que consisten en pequeños radares portátiles que transmiten al UAV toda la información necesaria Sensores de altitud A continuación se indican algunos de los sistemas utilizados en la actualidad para medir la altitud. Encontramos principalmente cuatro tipos de sensores para medir la distancia a la que se encuentra la aeronave del suelo. Estos tipos dependen en gran medida de varios parámetros como el peso, la precisión, el rango de funcionamiento y sobre todo, el precio. Según la tecnología utilizada, podemos encontrar: 1. Radares de altimetría: Mediante un radar se calcula la distancia al suelo. 2. Ultrasonidos: Durante el aterrizaje se lanzan ondas de ultrasonidos para determinar la distancia. 3. Flujo óptico: Este sistema se basa en medir la variación de la imagen registrada. A través de una serie de cálculos matemáticos y la velocidad del vehículo obtiene una medida de la altura, así como la dirección de movimiento. 4. Láser: Un láser dirigido al suelo y su correspondiente sensor, mide la distancia que separa la aeronave del suelo Sistemas Inerciales + GPS El sistema inercial es un sistema de navegación autónomo que basa su funcionamiento en las fuerzas de inercia, dando constantemente información de la posición del avión y parámetros tales como rumbo, deriva y velocidad del viento entre otros. Todo el proceso del sistema inercial se realiza a través de una unidad de referencia inercial, sensible a los movimientos de la aeronave con respecto a la superficie terrestre. Esta unidad de referencia inercial, envía información a un computador que la presenta en los instrumentos de navegación. Además, se ayuda de los datos que proporciona el sistema de posicionamiento global (GPS) para determinar la zona de aterrizaje Alineamiento con zona de aterrizaje Existen varios sistemas de este tipo, cada uno con sus características propias, de todos ellos, destacan los siguientes: 3

4 1. Introducción 1. Sistemas de visión a bordo: Mediante visión artificial (o visión por computador), con una cámara situada en la parte baja del vehículo y dirigida hacia la zona de aterrizaje, obtiene imágenes, que le permiten hallar la posición y orientación de la pista. 2. Sistemas de visión en pista: Este sistema obtiene la posición de la aeronave desde tierra y manda a ésta la información. 3. Radiobalizas: Cuatro radiobalizas, cada una de ellas en una esquina de la pista, emiten una señal distinta que es recibida por un receptor a bordo del UAV. Hasta el momento se ha presentado una visual que permite tener unas nociones de lo que se utiliza actualmente para el aterrizaje de vehículos aéreos, ya sean tripulados o no. En este proyecto se profundizará en la técnica de visión por computador a bordo de la aeronave, ya que en los últimos tiempos este tipo de tecnología está ganando terreno en este ámbito, principalmente por dos características muy concretas: es una tecnología barata y proporciona gran información. 1.3 Visión por computador La visión por computador, también conocida como visión artificial, es la ciencia que estudia, utilizando computadores digitales, los procesos de obtención, caracterización e interpretación de la información procedente de imágenes tomadas desde un mundo tridimensional. La visión artificial es tratada como un subcampo perteneciente a la inteligencia artificial. El propósito final de ésta, no es otro que el de programar un computador para que "entienda" e interprete una escena o las características de una imagen. Los objetivos principales de la visión artificial incluyen: La detección, segmentación, localización y reconocimiento de ciertos objetos en imágenes. La evaluación de los resultados obtenidos. El registro de diferentes imágenes de una misma escena u objeto, por ejemplo, hacer concordar un mismo objeto en diversas imágenes. El seguimiento de un objeto en una secuencia de imágenes. 4

5 Desarrollo de software para la ayuda en el aterrizaje autónomo mediante visión por computador El mapeo de una imagen con el objetivo de generar un modelo tridimensional de la escena. La estimación de posturas tridimensionales de humanos. La búsqueda de imágenes digitales por su contenido. Estos objetivos se consiguen por medio del reconocimiento de patrones, aprendizaje estadístico, geometría de proyección, procesamiento de imágenes, teoría de gráficos y otros campos. El número de aplicaciones de la visión artificial aumenta día a día. Actualmente infinidad de ellas están presentes en numerosos campos como la robótica, la astronomía, el control de calidad de procesos industriales, el control del tráfico, proyectos militares, etc. 1.4 Objetivos del proyecto El principal objetivo del proyecto es la creación de un software de detección de patrones para ser utilizado en el aterrizaje automático de vehículos aéreos. El tipo de vehículo aéreo en el que se centra este trabajo es el helicóptero. Este vehículo posee ciertas cualidades que lo diferencian del resto de aeronaves, y que lo hacen propicio para la realización de un primer estudio. Tales cualidades son por una parte, la capacidad de permanecer estáticos o casi estáticos en el aire. Por otra parte, derivada de la cualidad anterior, los helicópteros poseen la facultad de realizar despegues y aterrizajes verticales sin necesidad de pista como ocurre para el caso de la mayoría de los aviones. Se propondrán diversas alternativas para afrontar el proceso de aterrizaje de las aeronaves de la manera más segura y eficiente posible. A su vez, se realizará un estudio de cada una de estas opciones para fijar su viabilidad y su eficacia frente a diferentes situaciones. El proceso se llevará a cabo utilizando las bases de la visión por computador, tratando las imágenes que se tomen de una cámara situada en la parte inferior de la aeronave. De esta manera se conseguirá la información pertinente respecto a la zona que hay bajo el aparato y así poder decidir si es la zona de aterrizaje o no. 5

6 1. Introducción 1.5 Estructura del proyecto La memoria se ha distribuido en un total de siete capítulos. El primero de ellos introduce al lector en el problema a tratar en este proyecto, así como los instrumentos que se utilizarán para proporcionar una solución eficaz. En el segundo capítulo se analiza exhaustivamente la solución ya existente concerniente al proceso de visión por computador. Una vez realizado el análisis de dicha solución, se proporciona una valoración de las conclusiones alcanzadas en aras de proponer una serie de alternativas que se exponen en los siguientes capítulos. Los tres capítulos siguientes, presentan los experimentos y pruebas realizadas sobre las distintas alternativas propuestas para resolver el problema planteado. Concretamente, en el primero de ellos correspondiente al tercer capítulo, se expone la primera solución, la cual se apoya en la inclusión de una nueva función de seguimiento del patrón que aprovecha la detección previa de éste para ahorrarse tiempo de procesamiento. En la segunda alternativa, en el capítulo cuatro, se introduce la idea de la utilización de una máscara dentro de la imagen para la búsqueda del patrón. La última alternativa propuesta se explica detalladamente en el capítulo cinco. En este caso, cambia totalmente la filosofía utilizada, para incluir el concepto de correlación parcial de las imágenes. Una vez expuestas las tres alternativas al problema, en el capítulo seis se presenta una comparación de las diferentes alternativas junto con la solución inicial para de esta forma, llegar a obtener unas conclusiones sólidas. Finalmente en el capítulo siete se muestran las conclusiones a las que se han llegado después de realizar el proyecto y los posibles trabajos futuros. 6