Sistema de Seguimiento Óptico Automático para Lanzamiento de Cohetes

María Curetti #1, Santiago Garcia Bravo#2, Ladislao Mathé *3 # Centro de Investigaciones Aplicadas, DIGID, Fuerza Aérea

Avenida Fuerza Aérea 6500, Córdoba, Argentina 1 mcuretti@iua.edu.ar, 2 sgbravo@iua.edu.ar

* Instituto Universitario Aeronáutico, Avenida Fuerza Aérea 6500, Córdoba, Argentina

3 ing.ladislao.mathe@gmail.com

Abstract— In this work a electro-optical tracking system

adapted for filming rocket launches is presented. The full system is described and the two specialized stages developed to withstand the difficulties of this particular application are detailed. The first stage is responsible for automatic target detection, this step is implemented and tested. The second stage is a predictive trajectory control with Kalman filter, this step is implemented and verified by simulations with real trajectory data. Results are presented and discussed, future research lines are proposed.

Resumen— En este trabajo se presenta un sistema de

seguimiento electro-óptico adaptado para la filmación de lanzamientos de cohetes. Se describe el sistema en su totalidad y se detallan en mayor profundidad las dos etapas especializadas que se desarrollaron para soportar las dificultades de esta aplicación en particular. La primera etapa es la encargada de la detección automática del objetivo, esta etapa es implementada y ensayada. La segunda es la etapa de control con seguimiento predictivo de trayectoria con filtro de Kalman, que se implementa y verifica con simulaciones a partir de datos reales de trayectoria. Se presentan y analizan resultados y se proponen líneas futuras de investigación.

I. INTRODUCCIÓN Un sistema de seguimiento electro-óptico (E-O tracking

system) puede ser visto como un ensamble de elementos esenciales que se pueden estructurar en una variedad de configuraciones para alcanzar misiones específicas, según los requerimientos. Como mínimo un sistema de seguimiento incluye: un paquete de sensores para la detección del objetivo, un sistema servocontrolado de posicionamiento para seguir la trayectoria del objetivo, y un método de comando para la orientación del sistema.

Los sistema de seguimiento EO, pueden además contener instrumentos como telémetros láser o radares que complementan la arquitectura del sistema proveyendo un posicionamiento preciso en el espacio y datos sobre la trayectoria de sus blancos.

Entre los numerosos usos para los seguidores EOs están los siguientes: vigilancia en tiempo real, telemetría, guiado terminal de misiles, designación láser de blancos, y control de fuego de armas [1], [2].

En el Centro de Investigaciones Aplicadas perteneciente a la Dirección General de Investigación y Desarrollo de la Fuerza Aérea Argentina se está desarrollando un “radar óptico,” ó TV Tracker desde hace varios años con el objeto de disponer de un equipo capaz de realizar registros ópticos de los ensayos en vuelo de los distintos proyectos. Este

radar óptico consiste en una montura orientable mediante dos servomotores cuyo fin es orientar en acimut y en elevación a una videocámara de manera de enfocar a un objetivo y mantenerlo centrado en el cuadro de la imagen, independientemente de los movimientos del objetivo.

En trabajos anteriores del grupo de investigación [3], [4], se centró el esfuerzo en el desarrollo de un algoritmo de procesamiento de imágenes dedicado al seguimiento de un objetivo (tracking) colocándolo en una “ventana” y manteniéndolo “enganchado” a lo largo de una secuencia de imágenes. Como resultado se logró un algoritmo basado en equiparado de patrones (template matching), y la aplicación del concepto de filtro de Kalman y otros métodos utilizados anteriormente para este tipo de aplicaciones [5], [6], [7]. Otra característica utilizada en diferentes trabajos con procesamiento de imágenes [8], [9] son los bordes de las figuras en la captura, éstos fueron aprovechados para centrar el objeto en el patrón y adaptar el tamaño de la ventana al tamaño del elemento rastreado. Posteriormente se utilizó el algoritmo de procesamiento de video desarrollado logrando el seguimiento de un blanco aéreo en tiempo real [10]. Además se implementó un módulo de fusión sensorial para aprovechar la información telemétrica (GPS emitido por el objetivo) que permite continuar con el seguimiento durante periodos de oclusión [11] , [12].

En los últimos años se ha trabajado intensamente para posibilitar el uso de TV Tracker para obtener registros fílmicos de los lanzamientos de cohetes desarrollados por la Fuerza Aérea Argentina, CITEDEF y la CONAE. Este tipo de registro es de gran interés y se ha realizado en múltiples oportunidades con el fin de extraer información de telemetría y trayectoria, entre otras [13], [14].

La dinámica del cohete dificulta la filmación manual del evento, y hace necesario el desarrollo un sistema de detección automática del objetivo y el seguimiento predictivo de la trayectoria del cohete con uso de filtros de Kalman.

La detección automática de blancos es un tema ampliamente abordado en el procesamiento de imágenes [15] - [17]. Se han propuesto métodos muy diversos dependiendo de las particularidades de la aplicación y las características de las imágenes a procesar desde objetivos similares a partículas [15], [16] hasta otros mucho más complejos [17], en imágenes de alta definición [17], ruidosas [15], infrarrojas [16], etc.

Para las características de esta aplicación en particular en la que se priorizó la robustez y velocidad del sistema, se

2014 IEEE Biennial Congress of Argentina (ARGENCON)

978−1−4799−4269−5/14/$31.00 c©2014 IEEE 304

implementó una detección basada en el bla tobera del cohete durante el lanzamutiliza un método detección de las lámvehículo delantero en un sistema de conductor similar al planteado en eutilizando características cromáticas. El fmétodo desarrollado fue comprobado cuyos resultados se analizan en este trabaj

Finalmente, debido al retardo inherenTracker detectado y medido en ensayocaracterísticas dinámicas de la aplicacidesarrollar un filtro de Kalman predictivEste método está ampliamente difundido seguimiento debido a su eficiencia, su rela relativa sencillez de implementación efusión de información [19] - [21]. El funcmétodo de seguimiento fue verisimulaciones utilizando datos obtenidosetapa anteriormente descripta.

En las siguientes secciones de este trabsistema TV Tracker en su totalidad y se dprofundidad las dos etapas especializdetección y filtro de Kalman como estimadesarrolladas para soportar las difiaplicación en particular. Ambas etapas soevaluadas, y los resultados obtenidos en detallados. Por último se analizan losproponen nuevas líneas de trabajo.

II. DESCRIPCIÓN DEL SISTE

El sistema TV Tracker consta de unacontrolada en azimut y en elevación. Sobcoloca una cámara filmadora cuya seutilizada en la computadora de controimagen para extraer la información dobjetivo respecto al centro de la imagenalgoritmo de procesamiento de imágenes información no es trivial. Se elaboróseguimiento propio [3] que se ajusta específicas del proyecto.

La montura del sistema TV Tracker es ejes, uno de rotación acimutal y otro en ejes poseen la misma relación de enengranajes son partidos para la elimimecánico. A esta etapa de reducción reductores FAULHABER de la serie 38relación de transmisión de 14:1. El sistmotores de corriente continua con escobi90 W 3863 C con una tensión de alimen24 V. La interface de potencia a los mtravés de drivers GeckoDrive G340.

Asociados al eje de los motores se enAGILENT TECHNOLOGIES del tipo HEDM 5500 J12 de 1024 líneas/vuelta.lectura de las señales de encoascendente/descendente se cuadruplica lasensores. Por lo tanto se tiene que la apuntado del sistema es de 15,9 [μrad] enla realimentación proveniente de los enclos ejes de los motores son leídos por hade control PCI-7344. El retardo se encuelos 62μs por lo que se considera instantán

brillo producido en miento. En [18] se mparas traseras del

asistencia para el este trabajo, pero funcionamiento del mediante ensayos

jo. nte al sistema TV s previos, y a las ión, fue necesario o de la trayectoria. en aplicaciones de

echazo al ruido y a en aplicaciones con cionamiento de este ificado mediante en ensayos de la

bajo se describirá el detallarán en mayor zadas (módulo de ador de trayectoria) cultades de esta

on implementadas y estos ensayos son

s resultados y se

EMA a plataforma servo bre la plataforma se eñal de video es l. Ésta procesa la

de la posición del n. El desarrollo del

para obtener dicha ó un software de a las necesidades

un pedestal de dos elevación. Ambos

ngranajes 7:1, los inación del juego se asocian motor-/2 que poseen una

tema cuenta con 2 llas FAULHABER ntación nominal de

motores se realiza a

ncuentran encoders óptico de la serie . Aprovechando la

oder por flanco a resolución de los resolución para el

n cada eje. Además, coders asociados a ardware en la placa ntra en el orden de

neo en este modelo.

La montura se encuentra compuesto por tres pies regulasegún el terreno en el que haya

La cámara de filmación es distancia focal variable por el compuesto proveniente de la medio de una placa PCI-1409luego procesada con el algoimágenes en una computadora.

La cámara de filmación adqupor segundo (fps). Posee una rde 16:9 en Standard Resolutio(zoom óptico) de hasta 60×. imagen, IFOV por sus siglaexperimentalmente para máximlos siguientes valores: 20.517.3

La relación ángulos/pixeles sen el rango ×1 a ×60 de zoom el usuario.

La desviación en pixelesrespecto al centro del cuadro, procesamiento de imágenes. Lude comando, medido en pulsos que centran en pantalla al bladiagrama en bloques correspondcontrolada. Dentro del recuadrocontrol G1, el driver de potenmotores G3 y la realimentaciónrepresentada por H1.

A la salida del bloque corresagrega el bloque correspondiende video G4, cuyas imágenes soprocesadas en H3 para generar lde este modo generar el próximlograr el seguimiento.

III. DETECCIÓN AUTOMÁTICA Y

A. Modulo de detección El sistema de procesam

seguimiento de objetivos utilizinformación inicial del blanco.

En aplicaciones de TV TracUAV´s, aviones y helicópteroaspecto y posición dentro de la iun sistema de detección manoperador del sistema era el apuntado manual de la cámara

Fig. 1 Diagrama en bloque

fijada sobre un pedestal ables para nivelar el pedestal sido colocado. una Sony DCR-SR68, con usuario. La señal de video cámara es digitalizada por

9 de National Instruments y oritmo de seguimiento de

uiere imágenes a 30 cuadros relación de aspecto de video n, y distancia focal variable El campo de visión de la

as en inglés, se determinó mo zoom (mínimo FOV) en 0.2 / (1) 0.2 / (2) se modelizó de manera lineal según el valor que comande

del blanco seleccionado es obtenida por la etapa de

uego, es traducida a ángulos de encoder, para los motores anco. La Fig. 1 muestra el diente a la plataforma servo-o gris se observa la etapa de ncia G2 que comanda a los n de posición de los encoder

spondiente a la plataforma se nte a la cámara de filmación n digitalizadas en H2 y luego la señal de realimentación, y mo comando de control para

Y AJUSTE DEL CONTROLADOR

miento de imágenes para zado en TV Tracker precisa

cker para el seguimiento de os, los datos necesarios de imagen fueron obtenidos con nual. En algunos casos, el encargado de la etapa de

a para fijar el blanco en el

es del sistema TV Tracker

305

cuadro de la imagen. Esta solución era contaba, en la mayoría de los casos, coGPS de la posición del blanco para realizAdemás, los movimientos angulares de ldel blanco respecto al TV Tracker eran distancia al objetivo y a las característimismo (aviones, helicópteros, UAV, etc.)

Para capturar las imágenes corlanzamiento de un cohete, los requerimson diferentes. Por empezar, la posiciórespecto a la rampa del cohete está dimensiones del campo de lanzamiedistancia a aproximadamente 300 metrreducida sumada a una trayectorperpendicular al eje óptico de TV aceleración de alrededor de 20G, resulta eangulares abruptos en la primera etapaEstas exigentes características dinámicasconveniente confiar la etapa de deteccióoperador, el riesgo de falla es demasiadetapa más crítica del seguimiento. Pornecesario automatizar la etapa de detecclas posibilidades de captura de un evento

Para detectar el blanco se decidió utilizvisual más destacada: el brillo de la cocantidad de energía emitida por la comimagen en las proximidades de la tobera de la ignición y durante varios segundoesta característica del evento a capturar, detector de umbral (con valor ajustable pclasificador de pixeles detectados, parpuntos aislados que pueden ser prodAdemás para evitar tener problemas bruscos de actitud y posición de la etapacontinuar con este sistema de detección parte del despegue. Cuando el cohete haltitud, el brillo del motor se confunde code fondo; por esta razón se debe contincon el método de equiparado de patrones.

Por último, cabe mencionar que para ede saturación de la cámara varíe durantnecesario desactivar la función de ajurealizar el ajuste manualmente según lbrillo ambiental.

B. Sintonización del controlador El seguimiento es exitoso cuando

imágenes del ensayo, es decir cuando eldel cuadro de la imagen. El IFOV se dverticalmente en unidades angulares, longitud focal de la cámara en el momedecir que un desplazamiento del blancodesplazamiento en pixeles, que sedesplazamiento angular. Si se conoce lentre IFOV y la resolución de la imreconstruir la trayectoria del blancoangulares, azimut y elevación para contiimágenes.

El desafío en el caso del cohete, seaceleración inicial durante el despegue estima en 20G, es decir: 20×9.81[m/s2] =Fig. 2 muestra la simulación de la trayecto

factible ya que se on información de zar el pre apuntado. la posición relativa suaves debido a la icas dinámicas del ). rrespondientes al

mientos del sistema ón de TV Tracker

limitada por las ento, acotando la ros. Esta distancia ria prácticamente Tracker con una

en desplazamientos de la trayectoria.

s hacen que no sea ón del blanco a un do elevado para la r este motivo fue ción para aumentar tan singular. zar la característica ola del cohete. La mbustión satura la desde el momento

s. Para aprovechar se implementó un

por el usuario) y un ra no responder a ducidos por ruido.

con los cambios a inicial se decidió durante la primera

ha alcanzado cierta n el brillo del cielo uar el seguimiento evitar que el ajuste te la operación, es uste automática y las condiciones de

se logra capturar l blanco no escapa define horizontal y y depende de la nto del ensayo. Es

o se observa en un e traduce a un la relación angular magen, es posible en coordenadas inuar la captura de

e basa en la gran del blanco, que se = 196.2 [m/s2]. La oria (en altitud) del

cohete Centenario realizada Vehículos Espaciales del CAplicadas.

Fig. 2. Gráfico de la trayectoria Simulación correspondiente a vientoparacaídas a 15000[m]

Se comandó a TV Tracker sfin de determinar las caracterípara lograr el seguimiento y reccontroladores de la montura.

La Fig. 3 muestra la trayectorángulo de elevación de TV Trauna distancia de 300[m] de lcohete (línea negra sólida). En lposición angular del motor encomandada (línea punteada rocorrespondiente a la trayectoria4. En este gráfico se observa qucon la capacidad de seguir al bla

La cámara de filmación decuadros por segundo (30[fps]). requerido para la digitalizaciónimágenes es de 100[ms], es deaproximadamente. Esto signiapuntar en base a la posición smantener el error de seguimieIFOV en todo momento (si se dde la imagen).

Por último, el sistema suficientemente adaptivo para caso de cambios abruptos en lcohete. Por estas razones se dede control utilizada hasta el moha probado exitosa en los ensay

Una vez recalculados los paTd=0.1) se ensayó a nivel de lapartir de cierto punto, lconsiderablemente más lenta quhace que con las ganancias prcontrolador se vuelva inestablnuevos valores (Kp=0.5; Ti

en el departamento de Centro de Investigaciones

simulada del cohete Centenario.

o nulo y apertura de sistema de

según esta trayectoria con el ísticas dinámicas necesarias

calcular los parámetros de los

ria del cohete en términos de acker cuando éste se ubica a la base de lanzamiento del la misma figura se observa la n respuesta a la trayectoria oja). El perfil de velocidad a de Fig. 3 se observa en Fig. ue TV Tracker posee motores anco. e TV Tracker, adquiere 30 El retardo debido al tiempo

n y el procesamiento de las ecir de 3 cuadros de imagen fica que el sistema debe

sensada tres cuadros antes, y ento debajo del 30% de la

desea que el cohete ocupe 1/3

de control debe ser lo continuar el seguimiento en

la trayectoria planificada del ecidió mantener la estrategia omento [22], [23] ya que se

yos realizados [11], [12]. arámetros (Kp=1.3; Ti=0.05; aboratorio observando que a a trayectoria se vuelve ue en la primera etapa. Esto revistas para el despegue, el le y deba ser actualizado a i=0; Td=0.1) anulando la

306

componente integral del controlador y acumulado.

Finalmente, se decidió desplazar el cede la imagen 120[pix] por debajo del eje ópara de este modo lograr una mayor excuen el sentido vertical, que es el sentido del blanco.

Fig. 3. Primeros segundos de la trayectoria en televación de seguimiento del cohete. La trayecpresenta en línea sólida, mientras que la posición anmuestra en puntos (las curvas se encuentran superpu

Fig. 4. Perfil de velocidad en RPM en el eje decorrespondiente a la trayectoria en Fig. 3. La línseñal de referencia, y la punteada corresponde a la r

IV. ENSAYO El ensayo Experiencia Centenario IES

la ciudad de Chamical, provincia de La Diciembre 2013. El lanzamiento del coh07:35hs, y TV Tracker registró los primtrayectoria del cohete.

La secuencia de imágenes en la Fig. 5 capturas de la filmación lograda en erespectivos tiempos. En el momento delde visión fue de IFOVV=5.31º; IFOVH=7.

el error por esta

entro de referencia óptico de la cámara ursión de la imagen de desplazamiento

términos de ángulo de ctoria de referencia se ngular de los motores se uestas)

el motor de elevación, nea sólida representa la respuesta de los motores.

0060 tuvo lugar en Rioja el día 18 de

hete se realizó a las meros 4.20[s] de la

muestra diferentes el ensayo con sus l ensayo, el ángulo 97º.

Fig. 5. Secuencia de capturas de cuadcohete Centenario. En la esquina inferide la captura, tomando como instante ce

Las primeras dos figura

despegue del cohete. El tiempo de la combustión del motor, es una referencia dentro del progrdel despegue parte del cuerpo imagen pero el seguimiento programa de seguimiento siguevuelve a quedar completamenimagen, y así continúa hasta quesu trayectoria debido a la actseguridad por excesiva presión e

El operador no pudo respondactualización de los ganancias dla segunda etapa. La captura conanteúltima imagen obtenida conel blanco se aproxima al borde máscara escapa de la imagendefinitiva del objetivo.

La figura 6 muestra la señal lo largo del seguimiento, esto emáscara de seguimiento con res

Fig. 6. Señal error en sentido v

dros a lo largo del seguimiento del ior izquierda se especifica el tiempo ero, la presencia de llama del motor.

s son representativas del se cuenta desde la detección decir desde que se adquiere

rama de seguimiento. Luego del cohete se escapa de la continúa debido a que el

e al fuego. Luego el cohete nte dentro del cuadro de la e el cohete comienza a variar tivación de una válvula de en el tubo del motor. der a tiempo para realizar la del controlador previstas para n tiempo 4.16 segundos es la n la cámara y muestra cómo inferior del cuadro. Luego la n y se produce la pérdida

error de la etapa de control a s la distancia en ángulo de la specto al centro de referencia.

vertical (Y) y azimutal (X).

307

V. FILTRO DE KALMAN COMO ESTTRAYECTORIA Y SIMULA

Habiendo registrado durante el enangular de los servomotores, que corientación del eje óptico de la cámara, de la imagen, la posición del blanco detereconstruir la trayectoria real del cohetángulo de elevación y de azimut.

La reconstrucción de la trayectoria, sesintonización y evaluación de un estimacon características predictivas que sirvanresultados del sistema.

El estimador de trayectoria actual esvelocidad angular a partir del error en pEsto es equivalente a una extrapolación liúltimos dos datos de posición de la máscen el plano de imagen.

Este método ha demostrado fallar transición. En términos del ensayo condespegue, y cuando a partir del punto la dmás lenta como resultado de la proyeccimomento el término integral y el error ser anulados, para evitar el sobre pasamie

Por estas razones se decidió aprovechrecolectada durante el ensayo para sintopermita subsanar esta falencia, y que sirequerimientos de confiabilidad.

Se analizaron las opciones y finalestudiar el comportamiento del filtro desituación ya que éste es óptimo estrespecto a cualquier otra función cuadrátAdemás converge al filtro de Benedict-Bde la minimización del error de transitorio

En particular se estudió el comportvariando la cantidad de estados, encontrcomportamiento se logra con el trackeo es decir estimando un jerk constante:

1 ∆0 1 0.5∆ 0.17∆ 0.5∆0 00 0 1 ∆0 10 0 0 0 1 0 0 0 0

Los datos de posición angular linearizaron a través de la función tangedel proceso (Q) se estimó como la maconstantes e iguales a 0.03, y la de la0.0001.

Teniendo en cuenta el retardo del sisdecidió que la referencia para el seextrapolación lineal del estado actual estiDe este modo, se obtuvo un error máximosimulación del seguimiento. En la Fig. trayectorias, medida durante el ensayo,

TIMADOR DE ACIÓN sayo, la posición corresponde a la y dentro del plano ectado, fue posible te en términos de

erá utilizada para la ador de trayectoria n para mejorar los

s un estimador de osición en pixeles. ineal a partir de los ara de seguimiento

en situaciones de n el cohete, en el dinámica se vuelve ón angular. En ese acumulado debían nto. har la información

onizar un filtro que ga cumpliendo los

lmente se decidió Kalman para esta adísticamente con tica de estimación. Bordner que surge o. tamiento del filtro rando que el mejor

de cuatro estados,

∆∆ (3)

(4)

(5)

(6)

de elevación se

ente. La covarianza atriz de elementos as mediciones (R)

stema (100[ms]) se eguimiento sea la imado por Kalman. o de 2 [grad.] en la 7 se muestran las la estimada por el

filtro en cada iteración y (extrapolada) a partir de la estim

Fig. 7. Resultado de la simulación destimación de la posición del cohete.

VI. CONCL

El método de detección autocaptura de lanzamientos de coseguimiento TV Tracker demodurante la Experiencia Centenafue detectado y localizado durmódulo de control ajustado a cohete, no fue suficientementcambios bruscos en la trayectorfue capaz de responder a modificación de los valores deevitar el sobrepasamiento quobjetivo.

El módulo de estimación dKalman, que fue evaluado comde control implementado hastaviable considerando el retardo dpor debajo de 2 grados al ser sensada durante la Experieimplicaría que el blanco no se elanzamiento de características si

En etapas futuras del proyectensayo con el módulo predictivprevé incorporar el radar ópticopara automatizar la etapa de dblanco durante la primera parte

AGRADECI

Se agradece el apoyo brinDefensa a través del subsidio PI

REFEREN[1] G. Downey, y L. Stockum,

considerations," en 1989 Orlandfor Optics and Photonics, 1989, p

la trayectoria comandada mación.

del filtro de Kalman aplicado a la

LUSIÓN omática desarrollado para la ohetes con la plataforma de ostró ser efectiva y robusta ario en Chamical. El blanco rante todas las capturas. El la trayectoria simulada del

te versátil para contemplar ia del blanco. El operador no

tiempo para realizar la el controlador necesaria para ue provocó la pérdida del

de trayectoria con filtro de mo una alternativa al sistema a el momento, demostró ser del sistema. Mantuvo el error simulado con la trayectoria

encia Centenario, lo que escaparía de la imagen en un imilares. to se espera realizar un nuevo vo implementado. Además se TV Tracker al radar VITRO detección y seguimiento del del lanzamiento de cohetes.

IMIENTO ndado por el Ministerio de IDDEF 019/10 TV Tracker.

NCIAS "Electro-optical tracking systems

do Symposium, International Society pág. 70-84.

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