ES2562992T3 - Dispositivo de medida de velocidad y de posición de un vehículo que se desplaza por un carril guía, proceso y paquete de programas de ordenador correspondiente - Google Patents

Abstract

Dispositivo (100) de medida de velocidad y/o de posición de un vehículo (200) que se desplaza por un carril guía, tanto de día como de noche, cualesquiera que sean las condiciones climáticas, que comprende: - por lo menos un sistema de captura de imágenes (4) que proporciona una secuencia de imágenes digitales de un entorno del correspondiente vehículo (200); - medios de determinación del movimiento aparente de por lo menos una referencia visual, llamada primitiva, entre dos imágenes proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imágenes (4), para determinar el movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual; - medios de evaluación de la velocidad y/o de la posición del correspondiente vehículo (200) a partir del correspondiente movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual; caracterizado por lo que los correspondientes medios de determinación implementan: - medios de simplificación de las correspondientes imágenes, con la ayuda de por lo menos un modelo del correspondiente entorno, que permite la detección de la correspondiente por lo menos una referencia visual en las imágenes simplificadas; - medios de predicción de una zona de imagen en la que la correspondiente referencia visual se encontrará en una imagen siguiente; - medios de extracción de una de las correspondientes referencias visuales en la correspondiente zona de imagen; - medios de evaluación de un desplazamiento, por comparación entre la posición real de la correspondiente referencia visual en una imagen en curso y una imagen anterior.

Description

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DESCRIPCION

Dispositivo de medida de velocidad y de posicion de un vetnculo que se desplaza por un carril gma, proceso y paquete de programas de ordenador correspondiente

Antecedentes de la invencion

La presente invencion se refiere a un proceso de localizacion y/o de medida de velocidad de un vetnculo que se desplaza por un carril gma, por ejemplo una via ferrea formada por dos raMes, y a un dispositivo que equipa dicho vetnculo, especialmente una locomotora.

Estado de la tecnica anterior

El desarrollo de los sistemas de vigilancia y gestion del trafico ferroviario actuales ha de cumplir las exigencias del sistema europeo de gestion del trafico ferroviario (ERTMS) que pretende harmonizar los sistemas de senalizacion y el control de velocidad para el transporte ferroviario en Europa y, por consecuencia, mejorar la seguridad de la circulacion de los trenes.

Para mejorar las condiciones de circulacion de los trenes en una red de lmeas ferroviarias asf como la seguridad del conjunto del trafico, es necesario conocer con precision la velocidad y la ubicacion (posicion) de cada tren en la red ferroviaria.

Para responder a esta necesidad, los trenes se equipan con una combinacion de sensores de odometna de diferentes naturalezas, tales como acelerometros, radares Doppler y sensores de ruedas. Esta solucion resulta costosa y necesita la implementacion de algoritmos complejos para el procesamiento de las senales medidas. Sin embargo, la precision de las medidas efectuadas por dichos sensores no es satisfactoria debido especialmente a su sensibilidad a las condiciones climaticas, a las bajas velocidades, a las vibraciones, a la configuracion del tren y del suelo, al deslizamiento de las ruedas del tren sobre los rafles. Ademas, las medidas procedentes de dichos sensores de odometna son propensas a desviaciones. Por otra parte, algunos de dichos sensores fijandose debajo de la caja, son propensos a deterioros (proyecciones de cantos por ejemplo).

Para remediar estas desviaciones y mejorar la precision de las medidas de posicion de los trenes, se propuso “ajustar” las medidas de posicion obtenidas a partir de los sensores de odometna gracias a sistemas en el suelo, en forma de emisores/balizas (llamados “Eurobalizas”) fijados a intervalos regulares (cada 1,5 km por termino medio, en Belgica por ejemplo) a la via ferrea. Dicha baliza se activa cuando pasa el tren, transmitiendole su localizacion exacta con respecto a un sistema de referencia absoluto relacionado con la via. Entonces el ordenador de a bordo del tren corrige el error de posicion del tren por ajuste de la posicion obtenida por odometna con la de la ultima baliza encontrada.

Esta solucion tiene el inconveniente de que las balizas se situen sobre la via entre los rafles. Asf, sin vigilancia, son vulnerables a los actos de vandalismo. Al pasar un tren, tambien se someten a esfuerzos mecanicos bastante importantes que pueden causar avenas. Junto con el coste engendrado por el mantenimiento de las balizas, existe un coste vinculado a la instalacion de las balizas en toda la red ferroviaria y a la gestion de las existencias. Ademas, esta solucion plantea un problema de seguridad ya que al averiarse una baliza, aumenta el intervalo entre dos ajustes de medidas de posicion procedentes de los sensores de odometna.

En una alternativa, se propone equipar el tren con un receptor GPS para hacer mas fiables las medidas de dichos sensores de odometna. Sin embargo, hace falta para ello que el receptor GPS pueda captar continuamente las senales de los satelites para permitir la localizacion del tren, lo que es diffcil en los tuneles, corredores urbanos y valles muy estrechos de montana.

Otra solucion basada en un sistema optico y comercializada con el nombre de Correvit®, consiste en equipar el tren con sensores que radican en una tecnologfa LED. Sin embargo, este enfoque tiene el inconveniente de que dichos sensores sean bastante fragiles y vulnerables a las condiciones medioambientales, ya que se situan debajo de la caja, cerca del rail de la via ferrea.

Otra solucion para medir la “distancia recorrida” de un tren se describe en el documento de patentes FR 2 673 901. Esta solucion consiste en fijar pistas magnetizables a lo largo de la via ferrea y en utilizar, con respecto al sentido de desplazamiento del vetnculo, por lo menos una bobina de marcacion magnetica de dichas pistas, alimentada por un generador de impulsos de corriente electrica y situada en el bogie delantero de la locomotora, y por lo menos un detector de dicha marcacion magnetica en el bogie trasero de la locomotora, bobina y detector estando separados uno de otro por una distancia predeterminada. Se preven asimismo medios para mandar una nueva marcacion despues de cada deteccion y medios para contabilizar el numero de marcaciones detectadas, representativas de la distancia recorrida por la locomotora (y por lo tanto la posicion de la locomotora sobre la via ferrea).

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Sin embargo, esta solucion presenta el inconveniente de que son costosos la utilizacion y el mantenimiento en funcionamiento de los medios ya que estos estan sometidos a importantes esfuerzos mecanicos.

Tambien es conocida la utilizacion de un dispositivo de captura de imagenes colocado en un extremo del tren, en el que las imagenes se analizan despues para determinar la velocidad y la posicion del tren, vease por ejemplo el documento WO 2007/0282563. El analisis de las imagenes consiste en una deteccion de elementos, como por ejemplo codigos de barras situados en el suelo, a lo largo de la via, en lugares conocidos a priori, y en una comparacion de los codigos detectados con codigos almacenados en una base de datos, lo que permite localizar espacialmente el tren, vease por ejemplo el documento WO 2007/091072.

Esta solucion tiene el inconveniente de la necesidad de colocar codigos de barras en toda la red ferroviaria y de que sea costosa su implementacion.

Esta solucion tiene otro inconveniente que es la necesidad de gestion de una base de datos. Ademas, el analisis de la imagen y la comparacion con datos almacenados en la base de datos requieren un importante tiempo de procesamiento.

En otros terminos, las soluciones actuales de medida de posicion y de velocidad de los trenes no son totalmente satisfactorias.

En efecto, requieren la utilizacion de equipos de deteccion:

- que se derivan de tecnologfas distintas y que miden magnitudes de distintas naturalezas, lo que precisa la implementacion de algoritmos complejos de procesamiento de las senales medidas y engendra tiempos de procesamiento de datos bastante largos;

- de a bordo (debajo de la caja o en la locomotora) o en el suelo (entre los railes o a lo largo de la via), lo que los hace propensos a deterioros;

- costosos (especialmente su mantenimiento), poco precisos (especialmente por las bajas velocidades del tren) y propensos a desviaciones.

Objetivos de la invencion

La invencion tiene por objetivo principal paliar los inconvenientes de la tecnica anterior.

Mas particularmente, la presente invencion tiene por objetivo proponer un proceso de medida preciso y fiable de la velocidad de vehfculos que se desplazan sobre un carril grna y llegado el caso de su posicion, sin necesitar la implantacion en su recorrido de dispositivos espedficos tales como balizas.

La presente invencion tambien tiene por objetivo proponer un dispositivo de utilizacion de este proceso, dicho dispositivo debe ser lo menos costoso posible, poder implantarse en cualquier tipo de vehfculo y poder funcionar correctamente cualesquiera que sean las condiciones medioambientales.

Otro objetivo de la invencion consiste en proponer una solucion de medida de velocidad y de posicion de vehfculos que se desplazan sobre un carril grna que cumpla las exigencias de interoperabilidad y de seguridad del sistema ERTMS en particular.

Descripcion de la invencion

Estos objetivos, asf como otros que destacaran a continuacion, se alcanzan gracias a un dispositivo de medida de velocidad y/o de posicion de un vehfculo que se desplaza por un carril grna, tanto de dfa como de noche, cualesquiera que sean las condiciones climaticas.

Segun la invencion, dicho dispositivo comprende:

- por lo menos un sistema de captura de imagenes que proporciona una secuencia de imagenes digitales de un entorno del correspondiente vehfculo;

- medios de determinacion del movimiento aparente de por lo menos una referencia visual, llamada primitiva, entre dos imagenes proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imagenes, para determinar el movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia, que implementan:

-medios de simplificacion de las correspondientes imagenes, con la ayuda de por lo menos un modelo del correspondiente entorno, que permite la deteccion de la correspondiente por lo menos una referencia visual en las imagenes simplificadas;

-medios de prediccion de una zona de imagen en la que la correspondiente referencia se encontrara en una imagen siguiente;

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-medios de extraccion de una de las correspondientes referencias visuales en la correspondiente zona de imagen;

-medios de evaluacion de un desplazamiento, por comparacion entre la posicion real de la correspondiente referencia en una imagen en curso y una imagen anterior;

- medios de evaluacion de la velocidad y/o de la posicion del correspondiente vehnculo a partir del correspondiente movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia.

El dispositivo de la invencion permite medir la velocidad y la posicion de un vehnculo, tal como un tren, que se desplaza por un carril grna (rodando sobre una via ferrea por ejemplo) por determinacion del movimiento en una sucesion de imagenes proporcionadas por un sistema de captura de imagenes que puede ser especialmente, en un modo de realizacion, un sensor de imagen optica, en forma de camara.

El dispositivo de la invencion implementa un procesamiento de imagenes procedentes de una misma secuencia, tomadas en un entorno estructurado. Extrae de la imagen, en tiempo real o casi real, las primitivas pertinentes de la proyeccion (escena visual) del entorno ferroviario constituido por el carril grna y objetos proximos, efectua el seguimiento y calcula el movimiento de desplazamiento en la imagen de estas ultimas. El calculo de la velocidad y de la “distancia recorrida” del vehnculo se hace posible gracias a un conocimiento a priori de ciertas magnitudes reales del entorno ferroviario (escena real), pudiendo ser el modelo del entorno por ejemplo un modelo dinamico simplificado.

Segun los casos, el correspondiente por lo menos un sistema de captura de imagenes pertenece al grupo que comprende, en particular (lista no exhaustiva):

-las camaras fotograficas;

-las camaras termicas;

-las camaras magneticas, etc.

La invencion permite medir asf la velocidad y la “distancia recorrida” (o la posicion relativa) de un tren por referencia interna, en un entorno ferroviario parcialmente conocido a priori, a partir de uno o varios sistemas de captura de imagenes (o sensores de imagen) adaptados, por ejemplo, para el espectro visible (camara fotografica), el espectro infrarrojo (sensor termico), y/o las radiaciones magneticas (camara magnetica).

Es de notar que el o los sistemas de captura de imagenes utilizados en el dispositivo de la invencion permiten obtener, tanto de dfa como de noche, cualesquiera que sean las condiciones climaticas, una secuencia de imagenes de video, termicas, magneticas, u otra cosa, a partir de la cual el calculo de la velocidad del vehnculo y de la “distancia recorrida” por este ultimo puede efectuarse segun el modo de realizacion de la invencion.

En otros terminos, el sistema de captura de imagenes es un dispositivo de captura de los elementos estructurales del medio en el que el vehnculo se desplaza (por imagen optica, termica, acustica, magnetica u otra cosa).

Por otra parte, las imagenes proporcionadas por el o los sistemas de captura de imagenes y procesadas con el dispositivo de la invencion pueden ser imagenes de la escena situada en la parte delantera o trasera del vehnculo.

En un modo de realizacion particular, la correspondiente por lo menos una referencia es representativa de por lo menos una caractenstica geometrica del correspondiente carril grna, como el radio de curvatura, la distancia entre los rafles de la via, la alineacion.

Ventajosamente, la correspondiente por lo menos una referencia es representativa de por lo menos una caractenstica geometrica de por lo menos un objeto situado a lo largo del carril grna, como la verticalidad de los postes.

Asf, la invencion utiliza referencias visuales o caractensticas, llamadas primitivas, que son objetos extrafdos de la imagen que contienen de manera concisa una informacion importante para su analisis (estas referencias suelen ser bordes o zonas de la imagen) y cuya evolucion en el tiempo y el espacio depende de las propiedades de ciertas magnitudes reales del medio ferroviario juiciosamente elegidas, y dadas por conservarse o cambiar lentamente a lo largo de una misma secuencia de imagenes (distancia entre los rafles de la via, curvatura de la via, verticalidad de los postes a lo largo de la via, etc.).

Se preven asf zonas de deteccion de la via y objetos que bordean la via.

Las primitivas, extrafdas de las imagenes, se utilizan directamente por la invencion, lo que permite eliminar totalmente la fase de interpretacion de las informaciones visuales, costosa en tiempo de calculo en el caso de escenas complejas.

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En otros terminos, el hecho de utilizar las primitivas directamente en la imagen permite reducir considerablemente el volumen de datos a procesar y el tiempo de ejecucion de los algoritmos en el procedimiento de evaluacion de movimiento.

En un modo de realizacion de la invencion, el dispositivo utiliza un modelo del correspondiente vehnculo y un modelo del correspondiente sistema de captura de imagenes.

La asociacion de modelos de vehnculo y de sistema de captura de imagenes, el modelo del entorno, los elementos dinamicos del conjunto del carril grna y del vehnculo, como los datos relativos a la tarea a ejecutar (en este caso desplazarse sobre el carril grna) se integran, en forma de parametros y algoritmos, en la unidad de calculo del dispositivo de la invencion que recibe, cuando esta en funcionamiento, las informaciones sobre el estado en curso del vehnculo (informaciones propioceptivas) y las informaciones sobre el estado en curso del entorno (informaciones exteroceptivas).

Los modelos de vehnculo y de sistema de captura de imagenes se asocian en el procedimiento de determinacion de los parametros internos del sistema de captura de imagenes (autocalibracion) montado en el vehnculo que se desplaza sobre el carril grna. El modelo del entorno (carril grna y objetos por la via) interviene en fase de extraccion de las referencias visuales de la imagen (fase de simplificacion de la imagen). Los elementos dinamicos del conjunto del carril grna y del vehnculo intervienen a partir de la primera evaluacion de velocidad y de “distancia recorrida” del vehnculo que se desplaza sobre el carril grna.

Todos estos elementos de modelizacion participan directamente de la expresion de la relacion entre variaciones de informaciones visuales en la imagen y movimientos en el espacio real del sistema de captura de imagenes montado en el vehnculo que se desplaza sobre el carril grna (matriz de interaccion).

En un modo de realizacion particular, los medios de seguimiento y prediccion utilizan un filtro de Kalman.

La obligacion de disponer permanentemente de una medida fiable y disponible de la velocidad y de la “distancia recorrida” del tren en movimiento impone la implementacion de un sistema de seguimiento y prediccion, por filtrado de Kalman por ejemplo, de un conjunto de nociones extrafdas de la imagen, como las zonas de interes que materializan las primitivas verticales pertinentes y ciertas caractensticas geometricas de la via ferrea (radio de curvatura, ancho de via, alineacion), cuyo comportamiento es conocido a priori gracias a los modelos y cuya evaluacion anterior sigue en memoria (es decir almacenada en una memoria de almacenamiento del dispositivo).

El dispositivo de la invencion privilegia modelos sencillos pero muy rapidos de ejecutar y compensa los errores de modelizacion con un sistema de seguimiento y prediccion en la imagen por filtro de Kalman.

Un filtro de Kalman permite seguir y predecir un conjunto de nociones extrafdas de la imagen, a partir de los bordes de los objetos.

De forma clasica, el filtro de Kalman tiene dos fases distintas, a saber una fase de prediccion y una fase de puesta al dfa. La fase de prediccion utiliza el estado evaluado del instante anterior para producir una evaluacion del estado en curso. En la etapa de puesta al dfa, las observaciones del instante en curso se utilizan para corregir el estado predicho con el fin de obtener una evaluacion mas precisa.

La invencion es ventajosa por lo que no se necesita transformar las imagenes proporcionadas por la camara (ahorro de tiempo). Ciertas caractensticas de la via ferrea y del vehnculo representan elementos bastante estables para explotarse a modo de prerrequisito en la evaluacion de la velocidad y de la posicion.

El dispositivo de la invencion interviene en el marco de la seguridad, por mejora de la precision y de la fiabilidad de las medidas de velocidad y de posicion, y por rapidez de ejecucion de algoritmos sencillos y resistentes, que no se relacionan con modelos espedficos, diffciles de obtener de los fabricantes, sino con modelos cuyos parametros son genericos y estables.

La invencion no necesita que se anadan equipos adicionales a lo largo de la via para poder evaluar la velocidad y la posicion del tren. Utiliza la infraestructura existente bastante rica en informaciones pertinentes. No utiliza ninguna base de datos de mapas de la red ferroviaria, por lo cual es funcional, de forma autonoma, en todas las redes ferroviarias del mundo entero.

En un modo de realizacion de la invencion, el dispositivo comprende un sensor de inclinacion apto para generar una senal representativa de la inclinacion del sistema de captura de imagenes, y medios de rotacion de una imagen proporcionada por el correspondiente sistema de captura de imagenes, segun un angulo que depende de la correspondiente senal generada.

Ventajosamente, el correspondiente sensor de inclinacion utiliza un filtro de Deriche.

La utilizacion de una camara como sensor optico de medida de velocidad y de posicion de un tren requiere la estabilizacion de las imagenes proporcionadas por la camara.

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En efecto, cuando el tren se desplaza, experimenta desniveles que llevan la camara de a bordo a capturar una escena ruidosa, lo que da una secuencia de imagenes calificadas como “temblorosas”. Las tecnicas actuales de analisis de movimiento en una secuencia de imagenes son sensibles a las perturbaciones exteriores. Asf, cuando la trayectoria efectiva del sensor visual es ruidosa, este error de desplazamiento repercute irremediablemente en las medidas tridimensionales del entorno. Por ultimo, el movimiento detectado consta de un movimiento relativo al tren (movimiento global) que a su vez consta del movimiento propio del tren (egomocion) y de un movimiento calificado de “ruido” (cabeceo y balance).

El movimiento, calificado de ruido, puede atenuarse o eliminarse directamente a partir de la electronica de la camara en los casos de pequenas amplitudes, y tambien por compensacion a partir de un dispositivo mecanico que sirve de soporte para la camara en los casos de grandes amplitudes.

El movimiento propio del tren se determina a partir de metodos de procesamiento de imagenes que utilizan los campos de velocidad relacionados con el entorno. El principio de estos metodos consiste en encontrar, a partir de una secuencia de proyecciones planas de este mismo entorno, cierta coherencia entre la nocion de desplazamiento en la imagen y la de movimiento propio del tren (o egomocion).

En una determinada zona de la imagen previamente definida, el estudio del movimiento se relaciona con la deteccion de segmentos de rectas de direccion privilegiada, vertical por ejemplo, y de su velocidad.

Un enfoque consiste en utilizar un filtro de deteccion de lmeas verticales. Para ello, un filtro de Deriche modificado permite determinar el angulo de rotacion de la camara alrededor de su eje de puntena, llamado angulo de la imagen con mayor numero de pfxeles.

Para asegurarse de que una lmea vertical en la imagen corresponda a una arista vertical de un objeto de la escena, sin conocer la posicion angular de la camara en un sistema de referencia inercial absoluto, no se extraen las rectas verticales de la imagen sino aquellas cuya direccion es la mas representada en la imagen y asimilada a la direccion de la gravedad. Estas se extraen previamente segun una direccion privilegiada, determinada por un filtro de Deriche modificado que permite calcular el angulo de la imagen con mayor numero de pfxeles (es decir el angulo de la direccion mas representada en la imagen) para extraer de la imagen los bordes que tienen la misma direccion que dicho angulo y suministrar al sistema de la invencion la nocion de verticalidad y por lo tanto de referencia interna propia.

Si dicho filtro de Deriche modificado suministra esta informacion a un dispositivo de derotacion de la imagen, una lmea vertical en la imagen obtenida tras derotacion corresponde entonces a una arista vertical de un objeto de la escena real.

Asf, dicho enfoque permite reconocer y localizar en la imagen las lmeas verticales, o casi verticales. Entonces cada una de ellas se inscribe en una zona de interes, de forma rectangular, que proporciona informaciones sobre su longitud, posicion y error de verticalidad.

Asf, el dispositivo de la invencion proporciona al tren una nocion de equilibrio, por una parte por determinacion del angulo de rotacion de la imagen con respecto a su propio sistema de referencia, y por otra por amortiguamiento casi natural de ciertas perturbaciones exteriores debidas a terrenos accidentados que impiden, aun hoy dfa, que el sistema de vision artificial embarcado en un vehuculo movil analice correctamente el movimiento en un entorno natural.

Dicha solucion permite no solo medir las desestabilizaciones temporales que experimenta la camara durante el desplazamiento del tren, sin utilizar un sensor de inclinacion tipo giroscopio o inclinometro, sino tambien distinguir una rotacion en la escena de una rotacion de la camara que filma la escena.

Sin embargo, en una alternativa, dichos sensores de inclinacion pueden integrarse en el dispositivo de la invencion para responder, por ejemplo, a exigencias de redundancia de informacion en un marco de seguridad.

En otros terminos, las imagenes de la escena se adquieren y se estabilizan para poder analizar su movimiento aparente. La estabilizacion de las imagenes proporciona la nocion de equilibrio que le falta a la odometna para relacionar cualquier vehmulo en circulacion con su propio sistema de referencia.

Preferentemente, el dispositivo utiliza una matriz de interaccion que relaciona los movimientos del sistema de captura de imagenes en el espacio real con los movimientos de la correspondiente por lo menos una referencia en las correspondientes imagenes.

Ventajosamente, el dispositivo comprende medios de calibracion del correspondiente sistema de captura de imagenes.

Esto permite hacer la relacion dimensional entre el entorno 3D y el 2D.

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El principio de la invencion es la adaptacion a la industria ferroviaria del servocontrol visual de los robots moviles en un entorno estructurado. Para ello:

- el servocontrol visual se asigna no solo al maquinista del vetnculo rodante, cuya principal funcion es regular la velocidad del vetnculo segun las indicaciones del pupitre de conduccion, sino tambien al EVC (“European Vital Computer” en ingles, es decir el ordenador de a bordo) que acciona un freno de emergencia cuando se considera que el comportamiento del maquinista es peligroso y que no se ha alcanzado el nivel de seguridad requerido;

- las magnitudes controladas son principalmente la velocidad y la aceleracion del vetnculo rodante, la direccion de este siendo impuesta por la curvatura del carril grna;

- las imagenes de la escena se adquieren con una camara unica y se estabilizan para poder analizar su movimiento aparente;

- la estabilizacion de las imagenes proporciona asf la nocion de equilibrio que la falta a la odometna para relacionar cualquier vetnculo en circulacion con su propio sistema de referencia.

Segun un modo de realizacion particular de la invencion, el dispositivo comprende medios de visualizacion de imagenes digitales del correspondiente entorno proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imagenes.

Ventajosamente, las correspondientes imagenes se visualizan en por lo menos una pantalla LCD, el parabrisas del correspondiente vetnculo, o en un espejo transparente situado delante del parabrisas del correspondiente vetnculo.

En un modo de realizacion particular de la invencion, el dispositivo comprende medios de entrada de un itinerario dado.

Ventajosamente, el dispositivo comprende medios de almacenamiento de por lo menos un mapa de una red de transporte.

Preferentemente, el dispositivo comprende medios de indicacion del posicionamiento geografico del correspondiente vetnculo.

La invencion se refiere asimismo a un proceso de medida de velocidad y/o de posicion de un vetnculo que se desplaza por un carril grna, tanto de dfa como de noctie, cualesquiera que sean las condiciones climaticas.

Segun la invencion, dictio proceso comprende las siguientes etapas:

- obtencion de una secuencia de imagenes digitales de un entorno del correspondiente vetnculo por medio de un sistema de captura de imagenes;

- determinacion del movimiento aparente de por lo menos una referencia visual, llamada primitiva, entre dos imagenes proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imagenes, para determinar el movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual, que comprende las siguientes etapas:

-simplificacion de las correspondientes imagenes, con la ayuda de por lo menos un modelo del correspondiente entorno, que permite la deteccion de la correspondiente por lo menos una referencia visual en las imagenes simplificadas;

-prediccion de una zona de imagen en la que la correspondiente referencia visual se encontrara en una imagen siguiente;

-extraccion de una de las correspondientes referencias visuales en la correspondiente zona de imagen;

-evaluacion de un desplazamiento, por comparacion entre la posicion real de la correspondiente referencia visual en una imagen en curso y una imagen anterior;

- evaluacion de la velocidad y/o de la posicion del correspondiente vetnculo a partir del correspondiente movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual.

Ademas, la invencion se refiere a un paquete de programas de ordenador descargable desde una red de comunicacion y/o almacenado en un soporte legible por ordenador y/o ejecutable por microprocesador, que comprende instrucciones para el codigo de programacion de ejecucion del proceso que se tia descrito anteriormente en el dispositivo que se tia descrito anteriormente.

Lista de figuras

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Apareceran mas claramente otras caractensticas y ventajas de la invencion en la descripcion realizada a continuacion de un modo de realizacion particular de la invencion, dado a modo de simple ejemplo ilustrativo y no limitativo, y en los dibujos adjuntos, entre los que:

- la figura 1 representa de manera esquematica, en perspectiva, el dispositivo de la invencion segun un modo de realizacion;

- la figura 2 representa un diagrama funcional de la implementacion del dispositivo de la invencion;

- la figura 3 ilustra las diferentes etapas del algoritmo de seguimiento utilizado en el dispositivo de la invencion;

- la figura 4 presenta un ejemplo de caracterizacion de lmeas casi verticales en una imagen como aquella utilizada en el dispositivo de la invencion;

- la figura 5 presenta el principio general de medida de velocidad y de “distancia recorrida” (posicion) de un tren segun la invencion;

- la figura 6 ilustra las diferentes etapas de extraccion de las lmeas casi verticales en una imagen como aquella utilizada en el dispositivo de la invencion;

- la figura 7 ilustra el principio de interaccion entre una escena real y la imagen proporcionada por la camara fotografica del dispositivo de la invencion;

- las figuras 8A a 8E presentan diferentes vistas de las que se derivan los modelos geometricos de un vetnculo rodante (figuras 8B-8E) y de un carril grna (figura 8A);

- las figuras 9A a 9C presentan un modelo geometrico de un sistema de cambio de agujas de un carril grna (figuras 9A-9B) y la simulacion de la evolucion espacial de una locomotora, reducida a un simple segmento de longitud constante entre los bogies, cuando pasa un cambio de curvatura de un carril grna, modelizada por su eje de alineacion (figura 9C);

- las figuras 10A a 10C presentan un modelo geometrico plano del carril grna, visto desde arriba (figura 10A) y en proyeccion perspectiva con sus asmtotas (figura 10B), y una simulacion del desplazamiento de una locomotora (figura 10C);

- las figuras 11A a 11C ilustran la nocion de corredor de navegacion que se define por el movimiento aparente en la imagen del extremo inferior de las dos lmeas verticales mas proximas a la camara fotografica del dispositivo de la invencion.

Descripcion detallada de un modo de realizacion de la invencion

Se describe a continuacion un modo de realizacion de la invencion segun el que el vetnculo rodante, cuya velocidad y posicion se miden por medio del dispositivo (sensor) de la invencion, es un tren que se desplaza sobre una via ferrea formada por dos railes. Claro esta que dicho dispositivo puede implementarse en otros tipos de vetnculos que se desplacen sobre un carril grna.

En el ejemplo que sigue, el dispositivo de la invencion mide la velocidad y la posicion de un tren a partir de imagenes de la escena situada en la parte anterior del tren obtenidas por medio de una camara fotografica.

Sin embargo, en una alternativa, dicha velocidad puede medirse a partir de imagenes de la escena situada en la parte posterior del tren.

Principio de la invencion

El dispositivo de la invencion permite medir la velocidad y la “distancia recorrida” de un tren, por referencia interna, en un entorno ferroviario conocido parcialmente a priori, a partir de un sistema de vision monocular embarcado. Para ello, el dispositivo de la invencion implementa un procesamiento de imagenes procedentes de una misma secuencia tomada en un entorno estructurado. Extrae de la imagen, en tiempo real o casi real, las primitivas pertinentes de la proyeccion del carril grna (escena visual), efectua el seguimiento y calcula el movimiento de desplazamiento en la imagen de estas ultimas. El calculo de la velocidad y de la “distancia recorrida” del vetnculo es posible gracias a un conocimiento a priori de algunas magnitudes reales del carril grna (escena real).

El dispositivo se situa sobre el pupitre de conduccion del vetnculo y algunos parametros, dependiendo del vetnculo, se entran antes de empezar cualquier evaluacion de velocidad y de posicion (se habla clasicamente de dispositivo “put, plug and play” en ingles).

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La utilizacion del dispositivo de la invencion en un vetnculo rodante permite aumentar de manera significativa la seguridad ferroviaria por:

- mejora de la precision y de la fiabilidad de las medidas de velocidad y de posicion, y

- rapidez de ejecucion de algoritmos sencillos y resistentes, que no se relacionan con modelos espedficos, diffciles de obtener de los fabricantes, sino con modelos cuyos parametros son genericos y estables.

El dispositivo de la invencion responde perfectamente a un enfoque medioambiental y de reduccion de costes gracias a un importante ahorro del numero de equipos que suelen situarse en los rafles, para paliar desviaciones de medidas de los instrumentos de a bordo actuales mediante ajustes periodicos.

Sensor de medida de velocidad y de posicion

Como lo ilustra la figura 1, el dispositivo-sensor 100 de la invencion se presenta en forma de caja compacta que comprende una tapa de caja 1, un panel de fondo 2 y un dispositivo amovible de autocalibracion 9.

La tapa 1 esta dotada en una de sus caras de un visualizador, del tipo LCD por ejemplo, que permite al maquinista visualizar la velocidad del tren conforme el dispositivo de la invencion va midiendo dicha velocidad.

El dispositivo amovible de autocalibracion 9 comprende dos tirantes amovibles 10 y 11, sensiblemente paralelos y atravesados por una varilla o tornillo sinfm 12 accionado por un motor 13.

En el panel de fondo 2 se montan respectivamente una camara 4 antivibracion y antideslumbramiento por medio de un panel de fijacion 3, una tarjeta de preprocesamiento 5 (filtros, etiquetas, ...), una tarjeta de adquisicion de imagenes 6 (“grabber” en ingles), un ordenador 7 (para el procesamiento de las imagenes) y una tarjeta entrada/salida (E/S) compatible ErTmS/ETCS.

El sensor 100 se situa en cualquier sitio sobre el pupitre de conduccion, frente al parabrisas de la cabina de conduccion de la locomotora, de la manera mas estable posible, y la camara 4 se orienta hacia el exterior, en direccion a la via ferrea.

Como se ve mas detalladamente a continuacion, el sensor 100 esta destinado a medir la velocidad y la “distancia recorrida” por simple analisis de la trayectoria del vetnculo y del desplazamiento en la imagen de los objetos situados a lo largo de la via.

Para ello, el diagrama funcional, ilustrado en la figura 2, divide el sensor 100 en un sistema de vision SV y un sistema de seguimiento SS que, conectado cada uno al ordenador 7, procesan las informaciones extrafdas de las imagenes capturadas por la camara 4.

El sistema de vision SV comprende una tarjeta de adquisicion 6 (o grabber) de imagenes capturadas por la camara 4, que puede ser una camara CCD (“charge-coupled device” en ingles o “dispositivo de carga acoplada” en espanol) por ejemplo. No se excluye la posibilidad de almacenar estas imagenes en una memoria de almacenamiento (no representada) conectada al ordenador 7, pero el caracter iterativo del proceso de la invencion necesita guardar en memoria dos imagenes sucesivas unicamente, llamadas “imagen en curso” e “imagen anterior”, libres de cualquier informacion no pertinente.

El sensor 100 es totalmente autonomo debido a que integra un sistema de seguimiento SS apto para detectar y corregir eventuales errores de seguimiento de via y de objetos situados a lo largo de la via, dichos errores viniendo de la sencillez voluntariamente determinada de los modelos utilizados para la evaluacion de velocidad y de posicion del tren. En una alternativa, el sistema de seguimiento SS puede sustituir total o parcialmente al maquinista al integrar un sistema de control SC del tren 200.

En este ejemplo, ilustrado en la figura 5, el ordenador 7 del sensor 100 implementa algoritmos procedentes de modelos genericos de la pareja tren-camara y del entorno ferroviario, y por ultimo de elementos dinamicos del conjunto vfa/tren como los datos relativos a la tarea a ejecutar (rodar sobre la via ferrea en este caso). Cuando esta en funcionamiento, el ordenador 7 recibe, directa o indirectamente, informaciones sobre el estado en curso del tren 200 (informaciones propioceptivas) y de la via ferrea (informaciones exteroceptivas). Solo difieren los parametros que caracterizan el tren 200 en particular, la camara 4 y el entorno ferroviario en el que circula el tren 200.

En ausencia de sensores propioceptivos, el estado del tren se deduce del analisis del movimiento de desplazamiento en la imagen del entorno ferroviario (via, postes a lo largo de la via, etc.).

A partir de estos parametros almacenados en una memoria de almacenamiento y de las informaciones sobre el estado en curso del tren 200 y del entorno ferroviario, proporcionadas por el sistema de vision SV y, en una alternativa, por el sistema de control SC, el ordenador 7 procesa las imagenes, procedentes de la camara 4 y del sistema de vision SV, y determina la velocidad y la “distancia recorrida” del tren 200 con la ayuda del sistema de seguimiento SS.

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Los modelos (o representaciones) que se utilizan para la evaluacion de velocidad y de “distancia recorrida” segun el principio de la invencion, y detallados a continuacion, precisan hipotesis simplificadoras que se pueden clasificar en dos categonas:

- conocimiento a priori de la escena (elementos constantes): distancia de 1,435 m en una via normal en Belgica, verticalidad privilegiada debido a la gravedad en una escena estructurada, numero constante de imagenes a procesar por segundo;

- comportamiento previsto del tren (elementos delimitados): curvas con grandes radios de curvatura localmente constantes, v^a ferrea localmente plana, pequenos movimientos de balance y de cabeceo del tren.

Modelo geometrico del vetuculo

El modelo del vetuculo es espedfico del tren en el que esta montado el dispositivo sensor de la invencion (figuras 8B a 8E). La locomotora puede representarse sencillamente en el plano, segun un modelo alambrico, por un segmento que une el centro de rotacion de sus dos bogies. En efecto, la locomotora es un vetuculo guiado por los rafles de rodadura de la via ferrea y su configuracion espacial depende pues de su posicion en la red. El angulo de direccion del vetuculo con respecto a la tangente a la curva de alineacion de la via depende de la distancia real entre sus bogies. Durante todo su recorrido por la via, los bogies son, por hipotesis, siempre perpendiculares a la tangente del hilo de los rafles. El centro de rotacion de cada uno de los dos bogies, situado en la misma mediana longitudinal de la locomotora, describe aproximadamente, uno tras otro, la misma curva de alineacion situada a igual distancia entre ambos rafles de la via ferrea.

La camara se situa sobre el pupitre de conduccion de la cabina de conduccion, dirigida hacia el exterior, delante del bogie de cabeza, en la prolongacion del segmento que modeliza la locomotora. Se supone que su posicion y su direccion no evolucionan, o muy poco, dentro del sistema de referencia relacionado con la locomotora.

La operacion de calibracion, que viene a ser la descripcion del procedimiento de formacion de las imagenes tomadas por la camara, se efectua por medio del modelo estenopeico, que es el mas sencillo y mas utilizado para el procesamiento de imagenes.

La proyeccion perspectiva del modelo 3D de la via ferrea deforma este ultimo de modo que sus asmtotas converjan en el plano imagen hacia un solo punto llamado “punto de fuga”.

La extraccion de este punto permite obtener la actitud de la locomotora en el espacio real.

Ademas, la altura de la camara depende de la de la locomotora y del pupitre de conduccion. Es posible librarse parcialmente de esta dependencia de conocimiento a priori, especialmente de la posicion de la camara en la cabina de la locomotora, gracias a una calibracion automatica de la camara por medio del dispositivo de autocalibracion 9 (visible en la figura 1).

Sin embargo, se tendran que configurar determinados parametros dimensionales, incluso de comportamiento, del tren para configurar el sistema, como por ejemplo la distancia entre los bogies y la aceleracion/desaceleracion maxima del tren.

Modelo geometrico de la camara

La camara se modeliza a partir de hipotesis simplificadoras que se describen como sigue. Los parametros intrmsecos de la camara son constantes. El angulo de inclinacion a de la camara es pequeno (<10°). El angulo de desviacion horizontal ^ con respecto a la direccion principal de la via es pequeno (<10°). El angulo de rotacion 0 de la camara con respecto a su eje de puntena corresponde al angulo de la imagen con mayor numero de pfxeles, calculado por filtro de Deriche modificado, como se indica a continuacion. La altura z0 de la camara es constante.

Modelo geometrico de la via (figura 8A)

El correspondiente carril grna en medio ferroviario tiene caractensticas que permiten emitir ciertas hipotesis, especialmente sobre su infraestructura, debido a la velocidad de los trenes. La via ferrea es localmente plana y su curvatura C localmente constante. El ancho e de la via ferrea es constante y conocido (corresponde a la distancia entre los dos railes). Los rafles son lmeas continuas con un ancho L constante y conocido. El cambio de via sigue una curva de transicion, llamada curva de servidumbre en espiral (espiral de Cornu o clotoide), para reducir los efectos de fuerza centnfuga que podnan experimentar los pasajeros. La perspectiva frontal hace que las aristas horizontales y verticales sean paralelas entre sf. Las caractensticas geometricas de los postes de una misma serie a lo largo de las vfas son constantes (distancia entre dos postes consecutivos, distancia con respecto a la via, ancho, altura, forma).

Modelo del entorno ferroviario

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El conocimiento a priori de la escena en medio ferroviario, por pafs atravesado, impone la entrada de ciertos parametros, como la distancia entre raMes, para configurar el dispositivo de la invencion.

Calculo de la velocidad y de la distancia recorrida por el tren por reconocimiento y localizacion de referencias visuales.

Como se ha mencionado anteriormente, el dispositivo de la invencion implementa un sistema de vision que comprende una camara video cuyo modo de percepcion se parece mas al modelo humano en terminos de vision, de equilibrio, de interpretacion de escena, de analisis de movimiento en la imagen y de toma de decision, pero con lfmites de funcionamiento definidos por la tecnologfa existente en el mercado. La interpretacion de los datos que proporciona la camara video resulta muy simplificada con respecto a las soluciones que utilizan uno o varios sensores de odometna.

Para imagenes de escena adquiridas en un entorno estructurado, ferroviario en este caso, las rectas verticales que se extraen son frecuentes y constituyen caractensticas cuyas propiedades se conservan durante toda una misma secuencia. En un modo de realizacion particular, la puesta en correspondencia de dichas rectas verticales puede realizarse por ejemplo mediante un metodo basado en la correlacion (que permite establecer de forma conocida una puesta en correspondencia entre puntos o zonas de interes extrafdos de dos imagenes sucesivas).

Para asegurarse de que una lmea vertical en la imagen corresponda a una arista vertical de un objeto de la escena, sin conocer la posicion angular de la camara en un sistema de referencia inercial absoluto, no se extraen las rectas verticales de la imagen sino aquellas cuya direccion es la mas representada en la imagen y asimilada a la direccion de la gravedad.

El dispositivo de la invencion utiliza entonces un filtro de deteccion de la direccion mas representada en la imagen, en forma de filtro de Deriche modificado, en el que solo se guardan los bordes que tienen el mismo gradiente direccional. Asf, algunas de las caractensticas, o primitivas, en movimiento en la imagen, materializadas en zonas de interes particulares, son segmentos de rectas previamente extrafdos segun una direccion privilegiada, determinada por un filtro de Deriche modificado, cuyas funciones iniciales son la evaluacion del gradiente y la extraccion de bordes.

La modificacion de dicho filtro permitio no solo extraer de la imagen los bordes de los objetos verticales que constituyen la escena, sino tambien calcular el angulo de la imagen con mayor numero de pfxeles. El valor de dicho angulo se comunica a un sistema hardware o software de rotacion de imagen para estabilizar esta ultima por derotacion, y suministrar al dispositivo de la invencion, y por lo tanto al tren, una referencia interna propia en base a la hipotesis de verticalidad.

En otros terminos, el filtro de Deriche modificado permite extraer los pfxeles cuya direccion de gradiente es la mas frecuente en la imagen, y utilizar dicha propiedad para garantizar la estabilidad de la imagen ante las perturbaciones mecanicas rotacionales a las que se expone la camara.

Es de notar que la extraccion de primitivas pertinentes recurre a una etapa de paso de una imagen en escala de grises a una imagen binaria (negro y blanco) que ya solo consta de los bordes. La complejidad de los algoritmos con respecto a los que procesan imagenes brutas resulta muy simplificada.

En una alternativa, la fase de derotacion, que endereza la imagen segun un angulo calculado a partir del filtro de Deriche modificado, precede a la fase que extrae directamente de los bordes verticales elementos de la imagen.

Esta solucion se utiliza preferentemente en el dispositivo de la invencion, de modo que una lmea vertical en la escena visual (imagen) corresponda a una lmea vertical en la escena real (via ferrea).

De admitir esta hipotesis, zonas de interes materializan rectas verticales a partir de los bordes extrafdos previamente de la imagen (figura 4). Para ello, una fase de reconocimiento y de localizacion habra de suceder a la de extraccion para atribuir cada punto guardado a su respectiva recta.

Un metodo consiste en utilizar una mascara de convolucion de tipo Prewitt (de aproximacion del gradiente en x) para evidenciar los bordes verticales presentes en la imagen (figura 6). A dicha convolucion le sucede una umbralizacion, el valor del umbral siendo por ejemplo de 20, y una binarizacion en la que los puntos conservados tienen una escala de grises igual a 255.

El resultado obtenido es un estado aproximado de las componentes verticales de la imagen de la escena y no unicamente de los bordes. Una etapa intermedia consiste en guardar unicamente ciertos puntos, agrupados en columnas, con un ancho igual a un pixel, en series no interrumpidas de mas de 10 pfxeles. Esta etapa intermedia permite eliminar los puntos aislados y las secuencias de puntos demasiado cortas. Estas alineaciones de puntos a su vez se agrupan, se pegan las unas a las otras, para finalmente incorporarse a estructuras delimitadas en ancho y en altura.

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Esta limitacion espacial se representa por un rectangulo con una direccion vertical y una posicion determinada por las coordenadas en la imagen de la esquina superior izquierda. Tras distinguir las lmeas verticales las unas de las otras, el programa de localizacion conserva unicamente las que cumplen los siguientes criterios:

- altura suficiente (h>10 pfxeles);

- inclinacion Umite que no se debe rebasar (|d| < o igual a 2 pfxeles).

Deteccion de los raMes de la via

La eleccion del modelo del carril gma, el principio de proyeccion perspectiva de este en la imagen, el contraste de las lmeas continuas formadas por los raMes en la imagen y por ultimo las exigencias de tiempo real en la propia aplicacion de la invencion, hacen que un metodo eficaz y rapido de deteccion de los rafles consista en no utilizar como zonas de procesamiento, zonas de interes poligonales, como ocurre para la extraccion de las caractensticas verticales mencionada mas arriba, sino simples lmeas horizontales cuyo numero y disposicion en la imagen se definan, y se ajusten a cada iteracion, de acuerdo con determinados criterios, como la velocidad medida del tren, la calidad de las informaciones de la imagen (entropfa), la diferencia de altura entre el punto de fuga de la via y la lmea de horizonte en la imagen, la curvatura medida de la via, etc.

Este proceso de procesamiento de la senal es perfectamente adecuado para las necesidades de deteccion rapida en comparacion con los metodos mas tradicionales, habida cuenta de la muy pequena cantidad de pfxeles a procesar. Se basa en el principio de que, en una misma secuencia de imagenes en un contexto ferroviario, la dispersion de las escalas de grises de la via (desviacion tfpica) sea supuestamente la misma al lado y de una y otra parte de los railes en todas las lmeas horizontales de deteccion.

Por lo cual, basta con determinar la desviacion tfpica de la funcion de distribucion en escala de grises en la lmea de deteccion mas representativa (la mas proxima a la camara, es decir la mas baja en la imagen). Luego, en cada una de las lmeas horizontales de deteccion, la funcion de distribucion se alisa por filtrado gaussiano y se reduce unicamente a los puntos cuyo valor rebasa cierto umbral adaptativo, definido por la mediana de la funcion de distribucion a la que se anade el valor de la desviacion tfpica anteriormente calculada.

Esta tecnica, conocida en el marco del procesamiento de imagenes, permite librarse de manera sencilla y fiable de las variaciones de iluminacion que puedan suceder en una misma imagen.

Asf, el gradiente de la funcion de distribucion resultante determina los bordes izquierdo y derecho de la huella dejada por cada uno de los rafles de la via.

En una alternativa, puede considerarse perfectamente la delimitacion espacial de la funcion de distribucion en escala de grises al lado de la via, de modo que la lmea horizontal de deteccion se reduzca a un simple segmento. Es posible atribuir asimismo un segmento de deteccion distinto a cada rail, por lmea horizontal de deteccion, cuando por ejemplo la calidad de la imagen se degrade provocando una perdida parcial de la informacion.

Flujo optico

A cada adquisicion de imagen, las referencias visuales utiles se reconocen y localizan, y se ponen en correspondencia despues con su homologo de la imagen anterior de una misma secuencia, para evaluar su movimiento aparente en la imagen, o flujo optico.

El flujo optico, es decir el campo de las velocidades instantaneas de las escalas de grises en la imagen (o campo de movimiento) es una representacion 2D de un movimiento 3D. A cada punto de dicha representacion se atribuye un vector velocidad correspondiente a una direccion de movimiento, una velocidad del movimiento y una profundidad.

En vez de calcular el flujo optico por medio de los cambios temporales de intensidad de la imagen, es posible considerar asimismo los cambios temporales de valores que son el resultado de operadores locales diversos como el contraste, la entropfa, la mediana y las derivadas espaciales de la intensidad de la imagen. En cada caso, se evalua un campo de flujo optico relativamente denso, determinando asf el campo de movimiento, de ser necesario en cada pixel de la imagen. Pero el flujo optico no corresponde nunca al verdadero campo de movimiento porque los cambios de iluminacion, principal fuente de error, repercuten en el calculo.

Asf, para determinar los parametros de movimiento 3D de los objetos en la escena, el flujo optico se usa conjuntamente con exigencias adicionales o una informacion relativa a la escena.

Modelo lineal de proyeccion perspectiva de la via

En la relacion de dualidad existente entre la escena real y la imagen (escena visual), la asociacion de los modelos locomotora-camara (figura 7) permite identificar las coordenadas del centro de proyeccion y del centro del plano imagen en el sistema de referencia absoluto. Las coordenadas de la proyeccion en el plano imagen de un punto

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cualquiera de la escena relacionado con la camara se expresan en el sistema de referencia absoluto y en la referencia relacionada con la camara.

La dificultad radica en la modelizacion de la escena y la expresion de la matriz de interaccion, que exprime la relacion entre las variaciones de las informaciones visuales en la imagen y los movimientos de la camara en el espacio real.

De forma general, la modelizacion adoptada utiliza un formalismo muy sencillo que implementa unicamente los parametros dinamicos del conjunto vfa/vehnculo que intervengan de forma lineal en el espacio del plano imagen.

El seguimiento por filtrado de Kalman de los parametros que caracterizan la proyeccion simplificada de los rafles izquierdo y derecho permite la evaluacion simultanea de la velocidad de desplazamiento de los objetos pertinentes situados a lo largo de la via ferrea.

Por ultimo, la velocidad y la “distancia recorrida” del tren se calculan por proyeccion perspectiva inversa, que permite la reconstruccion tridimensional de un modelo de via ferrea simplificado, habida cuenta del conocimiento a priori de los valores reales de ciertas magnitudes geometricas caractensticas del conjunto vfa/vehfculo y espedficas del pafs y del vehfculo (distancia entre rafles, longitud del vehfculo).

Habida cuenta de estas hipotesis, los parametros aptos para la modelizacion de la evolucion lineal del conjunto vfa- vehfculo son por ejemplo:

- C: curvatura local de la via ferrea;

- ^: angulo de desviacion horizontal del eje optico con respecto a la direccion principal de la via ferrea;

- x0: abscisa del centro de proyeccion de la camara con respecto a la curva de alineacion de la via ferrea.

Dichos parametros asf como la velocidad y la “distancia recorrida” del tren se calculan y se reactualizan muy sencillamente a cada deteccion de rail en la imagen.

Algoritmo de seguimiento de la via ferrea

a) Control del movimiento basado en la informacion visual

Para un itinerario dado, un tren en movimiento se desplaza segun una direccion definida por el cambio de agujas de los railes de via ferrea, mientras que su velocidad y su aceleracion son controlados por el maquinista que asegura la conduccion, con la intervencion del ETCS para lo que atane a la seguridad (freno de emergencia).

Segun la invencion, el control del movimiento del sistema de vision que equipa la locomotora se realiza por adaptacion a la industria ferroviaria de un algoritmo de servocontrol visual en un entorno estructurado.

Entre dos adquisiciones de imagenes consecutivas de la camara, al igual que las medidas de sensores tradicionalmente utilizadas en un contexto ferroviario, el vehfculo se desplaza a ciegas de un punto a otro (estructura Look-and-Move). En cambio, las instrucciones dejan de expresarse en forma de situacion entre el sensor (en este caso la camara) y la escena, como ocurre para los algoritmos de analisis de escena donde la posicion, la velocidad y la aceleracion son nociones de situaciones representadas en un sistema de referencia absoluto, sino en forma de un motivo que se tiene que alcanzar en la imagen. En ese tipo de algoritmo utilizado por la invencion, las informaciones visuales elegidas para constituir este motivo tienen que lograr los valores que corresponden a una buena realizacion de la tarea atribuida al vehfculo.

Los trabajos que desembocaron en este formalismo contienen bucles de seguimiento que utilizan informaciones visuales, procedentes de las caractensticas de imagen mas sencillas (puntos, segmentos de rectas). Este enfoque permite librarse totalmente de la fase de interpretacion (es decir de reconstruccion del modelo 3D de la escena) y disminuir considerablemente el tiempo de calculo puesto que las informaciones extrafdas de la imagen se utilizan directamente en el bucle de seguimiento. Esto elimina tambien los errores de evaluacion de la situacion y los complicados calculos. Utilizan caractensticas (geometna, topologfa) de ciertas zonas de la escena que permanecen esencialmente estables durante toda la evolucion del vehfculo.

La obligacion de disponer permanentemente de una medida fiable y disponible de la velocidad y de la “distancia recorrida” del tren en movimiento lleva a implementar un sistema de seguimiento y prediccion, por filtrado de Kalman, de un conjunto de nociones, tales como las zonas de interes y ciertas caractensticas geometricas de la via ferrea (radio de curvatura, ancho de via, alineacion), cuyo comportamiento es conocido a priori mediante los modelos y cuya evaluacion anterior sigue en memoria.

b) Seguimiento de la via ferrea

Asf, el enfoque que se basa en el principio de la figura 3 comprende una etapa E1 de inicializacion del modelo, una etapa E2 de prediccion, por el modelo, de la posicion de las zonas de deteccion, una etapa E3 de deteccion del rail

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en cada una de las zonas y una etapa E4 de reactualizacion de los parametros del modelo de acuerdo con la posicion de los tramos de rafl detectados.

La inicializacion (E1) permite fijar a priori los parametros del modelo.

La fase de prediccion (E2) permite posicionar las zonas de interes de la imagen donde se detectaran los rafles y objetos a lo largo de la via. Esta operacion se realiza gracias al modelo del conjunto vfa/vehfculo calculado durante la iteracion anterior.

Cuando se conoce la curvatura de la via, es facil predecir la posicion de los rafles y de los objetos en la imagen. Al fijar una zona de busqueda bastante amplia alrededor de dicha posicion, teniendo en cuenta los errores de modelizacion debidos a las aproximaciones y la velocidad calculada durante la iteracion anterior, podra detectarse la presencia del rail y la de un objeto.

La busqueda en una zona de interes de la imagen (es decir una porcion de la imagen) de una o varias referencias representativas de por lo menos una caractenstica geometrica del carril grna y/o de por lo menos un objeto situado a lo largo del carril grna, permite simplificar el procesamiento.

La fase de deteccion (E3) es la que permite la localizacion de los rafles y de los objetos en las zonas predichas. Los rafles se pueden detectar mediante metodos clasicos a partir de zonas de interes de formas poligonales o lineales, o en toda la imagen, por extraccion de sus bordes (segmentacion de los bordes) o de la estructura de la via (segmentacion de la zona segun criterio de textura) y despues mediante comparacion con un modelo bidimensional de via.

Puesto que los rafles que han de detectarse son de naturaleza peculiar (continuos, bastante contrastados y ocupando mas de la mitad de la imagen), la aplicacion del tiempo real impone el hecho de efectuar detecciones a partir de simples lmeas horizontales distantes en la imagen. Un metodo consiste en utilizar un pequeno numero de lmeas de deteccion elegidas de acuerdo con la velocidad medida.

La reactualizacion de los parametros del modelo (E4) se efectua, a partir de las medidas anteriores, por filtro de Kalman (minimizacion a los mmimos cuadrados).

En otros terminos, el dispositivo de la invencion privilegia modelos sencillos pero muy rapidos de ejecutar y compensa los errores de modelizacion por un sistema de seguimiento y prediccion en la imagen mediante filtro de Kalman (un filtro de Kalman permite seguir y predecir un conjunto de nociones extrafdas de la imagen, a partir de los bordes de los objetos). El filtro de Kalman tiene dos fases distintas, a saber una fase de prediccion (E2) y una fase de puesta al dfa (E4). La fase de prediccion utiliza el estado evaluado del instante anterior para producir una evaluacion del estado en curso. En la etapa de puesta al dfa, las observaciones del instante en curso se utilizan para corregir el estado predicho con el fin de obtener una evaluacion mas precisa.

Movimiento aparente en la imagen (Corredor de navegacion)

La infraestructura situada a cada lado de los rafles, a lo largo de la via sobre la que circula la locomotora, se representa por lmeas verticales (figura 11A). Un corredor de navegacion se define por el movimiento aparente en la imagen del extremo inferior de las dos lmeas verticales mas proximas a la camara (figura 11B).

En el caso del ferrocarril, el corredor de navegacion resulta directamente del modelo preexistente de la via ferrea y se proyecta en el plano imagen de la camara montada en la locomotora en movimiento.

La interpretacion de la informacion proporcionada por los dos vectores de desplazamiento en la imagen plantea un problema cuando estos ultimos tienen una pendiente de mismo signo. En efecto, en tal caso, un breve analisis no permite determinar precisamente si estos dos vectores representan efectivamente el movimiento aparente de objetos (postes) pertenecientes a bordes opuestos de la via ferrea. Por lo cual, en caso de ambiguedad (figura 11C), es preferible tomar en cuenta unicamente la lmea vertical mas proxima a la camara para representar el corredor de navegacion.

Otros aspectos y variantes

En un modo de realizacion de la invencion, el dispositivo de la invencion utiliza un modulo de visualizacion de uno o varios elementos estructurales del entorno en el que se desplaza el vehnculo, y que sirvieron para el calculo de la velocidad y de la distancia recorrida del vehnculo que se desplaza sobre un carril grna.

Dicho modulo de visualizacion es por ejemplo una pantalla LCD, que esta particularmente adaptada a las actividades de vigilancia del entorno.

En una variante, la imagen del conjunto de objetos virtuales puede proyectarse o incrustarse en el parabrisas del vehnculo o en un espejo transparent^ situado delante del parabrisas (se habla de pantalla de visualizacion frontal o

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de visualizador de cabeza alta) para constituir una ayuda a la conduccion, a las condiciones particulares de visibilidad, de velocidad, de trafico en la red, etc.

En otros terminos, el modulo de visualizacion permite visualizar elementos pertinentes ex^dos directamente de la escena as^ como elementos adicionales procedentes de procesamientos de los elementos pertinentes, y constituye por ejemplo una ayuda a la conduccion (es decir que le permite al maquinista tomar decisiones). Dichos elementos adicionales proporcionan al maquinista informaciones sobre el entorno que se desplaza delante de el. Estas informaciones pueden ser geometricas, como por ejemplo rectas y curvas uniendo dos objetos diferentes en la imagen, y/o digitales, como por ejemplo datos como el valor de la velocidad y/o de la posicion del vehnculo (estos elementos pueen visualizarse eventualmente cuando el maquinista pulsa un boton), y/o de cualquier otra naturaleza.

Es de notar que el principio de la invencion no se aplica unicamente a los vehnculos rodantes sobre un carril grna sino mas generalmente a los vehnculos que se desplazan por un carril grna (tren de levitacion magnetica por ejemplo).

Por otra parte, el principio de la invencion descrito en el modo de realizacion anterior se aplica asimismo cuando el sistema de captura no es una camara fotografica sino una camara termica, una camara magnetica, o de cualquier otro tipo.

Es de notar que el principio de procesamiento de la informacion visual por el dispositivo de la invencion tal como se ha descrito anteriormente ya no puede utilizarse para medir la velocidad y la distancia recorrida por un vetnculo movil que se desplaza sobre un carril grna, sino para posicionar un vetnculo movil en cualquier momento en cualquier red de transporte vial, ferroviario o fluvial, en la medida en que esta este estructurada y sea conocida a priori mediante mapas y posea in-situ indicaciones de localizacion y direccion de todo tipo (hitos, sistemas de senalizacion, etc.).

En un modo de realizacion particular, esta aplicacion del dispositivo de la invencion permite una navegacion por itinerario cuyos puntos de paso sucesivos son sistemas de referencia locales (o relativos) donde el vetnculo se desplaza y se localiza. Una vez pasado un punto de paso “k”, un nuevo punto de paso “k+1” toma el relevo y constituye el nuevo objetivo a alcanzar.

Esta solucion de posicionamiento constituye una alternativa al sistema GPS que presenta numerosos inconvenientes. En efecto, el calculo del posicionamiento por medio del sistema GPS depende permanentemente de la calidad de recepcion de las senales satelitales que pueden interrumpirse o ser perturbadas por una causa exterior de mala recepcion (tunel, corredor, relieve, interferencias, tormenta, fuerte humedad), por perturbaciones radioelectricas voluntarias o no, por una maniobra durante la que la recepcion esta temporalmente suspendida, por la alineacion momentanea de algunos satelites que impide el calculo preciso (incertidumbre geometrica temporal), o por un incidente en un satelite.

Ventajosamente, esta aplicacion particular del dispositivo de la invencion constituye un sistema autonomo de planificacion de itinerarios y de navegacion en una red de transporte estructurada conocida y cartografiada a priori. Este sistema calcula la localizacion del vehnculo en el que esta embarcado segun los mismos principios hardware y software que el dispositivo de la invencion tal como se ha descrito anteriormente, con respecto a caractensticas y referencias ffsicas que, ademas de su posicion en la red de transporte, contienen informaciones sobre la direccion a seguir, la topologfa del recorrido o el comportamiento a adoptar (sentido de la curva, limitacion de velocidad, semaforo).

Esta aplicacion se inspira del lenguaje adoptado por los copilotos de rallye en base a mapas conocidos a priori, para un itinerario dado. Su utilizacion puede comprender un servicio de puesta al dfa de mapas de redes de transporte y un servicio de planificacion cartografica de recorrido incluyendo informaciones en tiempo real sobre el trafico.

Esta aplicacion implementa preferentemente un modulo de visualizacion, como aquello que se ha descrito anteriormente, y una senal sonora que da indicaciones al usuario sobre una direccion que se tiene que seguir o una velocidad que no se tiene que rebasar por ejemplo.

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   REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo (100) de medida de velocidad y/o de posicion de un vetuculo (200) que se desplaza por un carril grna, tanto de dfa como de noche, cualesquiera que sean las condiciones climaticas, que comprende:

   - por lo menos un sistema de captura de imagenes (4) que proporciona una secuencia de imagenes digitales de un entorno del correspondiente vetuculo (200);

   - medios de determinacion del movimiento aparente de por lo menos una referencia visual, llamada primitiva, entre dos imagenes proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imagenes (4), para determinar el movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual;

   - medios de evaluacion de la velocidad y/o de la posicion del correspondiente vetuculo (200) a partir del correspondiente movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual;

   caracterizado por lo que los correspondientes medios de determinacion implementan:

   -medios de simplificacion de las correspondientes imagenes, con la ayuda de por lo menos un modelo del correspondiente entorno, que permite la deteccion de la correspondiente por lo menos una referencia visual en las imagenes simplificadas;

   -medios de prediccion de una zona de imagen en la que la correspondiente referencia visual se encontrara en una imagen siguiente;

   -medios de extraccion de una de las correspondientes referencias visuales en la correspondiente zona de imagen;

   -medios de evaluacion de un desplazamiento, por comparacion entre la posicion real de la correspondiente referencia visual en una imagen en curso y una imagen anterior.
2. 2. Dispositivo (100) segun la reivindicacion 1, caracterizado por lo que el correspondiente por lo menos un sistema de captura de imagenes (4) pertenece al grupo que comprende, en particular:

   -las camaras fotograficas;

   -las camaras termicas;

   -las camaras magneticas.
3. 3. Dispositivo (100) segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por lo que la correspondiente por lo menos una referencia es representativa de por lo menos una caractenstica geometrica del correspondiente carril grna, como el radio de curvatura, la distancia entre los rafles de la via, la alineacion.
4. 4. Dispositivo (100) segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por lo que la correspondiente por lo menos una referencia es representativa de por lo menos una caractenstica geometrica de por lo menos un objeto situado a lo largo del carril grna, como la verticalidad de los postes.
5. 5. Dispositivo (100) segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por lo que implementa un modelo del correspondiente vetuculo (200) y un modelo del correspondiente sistema de captura de imagenes (4).
6. 6. Dispositivo (100) segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por lo que los medios de seguimiento y prediccion utilizan un filtro de Kalman.
7. 7. Dispositivo (100) segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por lo que comprende un sensor de inclinacion apto para generar una senal representativa de la inclinacion del correspondiente sistema de captura de imagenes (4), y medios de rotacion de una imagen proporcionada por el correspondiente sistema de captura de imagenes (4), segun un angulo que depende de la correspondiente senal generada.
8. 8. Dispositivo (100) segun la reivindicacion 7, caracterizado por lo que el correspondiente sensor de inclinacion utiliza un filtro de Deriche.
9. 9. Dispositivo (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por lo que utiliza una matriz de interaccion que relaciona los movimientos del sistema de captura de imagenes (4) en el espacio real con los movimientos de la correspondiente por lo menos una referencia en las correspondientes imagenes.
10. 10. Dispositivo (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por lo que comprende medios de calibracion del correspondiente sistema de captura de imagenes (4).

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40
11. 11. Dispositivo (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por lo que comprende medios de visualizacion de imagenes digitales del correspondiente entorno proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imagenes (4).
12. 12. Dispositivo (100) segun la reivindicacion 11, caracterizado por lo que las correspondientes imagenes se visualizan en por lo menos una pantalla LCD, el parabrisas del correspondiente vehuculo, o en un espejo transparente situado delante del parabrisas del correspondiente vehuculo.
13. 13. Dispositivo (100) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por lo que comprende medios de entrada de un itinerario dado.
14. 14. Dispositivo (100) segun la reivindicacion 13, caracterizado por lo que comprende medios de almacenamiento de por lo menos un mapa de una red de transporte.
15. 15. Dispositivo (100) segun la reivindicacion 13 o 14, caracterizado por lo que comprende medios de indicacion del posicionamiento geografico del correspondiente vehuculo (200).
16. 16. Proceso de medida de velocidad y/o de posicion de un vehuculo (200) que se desplaza por un carril grna, tanto de dfa como de noche, cualesquiera que sean las condiciones climaticas, que comprende las siguientes etapas:

    - obtencion de una secuencia de imagenes digitales de un entorno del correspondiente vehuculo por medio de un sistema de captura de imagenes (4);

    - determinacion del movimiento aparente de por lo menos una referencia visual, llamada primitiva, entre dos imagenes proporcionadas por el correspondiente sistema de captura de imagenes (4), para determinar el movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual;

    - evaluacion de la velocidad y/o de la posicion del correspondiente vehuculo a partir del correspondiente movimiento aparente de la correspondiente por lo menos una referencia visual;

    caracterizado por lo que las etapas de determinacion del movimiento comprenden las siguientes etapas:

    -simplificacion de las correspondientes imagenes, con la ayuda de por lo menos un modelo del correspondiente entorno, que permite la deteccion de la correspondiente por lo menos una referencia visual en las imagenes simplificadas;

    -prediccion de una zona de imagen en la que la correspondiente referencia visual se encontrara en una imagen siguiente;

    -extraccion de una de las correspondientes referencias visuales en la correspondiente zona de imagen;

    -evaluacion de un desplazamiento, por comparacion entre la posicion real de la correspondiente referencia visual en una imagen en curso y una imagen anterior.
17. 17. Paquete de programas de ordenador descargable desde una red de comunicacion y/o almacenado en un soporte legible por ordenador y/o ejecutable por microprocesador, caracterizado por lo que comprende instrucciones para el codigo de programacion de ejecucion del proceso segun la reivindicacion 16 en el dispositivo (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.