SISTEMA DE IDENTIFICACiÓN DE FAROS
DESCRtlPCIÓN
Campo técnico de la invención
5 La presente invención se refiere en general a los instrumentos de orientación para navegación náutica. Más específicamente, la presente invención se relaciona con un instrumento que permite reconocer un faro de forma automática.
Antecedentes de la invención o Estado de la Técnica
JO Desde siempre el ser humano ha tenido la necesidad de orientarse en la Tierra para llegar a su destino. Para ello se han desarrollo varios métodos de orientación que han ido pasando de generación en generación , 3 través de la historia (orientación mediante las estrellas, brújulas, faros, cartas de néJVegación.... ) y que han dado lugar a los métodos actuales de geolocalización utili¡~ados en instrumentos como los sistemas GPS (Global Position System).
15 Un problema de los sistemas de geolocalización como GPS es que ofrece información del punto desde el que se hace la adquisición de datos, pero no nos informa del punto que estamos visando.
20 Los medios tradicionales se siguen empleando todavía ya que la tecnología no siempre es un aliado constante cuando surgen adversidades. Actualmente, la identificación de faros y señales luminosas desde una embarcación se realiza observando visualmente la fuente lumino:sas y contando el tiempo que tarda cada encendido y apagado de dicha luz hasta q:ue se complete el ciclo. Generalizando, un faro es una fuente potente de luz, la cual tiene a su alrededor aberturas a modo de ventanas, las cuales dan salida a la luz o lo impiden.
25 Normalmente, un navegante local no tiene ni que contar, porque lo conoce. Aun así, si existen varios faros por la zona o si hay nüebla u obscuridad total, el navegante debe fijarse para discernir cual es el que esta viendo. Cuando la embarcación navega por zonas no conocidas, se hace necesario el saber de qué faro se trata.
30 En algunas embarcaciones, y según la e~ilora, es obligatorio por normativa llevar a bordo cartas náuticas, GPS y hasta sextante marino. A las embarcaciones de recreo de pequeñas dimensiones no se les exige tantos requisitos. Mediante cartas náuticas y
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una brújula se puede saber de qué faro se trata; al igual que con la cartografía digital y disponiendo de GPS. Una desventaja es qrue se debe disponer de dicha cartografía y además se trata de una tarea laboriosa.
A la vista de las limitaciones observadas, seria deseable disponer de un mecanismo adicional de ayuda a la navegación que evitara consultas manuales en los catálogos de faros existentes y que no dependa de las señales de satélites.
Breve descripción de la invención Se propone un instrumento para la identificación automática de faros náuticos en navegación fluvial o marítima, aplicable también, en tierra firme. La invención debe afrontar un problema específico consistenh~ en la optimización en el ajuste del sistema óptico para las diferentes intensidades de hJZ que llegan.
Para ello, la invención se sirve de un sensor de luz (fototransistor o fotodiodo) que detecta cuando hay luz en una dirección }' cuando no (destello y ocultación). Un faro náutico emite intervalos de tiempo de luz e intervalos sin luz. En el tiempo que tarda el sistema del faro en dar una vuelta complet;3, el observador percibe momentos de luz y momentos obscuros; cada uno de estos momentos tiene una duración. Se forma así un patrón con una secuencia de luces y clbscuridad cada una con su duración. Esta contabilización de tiempos, hasta ahora sel ha cronometrado de una manera personal a estima o con cronómetros.
El instrumento que se propone en el presente documento dispone de unos medios de procesamiento que tratan la señal emitida por el faro, para determinar dichos intervalos y con ello extraer la información característica del faro en cuestión. En una base de datos donde se almacena informé:lción de faros, se localiza cuál corresponde con el patrón observado y esta información se puede recuperar junto con las coordenadas geográficas correspondientes.
El sistema incorpora un mecanismo electrónico-óptico que permite apuntar hacia el faro e identificar de qué faro se trata para una mejor captación de la señal emitida.
El objeto de la invención es un sistema iidentificador de faros con unos medios de captación de luz para detectar una seflal luminosa formada por una secuencia alternada con destellos y ocultaciones ernitida por un faro durante un intervalo de tiempo. Incluye además unos medios de procesamiento acoplados con los medíos de captación de luz, para extraer un espectro de frecuencia en la señal luminosa detectada, y para determinar mediante análisis estadístico si un faro determinado de la base de datos corresponde con dicho espectro de frecuencia..
Opcionalmente, el análisis estadístico reali¡~ado comprende una regresión del espectro de frecuencia extra ido.
Preferentemente, el sistema comprende una interfaz, acoplada con medios de procesamiento, para mostrar el resultado die la consulta realizada en la base de datos.
Preferentemente, los medios de captación de luz comprenden un sensor lumínico y un visor de puntería para dirigir el sensor lumínico hacia el faro.
El sensor lumínico comprende preferentemente un fototransistor.
Alternativamente, el sensor lumínico comprende un fotodiodo.
Opcionalmente, los medios de procesamiento comprenden un módulo de memoria donde se almacena la base de datos.
Opcionalmente, los medios de procesam"iento comprenden un ordenador de placa reducida con un conversor analógico~digit:al, una ta~eta gráfica y una pluralidad de conexiones para conectar periféricos.
Otras variantes y ejemplos de realización se exponen en las siguientes secciones para un mejor entendimiento de la presente invención.
Breve descripción de las figuras
Figura 1. Diagrama de bloques de la invención según una representación
esquemática. Figura 2. Ejemplo de captura de señal real y valores computables sobre umbral de ruido. Figura 3. Puntos comunes entre las frecuencias capturadas y una muestra de la base de datos: espectros similares y faro identificado.
Figura 4: Esquema de lente de un faro.
Figura 5: Esquema de la ~pantallaW de la lente.
Figura 6. Representación del patrón de IU2: generado por las ventanas y pantallas del faro (actúan como un código de barras).
Figura 7: Esquema como el observador MVI~ tiempos· de encendido y de apagado que se traduce en el MADN~ del faro.
Figura 8. Diagrama de esquemático ele los componentes principales de una realización.
Descripción detallada de la invención Con referencia a las figuras se presenta como ejemplo de realización un dispositivo fonnado por una parte hardware, la cual se encarga de captar la señal luminosa del faro y procesarla, y una parte software, que se encarga de leer la información procesada y mostrar al usuario la información que necesite de fonna legible.
La figura 1 muestra un esquema simplificado de bloques funcionales segun la invención fonnada por unos medios de c, aptación de luz 1 que detectan una señal luminosa emitida por el faro 10 durante un intervalo de tiempo para que dicho faro 10 dé una vuelta completa. Unos medios de procesamiento 2 realizan un análisis algorítmico de las señales captadas por el dispositivo, los cuales consisten en realizar una transformada de Fourier a la señal para obtener su espectro de frecuencias, que se procesará generando una suerte de huella fácilmente comparable, mediante una regresión estadistica, con los espectros dt~ frecuencia almacenados en una base de datos 3, dando como resultado un numero que simboliza la proximidad de la señal recogida del faro 10 con cada uno de los faros disponibles en la base de datos 3 (a menor indice, menor es la diferencia y más similitudes existen). Finalmente se emite el resultado de la búsqueda mediante la interfaz 4 de algún dispositivo gráfico (Ordenador, móvil o tableta).
En la figura 2 se muestra el espectro de frecuencias captado por una señal real. El algoritmo de los medios de procesamiento 2 compara iterativamente los datos de frecuencia de la señal recogida, considemndo aquellas frecuencias que excedan un umbral de ruido con frecuencias cercanas en las diversas muestras de faros de la base de datos 3.
En la figura 3 se muestran los puntos comunes entre las frecuencias capturadas de una señal y una muestra de la base de datos 3, cuya comparación, mediante una regresión estadística, da como resultado un número que simboliza la similitud de dichas señales, de forma que a menor ¡ndiGe, menor es la diferencia. De esta fonna se escoge el faro de la base de datos 3 más ¡próximo siempre y cuando la diferencia sea menor que un margen de error preestablectdo.
.s En las figuras 4-5 se representa el faro 1 () en varias vistas. Los patrones de luz que genera se deben a la presencia de pantallas 7 de diferente extensión.
Como muestra la figura 4, la lente del faro 10 tiene grabaciones 8 en relieve que dirigen la luz en sentido horizontal y vertical también. Estas grabaciones actúan a modo de ventanas, que al girar crean varios haces de luces de distintos ángulos sobre el horizonte (tiempos) tal como se representa en la figura 5.
Para el observador esta secuencia de enClE!ndidos y apagados es similar a un ·código de barras· como ilustra la figura 6 que habll'á que interpretar para su identificación.
La figura 7 resume en un esquema cómo el observador ve intervalos de tiempo de encendido y de apagado (destellos y ocultalciones) que se traducen en un patrón único para identificar el faro.
Con referencia de nuevo a la figura 1 y méJS en particular a la figura 8, se ilustra más en detalle una realización. El hardware para los medios de procesamiento 2 se implementa con una Raspberr y Pi, que es un ordenador 21 de placa reducida (o placa única) de bajo coste, de 85x54 miHmetms, desarrollado en el Reino Unido por la Fundación Raspberr y Pi, cuyo diseño incluye un System-on-a-chip Broadcom BCM2835, que contiene un procesador centrat (CPU) ARM1176JZF-S a 700 MHz, un procesador gráfico (GPU) VideoCore IV, como módulo memoria 31 utiliza una tarjeta externa SO. En función del modelo que se' escoja, existen más o menos opciones de conexión, pero es recomendable para la mayoría de aplicaciones al menos un puerto de salida de video HOMI y otro de tipo RCA, minijack de audio y un puerto USB 2.0 al que conectar un teclado y ratón. Para la cOlnexión de red, se dispone de Ethernet para enchufar un cable RJ-45 directamente al router o recurrir a adaptadores inalámbricos WiFi.
El faro 10 emite señales luminosas en forma de destellos, los cuales forman ciclos compuestos por ocultaciones y destellos con cierta duración que hacen a cada faro único frente a otros. Se capta la señal luminosa que emite el faro 10 con cada destellos a través de un circuito eléctrico compuesto por un fototransistor O un fotodiodo, encargado de captar dicha señé:il, y un conversor analógico-digital 22, que procesa la señal mediante los componentes que lo forman para reconocer que faro en concreto emite dicha señal.
Para esta realización particular se ha esco!~ido el modelo B de la Raspberr y Pi, ya que posee dos puertos USB y un puerto Ethernet, con una capacidad de memoria RAM de 512 Mbytes. Utilizando esta placa como bélse se ha creado un circuito compuesto por
un fototransistor y un conversor analógico-digital 22 (modelo ADS1015). El
fototransistor es un componente de los medios de captación de luz 1 y se trata un
dispositivo que permite el paso de una cantidad de corriente eléctrica en proporción a
la luz que lo incide. Para este primer prototipo se ha usado un fototransistor, pero
5 también es posible el uso de un fotodiodo. A su vez, el conversor analógico-digital
ADS1015 permite trabajar con señales analógicas en placas sin este tipo de
conversor, como la Raspberr y Pi. El AOS1 '015 da una precisión de 12 bits sobre 3300
muestras por segundo en 12C, incluye un amplificador de ganancias para aumentar las
señales pequeñas hasta 16 veces. Se conecta por 12C, pudiéndose cambiar la
JO dirección a 4 posibles, por lo que puede usar hasta 4 ADS 1 015 de forma simultánea.
Se alimenta de 2V a 5V y tiene un consumo de 1S01JA.
El software se ha creado utilizando el Emtorno de desarrollo Netbeans lOE, una
herramienta que permite escribir, compilar y ejecutar programas en varios lenguajes
de programación. Para esta realización se ha utilizado el lenguaje de programación
1S Java, dada su compatibilidad con Raspbeny Pi y sus muchas utilidades. Se ha creado
una aplicación de escritorio que permitira al usuario interactuar con el dispositivo que
lee los destellos del faro.
Funcionamiento del hardware elegido
20 El dispositivo se construye en base a una F<aspberr y Pi modelo B, que posee 26 pines
GPIO. Los conectores GPIO permiten la conexión de dispositivos externos
directamente conectados al microprocesador, pudiéndose utilizar buses, periféricos
(internos del procesador como la UART p.ara comunicación serie) o salidas/entradas
digitales. La traducción de GPIO es General Purpose InpuUOutput, Entrada/Salida de
25 Propósito General, el cual es un pin ge!nérico en un chip, cuyo comportamiento
(incluyendo si es un pin de entrada o salida) se puede controlar (programar) por el
usuario en tiempo de ejecución para realizar una gran variedad de funciones así como
elementos se pueden conectar a los pines. Estos pines no están diseñados con una
función predeterminada, por lo que se pueden tener un gran número de posibilidades
JO según las combinaciones que se creen en base a la necesidad del momento.
Todos los pines son uunbuffered\ es decir, no disponen de buffers de protección, por
lo que se tiene que tener cuidado con las magnitudes de voltaje, intensidad, etc.,
cuando se conecten componentes externos a ellos para no dañar la placa.
.,
Para esta realización el esquema válido dt~ pines es el del modelo B revisión 2.0. De forma genérica, las características de los pines son las siguientes:
S Pines de alimentación: se pueden apreciar pines de Sv, 3v3 (limitados a SOmA) y tierra (GND o Ground) , que aportan alimentación a estos voltajes para los ci rcuitos que se construyan. Se pueden usar como Llna fuente de alimentación, aunque también se pueden utilizar otras fuentes (pilas, fuentes de alimentación externas, etc).
10 ONC (Do Not Connect) : son pines que por el momento no tienen función, pero en futuras implementaciones son utilizadcls para otros fines, solo se encuentran en modelos más primitivos de la Raspberr y Pi. En las actuales placas han sido marcados como GNO.
GPIO normales: son conexiones configurables que se pueden programar para crear proyectos, tal como se muestra más adelante.
15 GPIO especiales: dentro de éstos se encuentran algunos pines destinados a una interfaz UART, con conexiones TXD ~~ RXO que silven para comunicaciones en serie, como por ejemplo, conectar con una placa Arduino. También se puede ver otros como SDA, SCL, MOSI, MISO, SCLK, CEO, CE1 , etc.
20 Uso de los GPIO: La Raspberr y Pi permite programar sus pines GPIO con flexibilidad, ya que se pueden utilizar multitud de herramientas con diversos lenguajes de programación (Python, Java, C, , ,.) , o desde la consola utilizando sencillos scripts y comandos.
25 Por lo general, la Raspberr y Pi utiliza distribuciones Linux. Su sistema operativo tratará a todos los elementos, incluido el hardware , como un fichero. Por ejemplo en Windows existen unidades (C:, O:,., , ) o dispositivos hardware, pero en un *nix todo son ficheros, como por ejemplo el disco duro (/dev/sda) , la unidad de OVO (/dev/dvd) , ta~etas SO (/dev/mmcblkO) , etc.
Pues bien, los puertos GPIO también serán tratados como un fichero más, aunque no se encuentren en el dierctorio -/dev\ y por tanto se pueden emplear los comandos básicos de la consola para gestionar fiche~ros. Por ejemplo, si se quiere controlar un LEO, se pOdría entrar en la consola y escribir lo siguiente:
30 echo 17> /syslclasslgpio/export
Con esta línea se crearía un fichero con lél estructura del GPIO correspondiente para que pueda ser manipulado. Luego se debería de configurar como entrada o salida, según lo que se quiera.
También se pueden crear scripts para Bash (o cualquier otro intérprete). Para ello se abre un archivo de texto y se escribe el código para que se realicen las funciones deseadas por el elemento del circuito. Luego se guarda el fichero en forma de Mnombre_fichero.sh-y para ejecutarlo simplemente se accede al directorio a través de la consola, tecleando lo siguiente para su ejecución:.Inombre_fichero.sh
Funcionamiento del software La parte software del dispositivo de esta realización es una aplicación de escritorio creada a través del entorno de desarrollo Netbeans IDE 8.0.2, mediante lenguaje de programación Java. El dispositivo analiza la señal digital convertida y la compara con todas las almacenas en la base de datos que se encuentra en la ta~eta SD, emitiendo por algún dispositivo grafico ( Ordenador, móvil o tableta) los datos del faro o señal visualizada, Nombre y localización geográfica.
