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Dipartimento IUAV per la Ricerca
Unit di Ricerca:
Nuove tecnologie per la conoscenza del territorio e
dellambiente: City Sensing e Near Mapping MICRODRONE I-UAV
PIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER IL MONITORAGGIO
CITTA
AMBIENTE E TERRITORIO, RILIEVI DI PARCHI, INFRASTRUTTURE, AREE
INDUSTRIALI, EDIFICI, AREE IN DISSESTO IDROGEOLOGICO,
APPLICAZIONI
TEMATICHE DI PROTEZIONE CIVILE.
RAPPORTO CONCLUSIVO
APRILE 2011
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Sommario
0 INTRODUZIONE
.................................................................................................................................................
4
1 OBIETTIVI DEL PROGETTO
..................................................................................................................................
5
2 PANORAMICA DELLE TECNOLOGIE DISPONIBILI
................................................................................................
5
2.1 MIKRODRONES GMBH
...............................................................................................................................................
8 2.2 ASCENDING TECHNOLOGIES
.........................................................................................................................................
8 2.3 DRAGAN FLY
.............................................................................................................................................................
9 2.4 MIKRKOKOPTER
........................................................................................................................................................
9
3 IL METODO DI VOLO
.........................................................................................................................................11
3.1 VOLO STAZIONARIO HOVERING
................................................................................................................................
11 3.2 VOLO AVANZANTE
...................................................................................................................................................
12 3.3 VOLO
LATERALE.......................................................................................................................................................
13 3.4 IMBARDATA
............................................................................................................................................................
13
4 MODALIT DI PILOTAGGIO
...............................................................................................................................15
4.1 VOLO A VISTA
.........................................................................................................................................................
15 4.2 VOLO FPV (FIRST PERSON VIEW, VOLO IN PRIMA PERSONA)
............................................................................................
15 4.3 VOLO AUTONOMO
...................................................................................................................................................
15
5 LA PIATTAFORMA ADOTTATA
..........................................................................................................................15
5.1 IL SISTEMA MK
.......................................................................................................................................................
18 5.2 MIKROKOPTER TOOL
................................................................................................................................................
21
6 SENSORISTICA DEDICATA
.................................................................................................................................22
6.1 MULTISPETTRALE TETRACAM ADC LITE
....................................................................................................................
22 6.2 MACCHINE FOTOGRAFICHE CON CULLA
........................................................................................................................
23 6.3 LASER SCANNER
......................................................................................................................................................
27
7 RICERCA EFFETTUATA
.......................................................................................................................................29
7.1 TEST 1: VERIFICA DEL VOLO
.......................................................................................................................................
29 7.2 TEST 2: REGISTRAZIONE DELLA TRACCIA DI VOLO
............................................................................................................
33 7.3 TEST 3: VOLO AUTOMATICO
......................................................................................................................................
35 7.4 TEST 4: SCATTI E IMPOSTAZIONI DELLA FOTOCAMERA
.....................................................................................................
37 7.5 TEST 5: TEST DI RILIEVO DI AREA ESTESA
.......................................................................................................................
41 7.6 TEST 6: STEREO COPPIA E RESTITUZIONE 3D
.................................................................................................................
44
8 CONCLUSIONI E ANALISI CRITICA DEI RISULTATI OTTENUTI
..............................................................................46
8.1 RAPID MAPPING GEOREFERENZIAZIONE AUTOMATICA
..................................................................................................
46 8.1.1 CARATTERIZZAZIONE GEOMETRICA E TRASLAZIONE
................................................................................
47 8.1.2 ROTAZIONEINTORNO AL PUNTO O
........................................................................................................
47
8.2 SOFTWARE RAPID MAPPING
...........................................................................................................................
51
9 PIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER LE APPLICAZIONI DI
PROTEZIONE CIVILE - LATTIVIT AL TEREX 2010 -.
.............................................................................................................................................................55
9.1 TEREX 2010
...........................................................................................................................................................
55 9.2 TRASMISSIONE FLUSSO VIDEO
....................................................................................................................................
59
10 BIBLIOGRAFIA
...................................................................................................................................................60
11 SITOGRAFIA
......................................................................................................................................................61
12 APPENDICE
.......................................................................................................................................................62
12.1 PUBBLICAZIONI CONVEGNI - SEMINARI
.................................................................................................................
62
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3
12.1.1 Convegni:
..............................................................................................................................................
62 12.1.2 Pubblicazioni:
.......................................................................................................................................
63
12.2 MATERIALI
........................................................................................................................................................
63 Il gruppo di lavoro Niccol Iandelli Assegnista di ricerca, ha
coordinato il lavoro di ricerca. Mario Pizzolon Pilota e
assemblatore dei multi rotori, esperto tecnico dei multi
rotori.
Ivano Boscolo Informatico, ha realizzato i software di
georeferenziazione automatica e per la realizzazione del piano di
volo.
Con il contributo di: Ing. Antonella Ragnoli, Dott.ssa Rina
Camporese, Ing. Vincenzo Giannotti, Dott. Stefano Picchio, Dott.
Andrea Marchiori.
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4
0 INTRODUZIONE
Il monitoraggio del territorio richiede uninnovazione costante
nei processi e nelle tecnologie di rilevamento dei parametri
ambientali. Il telerilevamento, inteso come la ripresa a distanza
di un soggetto attraverso dei sensori, in rapida evoluzione sia
nelle tecnologie che nelle metodologie, soprattutto per quanto
riguarda la ripresa del territorio: sensori sempre pi specializzati
e geometricamente pi performanti lo rendono un segmento di ricerca
sempre in rinnovamento. Recentemente gli UAV (acronimo di Unmanned
Aerial Vehicle, velivoli senza presenza umana a bordo, pilotati da
remoto da una stazione a terra) e in particolare i micro-UAV (con
peso inferiore ai 2 kg) rappresentano l'ultima frontiera per la
ripresa del territorio ad alta risoluzione e a bassa quota di volo.
Sui micro- UAV possibile installare diversi sensori che li rendono
impiegabili per attivit di monitoraggio del territorio, in ambito
urbano e non. Inoltre essi rappresentano una soluzione a basso
costo per la creazione di quadri conoscitivi socialmente
condivisibili. Al gruppo degli UAV appartengono diverse tipologie
di velivoli (aeroplani, elicotteri, dirigibili) e anche velivoli
innovativi come elicotteri multi-rotori (quadrirotori e oktorotori)
definibili come DRONI automatici. I primi progetti di UAV risalgono
agli anni 20 ma solo a partire dagli anni 90, con i primi sviluppi
di micro e nano tecnologie, si avuto la possibilit di sperimentare
questi velivoli in missioni militari, evidenziando la possibilit di
non esporre a rischio un essere umano. I micro-UAV hanno avuto un
recente sviluppo conseguente alla crescita dellaffidabilit e della
riduzione
dei costi nella produzione di sensori basati su nano-tecnologie.
Il progetto ha avuto come scopo quello di realizzare una serie di
applicazioni attraverso limpiego di piattaforme micro-UAV in grado
di sorvolare in modo autonomo porzioni di territorio e rilevarne
diversi parametri. I quadrirotori, dotati di sensoristica dedicata,
hanno realizzato immagini aeree georiferite a bassa e bassisima
quota nei campi del visibile e dellinfrarosso, fornendo i dati di
base permolte elaborazioni di immagini sino ad ora possibili solo a
partire da dati provenienti da riprese aeree o satellitari. Tra gli
obiettivi si era posta sia la possibilit di effettuare indici di
vegetazione (NDVI), individuare e mappare lumidit dei suoli e sia
quella di impiego di camere termiche e di laser scanner al fine di
effettuarecon le primeuna mappatura termica di edifici o
infrastrutture in modo continuo, sorvolando e riprendendo loggetto;
mentre
con i secondi possibile effettuare dei rilievi tridimensionali
di oggetti o porzioni di territorio. Le problematiche affrontate
hanno riguardato lottimizzazione del volo dei quadrirotori,
lintegrazione di sensori specializzati relativamente al consumo
energetico degli stessi e in termini di payload(e quindi di
autonomia di volo). Il progetto si concluso nel febbraio del 2011 e
nel presente documento sono riportati i test effettuati,i risultati
ottenuti, e alcune considerazioni finali sulla piattaforma, al fine
di delineare un quadro consuntivo di tutta lattivit di ricerca, che
metta in evidenzai pro e i contro della piattaforma micro-UAV, gli
sviluppi futuri e gli impieghi possibili. Lo sviluppo della
piattaforma e dellintero progetto di ricerca ha visto coinvolto
oltre allo spin-off Unisky s.r.l. dellUniversit Iuav, ricercatori
del gruppo di ricerca in Nuove Tecnologie per lInformazione
Ambiente e Territorio e il Dott. Geol. Mario Pizzolon.
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1 OBIETTIVI DEL PROGETTO
Il progetto di ricerca si pone come obiettivo quello di
analizzare le potenzialit di utilizzo dei micro-UAV e del
contributo che questa metodologia di raccolta di informazione
geografica pu fornire al completamento di database tematici legati
al territorio e allambiente. Per perseguire questi obiettivi il
progetto di ricerca si strutturato in tre fasi:
la prima legata alla progettazione, costruzione e test delle
capacit di volo e di payload (capacit di carico in assetto di
volo),
la seconda in cui si dovr realizzare una procedura di volo
dedicata, in grado di far volare i quadrirotori in modo autonomo o
semi autonomo,
la terza in cui sono stati effettuati test su sensori specifici
o procedure di rilievo.
2 PANORAMICA DELLE TECNOLOGIE DISPONIBILI
Le origini dei quadrirotori sono probabilmente da individuare
negli esperimenti di piattaforma volante e Jeep volante condotti
dalle forze armate americane, nel secondo dopoguerra. Si cercava di
riprodurre la praticit delle normali Jeep in un veicolo volante con
pi vaste possibilit d'uso. Vennero sperimentate varie
configurazioni a una o pi eliche o turbine. Uno dei primi
apparecchi di cui si ha notizia il DE LAKNER AEROCYCLE DH-4,
equipaggiato con un motore a pistoni da 32 kW, e due eliche
contro-rotanti da 4,54 metri di diametro. Era alto 2,13m peso ODV
206 Kg. Velocit massima 120Km/h, altitudine massima 1.500m.
Figura 1 - De LAnker Aerocycle DH-4
La storia dello sviluppo dei micro-UAV una storia recente che
nasce nei primi anni del 2000 con la creazione, da parte di Daniel
Gurdan, dei primi prototipi sviluppati successivamente con in
contributo di Jan Stumpf. Il primo velivolo a 4 rotori messo in
commercio stato lX-UFO nel 2005.
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Figura 2 - X-UFO kit
Quattro piccoli motori con spazzole ed eliche controrotanti,
telaio leggerissimo in carbonio con protezione in EPP, elettronica
di controllo. La stabilizzazione orizzontale effettuata da un
giroscopio meccanico.
Figura 3 - Giroscopio meccanico
La rotazione sull'asse verticale non stabilizzata. La radio
ricevente incorporata nella scheda principale. Successivamente alla
commercializzazione dell' X-UFO, stato realizzato e
commercializzato un modello estremamente pi avanzato lX3D-BL,
dotato di motori brushless, regolatori a mosfet, stabilizzazione
con 3 giroscopi piezoelettrici, batteria LI-PO, radioricevente
ACT.
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Figura 4 - X3d-BL
Da questo background nascono i micro-UAV (acronimo di Unmanned
Aerial Vehicle con peso inferiore ai due chilogrammi in assetto di
volo) che rappresentano l'ultima frontiera per la ripresa del
territorio ad alta risoluzione e a bassa quota di volo. Tali
oggetti si collocano di fatto in una fascia di quota sino ad ora
occupata da alcuni palloni aerostatici o ultraleggeri, senza
presentare per problematiche legate alluso di gas (palloni) o alla
necessit di avere avio superfici di decollo.
Figura 5 - Fasce di quota di "lavoro" di diverse piattaforme
A livello mondiale stanno nascendo produttori di velivoli multi
rotori con diverse vocazioni, dallhobbistica al rilievo
professionale di porzioni di territorio sino alla
video-sorveglianza. In seguito se ne citano alcuni tra i pi
rilevanti, sia dal punto di vista commerciale sia per lalta qualit
dei loro prodotti.
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2.1 Mikrodrones GmbH
La tedesca Microdrones GmbH, fondata nell'ottobre del 2005 da un
team di tecnici aereonautici, ha come obiettivo lo sviluppo e la
produzione di velivoli a VTOL AUMAV's (VTOL = Vertical Take Off and
Landing, AUMAV = Autonomatic Unmanned Aerial Vehicle Micro). Il
primo prodotto realizzato l'MD4-200, nellaprile 2006 seguito poi
dall MD4 1000 di dimensioni maggiori e maggiore capacit di
carico.
MD4 200 MD4 1000
Il livello di ingegnerizzaizone del prodotto elevato e i droni a
catalogo vengo venduti completi di case per il trasporto, stazione
di terra e ricca dotazione software. I costi sono elevati,
nellordine dei 20.000 euro e sino ad ora la rete dei rivenditori e
centri di assistenza molto limitata.
2.2 Ascending technologies
Societ austriaca che realizza prodotti di alto contenuto
tecnologico votati prevalentemente al mondo della ricerca e del
hard tesintg. Il nome della societ evocativo per le piattaforme
multi-rotore (i cosiddetti UAV, UAS, MAV o robot aerei),
realizzando modelli di produzione in serie o sistemi altamente
personalizzati che soddisfano diverse esigenze di volo. I prodotti
Asctech sono impiegati da molti centri di ricerca per effettuare
soprattutto applicazioni di voli totalmente automatici anche in
zone GPS DENIED sfruttando sensori complessi come laser scanner e
intelligenza artificiale. Il catalogo tematizzato e propone dei
prodotti pre-ottimizzati per diverse attivit.
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2.3 Dragan fly
Societ canadese fondata nel 1998 da Zenon and Christine Dragan.
Il Draganflyer stato originariamente progettato per essere facile
da pilotare e a bassa manutenzione. Levoluzione del progetto si
spinto sino allo sviluppo di una vera o propria piattaforma per il
rilievo e la video ripresa aerea professionale:ad oggi pi di
ottomila Draganflyers sono stati venduti in tutto il mondo.
Draganfly Innovations Inc. ha vinto numerosi premi ed stato anche
presentato in innumerevoli riviste e programmi televisivi come
bene.
2.4 Mikrkokopter
Mikrokopter un progetto di Hardware Open source che si sviluppa
allinterno dellUc-group, supportato dal computer group di Hesel
(Ostfriesland Germania Nord), concretizzatosi intorno a Ingo Busker
e Holger Buss, un gruppo di lavoro dedicato allo studio dei
microcontrollori. La societ attualmente denominata HiSystems GmbH.
Il progetto ha riguardato limplementazione di alcune schede
sperimentali, che sono diventate il primo nucleo di una attivit in
bilico fra l'ambito commerciale e quello didattico Le schede
didattiche sono tuttora commercializzate, ma il punto forte
dell'attivit diventato il MiKroKopter: quadrirotore molto evoluto,
dalle prestazioni semi-professionali che ha portato alla nascita di
Mikrokopter Gmbh. Il sistema sviluppato da una community composta
da:
Holger Buss (Main developer) Ingo Busker (Main developer)
Nebukad (wiki team) Ligi (software developer and betatester) HGDL
Steff
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KeyOz Teschi Narayan (wiki team)
La community ha coinvolto membri in tutta Europa: nellAprile del
2009 era cos distribuita:
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3 IL METODO DI VOLO
Il principio fisico alla base del volo del quadrirotore :
Dove: M - la massa del velivolo g - costante di accelerazione
gravitazionale R - altre azioni resistenti (inerzia, attrito) T -
la forza di trazione che il velivolo deve fornire per il moto. Il
quadrirotore riesce a sollevarsi in volo perch la rotazione di un
elica immersa in un fluido (qui aria) genera su di essa una forza
propulsiva, detta trazione. Si genera per sullelica anche una
coppia resistente dovuta allattrito fluidodinamico tra elica e aria
dovuta anche alla forma dellelica stessa.
Figura 6 - Principi del volo del quadrirotore
Nel quadrirotore, a differenza di quanto accade in un
elicottero, si agisce sulla velocit di rotazione delle eliche per
variare la quantit di trazione prodotta. Tuttavia variando la
velocit di rotazione cambia anche la coppia resistente.
3.1 Volo stazionario Hovering
La piattaforma si caratterizza per elevata stabilit in volo,
soprattutto in condizioni di hovering volo a punto fisso, consiste
nel volo sostentato a velocit nulla e quota costante, condizione
necessaria per lacquisizione di immagini. Due eliche, disposte
sullo stesso asse, ruotano in senso orario, le altre due lungo
laltro asse in senso antiorario ma tutte allo stesso numero di
giri. Di conseguenza: Le azioni di trazione generate dalle eliche
sono tutte uguali in modulo; le coppie derivanti sono uguali in
modulo ma opposte di verso.
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Figura 7 - Volo stazionario "hovering"
Le frecce azzurre NON indicano il verso di rotazione dellelica
ma la coppia resistente agente su di essa, che ha verso opposto
alla rotazione dellelica.
3.2 Volo avanzante
Figura 8 - Volo avanzante verso sx
Assumendo il rotore n1 arbitrariamente come la prua del
velivolo, per avanzare nel verso indicato dalla freccia gialla
necessario ruotare attorno allasse 2-4, detto asse di beccheggio.
Ci si ottiene aumentando la trazione nel rotore posteriore(n3).
Contemporaneamente si diminuisce la trazione nel rotore anteriore
(n1). In questo modo la coppia totale sempre in equilibrio.
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3.3 Volo laterale
Figura 9 - Volo laterale
Per avanzare nel verso indicato dalla freccia gialla necessario
ruotare attorno allasse 1-3, detto asse di rollio. Analogamente a
quanto accade nel moto avanzante ci si ottiene aumentando la
trazione nel rotore laterale destro(n2) e contemporaneamente
diminuendo la trazione nel rotore laterale sinistro (n4) per
mantenere lequilibrio della coppia totale.
3.4 Imbardata
Figura 10 - Rotazione su l'asse principale
Il velivolo ruota come indicato dalla freccia gialla attorno
allasse di imbardata, che ortogonale al piano su cui giacciono le 4
eliche. Limbardata si ottiene aumentando la trazione, quindi la
coppia, nei rotori 1 e 3 e contemporaneamente diminuendo la
trazione e la coppia nei rotori 2 e 4. Laumento di trazione/coppia
su due rotori
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uguale alla diminuzione delle stesse grandezze sugli altri
due,cos che lunico effetto sia limbardata stessa e non anche una
variazione di quota.
Figura 11 - Esempio di log del quadrirotore
Se il quadrirotore dotato di Navi Control (scheda che si occupa
della gestione del volo automatico) e antenna GPS, si ha la
possibilit di registrare la traccia di volo su una scheda microSD
installata a bordo, in due formati: *.gpx (con estensioni
personalizzate) e *.kml. La traccia sar analizzata nel dettaglio
nel paragrafo XX. Lassetto del quadrirotore registrato tra i
parametri della traccia di volo nel tag del file *.gpx, vengono
registrati :
quota direzione rispetto al nord, valori di alimentazione angoli
sui tre assi.
Figura 12 - Angoli che vengono registrati dalla traccia di
volo.
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4 MODALIT DI PILOTAGGIO
4.1 Volo a vista
Consente il trasporto dei sensori con lutilizzo del radiocomando
fino ad un massimo di circa 250 m rispetto alloperatore.
Maggiormente indicato in zone ristrette e accessibili (sito
archeologico, discarica, incrocio stradale).
4.2 Volo FPV (First Person View, volo in prima persona)
Consente un avvicinamento maggiore allobiettivo da rilevare
poich il pilotaggio avviene con un visore che riceve le immagini
direttamente da una telecamera posta sul velivolo. Indicato in aree
morfologicamente complesse e pericolose (riprese di zone di
distacco di frane, superamento di ostacoli quali fiumi e altre
barriere, avvicinamento in luoghi contaminati).
4.3 Volo autonomo
Garantisce il massimo della sicurezza sulle lunghe distanze. La
traiettoria di volo preimpostata e la posizione del velivolo
controllata o dal GPS di bordo o da un sistema alternativo.
5 LA PIATTAFORMA ADOTTATA
Dopo una iniziale analisi di mercato il gruppo di lavoro ha
deciso di adottare la soluzione proposta Mikrokopter per lelevata
possibilit di personalizzazione, per la facilit di manutenzione e
non per ultimo per leconomicit.
Figura 13 - Visori per il volo
FPV
Figura 14 Schematizzazione del volo automatico
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Il gruppo di lavoro aveva a disposizione un totale di tre
velivoli multirotore (configurazione quadrirotore) cos composti:
due velivoli MikroKopter con moduli in radiofrequenza, GPS e Flight
Control per il volo autonomo; un velivolo quadrirotore MK con
sistema completo per il volo FPV (First Person View). Le
caratteristiche dei velivoli sono:
Quadrirotore MK Basisset M2
Kit di costruzione Quadrirotore MK Basisset M2 Ricevente ACT
DSL-4ST-35RT Quarzo della ricevente Quarzpaar K52 Pulpito della
trasmittente Contest Carbon MX NaviCtrl MK GPS Magnetometro MK3MAG
n. 4 Kombi-Propellermitnehmer 1045 protezione GPS Haube 64
Gli accessori in dotazione dei velivoli di propriet Unisky sono:
- Trasmittente Graupner MX-16s 35/35B Mhz (English). -
Caricabatterie con equilibratore e alimentatore professionale Lipo
Ultramat16. - Sistema a culla per alloggiamento camera fotografica
con mantenimento della posizione nadirale durante il volo e lo
scatto. - Batterie Lipo Vislero 2200 - n. 10 coppie di eliche
EPP1045 I velivoli sono equipaggiati con schede e componentistica
utile al volo (barometri, accelerometri, GPS etc) e possono
trasportare sensori dedicati a diverse tipologie di rilievo.
Figura 15 - Dettaglio del "Castello della sensoristica" utile
per il volo.
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I sensori sono trasportati su apposite culle con caratteristiche
hardware diverse, alcune sono nadirali stabilizzate per il
mantenimento della verticale (fig. 16), altre sono inclinabili con
gradazione definibile per riprese prospettiche.
Figura 16 - Culla stabilizzata.
Figura 17 - Fotocamera grandangolare GoPro
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5.1 Il Sistema MK
Il sistema micro-UAV di MikroKopter la piattaforma di volo
scelta per il presente lavoro di ricerca. I velivoli sono forniti
in kit di montaggio:
Figura 18 - Kit MK
La struttura di base composta da un telaio in alluminio con i
quattro bracci disposto luno a 90 dallaltro.
Figura 19 - Telaio
Il cuore del velivolo rappresentato dalla flight control, la
scheda che raccoglie accelerometri, processore, sensore di
pressione e sistema di accensione.
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Figura 20 - "cuore" del quadrirotore - La Flight Control
A questa sono collegati i motori e la batteria secondo il
seguente schema:
In particolare lassetto di quadrirotore con motori BL da 3 celle
Lipo 1100 Umin/V, 4-8 A (Roxxy2824-34), interasse motori 40 cm,
consente il trasporto efficiente con volo a vista, FPV e
semiautonomo, fino a un carico utile di circa 500 grammi
utilizzando delle eliche morbide EPP da 10x4.5 pollici. Il grafico
che segue rappresenta l'efficienza del sistema prescelto
eliche-motori. Tale efficienza in termini di trasporto elevata per
bassi valori di corrente, ovvero fino a circa 2A e per correnti
superiori (fino a valori massimi di 8 A) il rapporto peso
trasportato / consumo diventa costante.
Flight Control
Motore 1
regolatore
Motore 4
regolatore
Motore 3
regolatore
Motore 2
regolatore
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Figura 21 Grafico Spinta(Schub)-Corrente (Strom)
Il payload disponibile ha permesso il trasporto di una camera
semiprofessionale e di alcune tipologie di sensori ambientali. Per
quanto riguarda il sistema di controllo di volo (FlighCtrl), esso
tutto allestito in ununica scheda che contiene un microprocessore
Atmega 644P e alcuni sensori necessari per un volo stabile. Tre
giroscopi consentono di individuare lassetto spaziale del velivolo
e quindi di controllare le azioni esterne. Gli accelerometri
permettono di derivare le variazioni di velocit nelle tre direzioni
dello spazio. Infine un pressiometro consente di mantenere il
multirotore su una prestabilita quota di volo. La FlighCtrl pu
essere collegata ad un PC, quindi letta e impostata tramite il
software MK-Tool. Il regolatore (AVR ATMEGA8 della Atmel) di ogni
singolo motore collegato alla FlighCtrl attraverso il sistema Bus
I2C. Ogni regolatore contraddistinto da un proprio indirizzo
riconoscibile dal microprocessore. La piattaforma in dotazione
stata attrezzata anche con la NaviCtrl (con microcontrollore ARM9)
collegata ad un GPS ed un magnetometro (MK3MAG) in modo da rendere
possibile il volo semiautonomo e la posizione stabile di hoovering.
E necessario il fixing con almeno 4 satelliti ma per un volo sicuro
sono consigliabili almeno 6 satelliti. La Navicontrol in grado d
registrare su memoria microSD (formattazione 16FAT fino a 2GB) il
percorso in formato *.km le *.gpx. Il magnetometro MK3MAG dotato di
un sensore a 3 assi ed il microcontrollore ATMEGA168 serve per la
stabilizzazione azimutale durante il volo e deve essere
calibrato.
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5.2 Mikrokopter Tool
Mirkokpter mette a disposizione un software che permette di
controllare da remoto alcuni parametri fondamentali del
quadrirotore, gestire alcune funzioni estese, configurare e
aggiornare il firmware delle diverse schede. Tale software, che
prende il nome di Mikrokopter Tool, sviluppato dalla stessa
Mirkokopter in forma freeware liberamente scaricabile dal sito web
mikrokopter.de.
Figura 22 - Screenshot Mikrokopter tool
Le funzioni principali del software sono di gestione,
aggiornamento e visualizzazione (anche in tempo reale) dei
parametri proveniente dai sensori di bordo del quadrirotore
(accelerometri, bussola, giroscopi).
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6 SENSORISTICA DEDICATA
Il velivolo si presta ad essere impiegato per molteplici attivit
di rilievo installando a bordo diversi sensori. Il principale
criterio che guida nella scelta del sensore da installare a bordo
del velivolo legato al peso delloggetto, al suo sistema di
alimentazione e alla velocit di campionamento (sia in caso di
macchina fotografica che di sensore chimico). Le tecnologie
individuate e impiegabili sul quadrirotore sono di tipo multi
spettrale, visibile RGB, sensori ambientali MEMS, Laser scanner.
Tra i sensori individuati alcuni sono stati testati sul
quadrirotore e sono riportate nei paragrafi successivi.
6.1 Multispettrale TETRACAM ADC lite
Per lutilizzo sul quadrirotore mini-UAV stata individuata una
camera multi spettrale a 3 bande di piccole dimensioni (TETRACAM
ADC LITE) e peso contenuto (200gr ca.) da impiegare in analisi
ambientali dove necessaria la componente NIR (Near Infra Red).
Figura 23 - Tetracam ADC Lite
Figura 24 - Tetracam ADC Lite - Esempio di NDVI
Camera multispettrale (Green, Red & NIR) con risoluzione di
3.2 megapixel (CMOS sensor, 2048x1536 px). Immagini memorizzabili
in 3 diversi formati:
10 bit DCM, 8 bit RAW e 10 bit RAW. Dimensioni: 114mm x 77mm x
22mm Peso: 200gr. Alimentazione: 5-12 V DC Ingresso dedicato RS232
per NMEA GPS
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Con la fotocamera effettuare diverse elaborazioni: NDVI, SAVI,
Canopy Segmentation e il rapporto NIR/Green. La camera in oggetto
stata impiegata per un volo realizzato su un vigneto; i problemi
riscontrati hanno riguardato essenzialmente la messa a fuoco a
causa della focale fissa.
Composite 432 NDVI NIR
6.2 Macchine fotografiche con culla
La fotografia e la ripresa aerea sono tra le prime aree di
ricerca e sviluppo che hanno interessato appassionati e ricercatori
nel campo dei quadrirotori e in generale dei sistemi UAV. Il
problema maggiore nellimpiego di macchine fotografiche e video
camere a bordo dei velivoli rappresentato dalle vibrazioni. Altre
difficolt si hanno nello scatto, nella messa a fuoco e nella
distorsione di alcune lenti. I problemi relativi alle vibrazioni
sono risolvibili con limpiego di culle dotate di sistemi di
smorzamento delle vibrazioni.
Figura 25 - Culla artigianale per installazione di macchina
fotografica prospettica
Tali culle sono dotate di servo comandi dedicati alla pressione
del pulsante di scatto qualora la macchina fotografica non sia
automatizzata con intervalli di scatto temporizzati. Recentemente
sono state realizzate culle servo assistite che rilevano lassetto
del velivolo e correggono la nadiralit dello scatto correggendo
lassetto della culla su due assi, come mostrato in figura
seguente.
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Figura 26 - Culla per scatti nadirali
Figura 27 - Esempio di scatto prospettico
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Figura 28 - Esempio di scatto nadirale - Centro Storico
Feltre
Figura 29 - Scatto prospettico
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Figura 30 - Strisciata
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6.3 Laser scanner
Recentemente levoluzione e la miniaturizzazione di diverse
componenti ha permesso la realizzazione di Laser Scanner di piccole
dimensioni, basso peso e bassi consumi. In particolare la societ
Giapponese Hokuyo sta sviluppando diverse soluzioni. In particolare
lHokuyos URG-04LX con range di scansione da 20 centimetri a 4 metri
(1mm di risoluzione, 240 apertura e 0,36 di risoluzione angolare),
ha bassi consumi (5v 500ma), interfaccia USB serial (RS-232) e peso
contenuto.
Figura 31 - Laser scanner Hokuyo's
Il velivolo con a bordo il laser scanner ricostruisce lambiente
circostante e in tempo reale lo elabora ricreandosi lo spazio reale
in cui si muove. In questo modo il velivolo pu volare in automatico
superando ostacoli complessi anche allinterno di edifici o in
luoghi senza la copertura GPS o di altre tecniche di posizionamento
radio. Non stato possibile testare il nostro velivolo con un
sistema laser scanner, tuttavia nel panorama degli enti di ricerca
su velivoli UAV sono numerosi i video che nostrano limpiego dei
laser scanner su velivoli multi rotori.
Figura 32 - Esempio di rilievo dellambiente tramite laser
scanner installato sul quadrirotore. Il laser scanner stato
utilizzato dal MIT di Boston.
-
28
(Visualizzare per il dettaglio il video: Robust Aerial
Navigation in GPS-Denied Enivronments su Youtube).
Link video Robust Aerial Navigation GPS Denied
-
29
7 RICERCA EFFETTUATA
Sulla piattaforma micro UAV sono stati realizzati diversi test
che hanno portato anche alla definizione di nuove procedure
operative descritte approfonditamente nel paragrafo XXX. I test
effettuati hanno riguardato:
Verifica del volo (test 1) Registrazione della traccia (test 2)
Il volo autonomo (test 3) Test di sensoristica varia Scatti e
impostazioni della camera (test 4) Test di rilievo di area estesa
(test 5) Test in area montana Procedura di Georeferenziazione
automatica Rapid Mapping
La strumentazione di corredo impiegata in tutti i test la
seguente:
GPS TRIMBLE Geoexplorer XM + software Arcpad per posizionamento
dei target Palmare HTC connessione HDSPA GPS Datalogger Macchina
fotografica Nikon Coolpix p6000 con GPS integrato Quadrirotore con
GPS e sistema di volo automatico Netbook con MK-Tools v1.66b
Trasmettitore-ricevitore Zigbee Xbee PRO.
Figura 33 - Strumentazione impiegata
Sono stati realizzati anche alcuni software specifici per la
georeferenziazione automatica e la pianificazione del volo con la
realizzazione di piani di volo che sono descritti nei capitoli
successivi.
7.1 Test 1: Verifica del volo
Lo scopo del test stato quello di verificare le condizioni di
base da cui iniziare per la predisposizione di un quadrirotore, dei
tre di propriet del gruppo di ricerca NT&ITA, per la ripresa
fotografica utilizzando la macchina fotografica NIKON Coolpix P6000
con GPS integrato gi in possesso del gruppo di ricerca. Inoltre si
voleva testare e verificare il volo automatico su un percorso
semplice (rettangolare di dimensioni 20 x 40 m) confrontando la
traccia pre-impostata con la traccia effettuata dal quadrirotore e
registrata da un datalogger GPS installato sul quadrirotore. Per la
verifica dellimpronta a terra della macchina fotografica stato
realizzato un volo verticale a quote diverse con scatto. Il test
stato effettuato nelle campagne di Istrana, pilota Mario Pizzolon.
Metodologia Area Rettangolare: Posizionamento di 4 target di
dimensioni A3 sui vertici di un rettangolo di dimensioni 20 x 40 mt
e un target centrale sulla diagonale e successivo rilievo GPS con
TRIMBLE (DOP costante 2,6 con correzione WAAS/
-
30
EGNOS, numero dei satelliti sempre maggiore di 8 per tutta la
durata del test); contemporaneamente rilievo punti con NONI e HTC
per test (fig.32).
Figura 34 - Schema del volo automatico
I punti rilevati con il GPS TRIMBLE in formato Gradi, decimi di
grado sono stati inseriti con 5 decimali nel sistema di volo
automatico del quadrirotore. La macchina fotografica impostata sul
programma di scatto automatico ogni 30 secondi, con GPS acceso,
sistema antivibrazioni attivato e il GPS datalogger sono stati
assicurati al quadrirotore attraverso del nastro isolante, in asse
con lantenna GPS del quadrirotore (fig.33).
Figura 35 - Strumenti di bordo
Risultati Linquadramento geografico dei target attraverso il
rilievo GPS (TRIMBLE GEO XM) risultato molto soddisfacente, il DOP
sempre costante (2,6 con tratti a 2,2 e alcuni punti a 1) e
lorizzonte nella zona prescelta molto aperto. I buoni risultati
errano anche prevedibili dallalmanacco seguente.
-
31
Figura 36 - Almanacco GPS della Stazione di Istrana (TV)
Stazione di Istrana (TV): Nord 4544; Est 128; Altezza 0m
Validit: 9::00 13:00 (UTCC +2h) del 02/002/2010.
Soglia di elevazione 10;; Satelliti: 39 (30 GPS, 9 WAAS/EEGNOS);
Ostacoli: 0%
Figura 37 - Posizionamento delle mire.
La traccia di volo del quadrirotore purtroppo non stata
registrata a causa di un problema legato alla micro-SD. Questultima
infatti uscita dallalloggiamento e non ha permesso la registrazione
dei dati. Lunica traccia di volo disponibile quella del datalogger
installato sotto il quadrirotore. La traccia molto complessa e
presenta diversi punti che si discostano notevolmente dalla
traccia,a causa forse di interferenze. In post produzione stata
isolata la traccia di percorso del rettangolo pre-impostato. La
traccia risulta traslata verso NE di circa 12 metri dai punti GPS
(fig.39).
-
32
Figura 38 - In blu il tracciato di volo
Durante lascesa verticale il datalogger installato a bordo non
ha funzionato e non ha fornito quindi la traccia. Le cause sono
sconosciute; forse la temperatura (da -4 a 0 durante tutta la
durata del test) ha creato problemi alle batterie. Le immagini
riprese durante la salita verticale sono state prese a quattro step
di quota (10 m,30 m,50 m,85 m) per non riconducibili in quanto non
presente la traccia GPS. I target di dimensioni (42 x 29,7 cm) sono
ben visibili. Su due immagini stato possibile fare una
georeferenziazione basandosi sui target a terra.
Figura 39 - Imamgine di esempio
Le problematiche da risolvere per i prossimi test sono molte e
riguardano soprattutto linstallazione e le impostazioni della
macchina fotografica con la riduzione delle vibrazioni e una
migliore impostazione dello scatto. Da verificare i problemi al
Datalogger GPS.
-
33
7.2 Test 2: Registrazione della traccia di volo
Un test stato realizzato per analizzare la traccia registrata
dal quadrirotore e verificare i parametri che il quadrirotore
registra. La traccia viene memorizzata su una micro-sd in formato
*.gpx. MikroKopter Flight 7.320 2009-10-18T09:38:38Z 7 092 138 3
12.1 195 078 002 000 01 000 0 4, 0, 0 0, 0, 0 7.346
2009-10-18T09:38:39Z 7 094 183 4 12.0 199 082 000 -02 01 000 0 1,
-2, 0 0, 0, 0 Analizzando il file, oltre ai tag standard che
definiscono lXML importante elencare la quantit di informazioni
presenti nei tag di Exstension:
Velocit GroundSpeed>138 /GroundSpeed> 138 m/s
Tempo di FlightTime>3 /FlightTime> 3 min
-
34
volo
Voltaggio batteria
Voltage>12.1 /Voltage> 12,1 V
Qualit di ricezione segnale
radio
RCQuality>195 /RCQuality> 195 db
Direzione rispetto al
nord Compass>078 /Compass> 78N
Angolo di pitch
NickAngle>002 /NickAngle> 2
Angolo di roll RollAngle>000 /RollAngle> 0
NCFlag>01 /NCFlag> 1 Direzione
rispetto al target
TargetBearing>000 /TargetBearing> 0
Distanza dal target
TargetDistance>0 /TargetDistance> 0
RCSticks>4, 0 0 /RCSticks> 4
GPSSticks>0, 0 0 /GPSSticks> 0 Che rappresentano di fatto
i parametri di volo e di assetto in volo del quadrirotore.
-
35
Figura 40 - Esempi di tracce di volo visualizzate in 3D su
piattaforma Google Earth
7.3 Test 3: Volo automatico
Lo scopo del test era quello di verificare il comportamento in
volo del quadrirotore fornendo un piano di volo, ricevendo a terra
la telemetria del velivolo e realizzando una prima serie di scatti.
Il test si svolto nella ex-cava di ghiaia di Istrana (TV) usata
come campo volo per i test. La stazione di terra stata dotata di: -
Software GIS e per elaborazione delle immagini; - Trasmissione
radio con il velivolo con tecnologia ZIGBEE - Videoserver
convertitore analogico-digitale per video streaming - Software
telemetria e gestione del piano di volo. Il velivolo dotato di : -
Antenna GPS - Sistema di controllo del volo (flight control e navi
control) - Micro SD - Trasmettitore ZigBee/xBee
-
36
- Culla stabilizzata
Figura 41 - Quadrirotore in assetto di volo con culal
stabilizzata.
Il volo si doveva tenere lungo 8 punti di interesse (waypoint
Punti Obiettivo) con un tempo di stazionamento per ogni punto di 8
secondi e un buffer di raggio 5 m.
Figura 42 - In rosso i target, in blu la traccia di volo
eseguita dal quadrirotore. I cerchi azzurri visualizzano il buffer
intorno ai punti
di interesse.
punto
obiettivo PiBB PiBA Pt DM (metri)
1 8 8 3,69
2 8 4 12 2,96
3 8 3 11 3,94
4 8 4 12 4,05
-
37
5 8 5 13 4,60
6 8 3 11 5,59
7 8 4 12 6,88
media 8 3,8 11,3 4,5
Legenda:
PiBB - punti all'interno del buffer prima di cambiare obiettivo
(velocit bassa con traiettoria tendenzialmente circolare intorno
all'obiettivo). PiBA - punti all'interno del buffer dopo aver
cambiato obiettivo (in accelerazione). Pt punti totali all'interno
del buffer DM - distanza media dall'obiettivo dei punti entro il
buffer (metri)
Analizzando la traccia di volo e la tabella con i valori
calcolati si identifica che : - l'obiettivo di 8 secondi per punto
obiettivo viene perfettamente rispettato; - inoltre, in questo arco
temporale la velocit ridotta e la traiettoria tendenzialmente
circolare intorno all'obiettivo; - durante la permanenza nellarea
di buffer, non sembra che il quadrirotore tenda ad avvicinarsi il
pi possibile al punto obiettivo, gli sufficiente tenersi dentro il
buffer; - i 3 o 4 secondi di uscita dallarea di buffer, dopo che
avvenuto il cambio di obiettivo, producono molto probabilmente
immagini mosse perch il quadrirotore accelera vistosamente in vista
del suo prossimo obiettivo; - in complesso ci sono circa 11 punti
all'interno del buffer di 10m di ciascun obiettivo, per un totale
di 79 punti (scatti) "buoni" vicino al target; - la distanza media
dall'obiettivo dei punti entro il buffer di 4,5 m; - si osserva un
peggioramento di questa distanza man mano che il volo procede dal
primo all'ultimo punto: si passa da circa 3 metri per i primi tre
punti obiettivo ai 6-7 degli ultimi due punti obiettivo, segno di
un affaticamento del sistema di sensori che coadiuvano il volo.
7.4 Test 4: Scatti e impostazioni della fotocamera
La fotocamera impiegata a bordo del quadrirotore la Nikon
Coolpix P6000, con le caratteristiche tecniche gi descritte. Sulle
dimensioni di questa fotocamera compatta stata costruita la culla
che permette di mantenere la nadiralit degli scatti e, sempre su
questa fotocamera, sono stati effettuati dei test per ricostruire i
parametri di orientamento interno utili per limpiego
fotogrammetrico della stessa.
-
38
Figura 43 - Griglia di calibrazione della fotocamera
I parametri di assetto interno della camera sono stati
ricostruiti con limpiego di un software specifico che ha fornito la
seguente scheda di sintesi: Status Report Tree Project Name: ***
NIKON p 6000 *** Information from most recent processing Last
Processing Attempt: Thu Oct 07 10:51:52 2010 Status: successful
Processing Options Orientation: off Global Optimization: on
Calibration: on (full calibration) Constraints: off Total Error
Number of Processing Iterations: 3 Number of Processing Stages: 2
First Error: 3.843 Last Error: 3.807 Precisions / Standard
Deviations Camera Calibration Standard Deviations Camera1: COOLPIX
P6000 [6.00] Focal Length Value: 6.413415 mm Deviation: Focal:
0.002 mm Xp - principal point x Value: 3.903279 mm Deviation: Xp:
9.3e-004 mm Yp - principal point y Value: 2.897293 mm Deviation:
Yp: 0.001 mm Fw - format width Value: 7.715424 mm Deviation: Fw:
3.8e-004 mm Fh - format height Value: 5.785714 mm K1 - radial
distortion 1 Value: 5.209e-003 Deviation: K1: 2.4e-005 K2 - radial
distortion 2 Value: -1.174e-004 Deviation: K2: 1.3e-006 K3 - radial
distortion 3 Value: 0.000e+000 P1 - decentering distortion 1 Value:
1.313e-004 Deviation: P1: 7.0e-006 P2 - decentering distortion 2
Value: 5.890e-005 Deviation: P2: 8.1e-006 Quality Photographs Total
Number: 12 Bad Photos: 0 Weak Photos: 0 OK Photos: 12 Number
Oriented: 12 Number with inverse camera flags set: 0
-
39
Cameras Camera1: COOLPIX P6000 [6.00] Calibration: yes Number of
photos using camera: 12 Average Photo Point Coverage: 77% Photo
Coverage Number of referenced points outside of the Camera's
calibrated coverage: 0 Point Marking Residuals Overall RMS: 0.476
pixels Maximum: 6.145 pixels Point 80 on Photo 6 Minimum: 0.216
pixels Point 41 on Photo 7 Maximum RMS: 2.128 pixels Point 80
Minimum RMS: 0.145 pixels Point 41 Point Tightness Maximum: 0.0034
m Point 80 Minimum: 0.00021 m Point 85 Point Precisions Overall RMS
Vector Length: 0.000127 m Maximum Vector Length: 0.000137 m Point
88 Minimum Vector Length: 0.000124 m Point 1001 Maximum X:
6.86e-005 m Maximum Y: 6.9e-005 m Maximum Z: 9.74e-005 m Minimum X:
5.89e-005 m Minimum Y: 5.88e-005 m Minimum Z: 9.12e-005 m
Altre impostazioni da configurare hanno riguardato: - Lo scatto
multiplo, impostato su sequenza con scatto ogni 2 secondi. - La
messa a fuoco a infinito. - Lalloggiamento della camera sulla
culla. In seguito sono stati realizzati una serie di scatti
nellarea del ex-cava usata come campo volo/test.
-
40
Sono stati effettuati anche numerosi voli per testare lo scatto,
la rotazione e lassetto della fotocamera.
Figura 44 - Scatti di esempio
Edificio ex-cava Istrana
Dettaglio 100%
-
41
7.5 Test 5: Test di rilievo di area estesa
Alla luce di tutti i risultati e i parametri ottenuti da tutti i
test precedenti stata realizzato un test conclusivo sullarea di
volo della ex-cava con lobiettivo di realizzare la copertura
fotografica aerea completa della cava stessa. Il test ha
riguardato: - un volo automatico a quota di 98 m con 8 waypoint a
copertura completa della cava, con stazionamento di 12 secondi per
punto e buffer di 3 m. - realizzazione di scatti nadirali
automatici ogni 2 secondi a copertura completa dellarea. - Test
della procedura automatica di georeferenziazione Rapid Mapping. -
Mosaicatura e georeferenziazione manuale del mosaico di copertura
dellintera area. Punto uno: Volo automatico Il volo si doveva
tenere lungo 8 punti di interesse (waypoint Punti Obiettivo) con un
tempo di stazionamento per ogni punto di 8 secondi e un buffer di
10 m.
Figura 45 - In rosso i target, in blu la traccia di volo
eseguita dal quadrirotore.
punto
obiettivo PiBB PiBA Pt DMq (metri) DMs
(metri) Msq
1 10 - 10 1,73 1,51 0,13
2 12 2 14 1,75 1,00 0,51
3 12 2 14 1,40 1,44 0,09
4 9 1 10 2,20 2,20 0,13
5 6 2 8 2,79 1,76 0,16
6 9 0 9 2,42 2,11 0,15
7 9 1 10 1,49 1,91 1,05
8 12 2 14 2,43 2,45 0,09
-
42
media 9,9 1,43 11,12 2,04 1,8 0,29
Legenda: PiBB - punti all'interno del buffer prima di cambiare
obiettivo (velocit bassa con traiettoria tendenzialmente circolare
intorno all'obiettivo). PiBA - punti all'interno del buffer dopo
aver cambiato obiettivo (in accelerazione). Pt punti totali
all'interno del buffer DMq - distanza media dall'obiettivo dei
punti entro il buffer (metri) - secondo il quadrirotore. DMs -
distanza media dall'obiettivo dei punti entro il buffer (metri) - a
giudicare dallo shp. Msq - media della distanza tra il punto in cui
crede di essere il quadrirotore e il punto che risulta dallo shp.
Analizzando i dati si rileva che: - solo per tre punti (2-3-8)
stato raggiunto effettivamente l'obiettivo di 12
scatti/secondi/punti entro un raggio di 3 metri; - per il punto 5
soltanto sei scatti/secondi/punti sono effettivamente dentro il
buffer; - per quattro punti (4,5,6,8) la distanza media dei 12
punti che il quadrirotore considera buoni superiore ai 2 metri; -
si osserva una discrepanza tra la percezione del quadrirotore di se
stesso e la sua localizzazione effettiva rispetto ai target; - per
il punto 5 soltanto sei scatti/secondi sono effettivamente dentro
il buffer; Punto Secondo: Scatti fotografici Durante il volo, con
la fotocamera installata a bordo, stata realizzata una copertura
fotografica di tutta la cava. In totale sono stati realizzati 37
scatti, 14 dei quali sono stati mosaicati e georeferiti manualmente
ottenendo la copertura completa dellarea di cava.
Figura 46 - Mosaicatura degli scatti effettuati nel campo volo
test.
-
43
-
44
7.6 Test 6: Stereo coppia e restituzione 3D
Sono stati realizzati alcuni test per lestrazione di nuvole di
punti e modelli 3D. Due scatti sono stati utilizzati per realizzare
una stereo coppia per la visione stereoscopica.
Figura 47 - Immagine 3D
Altri scatti , soprattutto del centro storico di Feltre e
dellarea feltrina dellacquedotto,sono impiegati per ricostruire
nuvole di punti 3D attraverso il webservice 3D ARC
(http://www.arc3d.be). Attraverso il web service sono resi
disponibili un gruppo di strumenti che consentono agli utenti di
caricare immagini digitali che vengono elaborate da remoto da
alcuni server. Il risultato la creazione di una nuvola di punti
3D.
-
45
Figura 48 - Nuvola di punti ricostruita dagli scatti aerei, del
centro storico di Feltre.
-
46
8 CONCLUSIONI E ANALISI CRITICA DEI RISULTATI OTTENUTI
8.1 Rapid Mapping georeferenziazione automatica
La procedura che prende il nome di Rapid Mapping stata
realizzata dal gruppo di ricerca IUAV sui quadrirotori in
collaborazione con lo spin-off Unisky s.r.l. e sfrutta diverse
peculiarit del quadrirotore. Un metodo di volo caratteristico del
multirotore rappresentato dallhovering (possibilit di stazionare in
volo a quote prestabilite) attraverso questa peculiarit si possono
realizzare degli scatti nadirali mantenendo la verticale su un
punto. Inoltre lelettronica di bordo dei multi rotori composta
anche da una stazione inerziale (IMU) basata su giroscopi e
accelerometri, i parametri e in particolare gli angoli sui diversi
assi nelle tre dimensioni sono registrati e vengono impiegati in
post processing per ricostruire lassetto in volo al momento dello
scatto. In questo modo la distorsione dello scatto pu essere
corretta attraverso gli angoli registrati sul file di log del
quadrirotore.
Figura 49 - Schematizzazione del punto di scatto.
Nella figura schematizzato come il punto di scatto di ogni
immagine possa essere identificato per ogni istante di volo
ricostruendo la sua posizione nello spazio (X1, Y1, Z1), langolo
rispetto al nord. Altro parametro importante allinterno di questa
procedura rappresentato dalle caratteristiche dellottica della
macchina fotografica e dal fattore di scala, che nel caso della
camera installata di 1,23 (ad 1 metro di distanza dal target, la
lunghezza del lato lungo dello scatto di 1,23 m.) La procedura
realizzata per il corretto posizionamento dello scatto su una mappa
di base realizzato mediante una semplice procedura geometrica di
rotazione di un box rettangolare, che rappresenta il perimetro
dello scatto, intorno ad un punto noto, identificato con il
baricentro del rettangolo stesso.
-
47
8.1.1 CARATTERIZZAZIONE GEOMETRICA E TRASLAZIONE
I dati di partenza per la procedura risultano essere i quattro
vertici del rettangolo( espressi in coordinate cartografiche
utm-32N), a partire dai quali si sono calcolate le grandezze atte a
caratterizzare la figura geometrica di riferimento: -le lunghezze
dei lati ( L, l) -le diagonali (D1, D2) -il centro della figura O
(baricentro definito come luogo geometrico di incontro delle
mediane). A partire dal punto O stato effettuata una traslazione di
origine, per rendere il punto O (x0, y0), intorno al quale prevista
la rotazione, centro del nuovo sistema di riferimento.
Inserire qui i nuovi dati, poi calcola automaticamenteCentro
Sistem di riferimento 741052.50281538 5061923.44896623 Traslazione
Origine in OBOX X YA 741007.23451538 5061889.49774118 -45.26830000
-33.95122505B 741097.77111538 5061889.49774118 45.26830000
-33.95122505C 741097.77111538 5061957.40019128 45.26830000
33.95122505D 741007.23451538 5061957.40019128 -45.26830000
33.95122505
8.1.2 ROTAZIONEINTORNO AL PUNTO O
Ipotizzando che la direzione del Nord coincida con un angolo di
0, si desumono dai parametri del log di volo langolo di
orientamento del quadrirotore, (ovvero angolo di presa della
macchina rispetto al nord), che costituir lentit della rotazione da
applicare al box di riferimento affinch lo scatto sia correttamente
posizionato sulla mappa I dati di partenza per tale procedura sono:
-le coordinate dei vertici nel sistema di riferimento con origine
in O
-langolo di rotazione applicare assumendo positiva una rotazione
in senso antiorario.
Le formule applicate risultano essere le seguenti:
Le figure di seguito illustrano lo spirito della procedura:
-
48
Figura 50 - Posizionamento dello scatto assumendo come
riferimento il centro dell'immagine
Figura 51 - Procedura di rotazione: In verde la configurazione
corrispondente ad un angolo di rotazione nullo, cio al solo
posizionamento del box nel centro O; il box blu rappresenta la
configurazione successiva alla rotazione dellangolo desunto dai
parametri dellinerziale del quadrirotore per giungere al
corretto georiferimento e posizionamento dellimmagine.
Di seguito alcuni esempi di rotazione dei box di riferimento
peril posizionamento delle immagini. La combinazione tra hardware
(rappresentato dalla culla stabilizzata) e software (che analizza
gli assetti al momento dello scatto e la quota) permette di
effettuare una georeferenziazione automatica in tempi rapidi degli
scatti nadirali realizzati. Al rientro a terra del multi rotore gli
scatti realizzati vengono processati congiuntamente alla traccia di
volo e ai parametri di assetto, ottenendo in uscita dei file
immagine in formato *.jpg con associato il relativo file di
georeferenziazione *.jpw.
-
49
1-angolo 0 I due box: il rosso quello di partenza e il blu
quello rotato, coincidono
grad radAngolo 0 0
cos 1sen 0
5061880.00000000
5061890.00000000
5061900.00000000
5061910.00000000
5061920.00000000
5061930.00000000
5061940.00000000
5061950.00000000
5061960.00000000
5061970.00000000
741000.00000000741010.00000000741020.00000000741030.00000000741040.00000000741050.00000000741060.00000000741070.00000000741080.00000000741090.00000000741100.00000000741110.00000000
Box0
O
Y
X
Box2
2-angolo 90: stata imposta una rotazione di 90 positiva, quindi
in senso antiorario
grad radAngolo 90 1.570796327
cos 6.12574E-17sen 1
5061870.00000000
5061880.00000000
5061890.00000000
5061900.00000000
5061910.00000000
5061920.00000000
5061930.00000000
5061940.00000000
5061950.00000000
5061960.00000000
5061970.00000000
5061980.00000000741000.00000000
741010.00000000
741020.00000000
741030.00000000
741040.00000000
741050.00000000
741060.00000000
741070.00000000
741080.00000000
741090.00000000
741100.00000000
741110.00000000
Box0
O
Y
X
Box2
3-angolo 30 E stata imposta una rotazione di 30 in senso
antiorario, quindi positiva.
grad radAngolo 30 0.523598776
cos 0.866025404sen 0.5
-
50
5061860.00000000
5061880.00000000
5061900.00000000
5061920.00000000
5061940.00000000
5061960.00000000
5061980.00000000
5062000.00000000
740980.00000000
741000.00000000
741020.00000000
741040.00000000
741060.00000000
741080.00000000
741100.00000000
741120.00000000
Box0
O
Y
X
Box2
La procedura testata nellarea di cava ha fornito risultati molto
soddisfacenti, da prima vengono realizzati i bounding box di ogni
singola immagine e successivamente creati i file di
georeferenziazione di ogni singolo scatto in formato *.jgw (Jpeg
world file). Come output sono stati creati anche i file in formato
kml/kmz visualizzabili su Google Earth.
-
51
8.2 SOFTWARE RAPID MAPPING
L'applicazione RapidMapping stata sviluppata con il linguaggio
Java ed utilizza alcune librerie esterne, tra cui Geotools
(http://www.geotools.org/), per l'elaborazione delle immagini, dei
file di header delle stesse e per la creazione al volo di file
*.shp. L'applicazione costituita da due moduli principali BBOX e
FlyPlan.
Figura 52 - Schema di funzionamento della procedura automatica
di georeferenziazione.
Il modulo BBOX, abbreviazione di Bounding Box, nato allo scopo
di georeferenziare in modo speditivo e con il supporto minimo di un
operatore le immagini acquisite dal multirotore. Il supporto
dell'operatore consiste nel copiare allinterno della cartella gpx
il file della traccia di volo, con estensione *.gpx, e avviare la
procedura da terminale. Gli output prodotti dalla procedura saranno
presenti nella cartella out che conterr per ogni immagine
georeferenziata alcune elaborazioni intermedie utili nella fase di
analisi e per la verifica della procedura, alcuni dei file
contenuti nella cartella out sono visualizzabili con un software
GIS:
1. Shape file con la traccia di volo in WGS84( files con
prefisso gpx4326) 2. Shape file con la traccia di volo in UTM32(
files con prefisso gpx32632) 3. Shape file con il centroide dello
scatto in UTM32 (file con prefisso bbox32632_centroid) 4. Impronta
a terra dello scatto (filecon prefisso file con prefisso bbox32632)
5. Immageine georeferenziata che riporta il medesimo nome del file
di input, l'immagine per essere
georeferenziata ha bisogno del file jpjw presente con lo stesso
nome nella medesima cartella.
-
52
Figura 53 - Realizzaizone dei BoundingBox
Figura 54 - Visualizzazione di tutti gli scatti elaborati dalla
procedura e georiferiti.
Il modulo FlyPlan serve per costruire piani di volo in modo
automatico, l'operatore disegna con uno strumento GIS, attualmente
con il sistema di riferimento UTM32, la traccia con l'area da
coprire durante il rilievo e salvare tale file in formato *.shp
nella cartella flyPlan dell'applicazione.
-
53
Figura 55 - Buffer dell'area di interesse
Prima di lanciare la procedura da terminale bisogna impostare la
variabile mode=-f nel file config.ini contenuto all'interno della
cartella config dell'applicazione. Una volta lanciata
l'applicazione da terminale produrr i suoi output all'interno della
cartella out/flyPlan, tra gli output prodotti alcuni sono
visualizzabili con un software GIS:
1. Shape file con il tracciato di input in UTM32(files con
prefisso flyPlan32632) 2. Shape file con le impronte a terra degli
scatti nel caso di passaggio dal basso all'alto UTM32( files con
prefisso
mosaic_bottom_top_polygon32632) 3. Shape file con i centroidi
delle impronte a terra degli scatti nel caso di passaggio dal basso
all'alto UTM32(
files con prefisso mosaic_bottom_top_point32632)
Figura 56 - Piano di volo
4. Shape file con le impronte a terra degli scatti nel caso di
passaggio da sinistra a destra in UTM32( files con prefisso
mosaic_left_right_polygon32632)
5. Shape file con i centroidi delle impronte a terra degli
scatti nel caso di passaggio da sinistra a destra in UTM32( files
con prefisso mosaic_left_right_point32632)
-
54
-
55
9 PIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER LE APPLICAZIONI DI
PROTEZIONE CIVILE - Lattivit al Terex 2010 -.
Lattivit svolta allinterno dellesercitazione Terex che si tenuta
in Toscana nei giorni dal 23 al 28 Novembre 2010 volta ad
analizzare le potenzialit e le tecniche di impiego di questa
piattaforma innovativa relative allo streaming video, al rapid
mapping e applicazioni di fotogrammetria. Per lattivit svolta al
Terex stato impiegato uno dei tre quadrirotori basati su kit
mikrokopter di propriet IUAV, impiegando software messi a
disposizione dalla stessa mikrokopter integrati con software e
procedure di trattamento immagini sviluppati da Unisky s.r.l. (spin
off delluniversit IUAV di Venezia) ad hoc. La serie dei processi ha
composto una filiera che va dallacquisizione dei dati fino alla
condivisione sulla piattaforma geoSDI.
9.1 Terex 2010
Terex lacronimo di Tuscany Earthquake Relief Exercise, la pi
grande esercitazione di Protezione civile mai effettuata in Italia,
che per tre giorni ha interessato le province di Lucca, Massa
Carrara, Pistoia e Pisa. Organizzata in Toscana dal 23 al 28
novembre ha visto coinvolti oltre 1.800 volontari con pi di 300
mezzi di soccorso e la partecipazione di numerosissime associazioni
del volontariato, dei Vigili del fuoco, di militari, forze
dell'ordine, Prefetture, Province, Comuni e altre istituzioni,
oltre ai gestori dei servizi di prima necessit, i concessionari
delle reti viaria e ferroviaria, le squadre di aiuti da Federazione
Russa, Francia, Austria, Slovenia e Croazia e numerosi osservatori
da ogni parte del mondo.
Il quadrirotore I-UAV 2, la procedura Rapid Mapping e il nodo
mobile di geoSDI sono stati impiegati in tre occasioni compreso uno
scenario operativo. Le attivit svolte sono state essenzialmente le
seguenti: - Sorvolo a vista con trasmissione a terra su appositi
occhiali visualizzatori di un flusso video ripreso da videocamera a
bordo del multi rotore, conversione del flusso video analogico in
digitale e streaming video. - Scatto di immagini nadirali nel campo
del visibile di tre aree di interesse.
-
56
- Georeferenziazione automatica degli scatti. Le zone di impiego
del quadrirotore sono state: Gioved 25 Novembre - DI.COMA.C
(Direzione di Comando e Controllo. ) Viareggio Cittadella del
Carnevale
Figura 57 - Copertura aerea del Dicomac (quota di scatto 160
mt.)
Figura 58 - Georeferenziazione manuale e condivisione su
geoserver -> geoSDI.
Venerd 26 novembre - ELIPORTO Castelnuovo Garfagnagna Eliporto
soccorso alpino e speleologico Sono stati realizzati
complessivamente 3 voli, due con ripresa fotografica e uno con
trasmissione del flusso video a terra. I voli sono stati impiegati
sia nella procedura automatica (immagine A) che nella mosaiacatura
e georeferenziazione manuale (immagine B).
-
57
Figura 59 - Immagine A mosaicatura manuale
Figura 60 - Immagine B georeferenziazione automatico
I dati sono stati caricati su ftp e resi disponibili sulla
piattaforma geoSDI, utilizzando il furgone base a terra messo a
disposizione da CNR:
-
58
Figura 61 - GEoreferenziazione automatica "Rapid Mapping"
Venerd 26 novembre - SCENARIO CROLLO EDIFICIO SCOLASTICO FORNACI
DI BARGA Abbattimento di un edificio scolastico con speciali
cariche esplosive. Sotto le macerie erano presenti operatori che
simulavano i superstiti da ricercare e recuperare.
-
59
Figura 62 - Mosaicatura manuale
Prima
Dopo Figura 63 - Georeferenziazione automatica
9.2 Trasmissione flusso video
Sfruttando la tecnica di volo FPV (First Person View) possibile
inviare a terra il flusso video (anche in alta risoluzione) e la
traccia di volo. Questa tecnica stata impiegata in notturna
realizzando un volo presso il DiComaC di cui viene riportato un
fotogramma successivamente e il flusso video stato impiegato anche
alleliporto.
-
60
Figura 64 - fotogramma del video realizzato al Dicomac
La piattaforma e tutta la procedura sono state intensamente
testate durante i due giorni di presenza del gruppo al Terex 2010.
Tutta lattivit realizzata ha mostrato lelevata affidabilit
raggiunta dal velivolo che ha volato complessivamente per 10 voli
con durata variabile dai 3 ai 9 minuti del video realizzato in
notturno al Dicomac. Le condizioni climatiche sono state
impegnative, alcuni voli (come il video e i voli del gioved nel
tardo pomeriggio) sono stati realizzati con vento sostenuto e con
una leggera pioggia; i voli realizzati alleliporto e presso
ledificio crollato sono stati effettuati con temperature molto
basse (vicine allo 0 se non sotto). Gli scatti realizzati sono
risultati di ottima qualit, nonostante la necessaria cernita ed
eliminazione di quelli mossi. La realizzazione di scatti mossi o
scuri da imputarsi alla difficolt di messa a fuoco manuale, alla
presenza di luce (soprattutto nel volo presso ledificio crollato).
Il software appositamente sviluppato per realizzare la procedura di
Rapid Mapping ha prodotto risultati soddisfacenti come si pu
verificare nelle immagini precedentemente mostrate, i bug o le
imperfezioni che sono emerse sono un ottimo spunto per continuare a
migliorare il prodotto e la procedura. Per quanto riguarda la
procedura, tutta la filiera stata messa sotto stress e, come accade
spesso in condizioni di emergenza, si sono evidenziate dei nodi da
sciogliere che necessit maggiore attenzione. Tutta la procedura ha
comunque prodotto degli strati informativi condivisi sulla
piattaforma web geoSDI in tempi molto brevi (nellordine della
decina di minuti) che sono sicuramente definibili come strati
preziosi in caso di emergenza con una ottima risoluzione di scatto
e un corretto posizionamento geografico se pur con un errore
talvolta plurimetrico. Complessivamente lattivit svolta stata molto
soddisfacente e il punto di vista dallalto, sia con il flusso video
che con scatti nadirali, rappresenta un luogo privilegiato in
condizioni di emergenza. La procedura, complessiva di piattaforma,
stata realizzata con esigui fondi di ricerca messi a disposizione
dallUniversit IUAV di Venezia e dal suo spin-off Unisky s.r.l, i
risultati ottenuti sono uno stimolo e un punto di partenza per
ottenere nuovi fondi magari per risolvere i problemi evidenziati e
ottimizzare tutta la procedura/filiera.
10 BIBLIOGRAFIA
LIN Zongjian, UAV for Mapping-Low Altitude Photogrammetric
Survey ISPRS Congress Beijing 2008, Proceedings of Commission
Ip.1183 ff.
-
61
Nebiker S., Annen A., Scherrer M., Oesch D. (2008) A
Light-Weight Multispectral Sensor for Micro UAV - Opportunities for
Very High Resolution Airborne Remote Sensing ISPRS Congress Beijing
2008, Proceedings of Commission I p.1193 ff.
11 SITOGRAFIA
Meteotek08: Sonda meteorolgica dels tecnlegs de l'IES Bisbal -
http://teslabs.com/meteotek08/ www.uav.it - http://www.uav.it/
Rolex Awards for Enterprise -
http://rolexawards.com/en/the-laureates/andrewmcgonigle-the-project.jsp
Zenit Srl - Microdrones -
http://www.zenit-sa.com/index.php?lingua=1&nav=8 Quadcopter -
http://www.quadcopter.org/index.php5/Quadcopter_Home Ascending
Technologies GmbH -
http://www.asctec.de/main/index.php?id=97&lang=en&cat=pro
MikroKopter - https://www.mikrocontroller.com/ OpenQuadrotor.org -
http://openquadrotor.org/system_description.html Drone Pixy -
http://www.vision-du-ciel.com/drone.html Microdrones GmbH -
http://www.microdrones.com/en_mydrone.php V-TOL Aerospace -
http://www.v-tol.com/iproducts/uas.html Sensori ADC Air Lite -
http://stores.homestead.com/TetracamStore/Detail.bok?no=20 IR
Products - http://www.maxmax.com/aIRProducts.htm CropCam - A New
Altitude in Agriculture - http://cropcam.com/ ARVAtec srl -
http://www.arvatec.it/new/ Sensori -
http://www.robot-italy.com/index.php?cPath=15 Formati e standard
The GPX format -
http://www.rigacci.org/wiki/doku.php/tecnica/gps_cartografia_gis/gpx
-
62
12 APPENDICE
12.1 Pubblicazioni Convegni - Seminari
Nel giugno 2009 stato organizzato e introdotto un seminario su i
dispositivi UAV, seminario tenuto dal Dott. Geol. Mario Pizzolon.
Durante il seminario stata effettuata una breve storia introduttiva
dei velivoli UAV e sono state affrontate le potenzialit di impiego
dei dispositivi Micro-UAV per il monitoraggio del rischio
idrogeologico. A termine del seminario stata ipotizzata un nuovo
ramo di ricerca concentrato solo sui quadrirotori.
12.1.1 Convegni:
IL VOLO A BASSA QUOTA per la conoscenza del territorio - Chies
dAlpago il
26 giugno 2010. Chies dAlpago (BL)
Intervento: Lutilizzazione di multirotori per il trasporto in
quota di sensori ambientali. - Niccol Iandelli (IUAV Venezia)
Intervento: "Monitoraggio delle citt, del territorio e
dell'ambiente con droni, reti di sensori, MMS e laser scanner"
N.Iandelli, M.Pizzolon, A.Ragnoli, N.Bucceri, C.Belli, .
Museo Civico di Rovereto, 10 dicembre 2010
VII WORKSHOP IN GEOFISICA
Geofisica e microgeofisica: strumenti per l'approccio e la
risoluzione di problematiche non standard
Intervento: "Quadrirotori: un metodo innovativo per l'indagine
non a contatto del territorio" - M. Pizzolon, N. Iandelli,
UNINGEO snc Padova e IUAV-UNISKY Venezia.
-
63
12.1.2 Pubblicazioni:
Giornale IUAV n87 - 2010:
Rapid Mapping con limpiego dei sistemi Micro-Uav. Primi passi
verso la georeferenziazione automatica degli scatti nadirali
N.Iandelli, I.Boscolo, A.Marchiori.
Le micro piattaforme per il rilevamento ambientale, le reti di
sensori
WSN e i sensori wereable N.Iandelli.
Micro Unmanned Aerial Vehicle : Micro UAV N.Iandelli, M.
Pizzolon.
Il progetto Quadrirotori N.Iandelli, M.Pizzolon, Stefano
Picchio, Andrea Marchiori, Ivano Boscolo.
12.2 Materiali
Tutti i documenti, presentazioni, immagini e software realizzati
sono stati raccolti su un HD.
INTRODUZIONEOBIETTIVI DEL PROGETTOPANORAMICA DELLE TECNOLOGIE
DISPONIBILIMikrodrones GmbHAscending technologiesDragan
flyMikrkokopterIL METODO DI VOLOVolo stazionario HoveringVolo
avanzanteVolo lateraleImbardataMODALIT DI PILOTAGGIOVolo a
vistaVolo FPV (First Person View, volo in prima persona)Volo
autonomoLA PIATTAFORMA ADOTTATAIl Sistema MKMikrokopter
ToolSENSORISTICA DEDICATAMultispettrale TETRACAM ADC liteMacchine
fotografiche con cullaLaser scannerLink video Robust Aerial
Navigation GPS DeniedRICERCA EFFETTUATATest 1: Verifica del
voloTest 2: Registrazione della traccia di voloTest 3: Volo
automaticoTest 4: Scatti e impostazioni della fotocameraTest 5:
Test di rilievo di area estesaTest 6: Stereo coppia e restituzione
3DCONCLUSIONI E ANALISI CRITICA DEI RISULTATI OTTENUTIRapid Mapping
georeferenziazione automaticaCARATTERIZZAZIONE GEOMETRICA E
TRASLAZIONEROTAZIONEINTORNO AL PUNTO O
SOFTWARE RAPID MAPPINGPIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA
PER LE APPLICAZIONI DI PROTEZIONE CIVILE - Lattivit al Terex 2010
-.Terex 2010Trasmissione flusso
videoBIBLIOGRAFIASITOGRAFIAAPPENDICEPubblicazioni Convegni -
SeminariConvegni:Pubblicazioni:
Materiali