Attività di ricerca congiunta sulle tecnologie UAV/RPAS all Università di Udine

Transcript

1 Attività di ricerca congiunta sulle tecnologie UAV/RPAS all Università di Udine D. Zorzetto (Airmap,Trieste) A.Fusiello, A. Beinat, F. Crosilla (Università di Udine) R.Toldo (3DFlow, Udine/Verona) S. Orlando (GIS Independent Developer/Consultant, Udine) Piattaforme, regolamenti, applicazioni, problematiche

2 PARTNER DI PROGETTO Airmap è system integrator nel settore degli Unmanned Aerial System (UAS) APR (Aeromobili a Pilotaggio Remoto). E stata fondata nel 2013 e fornisce soluzioni e servizi all avanguardia per applicazioni di telerilevamento e di aerofotogrammetria. CARTESIO Centro di Ricerca in Cartografia, Telerilevamento e Sistemi Informativi Territoriali DIEGM Dipartimento di Ingegneria Elettronica Gestionale Meccanica DICA Dipartimento di Ingegneria Civile ed Architettura 3Dflow è un'azienda che produce software e servizi nel campo della visione artificiale ed elaborazione delle immagini. È stata fondata nel 2011 come spin-off dell'università di Verona e dell'università di Udine dal Dflow fornisce soluzioni all'avanguardia nel campo della modellazione 3D da immagini, elaborazione di dati 3D e manipolazione di video 3D.

3 Team multidisciplinare di ricercatori e professionisti con specifiche competenze nel settore degli Unmanned Aerial Systems (UAS). Il team multidisciplinare è composto da ingegneri elettronici ingegneri aeronanutici piloti di Droni esperti in fotogrammetria, computer vision, telerilevamento sviluppatori di software per applicazioni geomatiche

4 SETTORI DI RIFERIMENTO ED APPLICAZIONI Le soluzioni offerte dai sistemi UAS sono utili a molteplici settori e contesti, tra i quali: Analisi e controllo dello stato degli edifici Protezione civile Analisi e controllo dello stato delle infrastrutture Sicurezza Analisi e controllo del territorio Aerofotogrammetria Termografia Archeologia Pubblicità...

5 REGOLAMENTO ENAC In evidenza il limite di quota operativa per utilizzo professionale Quota massima = 70m Classificazione delle attività in due categorie: Operazioni di Volo Critiche Operazioni di Volo non Critiche Si rimanda al regolamento ENAC le disposizioni previste per il settore all interno del territorio italiano.

6 Quota operativa UAS PER USO CIVILE L interesse per i droni civili è oggi crescente a livello globale. Si stima che vi siano 32 Paesi impegnati in programmi di sviluppo e di perfezionamento della tecnologia, mentre 43 Paesi siano effettivi utilizzatori di velivoli UAV. Al gruppo degli UAV appartengono diverse tipologie di velivoli, ognuno con specificità operative: Aerei Elicotteri Dirigibili Multirotori

7 PREVISIONI SEGMENTAZIONE DI MERCATO UAV NEL MONDO Previsione applicazioni UAV * nel mondo Applicazioni Tecniche *Fonte: Frost & Sullivan

8 I Droni a pilotaggio remoto o autonomo, specificatamente costruiti per applicazioni fotogrammetriche e per il telerilevamento possono essere di vario tipo. Attualmente le principali categorie si suddividono in ELICOTTERI MULTIROTORI ALA FISSA

9 DRONI MULTIROTORI (elettrici) PRINCIPALI VANTAGGI rispetto ai tradizionali mezzi (elicotteri ed aerei con pilota a bordo) minori costi di intervento possibilità di rimanere in hovering anche molto vicino all'oggetto della ripresa possibilità di fare riprese in luoghi altrimenti non accessibili riprese a bassa quota silenziosità facilità di trasporto velocità di impiego

10 ARCHITETTURA DEI MULTIROTORI FLIGHT CONTROL: sistema che gestisce l alimentazione, i motori, le comunicazioni, la navigazione e le anomalie integrando tutti i dati provenienti dai sottosistemi installati a bordo. Motore 1 Motore 2 IMU: unità di misurazione inerziale. La strumentazione è composta da 3 accelerometri e 3 giroscopi. GPS & BUSSOLA: posizionamento geografico Regolatore Regolatore REGOLATORI (ESC): Electronic Speed Controller per la gestione dei motori MOTORI: Il motore brushless è un motore elettrico ad eccitazione indipendente. La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti avviene elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica. Regolatore Flight Control Regolatore Motore 4 Motore 3

11 CARATTERISTICHE BASE DEI DRONI MULTIROTORE INTEGRATI NEL UAS Altamente customizzabili Elettronica di controllo altamente affidabile, dati di assetto disponibili Dimensionamento per Payload 300g, 600g, 1.5Kg, 3 Kg e su progetto Durata di volo massima (payload 300g) = 20 min Stabilizzazione del sensore con GIMBAL (2D/3D) Payload 300g Payload 600g Payload 3Kg Propulsione elettrica ( Motori Brushless) Struttura in carbonio ottimizzati con sistema anti vibrazione elettronica configurabile secondo esigenze supporto sensori progettati su specifica del cliente

12 SENSORI DISPONIBILI A BORDO DRONE Integrati nel UAS NEL VISIBILE CAMERE FOTOGRAFICHE TERMICI MULTISPETTRALI (Agricoltura di precisione, calcolo indice NDVI) Radiazione VISIBILE Radiazione Termica 7.5um 13um Radiazione R, G, NIR (520nm-920nm)

13 GESTIONE ATTIVITA DI VOLO

14 ARCHITETTURA DEL SISTEMA UAS SVILUPPATO GIS Geographic Information System PIANIFICAZIONE ACQUISIZIONE ELABORAZIONE ORTOFOTO DEM NUVOLE DI PUNTI APPLICAZIONI FINALI Altri GIS Software per applicazioni Geomatiche

15 CASO DI STUDIO Polo Scientifico dell Università di Udine in via della Scienza MAGGIO 2013 AREA DI ACQUISIZIONE Presso il Polo Scientico dell Università di Udine Area della struttura principale= 2600 mq

16 PIANIFICAZIONE DATI DI INPUT Luogo di acquisizione DEFINITO Banda spettrale = VISIBILE Risoluzione terra maggiore di (GSD )= 5cm Scala della mappa = libera SENSORE OTTICO CANON POWER SHOT S100 da 12 Mpixel CMOS (1/1.7 ) 12,1 megapixel DIMENSIONE SENSORE = 7,53 x 5.64 mm DIMENSIONE PIXEL = 1.87 um PESO LORDO = 198 g CALIBRAZIONE INTERNA DISPONIBILE = SI FOGLIO DI CALCOLO A SUPPORTO PER LA SCELTA DEL SENSORE SCELTA DRONE Payload = 300 g GIMBAL = NO Dati di assetto = DISPONIBILI GPS = singola Frequenza Tempo di Volo = 15 min

17 FINE PIANIFICAZIONE PRONTO AL VOLO PIANO DI VOLO DISPONIBILE E CARICATO A BORDO DRONE PREVISIONE COPERTURA IMMAGINI DIREZIONE DI VOLO DEL DRONE

18 PIANIFICAZIONE SVILUPPI BLUR: ovvero mosso. Il tool permette di verificare l entità dell effetto di trascinamento in funzione dei parametri di VOLO & FOTOCAMERA CALCOLO AREA DI BUFFER PREVISTA DA REGOLAMENTO ENAC L AREA DI BUFFER DIPENDERA DA NUMEROSI FATTORI, ANCHE DAL TIPO DI DRONE, IL TOOL SI PRESTA ALLA SIMULAZIONE

19 ACQUISIZIONE PIANO DI ACQUISIZIONE Condizioni Metereologiche LOCALITA DATA TMEDIA C UMIDITA % VISIBILITA km VENTOMAX km/h PRESSIONESLM mb PIOGGIA mm Udine 09/05/ IMMAGINI ACQUISITE ORIENTAMENTO ESTERNO MISURATO PER OGNI IMMAGINE GSD: 2.81 cm Lat,Long, yaw,pitch,roll

20 ACQUISIZIONE Il rilievo della rete dei GCP - GCP identificati dopo il volo (post mission) dalle immagini acquisite dal drone; - Rilievo dei GCP mediante posizionamento GPS L1+L2 stop&go in post-elaborazione rispetto a master locale; - Inquadramento dei GCP nel sistema UTM-F33/ETRS89 mediante collegamento del master locale alle CORS della rete FReDNet dell OGS tramite sessione GPS statica; - Post-elaborazione adottata per consentire maggior controllo di qualità della soluzione ( +/- 1 cm rms); - In produzione, NRTK costituisce la tecnica elettiva. Rilevati 24 GCP Precisione: +/- 1 cm rms Distribuzione GCP Area di Test

21 ELABORAZIONE POSIZIONE DELLE PRESE RICOSTRUZIONE 3D 27 IMMAGINI Tie-points: AREA = sq km

22 ELABORAZIONE DETTAGLIO MESH DI RICOSTRUZIONE

23 ELABORAZIONE RICOSTRUZIONE A RICOSTRUZIONE B 27 IMMAGINI 27 IMMAGINI ORIENTAMENTO MODELLO CON GCP DI ALTA PRECISIONE ORIENTAMENTO MODELLO CON DATI GPS MISURATI A BORDO DRONE (ASSETTO CAMERE NON VINCOLATO) GENERAZIONE ORTOFOTO DA GCP DI RIFERIMENTO GENERAZIONE ORTOFOTO DA GEOREFERENZIAZIONE DIRETTA Stima dell errore di posizionamento

24 Residuo (m) ELABORAZIONE GENERAZIONE ORTOFOTO UTILIZZATI 18 GCP STIMA ERRORE DIRETTAMENTE IN AMBIENTE 3D Stima errore di ricostruzione 19 cm In E,N,H Mean Variance RESIDUO vettore(e,n,h) Rispetto GCP 1.94E E-02 GCP

25 Residuo (m) ELABORAZIONE GENERAZIONE ORTOFOTO MISURE GPS A BORDO DRONE STIMA ERRORE DIRETTAMENTE IN AMBIENTE 3D 2.61 metri In E,N,H Mean Variance RESIDUO vettore(e,n,h) Rispetto GCP 2.61E E-01 GCP

26 OTTIMIZZAZIONE PER CONTENERE IL RESIDUO FINALE E PER AUMENTARE LA PRODUTTIVITA DEL SISTEMA E RIDURRE I COSTI, COMPATIBILMENTE CON LA QUALITA DEL PRODOTTO, E POSSIBILE EVITARE DI RILEVARE I GCP A PARITA DI CONDIZIONI POSSIAMO MIGLIORARE IL POSIZIONAMENTO GPS UTILIZZO DELLA CORREZIONE DIFFERENZIALE DGPS ELETTRONICA DISPONIBILE A BORDO DRONE (in tempo reale) la sperimentazione sul posto è rimandata per i vincoli del regolamento ENAC MA ABBIAMO GLI STRUMENTI PER SIMULARNE L EFFETTO SIMULAZIONE RUMORE UNIFORME DI AMPIEZZA 1m RISPETTO ALL POSIZIONE GPS STIMATA DALLA RICOSTRUZIONE SUI GCP de,dn,dh 1 m DGPS GPS da GCP

27 Residuo (m) ELABORAZIONE GENERAZIONE ORTOFOTO MISURE GPS A BORDO DRONE CON correzione differenziale DGPS *simulata STIMA ERRORE DIRETTAMENTE IN AMBIENTE 3D metri In E,N,H Mean Variance RESIDUO vettore(e,n,h) Rispetto GCP 5.78E E-01 GCP

28 ELABORAZIONE - VERIFICA OEM5 GPS AM5 DGPS GCP5

29 CONCLUSIONI LA COLLABORAZIONE HA PRODOTTO LA MESSA A PUNTO DI UN PROCESSO UAS COMPLETO PER APPLICAZIONI FOTOGRAMMETRICHE UNO STRUMENTO PER PIANIFICARE L ATTIVITA DI VOLO CON SUPPORTO CARTOGRAFICO LA CALIBRAZIONE DEL SOFTWARE DI RICOSTRUZIONE 3D A FINI AEROFOTOGRAMMETRICI ED INOLTRE UTILIZZANDO IL SOFTWARE DI RICOSTRUZIONE COME UN SIMULATORE SIAMO IN GRADO DI PREVEDERE L EFFETTO SULLA CARTOGRAFIA DELLA CORREZIONE DIFFERENZIALE IMPLEMENTATA SU DRONE INTEGRAZIONE DEL DGPS NELL ELETTRONICA A BORDO DRONE

30 SVILUPPI FUTURI INTEGRAZIONE NEL PROCESSO UAS DEL REGOLAMENTO ENAC COMPLETA AUTOMAZIONE DEL SOFTWARE DI PIANIFICAZIONE AGGIUNTA DI ULTERIORI TOOLS ED AUTOMATISMI DI CONTROLLO QUALITA MIGLIORAMENTO CONTINUO DELLA PIATTAFORMA DI VOLO

31 Geomatica.Uniud.it www2.diegm.uniud.it/diegm/ dica.uniud.it GRAZIE PER L'ATTENZIONE