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1 ABSTRACT Il Rainerum Robotics, gruppo composto da studenti e docenti dell omonimo Liceo, si occupa da dodici anni di sviluppare progetti avanzati di robotica. Dal 2007 si occupa di robot cooperativi, negli ultimi due anni ha avviato un progetto che prevede uno stormo di robot volanti (droni) coordinati da un intelligenza centrale che possano decollare, navigare e atterrare autonomamente per essere utilizzati da qualsiasi utente per vari tipi di funzioni. Partendo dalla consapevolezza che l uso di droni è sempre più praticato in varie situazioni ci siamo chiesti: Quali caratteristiche dovrebbe avere un sistema esperto per essere utile a qualsiasi utente? Quali potrebbero essere i suoi utilizzi? Quali accorgimenti si possono adottare per renderlo allo stesso tempo versatile e di immediato utilizzo? Come limitare i costi? Come strutture abbiamo tenuto conto dello stato dell arte e, dopo ricerche, consultazioni e test, ci siamo orientati su una piattaforma mossa da quattro elichei nostri due robot volanti sono comandati da una scheda Ardupilot che gestisce la navigazione, dotati di una telecamera per le riprese e l invio di immagini al computer centrale, di un unità accelerometrica, un sistema GPS, un altimetro barometrico e un sensore di distanza per la gestione automatica delle fasi di decollo e atterraggio. Il sistema è gestito da un computer centrale che gestisce i dati e imposta la rotta di ciascun drone. Per modellizzare il coordinamento tra droni abbiamo scelto di studiare il comportamento degli sciami di volatili, con cui il nostro stormo ha in comune il fatto che ai singoli sono demandate operazioni molto semplici coordinate da un intelligenza esterna per l esecuzione di compiti complessi. Abbiamo infine provato a implementare due tra i possibili utilizzi che avevamo ipotizzato oltre al semplice monitoraggio. Il nostro gruppo ha deciso di sviluppare principalmente: la mappatura in 3D di ambienti fornendo un tocco di originalità e innovazione a tutto il programma la ripresa con elaborazione immagini in tempo reale per tracciare i movimenti di più persone o oggetti all interno di un area. Entrambe queste implementazioni hanno trovato un immediata applicazione nell ambito del telerilevamento la prima, in ambito sportivo la seconda. Infatti abbiamo provato a sfruttare la possibilità del volo coordinato per la cattura di immagini stereografiche che una volta elaborate dal computer tramite un software da noi sviluppato permettono la ricostruzione in 3D di oggetti e ambienti. Abbiamo pensato di provarlo all interno di un parco e di un orto botanico per dare la possibilità di visitare virtualmente l ambiente e di progettare percorsi per escursioni. Su sollecitazioni provenienti da ambienti sportivi di alto livello abbiamo provato, inoltre, a sviluppare un software che elabori le riprese effettuate da un drone fermo a una determinata quota e in una posizione fissa onde permettere a un allenatore di visualizzare i movimenti di atleti in campo distinguendo in ogni istante ciascun individuo grazie ai dati provenienti dal modulo gps miniaturizzato di cui sono dotati i singoli. Stanno tuttora profilandosi all orizzonte ulteriori proposte di utilizzo per il monitoraggio di edifici e linee elettriche. 1

2 INDICE 1 INFORMAZIONI GENERALI UN PO DI STORIA: IL RAINERUM ROBOTICS DAL COME È NATO IL PROGETTO JULÈ? LO STATO DELL ARTE CARATTERISTICHE GENERALI DEL PROGETTO JULÈ GRUPPI DI LAVORO FASI DEL LAVORO, SPERIMENTAZIONI E REALIZZAZIONE DEGLI APPARATI PREMESSE E OBIETTIVI DEL LAVORO TEORICO Le premesse del lavoro teorico... 6 L INTERFACCIA USER FRIENDLY LE SCELTE TEORICHE PER LA COLLABORAZIONE TRA ROBOT: INTELLIGENZA DEGLI SCIAMI E MODELLO CENTRALIZZATO STRUTTURA DEI DRONI NAVIGAZIONE APPLICAZIONI D FABIO WORK IN PROGRESS RISULTATI RAGGIUNTI RISULTATI ANCORA DA RAGGIUNGERE CONCLUSIONI GENERALI RINGRAZIAMENTI BIBLIOGRAFIA SITOGRAFIA

3 1 INFORMAZIONI GENERALI 1.1 Un po di storia: il Rainerum Robotics dal La nostra scuola, il Liceo Scientifico Salesiani Rainerum nel 2001 ha stabilito di riorganizzare l orario in modo tale che due ore del monte ore settimanale siano destinate a un laboratorio scientifico che ogni studente è tenuto a scegliere tra cinque proposte. Questi laboratori approfondiscono in maniera sperimentale alcuni aspetti della ricerca scientifica e tecnologica. Uno di questi è di Intelligenza Artificiale. Nel 2002 alcuni studenti e docenti hanno fondato il gruppo Rainerum Robotics che tuttora si occupa di realizzare progetti nell ambito dell Intelligenza Artificiale cercando di inserirvi ogni volta alcuni tratti originali. Il 7 Ottobre 2003 presso l EURAC di Bolzano veniva presentato al pubblico Debobber I, il primo robot di Rainerum Robotics. Negli anni successivi il gruppo cogestito da studenti e docenti si è ampliato, tuttora gli studenti più esperti coordinano i progetti e si occupano di trasmettere le proprie competenze ai giovani appena entrati. Nel 2010 Eu.R.Ex, un sistema di robot per la mappatura di un ambiente che si ispira alle strategie di cooperazione di insetti sociali ha partecipato alla finale del Concorso Giovani Ricercatori Cercansi indetto dall EURAC di Bolzano e alla finale dello European Union Contest for Young Scientists tenutasi a Lisbona. Nel 2012 il gruppo ha partecipato alla finale di Giovani Ricercatori Cercansi con il progetto HuFriend che affrontava l assai attuale problema della comunicazione immediata uomo-robot. Attualmente stiamo utilizzando i risultati raggiunti dai nostri predecessori (e in alcuni casi maestri ), nonchè di altri compagni impegnati su altri progetti in qualche modo connessi, per realizzare uno sciame di robot volanti di facile utilizzo e versatili. Il nome Julè, infatti, in lingua Ladina Gardenese vuol dire volare. 1.2 Come è nato il progetto Julè? Il gruppo Rainerum Robotics è composto da ragazzi che si aggregano spontaneamente e lavorano principalmente al di fuori dell orario scolastico, i ragazzi più esperti presenti nel gruppo da qualche anno trasmettono le proprie competenze ai neoentrati tramite tutoraggio peer to peer e affiancamento durante le sessioni di lavoro. Per questo il gruppo può far tesoro di tutta l esperienza acquisita in 12 anni di progetti. Negli ultimi anni abbiamo osservato un sempre maggiore utilizzo di droni volanti dovuto alla allo sviluppo di piattaforme che permettono anche a utenti non esperti di governare strutture complesse. Abbiamo quindi pensato di coordinare i due filoni degli ultimi progetti Eu.R.Ex e Hufriend per sviluppare un sistema di più droni coordinati di costo contenuto (meno di 3000 complessivi) e soprattutto di immediata fruibilità per qualsiasi tipologia di utente e di elevata versatilità per gli scopi più disparati. Successivamente, cogliendo sollecitazioni e analizzando esigenze manifestate da parte di enti pubblici e privati, abbiamo pensato di testare l implementazione di due possibili utilizzi: la mappatura in 3D di oggetti e ambienti; la ripresa dall alto di situazioni di allenamento e/o partita nel caso di giochi sportivi (calcio, rugby...) potenziata poi da un software da noi sviluppato per permettere il riconoscimento dei singoli atleti e l analisi dei loro movimenti. 3

4 Per la ricostruzione 3D abbiamo realizzato un software originale che consegue dalla scelta adottata a monte di utilizzare 2 telecamere ciascuna posta su un drone. Abbiamo sperimentato il drone su un area boschiva corredata di orto botanico creando la mappa 3D e lavorando sulla possibilità di stimare il numero di piante per unità di area. Per quel che riguarda le riprese sportive abbiamo programmato i droni perchè possano stabilizzarsi in una posizione al di sopra di un campo sportivo, registrare immagini che vengono elaborate dal computer centrale onde permettere l identificazione di ogni atleta e dei suoi movimenti. 1.3 Lo stato dell arte Lo sviluppo di velivoli automatizzati, dei cosiddetti droni, è stato negli ultimi anni motivo di studi e ricerche per diverse facoltà universitarie, dedicate per esempio alla robotica o al controllo di velivoli aerospaziali, ma anche per i centri di ricerca militari. L uso di droni di grandi dimensioni in ambito militare, per il monitoraggio di zone a rischio oppure per lo spionaggio o addirittura per la distruzione di un determinato obbiettivo, è ormai cosa consueta. Negli ultimi anni, però, i centri di ricerca delle milizie di diversi stati si stanno concentrando sullo sviluppo di droni di dimensioni ridotte, come per esempio i multirotori. Questi droni avranno probabilmente il compito di esplorare zone ad alto rischio da una distanza più ravvicinata rispetto a quella permessa dai droni di grandi dimensioni. L uso dei droni nasce dalla necessità di non mettere a repentaglio la vita di uomini ed è attualmente ancora molto criticata e in fase di sviluppo. Probabilmente in un futuro non troppo vicino, quando i sistemi di automazione saranno completamente affidabili, droni di piccole dimensioni potranno essere equipaggiati con armi di diverso tipo. Oltre all ambito militare il futuro dei droni prevede anche un ingente uso in ambito civile. Diversi laboratori di ricerca stanno infatti sviluppando droni per l uso commerciale e civile; l uso di droni sta diventando sempre più ingente in diversi ambiti. Vengono in questi anni prodotti esacotteri e octocotteri abbastanza stabili e con un carico utile sufficente da permettere un sicuro trasporto di grandi videocamere usate per le riprese aeree di film, spot pubblicitari, ecc. Molti di questi non sono però veri e propri droni, dato che nella maggior parte dei casi vengono controllati a distanza con il First Person View (FPV). L FPV è una tecnologia che permette al pilota, indossando degli occhiali con uno schermo al loro interno, di immedesimarsi pienamente nel volo di un multirotore e così guidarlo dalla distanza. Vengono, in questo momento, investite ingenti somme in queste nuove tecnologie, il cui uso civile è ormai dietro l angolo. Anche grosse compagnie hanno come campo di indagine progetti in questo Figura 1: Drone di Dubai ambito, come ad esempio la petrolifera Conoco Phillips, che vorrebbe impiegare i droni per il monitoraggio degli spostamenti delle masse glaciali e contemporaneamente dei mammiferi marini dell Artico. Un altro esempio di droni usati per il monitoraggio viene dal medio-oriente, dove i vigili del fuoco di Dubai hanno acquistato dei quadricotteri che dovranno essere usati per sorvegliare zone ad alto rischio di incendi e, all occorrenza, dare supporto aereo e scattare foto. La maggior parte dei droni al momento in circolazione viene infatti usata per il monitoraggio in caso di catastrofi naturali. Il monitoraggio di zone urbane è al momento ancora in fase di stallo, dato che non esistono ancora norme Figura 2: Droni GRASP ad hoc e l uso di questi apparecchi ai fini di sorveglianza sui cittadini è oggetto di forti moniti. Vengono al momento progettati dei droni-postini che, usati da grandi 4

5 aziende come Amazon e UPS, avranno il compito di recapitare merce in tempi molto brevi; anche questa tecnologia è però ancora in fase di sperimentazione e in attesa di sviluppi legislativi e logistici. Il Massachussets Institute of Technology sta sviluppando un sistema che prevede la guida per il campus universitario da parte di un drone che reagisce a comandi di destinazioni inviate da un applicazione per smartphone. Il GRASP Laboratory dell Università della Pennsylvania ha recentemente pubblicato un video e la relativa documentazione riguardante uno stormo di 20 quadricotteri che, perfettamente sincronizzati, riescono a compiere movimenti molto difficili in un ambiente chiuso grazie all uso combinato di diverse telecamere e sensori posizionati sui muri della stanza. I moduli e le schede usati per l automazione dei droni sono al momento ancora poco affidabili e possono essere spesso soggette a interferenze e malfunzionamenti. L uso dei droni in ambito civile è perciò ancora in fase di sviluppo. 1.4 Caratteristiche generali del progetto Julè Riprendendo quanto già anticipato, il progetto prevedeva le seguenti caratteristiche: Cooperazione tra robot Interfaccia che permetta un rapido accesso ai dati e la gestione del sistema anche da parte di utenti non esperti nel pilotaggio di droni o nella gestione dati. Estrema flessibilità per cui si possono adattare droni e interfaccia a un elevata molteplicità di utilizzi, dal monitoraggio ambientale, alle riprese cinematografiche, alla ricostruzione 3D, al rilevamento termografico su edifici ecc... Costi contenuti, infatti avevamo un budget iniziale di 2000 a cui la scuola ha aggiunto altri 1000 per cui abbiamo acquistato i componenti cercando di ottenere il miglior rapporto qualità/prezzo per realizzare i 2 droni. Autoproduzione, si correla al punto precedente, oltre al desiderio di fornire un tocco di originalità all intero progetto, per cui le strutture sono state progettate e assemblate dai ragazzi. 2 GRUPPI DI LAVORO Partendo da ricerche effettuate da tutto il gruppo RR, noi cinque abbiamo perseguito gli obbiettivi introdotti in precedenza e per ottimizzare il lavoro ci siamo suddivisi in sottogruppi: Fabio si è occupato di coordinare il progetto tenendone sotto controllo tutti gli aspetti e ha realizzato il software per la ricostruzione in 3D, quelli per la comunicazione tra computer centrale e droni e quello per l analisi delle riprese sportive. Robin, Luca e Davide hanno progettato e assemblato i droni e si sono occupati del funzionamento sia delle componenti meccaniche che elettroniche. Gianmarco ha sviluppato l interfaccia per la gestione del sistema e visualizzazione dati e immagini da parte dell utente. Collaboratori Per realizzare questo progetto ci siamo basati anche su risultati raggiunti da nostri compagni di Rainerum Robotics, molti dei quali ci hanno a volte dato una mano per lavori che necessitavano della presenza di più persone. Sarebbe ingiusto, quindi, non nominarli: 1. Dajt di IIIB e Francesco di IIIA per averci aiutato nella realizzazione dell interfaccia. 2. Matteo di VA per aver aiutato Robin nel montaggio del video di presentazione. 5

6 3 FASI DEL LAVORO, SPERIMENTAZIONI E REALIZZAZIONE DEGLI APPARATI 3.1 Premesse e obiettivi del lavoro teorico Le premesse del lavoro teorico Il progetto nasce con l intento di mettere al servizio di un maggior numero di utenti possibile un sistema di robot collaborativi fruibili dall utente in maniera immediata. Per questo si è unito il concetto di User Friendly con uno dei possibili modelli di cooperazione tra macchine automatiche già affrontato in precedenza dal nostro gruppo. Già con Eu.R.Ex era stato studiato il comportamento degli animali eusociali per trarne ispirazione nell implementare la collaborazione tra robot, questa volta abbiamo sfruttato il lavoro svolto in un laboratorio di informatica in cui abbiamo studiato i movimenti degli stormi di uccelli e la possibilità di simularne il comportamento al calcolatore. L interfaccia user friendly L'interfaccia è stata completamente realizzata utilizzando il programma Qt Creator (versione 5.2.0). Qt è sviluppato dall'azienda norvegese Trolltech, dispone di una grande portabilità infatti è disponibile su molte piatteforme tra cui: Windows, OS e Linux. Qt è sia una libreria di classi C++, sia un insieme di strumenti per lo sviluppo di interfacce utente grafiche (GUI). Agli sviluppatori è quindi permesso di scrivere codice sorgente utilizzando il linguaggio C++ ed impiegare strumenti di supporto per il design tecnico. Questi strumenti sono disponibili nella sezione "Design", nella Figura 3: sviluppo grafico dell'interfaccia parte sinistra della schermata principale di un programma. Grazie a questa opzione, coloro che utilizzano questo programma non devono per forza avere grandi esperienze nel campo della programmazione perché la creazione di nuove finestre o elementi è estremamente intuitiva e semplice da imparare. L'interfaccia grafica utilizzata in questo progetto è stata completamente ideata e sviluppata dal nostro gruppo di lavoro. Si è pensato di realizzare un prodotto semplice, facilmente utilizzabile ed efficiente. Come si può notare la grafica è essenziale e minimalista. Sono presenti solo gli elementi indispensabili, infatti la finestra principale dispone di solo quattro pulsanti, i quali fungono da collegamenti con le altrettante parti dell'interfaccia. Il tema dell'interfaccia è basato su colori ed elementi che richiamano il Figura 4: la nostra interfaccia 6

7 cielo e il volo per esaltare la caratteristica fondamentale del progetto e per coinvolgere maggiormente l'utente. Nel caso in cui risultasse difficile la visualizzazione della finestra desiderata è possibile attingere alle informazioni presenti sotto la voce "aiuto" all'interno della sezione "help" della menùbar (posizionata in alto a sinistra nel menù principale). Cliccando sul pulsante "calibrazione 3D" si apre una schermata contenente le immagini live della calibrazione di entrambi i quadricotteri. I riquadri con le immagini sono paralleli e ampi per permettere la miglior vista possibile. "Pianificazione" consente l'apertura di una finestra con due riquadri. Nel primo si vede la posizione di un solo quadricottero su una mappa, nel secondo è possibile impostare i waypoint (essi sono punti composti da tre coordinate che ne permettono l'identificazione nello spazio). Figura 5: sviluppo codice di programmazione I pulsanti sottostanti al primo riquadro: "Quadricottero 1" e "Quadricottero 2"; se premuti, consentono la visualizzazione sulla mappa della posizione corrispondente ad uno dei due droni e se, ad esempio si è premuto il pulsante "Quadricottero 1" i waypoint inseriti saranno inviati al primo quadricottero mentre, nel caso inverso, saranno comunicati al secondo. Tramite i waypoint è possibile decidere il percorso che dovranno compiere i droni. Per stabilire un waypoint è necessario inserire l'altezza, la longitudine e la latitudine. Nella schermata di controllo si visualizzano i dati della telemetria, gli streaming video live e le posizioni di entrambi gli oggetti in un'unica mappa. In "Setup" si possono configurare e modificare alcune impostazioni dell'interfaccia. Lo schema dell'interfaccia da noi creata non segue il classico "schema ad albero" ma, per rendere il tutto maggiormente comprensibile e utilizzabile, si è creato uno schema più basilare. I percorsi possibili seguono uno schema incrociato ovvero, una volta aperta una schermata secondaria è possibile accedere ad un'altra parte del programma passando solo per la finestra principale. Dato che l'interfaccia dispone di solo cinque schermate la navigazione risulta rapida e fluida. 7

8 Come si può notare dall'immagine sottostante dalla pagine principale del nostro programma si può avere accesso a ogni altra parte dell'interfaccia. L'interazione tra le finestre rende il programma human friendly a causa della disposizione dei bottoni e delle loro funzioni unicamente bidirezionali. Tutto ciò è molto più semplice anche per qualcuno con poca confidenza con la tecnologia. Questo tipo di struttura aumenta la sua funzionalità 3.2 Le scelte teoriche per la collaborazione tra robot: intelligenza degli sciami e modello centralizzato. Per elaborare il software per la gestione della collaborazione tra droni abbiamo pensato di ispirarci a modelli già presenti in natura. Inizialmente agli sciami di volatili in cui l esecuzione di compiti semplici da parte di ciascun individuo porta alla realizzazione di un obiettivo complesso. Ci risulta che tra i primi scienziati che si dedicarono allo studio degli sciami e dei comportamenti collettivi degli animali troviamo Iain Couzin. Agli inizi degli anni Duemila, nel suo laboratorio ad Oxford, assieme a un team di collaboratori studiava il comportamento delle locuste. Il mistero che aleggiava su quest ultimi insetti era come essi fossero in grado, da un piccolo, caotico gruppo a trasformarsi in una nube di milioni di esemplari, uniti da un unico scopo. Per capirlo Couzin mise gruppi formati da un numero variabile di locuste, fino ad un massimo di 120 esemplari, in un arena a forma di sombrero ribattezzata l'acceleratore di locuste. Già nel 1995, infatti, erano stati messi a punto modelli teorici per spiegare i comportamenti di gruppo sulla base di una condizione quasi rudimentale: ogni unità si muove a una velocità costante e regola la propria direzione su quella dei suoi vicini entro un certo raggio. Man mano che si ingrandiva, questa collettività passava da torma disordinata a sciame organizzato, proprio come le locuste di Couzin. In pratica, con le giuste regole sequenziali, emerge sempre un ordine. Nel laboratorio di informatica abbiamo provato a studiare un software di simulazione del comportamento di stormi di uccelli. Figura 6: i due droni in volo Abbiamo provato a implementare un modello simile sui due droni facendoli navigare in fila indiana portandoli a regolare le velocità per non urtarsi. Abbiamo registrato, però, alcuni problemi dovuti al funzionamento del sensore di distanza a bordo che avrebbe dovuto comunicare al controller la distanza dell altro quadricottero. A questo punto abbiamo ipotizzato di applicare il modello già implementato in precedenza da nostri 8

9 compagni su Eu.R.Ex che prevedeva un intelligenza centrale esterna ai singoli droni. Questo ipotizzava un sistema gerarchico in cui un elemento fortemente predominante come l ape regina di un alveare si trova al centro della comunicazione di informazioni da parte degli altri individui per cui in base ai dati ricevuti distribuisce i compiti e le informazioni strettamente necessarie per il loro svolgimento. Abbiamo quindi deciso di affidare la comunicazione a un computer centrale che ricoprisse il ruolo di ape regina, mentre i droni si comportano come api operaie svolgendo i compiti assegnati e comunicando tutti i dati alla regina che li processa e rende fruibili dall utente. 3.3 Struttura dei droni Inizialmente lo stormo usato per adempiere ai nostri scopi doveva essere composto da più esacotteri, reputati maggiormente versatili per i nostri scopi. Dopo alcuni test e diverse considerazioni, abbiamo deciso di passare ai quadricotteri, con i quali avevamo già avuto qualche esperienza in precedenza e che si sono mostrati più sicuri e più stabili. Diminuendo il numero di motori viene diminuito il carico utile -il cosiddetto payload - del mezzo, e quindi gli assorbimenti a favore dell agilità del mezzo. Il quadricottero risulta quindi essere un mezzo meno complicato, più duttile e più agile rispetto ad un esacottero e quindi più adatto alle nostre esigenze. Anche le successive scelte strutturali, dei motori e dei rispettivi azionamenti (ESC) sono state compiute in base alle specifiche esigenze del progetto. La cornice del drone è formata da due basi centrali sovrapposte, dove quella inferiore presenta dei prolungamenti su due dei lati così da permettere un corretto e sicuro posizionamento della batteria e di altri componenti elettronici. Si è cercato di non appesantire eccessivamente la struttura del velivolo per evitare successivi problemi relativi Figura 7: il nostro quadricottero al peso in relazione all autonomia del quadrimotore, utilizzando per le basi centrali la vetronite, un materiale molto resistente, leggero e che viene usato per produrre circuiti stampati. Infatti, la base inferiore presenta dieci piazzole per saldatura, otto delle quali posizionate in prossimità dei bracci e alle quali vengono saldati cavi di alimentazione di azionamenti e motori e due collegate alla batteria. I bracci del mezzo sono in plastica e presentano delle forature sempre con lo scopo di alleggerire il tutto; due di essi sono rossi e gli altri due bianchi per facilitare l orientamento del velivolo durante il volo. Per la costruzione dei sostegni dei quadrimotori si sono dovuti fare diversi tentativi. Inizialmente erano composti da un tubo quadrato di alluminio, lungo circa 25 cm, e tagliato con un angolo di 30 così da posizionarli in modo obliquo e facilitare il decollo e soprattutto l atterraggio. Il secondo e, al momento, definitivo modello per le gambe è composto da, strano a dirsi, appendiabiti tagliati in due parti e avvitati alle estremità delle braccia. Si è scelto di usare questo modello per diversi motivi. Rispetto alla precedente soluzione, molto rigida e comunque instabile, il peso della struttura viene diminuito, la plastica degli appendiabiti è resistente ma comunque molto flessibile e ammortizza urti di notevole intensità, così da permettere un più morbido atterraggio. 9

10 La scelta di montare un sostegno per alzare il livello dei quadricotteri è dovuta anche al fatto di permettere alla videocamera posizionata su una struttura sotto la base inferiore un maggiore spazio visivo. La struttura per la videocamera Hack HD è formata da una base plastica alla quale è avvitata la videocamera usando dei distanziatori gommosi per evitare vibrazioni. Questa base è legata alla struttura tramite una cerniera che, mossa da un servo-motore, permette alla videocamera di compiere un movimento di 90 e così fare riprese perpendicolarmente all ambiente che viene mappato. Sulla base centrale sono posti vari componenti elettronici come la APM (ArduPilot Mega), il GPS e la ricevente. Dopo alcuni test ci siamo accorti che l APM è piuttosto sensibile alle vibrazioni, quindi abbiamo provato ad appoggiarla su una piattaforma di plastica, successivamente ci è venuto in mente di posizionare la piattaforma su 4 sordine Figura 8: la videocamera gelatinose generalmente utilizzate per lo stesso scopo per lo strumento musicale noto come batteria. Effettivamente azzerano quasi completamente le vibrazioni. Le antenne per la trasmissione dei dati relativi al volo e la trasmissione del video sono posizionate lungo i bracci del velivolo per evitare interferenze con la scheda madre. Le batterie che vengono usate sono LiPo a tre celle che sviluppano complessivamente una tensione di 11,1V che variano tra di loro per amperaggio. Gli azionamenti usati sono alimentati da corrente continua a 30 A. I motori sono brushless da 920 KV. La sigla KV indica il numero massimo di giri che un motore può compiere per Volt Figura 9: il GPS e quindi l uso di motori con un valore KV relativamente basso ci è sembrato il più opportuno Come fanno i droni a volare? La scelta di un quadricottero rappresenta la soluzione migliore per garantire facilità nel volo e un'alta stabilità. Il quadricottero ha sei gradi di libertà: beccheggio (oscillazione attorno ad un asse trasversale), imbardata (oscillazione attorno all asse verticale passante per il baricentro), rollio (oscillazione attorno al proprio asse longitudinale), x (movimento nella direzione frontale), y (movimento verso il lato sinistro) e z (altitudine). I movimenti in generale avvengono tramite la variazione della velocità di ogni motore, in modo tale da cambiare la spinta relativa di ognuno di essi. Quando tutti i motori ruotano con la stessa velocità, con le eliche 1 e 3 rotanti in senso orario e le eliche 2 e 4 in senso antiorario l accelerazione angolare attorno all asse di imbardata è nulla e il quadricottero mantiene la posizione senza movimenti lungo gli assi x,y,z. Come già detto, nei quadricotteri due eliche su quattro sono controrotanti. Per imbardare è necessario accelerare due motori che girano nello stesso senso e rallentare gli altri due in 10

11 modo che la componente verticale della spinta resti la stessa. La coppia che aumenta in un verso e diminuisce nell altro fa imbardare il quadricottero. La modalità di volo da noi scelta è detta a X, ovvero il movimenti avvengono seguendo i lati del quadrilatero descritto dai motori, il beccheggio e il rollio avvengono tramite la variazione di velocità di due motori adiacenti che girano con verso opposto. Quando le pale 1 e 4 ruotano con velocità minore rispetto ai motori 2 e 3 il quadricottero compierà un movimento di beccheggio. Quando invece le eliche 1 e 2 si muovono con velocità maggiore rispetto ai motori 3 e 4 il quadricottero farà un movimento di rollio. La traslazione lungo gli assi x e y avvviene mantenendo rispettivamente la posizione di beccheggio o rollio per un determinato tempo. La traslazione lungo l asse z avviene invece provocando un accelerazione contemporanea di tutti quattro i motori. 4 NAVIGAZIONE Una delle parti fondamentali del nostro progetto é stata l automazione dei due quadricotteri in modo tale da rendere più facile l utilizzo da parte di operatori non esperti. Infatti, una volta che l utente ha preimpostato i punti da toccare in volo selezionandoli sulla mappa che compare nell interfaccia, il quadricottero parte dalla postazione con un semplice click. I due velivoli montano un sistema di automazione Ardupilot, che é il cervello (controller) dei due multirotori e permette loro di muoversi, grazie al GPS, in maniera autonoma nei punti pre-impostati dall utente. Ardupilot é un microcontrollore dotato di giroscopio a tre assi (MPU-6000/MPU-6050), e barometro (MS BA). A bordo di Ardupilot si può trovare un chip da 4 MegaByte, che gli permette di eseguire i calcoli per il volo autonomo. La versione 2.6 (rispetto alla 2.5 che é stata montata sul primo quadricottero) monta un GPS esterno con bussola (HMC5883L). Questo sistema é Open source, e quindi si ha la possibilità di modificarlo a seconda dei bisogni. Ardupilot é uno dei più accurati sul mercato e il suo costo in confronto ad altri sistemi é relativamente basso. Questo sistema ci ha permesso di coordinare i due quadricotteri, per prendere immagini e creare i modelli 3D. Per pianificare il volo, il sistema é dotato di vari Waypoint che Figura 10: Ardupilot vengono imposti prima o durante il volo. Questi dati vendono letti dalla scheda e trasformati in punti GPS su una mappa. Inoltre mentre la missione é in corso il quadricottero può eseguire varie operazioni, come scattare foto, analizzare i dati, eseguire traiettorie diverse o semplicemente fermarsi per filmare. L operatore può in qualsiasi momento interrompere la missione a far tornare il quadricottero in modo autonomo a casa come prevede la legislazione. 11

12 Inizialmente quelli di noi che si occupavano di elettronica hanno cercato di studiare a fondo questo sistema per capire poi come modificarlo, sono stati eseguiti molti test per perfezionare l automazione e, soprattutto, la stabilizzazione dei due velivoli, che é una parte fondamentale per prendere le immagini dalle videocamere. Il problema più grande che abbiamo affrontato é stato proprio la stabilizzazione del velivolo, per fare sì che mantenga l esatta posizione da noi impostata, per la precisione entro 20cm per fotografare edifici, giardini, orti botanici, ecc. Per mandare le immagini al computer centrale abbiamo utilizzato due antenne con modulo per trasmissione e ricezione della 3DR. Figura 11: layout di Mission Planner Un modulo con antenna é montato sul quadricottero e l altro é connesso via USB al Computer. Inoltre per mandare le informazioni di volo al Computer il quadricottero ha una scheda di trasmissione dati MavLink a bordo. Il software da noi utilizzato é stato Mission Planner scritto in C++, che é quello da cui prendiamo i dati di telemetria e informazione di pianificazione del volo. Da questo programma, anch esso Open Source, prendiamo le informazioni da noi utilizzate. Mission Planner é un programma scritto in C++ da Michael Oborne, ed é la stazione base dei nostri quadricotteri. Un interfaccia dinamica che permette di vedere varie informazioni di bordo come telemetria, dati di navigazione, parametri appartenenti all APM e una mappa satellitare da cui impostare le rotte di volo. Ci sono viarie finestre nel programma tra cui schermata iniziale con dati e mappa, schermata per la pianificazione dei Waypoint, impostazioni per la calibrazione di GPS, barometro, bussola, accelerometro, modi di volo. Tutti i parametri contenuti nella scheda Ardupilot possono essere cambiati a seconda della struttura in uso, dato che non tutti i quadricotteri volano in modo uguale oppure un utente ha bisogno di impostare parametri particolari, come la sensibilità del Gimbal, oppure la sensibilità di movimento del quadricottero. Prima di poter volare con un quadricottero dotato di scheda Ardupilot bisogna calibrare bussola e accelerometro, questo si esegue semplicemente seguendo varie istruzioni date dal programma. Per la pianificazione di volo Mission Planner offre una schermata in cui si possono semplicemente selezionare i punti sulla mappa Figura 12:Mission planner 12

13 proveniente da satellite e creando così una vera e propria rotta di volo. E possibile impostare differenti altezze oppure semplici interruzioni per scattare foto oppure navigare in senso circolare intorno al punto. Questi parametri vengono poi inviati al quadricottero via MavLink oppure attraverso un cavo USB. Durante il volo l utente può vedere sulla schermata iniziale la mappa con i punti impostati precedentemente e vedere varie informazioni come altezza, velocità, velocità verticale, distanza dalla prossima coordinata oppure la distanza dal punto di partenza. Inoltre questo sistema offre un programma di sicurezza chiamato Fail Safe, che interviene in caso di avaria di GPS, bussola oppure se la batteria si scarica. Questo sistema invia subito un input al quadricottero per farlo tornare al punto di partenza, e in caso di avaria del GPS semplicemente atterra usando il barometro. 5 APPLICAZIONI 5.1 3D Per quanto riguarda l ambito della ricostruzione tridimensionale dell ambiente abbiamo deciso di crearci il programma inglobando nel nostro codice anche librerie già esistenti, in modo da rendere le basi del software più stabili. Abbiamo quindi optato per la libreria denominata OpenCV, la quale si occupa principalmente di computer vision, ma fornisce anche semplici interfacce con le strutture matematiche complesse da rappresentare in codice come Figura 13: primi test dell'algoritmo ad esempio le matrici. Grazie a questa libreria siamo stati in grado di catturare le immagini provenienti dal ricevitore a terra, per poi successivamente memorizzarle in matrici e compiere operazioni di analisi e di modificazione su esse. Per ricostruire la profondità degli oggetti si è optato per l algoritmo disparità binoculare, che permette di determinare la distanza degli oggetti dalla telecamera triangolando i punti corrispondenti di due immagini aventi lo stesso soggetto. Il punto complesso di tutto questo processo è di corrispondere i punti di un immagine a quelli dell altra. Per fare questo abbiamo deciso di calibrare simultaneamente le telecamere usate al fine di poter generare una mappa delle disparità. La calibrazione avviene attraverso il riconoscimento dei quadrati di un pattern a scacchiera di dimensioni conosciute. Conoscendo la posizione nello spazio tridimensionale dei punti di intersezione tra i quadrati e la loro proiezione sullo spazio bidimensionale delle telecamere è possibile stimare le proprietà intrinseche e i coefficienti i distorsione delle loro lenti, nonché il vettore di traslazione e rotazione necessari per equiparare i sistemi di riferimento di queste due telecamere. Stimati questi parametri si può quindi procedere a modificare le immagini ottenute per 13

14 porle sullo stesso piano, nel processo denominato rettificazione, esguito mediante apposite librerie che abbiamo impiegato sfruttandone particolari funzioni. Poste le immagini sullo stesso piano si procede quindi con la generazione della mappa delle disparità. Come algoritmo di generazione abbiamo preferito utilizzare il semi-global blockmatchingalgorithm, il quale associa blocchi di pixel corrispondenti tra le due immagini. Ottenuta questa mappa siamo stati poi in grado di proiettare i punti in uno spazio tridimensionale moltiplicando le coordinate omogenee di ogni singolo punto (x, y, disparità, 1) per la matrice di proiezione ottenuta combinando di informazioni riguardo a traslazione e rotazione del sistema di riferimento di ogni telecamera. Ottenute le coordinate omogenee per ogni singolo punto dell immagine si è quindi passato allo spazio euclideo normalizzandole, ovvero dividendole per il quarto parametro. Per rappresentare la nuvola dei punti determinati ci siamo affidati alla libreria PCL (PointCloudLibrary), la quale ci ha permesso di ottenere risultati fruibili in tempi brevissimi. Durante il processo per la generazione della mappa della disparità vengono persi i dati riguardanti il colore del pixel. Sapendo che nella mappa generata la posizione dei pixel corrisponde a quellli presenti nell immagine di sinistra, le informazioni sui colori possono essere ripristinate. Ottenendo più coppie di immagini e conoscendo il movimento effettuato dal sistema di telecamere è possibile aggiungere più nuvole di punti nel sistema di visualizzazione fino ad ottenere un modello completo dell area che si vuole mappare. Questo modello può poi essere salvato per venire visualizzato in futuro senza dover ricompiere il processo di mappatura. Nel prossimo mese contiamo di migliorare il software eliminando gli elementi di sfondo utilizzando un algoritmo di sottrazione del sottofondo e generando mesh solide dalle nuvole di punti mediante una triangolazione di Delaunay combinata con un algoritmo di estrazione. Per questa nuova versione del software sarà necessario scrivere un nostro codice di visualizzazione, per il quale useremo OpenGL, largamente supportato da tutte le schede grafiche. Figura 14: Calibrazione Figura 15: Fasi della ricostruzione 3D 5.2 Work in progress Calcio Utilizzare il quadricottero in ambito calcistico è una decisione che abbiamo preso in seguito ad una conversazione tenutasi tra alcuni componenti di RRobotics e un genitore di un nostro compagno attivo nel mondo del calcio. Egli ha spiegato al nostro gruppo che già dai livelli giovanili è fondamentale osservare attentamente i movimenti compiuti dai giocatori durante gli allenamenti 14

15 tattici, per poter correggere le posizioni che dovranno mantenere in campo, nel corso di una partita. <<Muoversi correttamente>>, raccontava <<È una delle chiavi vincenti per portarsi a casa una partita>>. Riuscire a memorizzare tutti i movimenti effettuati da tutti i giocatori nel corso di un allenamento non è però un compito facile, che più volte mette in difficoltà gli allenatori. Abbiamo proposto quindi, di riprendere con il quadricottero gli allenamenti di una squadra di calcio, affinché l allenatore abbia un video da consultare. La porzione del campo utilizzata durante gli allenamenti sta tra metà e due terzi delle dimensioni totali. La posizione ottimale, quindi, che il quadricottero deve raggiungere per riprendere al meglio l allenamento è nei pressi del centrocampo. Abbiamo calcolato, inoltre, l altezza che permette al drone di effettuare le migliori riprese dell allenamento; essa è pari a 15 metri. In questa situazione l autonomia di volo supera i venti minuti, quando poi il prmo quadricottero torna a terra, il secondo si alza in volo. Ciò risulta essere una strategia vincente, poiché durante un allenamento viene effettuata una pausa all incirca ogni venti minuti, in cui l allenatore cambia tipologia di esercizi e schemi di gioco. In questo modo le riprese dell allenamento sarebbero suddivise in più parti, ognuna delle quali risulterà essere consona ad una determinata categoria di esercizi. Per realizzare un video la cui consultazione risulti semplice ed intuitiva è fondamentale che la videocamera sia stabile. Per ottenere questo risultato abbiamo deciso di acquistare un gimbal a tre assi il che permette alla camera di restare immobile in quanto compensa le oscillazioni del drone. Quindi, una volta raggiunto il waypoint, il drone stabilizzato effettuerà riprese stabili e precise. Ciò che risulta essere il nucleo principale del progetto è permettere al computer di riconoscere i giocatori presenti nel video, in modo da indicarne il nome all allenatore che consulta le riprese. Abbiamo deciso di fornire i giocatori di un piccolo GPS da collegare al cardiofrequenzimetro di cui i calciatori sono già dotati. In questo modo, sapendo la prospettiva della telecamera e la porzione di campo utilizzata nell allenamento, il computer individua i calciatori, identificandoli. L allenatore può, quindi, distinguere i differenti giocatori ed esaminarne dall alto i movimenti. Abbiamo testato il nostro sistema con una squadra giovanile. Poiché al momento siamo forniti di 3 unici GPS, abbiamo munito di tale strumento solo tre membri della squadra. Consultando le riprese effettuate dal quadricottero è stato possibile riconoscere tali calciatori, identificati con un indice numerico. L allenatore ha potuto, quindi, osservare più attentamente i movimenti effettuati dai suoi giocatori e correggere eventuali errori, cosa che non avrebbe potuto fare, o perlomeno in maniera molto più ridotta, se sprovvisto del nostro sistema. In possibili sviluppi futuri a lungo termine (qualche mese) vogliamo rendere Figura 16: Impiego in ambito calcistico il computer in grado di tracciare visualmente i movimenti effettuati dai giocatori, affinché, ogni tracciato sia riconducibile ad uno specifico calciatore. Ciò fornirebbe un ulteriore e sostanziale aiuto all allenatore e, quindi, a tutta la società calcistica. Inoltre il progetto sarebbe estendibile a molti tipi di giochi sportivi, e diverrebbe un supporto fondamentale per il lavoro dell allenatore e del giocatore. 15

16 5.2.2 AIR-LINE-VIEW (ALV SYSTEM) Premessa Nell'ambito della distribuzione dell'energia elettrica, gli Enti gestori (es. Azienda Energetica, ENEL) impiegano regolarmente ingenti risorse umane ed economiche. La revisione, il controllo e la manutenzione delle linee elettriche di media tensione è un elemento chiave per la distribuzione regolare e puntuale dell'energia, così come un tempestivo intervento in caso di guasti è fondamentale per garantire il ripristino della distribuzione. Il controllo delle linee aeree per la distribuzione dell'energia è affidato a tecnici specializzati che monitorano visivamente i cavi, gli isolatori e i vari componenti, tramite l'utilizzo di binocoli, posizionandosi alla base dei traliccio. Data la peculiarità del territorio altoatesino, il controllo visivo delle linee aeree richiede continui spostamenti dei tecnici in ambiente montano, spesso a piedi e in zone impervie o difficilmente raggiungibili. I costi in termini economici, di tempo e di sicurezza incidono notevolmente sui bilanci degli Enti gestori Obiettivo L'impiego innovativo del drone si pone come obiettivo la mappatura aerea delle linee elettriche, denominata AIR-LINE-VIEW (ALV SYSTEM), come già avviene ad esempio per le vie di comunicazione (Google maps, Tom Tom). L'utilizzo del sistema ALV permetterebbe una riduzione dei costi grazie all'ottimizzazione delle procedure di controllo e manutenzione, mediante una mappatura tridimensionale delle linee elettriche. Il monitoraggio dall'alto delle linee elettriche consentirebbe di monitorare lo stato di manutenzione delle apparecchiature, di programmare gli interventi di routine e di risparmiare tempo in caso di guasti. Da una ricerca effettuata sappiamo che, tramite il sistema GPS molti Enti gestori hanno già determinato la localizzazione dei tralicci, per consentire ai tecnici di raggiungerli di persona. L'impiego del drone, guidato dai punti GPS sarebbe quindi effettuabile sin da ora e permetterebbe di mappare le linee elettriche tramite filmati e fotografie georeferenziate, grazie alla telecamera incorporata. La mappatura si traduce nella creazione di una banca dati, utilizzabile direttamente dal centro di telegestione della rete, con molteplici vantaggi a più livelli e una ricaduta positiva su tutti i fruitori del servizio (collettività) Vantaggi I vantaggi nell utilizzare questo sistema sono molteplici, ne nominiamo alcuni: Manutenzione linee aeree: revisione più agevole e programmata grazie alla mappatura tridimensionale delle linee di distribuzione dell'energia elettrica, con conseguente riduzione dei costi di manutenzione e risparmio di tempo. Intervento in caso di guasti: dalla nostra ricerca è emerso che, ad oggi, non esiste una banca dati per verificare i materiali che compongono i vari elementi delle linee elettriche (tipo di isolatori, di conduttori, modello di sezionatore ecc.) In caso di guasto è necessario quindi un sopralluogo preventivo da parte dei tecnici per verificare il genere di materiale necessario per la riparazione. Grazie all'utilizzo del sistema ALV sarà possibile stabilire direttamente dal centro di telegestione il materiale e le attrezzature da utilizzare per la riparazione, riducendo i tempi di 16

17 attesa per il ripristino della distribuzione di energia. Prevenzione guasti: l'installazione sul drone di una termocamera permetterebbe di evidenziare i punti critici nei contatti tra la linea elettrica e i vari elementi (isolatori, sezionatori ecc.) Il surriscaldamento dei contatti provoca la fusione dei materiali creando il disservizio. La termocamera permetterebbe di prevenire l'insorgere di questa tipologia di guasto. Grazie alla visione aerea è possibile verificare se in prossimità della linea elettrica sono presenti elementi di disturbo quali ad esempio alberi o rami sporgenti, potenziali cause di guasti. Dalla nostra ricerca è infatti emerso che la principale causa di disservizi è da imputare al crollo di alberi o di rami sulle linee elettriche che causano, soprattutto in seguito ad abbondanti nevicate o forte vento, frequenti black out in vaste aree montane. Monitoraggio in tempo reale dei guasti o di eventuali anomalie del sistema. Gestione integrata delle manutenzioni ordinarie e straordinarie dell impianto; Supporto video immediato ai tecnici durante le procedure di manutenzione/riparazione; Possibilità di rendere fruibili tutti i dati mediante apposite interfacce di consultazione; Implementazione di algoritmi statistici per lo studio di potenziali relazioni causa-effetto al fine di individuare possibili cause di guasto. 6 RISULTATI RAGGIUNTI Allo stato attuale lo stormo di quadricotteri è completamente autonomo nei movimenti coordinati, può quindi essere posto in volo anche da utenti inesperti nel pilotaggio, siamo tuttavia consapevoli che l attuale regolamentazione richiede per il momento la presenza di un operatore durante l utilizzo in modo che si possa intervenire manualmente in caso di malfunzionamento e soprattutto si possa assegnare la responsabilità nel caso di danni a oggetti e/o persone; l interfaccia da noi sviluppata permette l impostazione dei waypoint e la fruizione dei dati e delle immagini in maniera immediata per qualsiasi utente, abbiamo realizzato anche un Help, si può ipotizzare, nel caso in cui lo si diffondesse, un ulteriore tutorial; il software che stiamo realizzando per la ricostruzione 3D fornisce immagini comprensibili, ma tuttora incomplete, come specificato nel capitolo 7, stiamo procedendo a un completamento del programma; abbiamo iniziato i test per Air Line View all interno di limitate aree cittadine, fino a questo momento, infatti, abbiamo testato questo sistema seguendo e sorvolando i lampioni delle ciclabili o piccole linee cittadine. I nostri test ci hanno permesso di capire che ciò che vogliamo realizzare è possibile anche con linee elettriche di media tensione. 7 RISULTATI ANCORA DA RAGGIUNGERE Nel prossimo mese: termineremo lo sviluppo dell applicazione per la ricostruzione 3D che è stato ostacolato dalla assai tardiva consegna della seconda telecamera; svilupperemo il software per l identificazione degli atleti nelle riprese dall alto; 17

18 procederemo l ampliamento di ALV. Quello che vogliamo realizzare è un servizio che possa migliorare notevolmente il lavoro dei tecnici che gestiscono la manutenzione alle linee aeree. Questo lavoro risulta particolarmente difficoltoso nella nostra regione data la morfologia del territorio in cui le linee si snodano. Future collaborazioni con aziende presenti sul territorio potranno consentirci di sviluppare un sistema molto efficiente e di facile utilizzo adatto anche ai meno esperti o a coloro che intendono servirsi della nostra offerta. Nei prossimi 6 mesi: aggiungeremmo varie funzioni al programma per l analisi delle riprese sportive, tra cui la rappresentazione dei movimenti dei giocatori con linee colorate proveremo ad ampliare lo stormo incrementando il numero di droni coordinati. 8 CONCLUSIONI GENERALI I risultati raggiunti finora, malgrado le difficoltà tecniche, economiche e logistiche incontrate, permettono già alcuni utilizzi di Julè, nell immediato futuro si potranno completare alcune funzioni, nel lontano futuro i possibili sviluppi sono notevoli e interessanti. 9 RINGRAZIAMENTI Un ringraziamento particolare a: Dajt Mullaj, Francesco Rossi Ai Professori: Maddalena Angeli, Stefano Monfalcon, Sebastian Cincelli, Dagmar Lenzen, Birte Steen, Andrea Refatti, Francesco Finotti Ai collaboratori: Giacomo e Roberto Muraro Montaggio video e riproduzione multimediale: Salvatore Cutrì, Matteo Raffaelli, Giacomo Muraro 18

19 BIBLIOGRAFIA GALLUD José A. et al. (2010), Gesture-Based Interaction: Concept Map and Application Scenarios, 2010 Third International Conference on Advances in Human-Oriented and Personalized Mechanisms, Technologies and Services, IEEE Computer Society Nolfi, STEFANO (2009), Che cos è la robotica autonoma, Carocci, Roma SHANNON, CLAUDE E. - WEAVER, WARREN (1963), The Mathematical Theory of Communication, Urbana, Illinois University Press EBERHART R. C. SHI Y. KENNEDY J. (2001), Swarm intelligence (The Morgan Kaufmann series in evolutionary computation) BONABEAU E. THERAULAZ G. DORIGO M. (1999), Swarm intelligence: from natural to artificial system (Santa Fe Institute studies in the sciences of complexity) BERGAMASCHI M. CINCELLI S. (2011), L intelligenza artificiosa (Feltrinelli) SITOGRAFIA c752cc180/d/j/dji-mot jpg 19

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