I droni e il loro uso in geofisica Incontro con gli studenti di Fisica Terrrestre dell Università di Chieti,

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1 I droni e il loro uso in geofisica Incontro con gli studenti di Fisica Terrrestre dell Università di Chieti, Laboratorio Nuove Tecnologie e Strumenti, INGV, Roma

2 Che cosa intendiamo per drone Un drone è un veicolo a pilotaggio remoto con una intelligenza locale in grado di sollevare il pilota da operazioni di routine. Dispone di sensori, attuatori, un sistema di telemetria e di pilotaggio automatico. Diventa facilmente un estensione dei sensi e delle mani del pilota e permette di compiere in sicurezza operazioni pericolose o impossibili. In particolare un drone aereo offre una visione dall alto del territorio di estrema utilità in geologia.

3 APR Velivoli a pilotaggio remoto Le definizioni sfumano l una nell altra, ed abbiamo: Drone nave o aereo radiocomandato UAV Unmanned Aerial vehicles UAS Unmanned Aerial Systems APR Aereomobile a pilotaggio remoto ROV Remotely operated vehicle RPAS Remotely Piloted Aircraft Systems Abbondantemente farciti di elettronica e di sensori offrono una facilità di pilotaggio che li rendono appetitosi per molteplici scopi di esplorazione

4 Perché usare un drone Un drone costa quanto un ora di elicottero Un drone non mette in pericolo vite umane Un drone può azzardare operazioni troppo pericolose per un velivolo con pilota a bordo Un drone è dannatemente divertente da usare

5 Che cosa possiamo far volare Multirotori Elicotteri Autogiri Ala fissa efficienza manovrabilità

6 Perché preferiamo i multirotori Manutenzione meccanica praticamente assente, il che lo rende preferibile ad un elicottero tradizionale Riparazioni relativamente semplici in caso di caduta Ottima resistenza al vento manovrabilità Per contro un multirotore sta in volo grazie ad un delicato equilibrio di forza bruta e teoria dei controlli. Senza un sistema di sensori e microcontrollori non potrebbe volare. Non è un sistema autostabile. E avido di energia, ed i voli hanno una durata limitata.

7 muoversi con quattro eliche La strategia a quattro eliche ottempera bene al requisito di semplicità: l unica meccanica è rappresentata dalle quattro coppie motore-elica. sale ruota a sinistra va avanti scende ruota a destra va a destra

8 Stabilizzazione Un multirotore non è in grado di volare senza un sistema di controllo: il suo volo non è autostabile. Se l elettronica di stabilizzazione vien meno, il velivolo cade. Lo stabilizzatore misura generalmente: Posizione (GPS) - 3 dati Accelerazioni (accelerometro triassiale) - 3 dati Velocità di rotazione (giroscopio triassiale) - 3 dati Posizione angolare (bussola magnetica) - 3 dati Altezza (altimetro barometrico) - 1 dato per un totale di 13 dati processa i dati e produce le correzioni per far stare fermo il velivolo. L intervento del pilota è una correzione al desiderio del sistema di stabilizzazione di tenere fermo il velivolo.

9 credits Da Vinci Kalman

10 Barbie A parte il telecomando il materiale è costato meno di 200 Euro su Ebay (2010). Ora costerebbe meno della metà.

11 Di che cosa dispone LNTS In questo momento solo multirotori, ma la necessità di esplorare territori vasti o le operazioni lontano dalla base fanno pensare alla sperimentazione con ala fissa. 7.5 kg a pieno carico 750 w hovering (6 kg) (< 10 g/w) 15 minuti di volo (6kg) robusto e smontabile S kg a pieno carico 450 w hovering (3.5 kg) (< 8 g/w) 20 minuti di volo Okto XL 2.5 kg a pieno carico 300 w hovering (2.5 kg) (< 8 g/w) 8 minuti di volo LNTS esa

12 s kg a pieno carico 750 w hovering (6 kg) (< 10 g/w) 15 minuti di volo robusto e smontabile

13 Organizzazione delle comunicazioni Radiocomando GPS telemetria Video per fpv BT

14 Stazione base

15 FPV Il pilota indossa degli Zeiss Cinemizer connessi ad un ricevitore video e vede, oltre all immagine Proveniente dalla GOPRO anche le informazioni di navigazione dell autopilota del drone

16 Un caso reale: Java, LuSi km

17 LUmpur SIdoarjo LuSi, una contrazione di Lumpur Sidoarjo (dove Lumpur è la parola indonesiana per fango) è il più grande vulcano di fango del mondo, la cui nascita è stata attribuita allo scoppio di gas naturale in pozzo perforato da PT Lapindo Brantas. L attribuzione è controversa ma la comunità scientifica è convinta che l inizio dell emissione sia stata innescata da un evento sismico. L eruzione ha inizio il 29 maggio 2006 ed è ancora in atto. Il fango ha coperto 7 Km2 ed ha forzato l evacuazione di persone

18 LUmpur SIdoarjo Il fango di Sidoarjo La zona era densamente popolata, il fango ha prima sommerso le case. Il suolo successivamente ha ceduto ed i tetti, prima visibili, adesso sono scomparsi

19 Prima e dopo

20 La tipica stazione base Il computer e le varie attrezzature sono protette nella tenda, che permette all operatore della stazione base di vedere lo schermo del computer. Il decollo e l atterraggio sono manuali, il volo è automatico.

21 Verricello automatico con campionatore Questo dispositivo permette il campionamento automatico di acqua e fango controllando la coppia e la velocità angolare del motore del verricello. In caso di emergenza (vento forte, campionatore incagliato al terreno) il campionatore può essere rilasciato permettendo il rientro del drone

22 Volando con il campionatore di fango

23 Campionatore di gas Questo dispositivo, controllato dall autopilota del drone, permette l ingresso dell atmosfera in contenitori pre-evacuati su punti prestabiliti. Questo permette di raccogliere campioni di gas in posti difficilmente raggiungibili

24 Volando con il campionatore di gas

25 Radio termometro Questo dispositivo, nato per studiare l emissione di fango in prossimità del cratere, trasmette via radio la propria posizione e la temperatura. Rilascio del termometro Sensore di temperatura Radio termometro Radio antenna Gps antenna (all interno) Alloggiamento del paracadute Servo di rilascio Dispositivo di sgancio

26 Test paracadute

27 Contatore Geiger Tubo Geiger Müller GPS contatore Arduino SD Alimentato dalla presa USB, il dispositivo Memorizza la frequenza dei conteggi associata alla propria posizione

28 Questo dispositivo registra la concentrazione di CO 2 (sensore ottico) e metano (sensore elettrochimico) per ogni posizione spaziale del drone e memorizza i dati su SD card. In basso a sinistra la mappa di concentrazione di metano prodotta dal volo sul cratere (foto in basso a destra) Sensore di gas

29 GOPRO su gimbal attivo FPV, video, foto Macchine fotografiche La GOPRO funziona contemporaneamente a tutti gli altri carichi utili La Flir I7 permette di avere una mappa di temperatura del suolo La Olympus EPM2 viene usata per la fotogrammetria Flir i7 (140*140 pixel termici) Olympus EPM2

30 Mosaico termico La flir I7 offre 140*140 pixels, con 30 FOV circa 40 cm/pixel. La ricostruzione dell area sorvolata è di circa 300*200 pixels. La difficoltà nell interpretazione dei dati è dovuta all evaporazione che risulta in un valore più basso della lettura

31 Fotogrammetria con nuvola di punti La fotocamera scatta costantemente, al ritmo di 0.75 fotogrammi al secondo, ed il software identifica la posizione della camera ad ogni singolo scatto e ricostruisce un modello 3d Il modello prodotto può essere proiettato su un piano arbitrario, producendo una mappa dettagliata bidimensionale

32 Fotogrammetria di Lusi L economicità della fotogrammetria da drone ne incoraggia l uso per lo studio di fenomeni in rapida evoluzione. La superficie di LuSi è stata mappata per effettuare fotogrammetrie ripetute il cui confronto permette di evidenziare i movimenti della superficie.

33 Fotogrammetria 600 m L aerofotografia permette di ottenere immagini dettagliate del terreno e la ricostruzione tridimensionale. Le immagini e le mappe sono prodotte combinando le foto e correggendo per la distorsione delle lenti e per l orientazione della macchina fotografica. Sono occorse circa 2500 foto scattate a 50 m di altezza per ricostruire l immagine sopra

34 Ingrandendo l ortophoto La fotografia aerea permette un analisi a posteriori di estese superfici di territorio, permettendo di risolvere dettagli piccolissimi

35 Tramonto su LuSi

36 Grazie per l attenzione, domande? Incontro con gli studenti di Fisica Terrestre, Università di Chieti,