Fotogrammetria diretta con UAV: attuali limiti e possibili sviluppi futuri

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1 Politecnico di Torino DIATI UAV/RPAS in Italia Piattaforme, regolamenti, applicazioni, problematiche Fotogrammetria diretta con UAV: attuali limiti e possibili sviluppi futuri Autori: F. Chiabrando, A. Lingua, M. Piras 20/21 febbraio Modena

2 Sommario 1. Introduzione UAV Applicazioni fotogrammetriche Fotogrammetria diretta? 2. Test e risultati Mikrokopter v1 & v2 Drako Selex MUAS 3. Possibili futuri sviluppi 4. Considerazioni conclusive DRACO DE [m] DN [m] DH [m] Dw [gon] Df [gon] Dk [gon] m s min max

3 Introduzione Unmahned Aerial Vehicle (UAV) Il mondo UAV/RPAS è in continua evoluzione, sia per scopi militari (ricognizione e altre questioni belliche) che civili, ma non esistono ancora dei sistemi capaci di soddisfare tutte le necessità della Geomatica.

4 Introduzione Applicazioni fotogrammetriche Esistono diverse soluzioni commerciali nate per scopi fotogrammetrici, e numerosi contributi scientifici ne hanno dimostrato l efficacia metrica, in applicazioni sostanzialmente close range (a prescindere dagli aspetti legali) mediante camera digitale leggera:

5 Introduzione Per permettere la navigazione autonoma, sono dotati di sensori di navigazione a basso costo GPS/GNSS (in genere u-blox) e IMU (MEMs) Fotogrammetria diretta? Problemi Gli strumenti commerciali sono chiusi e permettono scarsa interazione con i dati grezzi La precisione/accuratezza dei sensori in ambito dinamico Calibrazione del sistema (Level arm, Mounting, ) Sincronizzazione della camera con i sensori di navigazione viene spesso risolta in modo creativo Occorre approfondire il problema per: comprendere meglio i limiti applicativi di questi strumenti; proporre eventuali miglioramenti per applicazioni fotogrammetriche dirette

6 Introduzione Hexakopter di Mikrokopter (v2011) Casistica Hexakopter di Mikrokopter (v2012) personalizzazione di RESTART Limiti di riferimento in applicazioni cartografiche Draco di Selex Galileo MUAS s XYZ = 0.2 n (scala 1:n)

7 HexaKopter di Mikrokopter (v2011) Vendita in kit (< 2000 ) Ricevitore GPS integrato u-blox 4H Flight Control integra MEMs e bussola elettr. (assetto angolare) Camera Sony Nex 5 (sensore DX 14 Mpixels, ottica fissa 16 mm, 600 ) montata su supporto servo assistito (2 rotazioni) Trasmissione video analogica in real time (2.4 GHz) Trasmissione telemetria in real time via XBee

8 HexaKopter di Mikrokopter (v2011) Lo schema Dati registrabili: Lo stream video in tempo reale La telemetria traiettoria e assetto volo

9 HexaKopter di Mikrokopter (v2011) La navigazione automatica Fissata la quota, è possibile attivare la navigazione automatica per mezzo di Waypoints

10 HexaKopter di Mikrokopter (v2011) Il caso reale: Aquileia GSD medio 5-7 mm

11 HexaKopter di Mikrokopter (v2011) Volo alto La triangolazione fotogrammetrica Volo basso GSD medio 5-7 mm H media = 17 m (62 immagini) v XY(GCP) = 4 mm v z(gcp) = 16 mm v XY(CP) = 11 mm v z(cp) = 17 mm H media = 14 m (29 immagini) v XY(GCP) = 3 mm v z(gcp) = 11 mm v XY(CP) = 6 mm v z(cp) = 13 mm

12 HexaKopter di Mikrokopter (v2011) Il confronto Acquisizione ad inizio e alla fine di ogni volo del monitor del PC con la visualizzazione del tempo GPS. L angolo k è stato corretto di declinazione magnetica e convergenza del meridiano In applicazioni cartografiche: Solo angoli w f: Ds = 0.18 cm (1:1000) Influenza k: Ds =0.39 m (1:2000) Centro di presa XY: 1:10000 Centro di presa Z: 1:25000 DE [m] DN [m] DH [m] Dw [gon] Df [gon] Dk [gon] m s min max

13 HexaKopter di Mikrokopter (v2012) Ricevitore GPS u-blox 6S Motori sviluppati in proprio (RESTART) Doppia batteria (durata volo ~17 min)

14 HexaKopter di Mikrokopter (v2012) I test

15 HexaKopter di Mikrokopter (v2012) Oltre punti In applicazioni cartografiche Precisione centro di presa in planimetria: 1:10000 Soluzione A-GPS (EGNOS) Comparazione Est-Nord DE [m] DN [m] m s min max

16 HexaKopter di Mikrokopter (v2012) Comparazione altezza relativa DH [m] m s min max Oltre punti In applicazioni cartografiche: Precisione centro di presa in quota 1:10000 Soluzione A-GPS (EGNOS)

17 Draco di Selex Galileo MUAS Costo k Decollo/atterraggio automatici Batterie potenziate per 20 minuti di volo Ricevitore u-blox 5H IMU MEMS (calibrato) ad alta velocità proprietario Servocomando della camera con registrazione dell istante di scatto Stazione di controllo a terra professionale 2 pod disponibili: fisso (nadirale e orizzontale) Brandeggiabile Il velivolo

18 Draco di Selex Galileo MUAS Il volo su poligono Prima parte del volo manuale II parte volo automatico Circa 450 immagini acquisite di cui utilizzate 51 H media 18 m GSD medio 11 mm

19 Draco di Selex Galileo MUAS In generale, migliorano lievemente rispetto all Hexakopter. I dati non sono ancora accettabili per fotogrammetria diretta a grande scala, ma solo a media scala. Risultati di confronto L istante di scatto viene registrato in un apposito file di log. Il sistema è stato calibrato mediante misure in laboratorio (level arm e mounting) DRACO DE [m] DN [m] DH [m] Dw [gon] Df [gon] Dk [gon] m s min max In applicazioni cartografiche: Solo angoli w f: Ds = 0.18 cm (1:1000) Influenza k: Ds =0.31 m (1:2000) Centro di presa XY: 1:5000 Centro di presa Z: 1:5000

20 E se la tecnologia fosse già disponibile? Ipotizzando di usare dei sensori terrestri ma potenzialmente trasferibili (per peso, costo e complessità) su un micro-uav e considerando le loro prestazioni (in termini di sqm), quali performance si otterrebbero? Payload > 500 kg Payload < 2 kg Condizioni sqm posizione = 2 cm / 4cm sqm angoli = 2.0

21 E se la tecnologia fosse già disponibile? Camera: Panasonic GF3 H volo = 20 m NO GCP DE [m] DN [m] DH [m] m s max Min GCP DE [m] DN [m] DH [m] m s max Min

22 Quali sono i problemi reali? Possibili sviluppi futuri Nel mondo reale, i problemi aperti sono: - sensori a bordo vs peso vs durata del volo; -Integrazione sensori navigazione (GNSS, IMU); - sincronizzazione sensori e memorizzazione dati;

23 Quali sono i problemi reali? Possibili sviluppi futuri - protocolli di comunicazione e formati dati - metodi di calibrazione micro-mems in dinamico - calibrazione antenne patch; - eliminazione delle interferenze elettromagnetiche; - algoritmi di fissaggio ambiguità e di verifica integrità; -stima della posizione con PPP (per soluzione differenziale); -. e poi post-processing o in tempo reale? Per il real time (se serve!?).la strada della ricerca è ancora molto lunga.

24 Quali sono i problemi reali? Possibili sviluppi futuri mikrokopter con micro pc e sensori per la navigazione di precisione Costo SIRIUS PRO MAVINCI Costo

25 Considerazioni conclusive Le verifiche effettuate permettono di affermare che, allo stato attuale, i sistemi UAV non permettono di svolgere applicazioni di fotogrammetria diretta a grande scala, ma avendo l accortezza di volare a bassa quota possono essere utilizzati per applicazioni cartografiche a media scala. Il problema principale non è nella stima degli angoli ma nella definizione della posizione del centro di presa (GNSS) a causa dell uso di sensori e di procedure in real time che non garantiscono le precisioni/accuratezze richieste. In presenza di una sincronizzazione più raffinata e IMU più costosa i parametri di orientamento esterno di ogni immagine migliorano sensibilmente (DRACO) e permettono una cartografia in scala 1:5000. Per affrontare applicazioni cartografiche a grande scala occorre iniziare a sviluppare sistemi UAV che integrino sensori di navigazione (in particolare GNSS) più raffinati e permettano la memorizzazione dei dati grezzi garantendo soluzioni in post-processing più rigorose e come dimostrano da numerosi studi spesso più precise e accurate.

26 Ringraziamenti Horea BENDEA* per il supporto tecnico sugli UAV; Paolo MASCHIO* per il prezioso pilotaggio degli UAV; Irene AICARDI* per l aiuto nel trattamento dati; Fabio PAONESSA**per il supporto nella parte elettronica. * Politecnico di Torino DIATI ** CNR - IEIIT