PROGETTO ITALCEMENTI

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1 PROGETTO ITALCEMENTI Cava di Colle Pedrino

2 sito minerario di Colle Pedrino Piattaforma ad ala fissa Sentinel Mp

3 Dronica per Italcementi a Colle Pedrino L intento di una start up è quello di inserirsi nell attuale panorama professionale attraverso lo sviluppo tecnologico. Dronica, come tale, ha lo scopo di proporre servizi e formazione in ambito A.P.R. (Aeromobili a Pilotaggio Remoto) attraverso una seria analisi dei possibili scenari di utilizzo al fine di innescare una partecipazione sinergica che porti a risultati oltre le aspettative. Insieme al dipartimento tecnologico delle risorse minerarie di Italcementi, l obbiettivo è stato proprio quello di sondare le potenzialità della tecnica fotogrammetria georeferenziata a mezzo drone multirotore e ad alafissa. Un iniziale incontro conoscitivo ha permesso di raccogliere gli elementi necessari alla programmazione del primo test: il tipo di area interessata, la risoluzione richiesta, le tempistiche necessarie all elaborazione dei dati acquisiti, le procedure e la tipologia di attrezzatura adottate in un caso tipico. Il sito minerario di Colle Pedrino non è stato scelto a caso: l altitutine di 1.400m, il suo aspetto morfologico dai dislivelli accentuati e le condizioni meteorologiche avverse (forte vento e neve), lo rendono uno tra gli scenari peggiori per l utilizzo di A.P.R. Ciò nonostante i risultati ottenuti e che di seguito andremo a descrivere, hanno evidenziato aspetti positivi di grande importanza come la velocità di esecuzione, la sicurezza del personale adibito all operazione, pressochè immobile e non in precario equilibrio sui tratti scoscesi e il dettaglio della restituzione dopo l elaborazione dei dati.

4 EQUIPAGGIAMENTO Sentinel MP Il Sentinel MP è un velivolo ad ala fissa ad alimentazione elettrica, costituito da una struttura in EPO econ intelaiatura in carbonio. Dispone di un apertura alare di mm, di una lunghezza di mm per una superficie alare di circa cm2. Ha un autonomia di circa 2 ore ed è in grado di coprire estensioni di centinaia di ettari in un singolo volo. E l ideale per fotogrammetrie aeree di grandi estensioni dove è richiesta un autonomia ed una stabilità considerevoli. D550 Il D550 è un velivolo VTOL (Vertical Take Off and Landing) esarotore, ideale per usi commerciali ed industriali. Il D550 può volare molto al di sotto dei velivoli ad ala fissa e con velocità estremamente basse. E quindi in grado di catturare ogni dettaglio con precisione millimetrica, garantendo un accesso sicuro in luoghi non accessibili a persone fisiche. Il D550 è pronto all uso in pochi secondi ed ha un autonomia di circa 15 minuti. Il SAPR ideale per rilievi frequenti in location impervie e dove la maneggevolezza è tutto.

5 Negli APR sono presenti: una funzione fail-safe e auto go home: in caso di interruzione del collegamento di tutti e due i datalink, tutte le leve del SAPR si riportano in posizione neutra e l APR si mantiene in volo stazionario per un determinato periodo di tempo, in attesa del recupero del datalink. Nel caso in cui il collegamento non venga ripristinato, il sistema attiverà automaticamente il ritorno al punto di decollo in totale sicurezza. Un sistema di protezione batteria scarica avverte il pilota sull attuale livello di tensione disponibile e la sua autonomia residua, sia oraria che chilometrica. Un sistema OSD (On Screen Display) abbinato ad un sistema pan-tilt (due gradi di libertà), riporta sul display tutti i dati telemetrici in sovraimpressione alle immagini provenienti dalla telecamera di navigazione. L interfaccia garantisce un efficace copertura del segnale video ad una distanza di 5 Km. Payload: Il SentinelMP è dotato di un sensore ottico nadirale da 16.1 Mpx con capacità di trigger remoto che consente di geolocalizzare le immagini scattate e di contestualizzarle in un sistema di riferimento geografico. Il D550 è equipaggiato con un sistema di stabilizzazione dell immagine a tre assi. L ottica è composta da un action camera GoPro HERO3+ che produce immagini in sequenza ad alta risoluzione. Le immagini raccolte vengono successivamente elaborate dal software fotogrammetrico. Risoluzione al suolo: La qualità della ricostruzione è direttamente proporzionale alla quantità di immagini raccolte e alla loro concentrazione nelle zone di interesse. La nuvola di punti viene calibrata secondo riferimenti al suolo manuali lungo i tre assi fondamentali per garantire la precisione centimetrica delle misure.

6 CAVA DI COLLE PEDRINO La cava di Colle Pedrino è situata sul confine tra il comune di Caprino e il comune di Palazzago, provincia di Bergamo. Si estende da una base di m di altitudine fino a toccare i m. E considerata la cava madre, presentando il sito limite sul quale operare. Tra le difficoltà riscontrate spiccano i pronunciati gradoni che slanciano la cava su tre principali livelli, la morfologia del territorio e l assenza di segnale GSM. Sono inoltre presenti antenne ripetitori radio televisive. Condizioni meteo: La complessità dello scenario è stata aggravata ulteriormente dalle condizioni meteo avverse: un forte vento da nord con punte di 45 km/h hanno impedito il decollo del velivolo ad ala fissa nella prima mattinata. La conformazione orografica,inoltre, favorisce lo sviluppo di correnti d aria molto turbolente in prossimità del suolo ed oltre la cresta superiore della montagna. Il team ha quindi deciso di effettuare un primo sopralluogo a quota contenuta col velivolo multirotore D550. Volo e Sicurezza: Un uso commerciale di un sistema aeromobile a pilotaggio remoto è regolamentato da normative ben precise. Le valutazioni di fattibilità e rischio iniziali sono un cardine fondamentale di ogni pianificazione, identificando aree critiche e non critiche. In particolare è stato evidenziato, nella zona piu pianeggiante e sgombra da ostacoli del sito di estrazione, il punto base del velivolo ad ala fissa. La cava è inoltre situata al di fuori di ogni spazio aereo controllato, ad una distanza di 5km dal primo centro abitato, non presentando strutture od ostacoli tali da rappresentare un intralcio alla sicura condotta delle operazioni di volo. La pianificazione è stata attentamente valutata e seguita secondo le carte orografiche fornite dalla società responsabile del sito, garantendo a tal modo sufficiente separazione, sia verticale che longitudinale, da qualsiasi eventuale ostacolo e suolo scosceso. Ogni operatore e tecnico specializzato impiegato nei lavori è stato informato, dotato di sistemi di sicurezza anti infortunio rimanendo comunque al difuori dell area operativa dei velivoli. Le condizioni meteorologiche garantivano visibilità oltre i 10 km e cielo libero da nubi significative, mentre la componente ventosa risultava oltre le capacità operative del sistema ad ala fissa Sentinel MP. Le caratteristiche tecniche del D550 hanno invece permesso di operare nelle immediate vicinanze delle zone da coprire, a bassissima quota, libera dalle correnti ventose e da turbolenze. Ogni punto di decollo è stato attentamente valutato ed organizzato in modo che anche nel caso di interruzione della comunicazione tra il sistema a terra e l APR, il ritorno automatico potesse essere gestito nella piu completa sicurezza. I margini di sicurezza sulla batteria sono stati impostati in maniera molto conservativa, garantendo una riserva del 35% di capacità residua. La quota di un automatico Return to Home è stata impostata sufficientemente alta per garantire il sorvolo degli ostacoli nel raggio di operazione del velivolo.

7 Acquisizione delle immagini ed overlap: La pianificazione del volo con la piattaforma ad ala fissa Sentinel MP deve tenere in considerazione l intensità e la direzione del vento in modo che sia garantita una velocità al suolo costante durante il sorvolo della zona interessata. In particolare il forte vento da nord ha favorito una missione che si estende da est ad ovest, mantenendo un angolo di correzione del vento e una ground speed costante. La scelta della quota è correlata all altezza dell ostacolo piu alto nell area in esame e deve garantire una sufficiente risoluzione al suolo. In questo caso abbiamo scelto di operare ad un altitudine di m, pari a m AGL (Above Ground Level), garantendo una risoluzione al suolo di 3.43 cm con scatti ogni 6,19 secondi. La sovrapposizione delle immagini richiesta per una ricostruzione accurata della superficie (overlap) è di circa il 70%, prevedendo un totale di 226 immagini scattate in 25 minuti di volo, ponendo particolare attenzione nell includere i punti fissi noti al suolo, in modo da contestualizzare il progetto sulle carte già redatte. Pur posticipando il decollo in attesa di miglioramenti delle condizioni meteo (forte vento) si è voluto procedere comunque al test. Nonostante la stabilità fornità dalla grande apertura alare del mezzo le variazioni di direzione ed intensità del vento non hanno consentito un regolare svoglimento dell attività di volo costringendo all atterraggio. La morfologia del territorio ha comunque consentito l utilizzo del multirotore D550 per l acquisizione di un dataset di immagini utili alla ricostruzione di determinate pareti rocciose e particolari dell area interessata.

8 I voli rispettivamente della durata di 4 e 2 minuti sono stati completati nel rispetto della totale sicurezza del personale, in aree ristrette e lontano da fonti di disturbo. Le 186 immagini acquisite hanno consentito la ricostruzione dettagliata delle due zone interessate. L integrazione di punti di riferimento al suolo è stata fondamentale, garantendo misurazioni accurate nell ordine dei 3 cm. Il comparto ottico è stato in grado di acquisire immagini a piena risoluzione con cadenza regolare di 1 secondo. La velocità di traslazione del mezzo si calcola mediante il seguente procedimento: data una focale (f) ed una grandezza del sensore (w e h) si può calcolare il rateo di traslazione laterale e verticale per generare un dataset di immagini con un overlap dell 80% ad una data distanza dall oggetto: Data la frequenza di scatto (r), in questo caso 1 secondo, e la copertura effettiva dell immagine (c), possiamo concludere con: Il risultato è di approssimativamente 1.5 m/s orizzontale e 1 m/s verticale mantenendo una distanza dall oggetto di circa 10 metri. Per garantire un overlap congruo alla ricostruzione mantenendo una distanza di circa 5 metri, la velocità di traslazione non deve superare 1m/s equivalente a 3.6 Kmh. D550 in fase di acquisizione dati

9 Le immagini sono state catturate da diverse angolazioni, è quindi necessario fornire delle quote al progetto in modo da stabilire il piano di riferimento su cui costruire il modello. Nel caso presente sono state scelte quote note, riferite ad un autovettura presente nella zona di volo, sulle quali il progetto verrà dimensionato. Non avendo immagini georeferenziate è importante includere nel progetto un punto fisso al suolo noto, in modo da geolocalizzare la ricostruzione. Ognuno dei due set di immagini collezionati generano un progetto indipendente che può successivamente essere riunito in un progetto complessivo. Da una prima elaborazione delle immagini otteniamo una nuvola di punti sparsa. Per mettere in scala il progetto vengono riportate delle quote manuali di punti noti fissi al suolo.

10 La nuvola di punti appena densificata presenta elementi da escludere dal progetto, come vegetazione, mezzi e personale. Questa fase di elaborazione può essere effettuata manualmente o automaticamente, classificando la ricostruzione secondo parametri di discostamento degli oggetti dal suolo. Tolti gli elementi superflui, la nuvola risulta altamente dettagliata. Il risultato permette di ottenere misurazioni molto precise.

11 La densificazione avviene attraverso un processo di riconoscimento di ogni singolo punto associato a più immagini riprese da prospettive diverse. NUMERO DI IMMAGINI 272 KEYPOINTS MEDI PER IMMAGINE MATCHING ,3 MATCH PER IMMAGINE NUMERO MINIMO DI MATCH PER IMMAGINE 3 NUMERO DI PUNTI DENSITÀ MEDIA PER M 3 77,24 TEMPO DI ELABORAZIONE 2h 11min 48sec

12 esempi di estrazione di curve di discontinuità esempi di misurazioni volumetriche

13 Uno degli elementi ricavabili dalla Point Cloud generata dalle immagini georeferenziate è la misurazione delle quote lineari. Dallo stesso dataset di immagini e quindi da un unico sorvolo, si ottengono distanze punto-punto, perimetri, altezze e diametri. La precisione delle misurazioni è direttamente proporzionale alla qualità delle immagini acquisite. È inoltre possibile ricavare misurazioni nelle tre dimensioni, ricavando i volumi. L esempio di seguito si applica all acquisizione volumetrica dell area di una sporgenza rocciosa. Dopo un accurata calibrazione delle immagini, il volume estratto risulta con una approssimazione dello 0.3% Una terza ipotesi è la misurazione di superficie. Grazie ad essa è possibile verificare l estensione dell area sottoposta ad esame. L interpretazione dei dati è esportabile in formati.las e.laz, propri del sistema tradizionale LIDAR. 1. modello tridimensionale texturizzato e altimetrico 2. modello tridimensionale di discontinuità esempio di misurazione di superficie

14 Un sentito ringraziamento allo staff Italcementi per la grande disponibilità e per l interesse dimostrato durante l effettuazione delle prove sul campo. La competenza e la serietà che ha contraddistinto il personale, messo gentilmente a disposizione per l intera durata del test, ha permesso di assolvere al nostro compito nella più totale sicurezza. Giacomo Parlanti Ingegnere aerospaziale Pilota commerciale e SAPR Ferdinando Longhi Perito Elettronico Supervisore settore tecnico Dronica insieme a Italcementi a Colle Pedrino

15 Map-1 Conceptual design per Italcementi Dronica srl Via Corti 51, Bergamo (BG) T F info@dronica.it

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