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Dipartimento IUAV per la Ricerca

Unit di Ricerca:

Nuove tecnologie per la conoscenza del territorio e dellambiente: City Sensing e Near Mapping MICRODRONE I-UAV PIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER IL MONITORAGGIO CITTA

AMBIENTE E TERRITORIO, RILIEVI DI PARCHI, INFRASTRUTTURE, AREE INDUSTRIALI, EDIFICI, AREE IN DISSESTO IDROGEOLOGICO, APPLICAZIONI

TEMATICHE DI PROTEZIONE CIVILE.

RAPPORTO CONCLUSIVO

APRILE 2011

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Sommario

0 INTRODUZIONE ................................................................................................................................................. 4

1 OBIETTIVI DEL PROGETTO .................................................................................................................................. 5

2 PANORAMICA DELLE TECNOLOGIE DISPONIBILI ................................................................................................ 5

2.1 MIKRODRONES GMBH ............................................................................................................................................... 8 2.2 ASCENDING TECHNOLOGIES ......................................................................................................................................... 8 2.3 DRAGAN FLY ............................................................................................................................................................. 9 2.4 MIKRKOKOPTER ........................................................................................................................................................ 9

3 IL METODO DI VOLO .........................................................................................................................................11

3.1 VOLO STAZIONARIO HOVERING ................................................................................................................................ 11 3.2 VOLO AVANZANTE ................................................................................................................................................... 12 3.3 VOLO LATERALE....................................................................................................................................................... 13 3.4 IMBARDATA ............................................................................................................................................................ 13

4 MODALIT DI PILOTAGGIO ...............................................................................................................................15

4.1 VOLO A VISTA ......................................................................................................................................................... 15 4.2 VOLO FPV (FIRST PERSON VIEW, VOLO IN PRIMA PERSONA) ............................................................................................ 15 4.3 VOLO AUTONOMO ................................................................................................................................................... 15

5 LA PIATTAFORMA ADOTTATA ..........................................................................................................................15

5.1 IL SISTEMA MK ....................................................................................................................................................... 18 5.2 MIKROKOPTER TOOL ................................................................................................................................................ 21

6 SENSORISTICA DEDICATA .................................................................................................................................22

6.1 MULTISPETTRALE TETRACAM ADC LITE .................................................................................................................... 22 6.2 MACCHINE FOTOGRAFICHE CON CULLA ........................................................................................................................ 23 6.3 LASER SCANNER ...................................................................................................................................................... 27

7 RICERCA EFFETTUATA .......................................................................................................................................29

7.1 TEST 1: VERIFICA DEL VOLO ....................................................................................................................................... 29 7.2 TEST 2: REGISTRAZIONE DELLA TRACCIA DI VOLO ............................................................................................................ 33 7.3 TEST 3: VOLO AUTOMATICO ...................................................................................................................................... 35 7.4 TEST 4: SCATTI E IMPOSTAZIONI DELLA FOTOCAMERA ..................................................................................................... 37 7.5 TEST 5: TEST DI RILIEVO DI AREA ESTESA ....................................................................................................................... 41 7.6 TEST 6: STEREO COPPIA E RESTITUZIONE 3D ................................................................................................................. 44

8 CONCLUSIONI E ANALISI CRITICA DEI RISULTATI OTTENUTI ..............................................................................46

8.1 RAPID MAPPING GEOREFERENZIAZIONE AUTOMATICA .................................................................................................. 46 8.1.1 CARATTERIZZAZIONE GEOMETRICA E TRASLAZIONE ................................................................................ 47 8.1.2 ROTAZIONEINTORNO AL PUNTO O ........................................................................................................ 47

8.2 SOFTWARE RAPID MAPPING ........................................................................................................................... 51

9 PIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER LE APPLICAZIONI DI PROTEZIONE CIVILE - LATTIVIT AL TEREX 2010 -. .............................................................................................................................................................55

9.1 TEREX 2010 ........................................................................................................................................................... 55 9.2 TRASMISSIONE FLUSSO VIDEO .................................................................................................................................... 59

10 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................................................60

11 SITOGRAFIA ......................................................................................................................................................61

12 APPENDICE .......................................................................................................................................................62

12.1 PUBBLICAZIONI CONVEGNI - SEMINARI ................................................................................................................. 62

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12.1.1 Convegni: .............................................................................................................................................. 62 12.1.2 Pubblicazioni: ....................................................................................................................................... 63

12.2 MATERIALI ........................................................................................................................................................ 63 Il gruppo di lavoro Niccol Iandelli Assegnista di ricerca, ha coordinato il lavoro di ricerca. Mario Pizzolon Pilota e assemblatore dei multi rotori, esperto tecnico dei multi rotori.

Ivano Boscolo Informatico, ha realizzato i software di georeferenziazione automatica e per la realizzazione del piano di volo.

Con il contributo di: Ing. Antonella Ragnoli, Dott.ssa Rina Camporese, Ing. Vincenzo Giannotti, Dott. Stefano Picchio, Dott. Andrea Marchiori.

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0 INTRODUZIONE

Il monitoraggio del territorio richiede uninnovazione costante nei processi e nelle tecnologie di rilevamento dei parametri ambientali. Il telerilevamento, inteso come la ripresa a distanza di un soggetto attraverso dei sensori, in rapida evoluzione sia nelle tecnologie che nelle metodologie, soprattutto per quanto riguarda la ripresa del territorio: sensori sempre pi specializzati e geometricamente pi performanti lo rendono un segmento di ricerca sempre in rinnovamento. Recentemente gli UAV (acronimo di Unmanned Aerial Vehicle, velivoli senza presenza umana a bordo, pilotati da remoto da una stazione a terra) e in particolare i micro-UAV (con peso inferiore ai 2 kg) rappresentano l'ultima frontiera per la ripresa del territorio ad alta risoluzione e a bassa quota di volo. Sui micro- UAV possibile installare diversi sensori che li rendono impiegabili per attivit di monitoraggio del territorio, in ambito urbano e non. Inoltre essi rappresentano una soluzione a basso costo per la creazione di quadri conoscitivi socialmente condivisibili. Al gruppo degli UAV appartengono diverse tipologie di velivoli (aeroplani, elicotteri, dirigibili) e anche velivoli innovativi come elicotteri multi-rotori (quadrirotori e oktorotori) definibili come DRONI automatici. I primi progetti di UAV risalgono agli anni 20 ma solo a partire dagli anni 90, con i primi sviluppi di micro e nano tecnologie, si avuto la possibilit di sperimentare questi velivoli in missioni militari, evidenziando la possibilit di non esporre a rischio un essere umano. I micro-UAV hanno avuto un recente sviluppo conseguente alla crescita dellaffidabilit e della riduzione

dei costi nella produzione di sensori basati su nano-tecnologie. Il progetto ha avuto come scopo quello di realizzare una serie di applicazioni attraverso limpiego di piattaforme micro-UAV in grado di sorvolare in modo autonomo porzioni di territorio e rilevarne diversi parametri. I quadrirotori, dotati di sensoristica dedicata, hanno realizzato immagini aeree georiferite a bassa e bassisima quota nei campi del visibile e dellinfrarosso, fornendo i dati di base permolte elaborazioni di immagini sino ad ora possibili solo a partire da dati provenienti da riprese aeree o satellitari. Tra gli obiettivi si era posta sia la possibilit di effettuare indici di vegetazione (NDVI), individuare e mappare lumidit dei suoli e sia quella di impiego di camere termiche e di laser scanner al fine di effettuarecon le primeuna mappatura termica di edifici o infrastrutture in modo continuo, sorvolando e riprendendo loggetto; mentre

con i secondi possibile effettuare dei rilievi tridimensionali di oggetti o porzioni di territorio. Le problematiche affrontate hanno riguardato lottimizzazione del volo dei quadrirotori, lintegrazione di sensori specializzati relativamente al consumo energetico degli stessi e in termini di payload(e quindi di autonomia di volo). Il progetto si concluso nel febbraio del 2011 e nel presente documento sono riportati i test effettuati,i risultati ottenuti, e alcune considerazioni finali sulla piattaforma, al fine di delineare un quadro consuntivo di tutta lattivit di ricerca, che metta in evidenzai pro e i contro della piattaforma micro-UAV, gli sviluppi futuri e gli impieghi possibili. Lo sviluppo della piattaforma e dellintero progetto di ricerca ha visto coinvolto oltre allo spin-off Unisky s.r.l. dellUniversit Iuav, ricercatori del gruppo di ricerca in Nuove Tecnologie per lInformazione Ambiente e Territorio e il Dott. Geol. Mario Pizzolon.

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1 OBIETTIVI DEL PROGETTO

Il progetto di ricerca si pone come obiettivo quello di analizzare le potenzialit di utilizzo dei micro-UAV e del contributo che questa metodologia di raccolta di informazione geografica pu fornire al completamento di database tematici legati al territorio e allambiente. Per perseguire questi obiettivi il progetto di ricerca si strutturato in tre fasi:

la prima legata alla progettazione, costruzione e test delle capacit di volo e di payload (capacit di carico in assetto di volo),

la seconda in cui si dovr realizzare una procedura di volo dedicata, in grado di far volare i quadrirotori in modo autonomo o semi autonomo,

la terza in cui sono stati effettuati test su sensori specifici o procedure di rilievo.

2 PANORAMICA DELLE TECNOLOGIE DISPONIBILI

Le origini dei quadrirotori sono probabilmente da individuare negli esperimenti di piattaforma volante e Jeep volante condotti dalle forze armate americane, nel secondo dopoguerra. Si cercava di riprodurre la praticit delle normali Jeep in un veicolo volante con pi vaste possibilit d'uso. Vennero sperimentate varie configurazioni a una o pi eliche o turbine. Uno dei primi apparecchi di cui si ha notizia il DE LAKNER AEROCYCLE DH-4, equipaggiato con un motore a pistoni da 32 kW, e due eliche contro-rotanti da 4,54 metri di diametro. Era alto 2,13m peso ODV 206 Kg. Velocit massima 120Km/h, altitudine massima 1.500m.

Figura 1 - De LAnker Aerocycle DH-4

La storia dello sviluppo dei micro-UAV una storia recente che nasce nei primi anni del 2000 con la creazione, da parte di Daniel Gurdan, dei primi prototipi sviluppati successivamente con in contributo di Jan Stumpf. Il primo velivolo a 4 rotori messo in commercio stato lX-UFO nel 2005.

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Figura 2 - X-UFO kit

Quattro piccoli motori con spazzole ed eliche controrotanti, telaio leggerissimo in carbonio con protezione in EPP, elettronica di controllo. La stabilizzazione orizzontale effettuata da un giroscopio meccanico.

Figura 3 - Giroscopio meccanico

La rotazione sull'asse verticale non stabilizzata. La radio ricevente incorporata nella scheda principale. Successivamente alla commercializzazione dell' X-UFO, stato realizzato e commercializzato un modello estremamente pi avanzato lX3D-BL, dotato di motori brushless, regolatori a mosfet, stabilizzazione con 3 giroscopi piezoelettrici, batteria LI-PO, radioricevente ACT.

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Figura 4 - X3d-BL

Da questo background nascono i micro-UAV (acronimo di Unmanned Aerial Vehicle con peso inferiore ai due chilogrammi in assetto di volo) che rappresentano l'ultima frontiera per la ripresa del territorio ad alta risoluzione e a bassa quota di volo. Tali oggetti si collocano di fatto in una fascia di quota sino ad ora occupata da alcuni palloni aerostatici o ultraleggeri, senza presentare per problematiche legate alluso di gas (palloni) o alla necessit di avere avio superfici di decollo.

Figura 5 - Fasce di quota di "lavoro" di diverse piattaforme

A livello mondiale stanno nascendo produttori di velivoli multi rotori con diverse vocazioni, dallhobbistica al rilievo professionale di porzioni di territorio sino alla video-sorveglianza. In seguito se ne citano alcuni tra i pi rilevanti, sia dal punto di vista commerciale sia per lalta qualit dei loro prodotti.

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2.1 Mikrodrones GmbH

La tedesca Microdrones GmbH, fondata nell'ottobre del 2005 da un team di tecnici aereonautici, ha come obiettivo lo sviluppo e la produzione di velivoli a VTOL AUMAV's (VTOL = Vertical Take Off and Landing, AUMAV = Autonomatic Unmanned Aerial Vehicle Micro). Il primo prodotto realizzato l'MD4-200, nellaprile 2006 seguito poi dall MD4 1000 di dimensioni maggiori e maggiore capacit di carico.

MD4 200 MD4 1000

Il livello di ingegnerizzaizone del prodotto elevato e i droni a catalogo vengo venduti completi di case per il trasporto, stazione di terra e ricca dotazione software. I costi sono elevati, nellordine dei 20.000 euro e sino ad ora la rete dei rivenditori e centri di assistenza molto limitata.

2.2 Ascending technologies

Societ austriaca che realizza prodotti di alto contenuto tecnologico votati prevalentemente al mondo della ricerca e del hard tesintg. Il nome della societ evocativo per le piattaforme multi-rotore (i cosiddetti UAV, UAS, MAV o robot aerei), realizzando modelli di produzione in serie o sistemi altamente personalizzati che soddisfano diverse esigenze di volo. I prodotti Asctech sono impiegati da molti centri di ricerca per effettuare soprattutto applicazioni di voli totalmente automatici anche in zone GPS DENIED sfruttando sensori complessi come laser scanner e intelligenza artificiale. Il catalogo tematizzato e propone dei prodotti pre-ottimizzati per diverse attivit.

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2.3 Dragan fly

Societ canadese fondata nel 1998 da Zenon and Christine Dragan. Il Draganflyer stato originariamente progettato per essere facile da pilotare e a bassa manutenzione. Levoluzione del progetto si spinto sino allo sviluppo di una vera o propria piattaforma per il rilievo e la video ripresa aerea professionale:ad oggi pi di ottomila Draganflyers sono stati venduti in tutto il mondo. Draganfly Innovations Inc. ha vinto numerosi premi ed stato anche presentato in innumerevoli riviste e programmi televisivi come bene.

2.4 Mikrkokopter

Mikrokopter un progetto di Hardware Open source che si sviluppa allinterno dellUc-group, supportato dal computer group di Hesel (Ostfriesland Germania Nord), concretizzatosi intorno a Ingo Busker e Holger Buss, un gruppo di lavoro dedicato allo studio dei microcontrollori. La societ attualmente denominata HiSystems GmbH. Il progetto ha riguardato limplementazione di alcune schede sperimentali, che sono diventate il primo nucleo di una attivit in bilico fra l'ambito commerciale e quello didattico Le schede didattiche sono tuttora commercializzate, ma il punto forte dell'attivit diventato il MiKroKopter: quadrirotore molto evoluto, dalle prestazioni semi-professionali che ha portato alla nascita di Mikrokopter Gmbh. Il sistema sviluppato da una community composta da:

Holger Buss (Main developer) Ingo Busker (Main developer) Nebukad (wiki team) Ligi (software developer and betatester) HGDL Steff

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KeyOz Teschi Narayan (wiki team)

La community ha coinvolto membri in tutta Europa: nellAprile del 2009 era cos distribuita:

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3 IL METODO DI VOLO

Il principio fisico alla base del volo del quadrirotore :

Dove: M - la massa del velivolo g - costante di accelerazione gravitazionale R - altre azioni resistenti (inerzia, attrito) T - la forza di trazione che il velivolo deve fornire per il moto. Il quadrirotore riesce a sollevarsi in volo perch la rotazione di un elica immersa in un fluido (qui aria) genera su di essa una forza propulsiva, detta trazione. Si genera per sullelica anche una coppia resistente dovuta allattrito fluidodinamico tra elica e aria dovuta anche alla forma dellelica stessa.

Figura 6 - Principi del volo del quadrirotore

Nel quadrirotore, a differenza di quanto accade in un elicottero, si agisce sulla velocit di rotazione delle eliche per variare la quantit di trazione prodotta. Tuttavia variando la velocit di rotazione cambia anche la coppia resistente.

3.1 Volo stazionario Hovering

La piattaforma si caratterizza per elevata stabilit in volo, soprattutto in condizioni di hovering volo a punto fisso, consiste nel volo sostentato a velocit nulla e quota costante, condizione necessaria per lacquisizione di immagini. Due eliche, disposte sullo stesso asse, ruotano in senso orario, le altre due lungo laltro asse in senso antiorario ma tutte allo stesso numero di giri. Di conseguenza: Le azioni di trazione generate dalle eliche sono tutte uguali in modulo; le coppie derivanti sono uguali in modulo ma opposte di verso.

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Figura 7 - Volo stazionario "hovering"

Le frecce azzurre NON indicano il verso di rotazione dellelica ma la coppia resistente agente su di essa, che ha verso opposto alla rotazione dellelica.

3.2 Volo avanzante

Figura 8 - Volo avanzante verso sx

Assumendo il rotore n1 arbitrariamente come la prua del velivolo, per avanzare nel verso indicato dalla freccia gialla necessario ruotare attorno allasse 2-4, detto asse di beccheggio. Ci si ottiene aumentando la trazione nel rotore posteriore(n3). Contemporaneamente si diminuisce la trazione nel rotore anteriore (n1). In questo modo la coppia totale sempre in equilibrio.

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3.3 Volo laterale

Figura 9 - Volo laterale

Per avanzare nel verso indicato dalla freccia gialla necessario ruotare attorno allasse 1-3, detto asse di rollio. Analogamente a quanto accade nel moto avanzante ci si ottiene aumentando la trazione nel rotore laterale destro(n2) e contemporaneamente diminuendo la trazione nel rotore laterale sinistro (n4) per mantenere lequilibrio della coppia totale.

3.4 Imbardata

Figura 10 - Rotazione su l'asse principale

Il velivolo ruota come indicato dalla freccia gialla attorno allasse di imbardata, che ortogonale al piano su cui giacciono le 4 eliche. Limbardata si ottiene aumentando la trazione, quindi la coppia, nei rotori 1 e 3 e contemporaneamente diminuendo la trazione e la coppia nei rotori 2 e 4. Laumento di trazione/coppia su due rotori

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uguale alla diminuzione delle stesse grandezze sugli altri due,cos che lunico effetto sia limbardata stessa e non anche una variazione di quota.

Figura 11 - Esempio di log del quadrirotore

Se il quadrirotore dotato di Navi Control (scheda che si occupa della gestione del volo automatico) e antenna GPS, si ha la possibilit di registrare la traccia di volo su una scheda microSD installata a bordo, in due formati: *.gpx (con estensioni personalizzate) e *.kml. La traccia sar analizzata nel dettaglio nel paragrafo XX. Lassetto del quadrirotore registrato tra i parametri della traccia di volo nel tag del file *.gpx, vengono registrati :

quota direzione rispetto al nord, valori di alimentazione angoli sui tre assi.

Figura 12 - Angoli che vengono registrati dalla traccia di volo.

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4 MODALIT DI PILOTAGGIO

4.1 Volo a vista

Consente il trasporto dei sensori con lutilizzo del radiocomando fino ad un massimo di circa 250 m rispetto alloperatore. Maggiormente indicato in zone ristrette e accessibili (sito archeologico, discarica, incrocio stradale).

4.2 Volo FPV (First Person View, volo in prima persona)

Consente un avvicinamento maggiore allobiettivo da rilevare poich il pilotaggio avviene con un visore che riceve le immagini direttamente da una telecamera posta sul velivolo. Indicato in aree morfologicamente complesse e pericolose (riprese di zone di distacco di frane, superamento di ostacoli quali fiumi e altre barriere, avvicinamento in luoghi contaminati).

4.3 Volo autonomo

Garantisce il massimo della sicurezza sulle lunghe distanze. La traiettoria di volo preimpostata e la posizione del velivolo controllata o dal GPS di bordo o da un sistema alternativo.

5 LA PIATTAFORMA ADOTTATA

Dopo una iniziale analisi di mercato il gruppo di lavoro ha deciso di adottare la soluzione proposta Mikrokopter per lelevata possibilit di personalizzazione, per la facilit di manutenzione e non per ultimo per leconomicit.

Figura 13 - Visori per il volo

FPV

Figura 14 Schematizzazione del volo automatico

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Il gruppo di lavoro aveva a disposizione un totale di tre velivoli multirotore (configurazione quadrirotore) cos composti: due velivoli MikroKopter con moduli in radiofrequenza, GPS e Flight Control per il volo autonomo; un velivolo quadrirotore MK con sistema completo per il volo FPV (First Person View). Le caratteristiche dei velivoli sono:

Quadrirotore MK Basisset M2

Kit di costruzione Quadrirotore MK Basisset M2 Ricevente ACT DSL-4ST-35RT Quarzo della ricevente Quarzpaar K52 Pulpito della trasmittente Contest Carbon MX NaviCtrl MK GPS Magnetometro MK3MAG n. 4 Kombi-Propellermitnehmer 1045 protezione GPS Haube 64

Gli accessori in dotazione dei velivoli di propriet Unisky sono: - Trasmittente Graupner MX-16s 35/35B Mhz (English). - Caricabatterie con equilibratore e alimentatore professionale Lipo Ultramat16. - Sistema a culla per alloggiamento camera fotografica con mantenimento della posizione nadirale durante il volo e lo scatto. - Batterie Lipo Vislero 2200 - n. 10 coppie di eliche EPP1045 I velivoli sono equipaggiati con schede e componentistica utile al volo (barometri, accelerometri, GPS etc) e possono trasportare sensori dedicati a diverse tipologie di rilievo.

Figura 15 - Dettaglio del "Castello della sensoristica" utile per il volo.

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I sensori sono trasportati su apposite culle con caratteristiche hardware diverse, alcune sono nadirali stabilizzate per il mantenimento della verticale (fig. 16), altre sono inclinabili con gradazione definibile per riprese prospettiche.

Figura 16 - Culla stabilizzata.

Figura 17 - Fotocamera grandangolare GoPro

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5.1 Il Sistema MK

Il sistema micro-UAV di MikroKopter la piattaforma di volo scelta per il presente lavoro di ricerca. I velivoli sono forniti in kit di montaggio:

Figura 18 - Kit MK

La struttura di base composta da un telaio in alluminio con i quattro bracci disposto luno a 90 dallaltro.

Figura 19 - Telaio

Il cuore del velivolo rappresentato dalla flight control, la scheda che raccoglie accelerometri, processore, sensore di pressione e sistema di accensione.

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Figura 20 - "cuore" del quadrirotore - La Flight Control

A questa sono collegati i motori e la batteria secondo il seguente schema:

In particolare lassetto di quadrirotore con motori BL da 3 celle Lipo 1100 Umin/V, 4-8 A (Roxxy2824-34), interasse motori 40 cm, consente il trasporto efficiente con volo a vista, FPV e semiautonomo, fino a un carico utile di circa 500 grammi utilizzando delle eliche morbide EPP da 10x4.5 pollici. Il grafico che segue rappresenta l'efficienza del sistema prescelto eliche-motori. Tale efficienza in termini di trasporto elevata per bassi valori di corrente, ovvero fino a circa 2A e per correnti superiori (fino a valori massimi di 8 A) il rapporto peso trasportato / consumo diventa costante.

Flight Control

Motore 1

regolatore

Motore 4

regolatore

Motore 3

regolatore

Motore 2

regolatore

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Figura 21 Grafico Spinta(Schub)-Corrente (Strom)

Il payload disponibile ha permesso il trasporto di una camera semiprofessionale e di alcune tipologie di sensori ambientali. Per quanto riguarda il sistema di controllo di volo (FlighCtrl), esso tutto allestito in ununica scheda che contiene un microprocessore Atmega 644P e alcuni sensori necessari per un volo stabile. Tre giroscopi consentono di individuare lassetto spaziale del velivolo e quindi di controllare le azioni esterne. Gli accelerometri permettono di derivare le variazioni di velocit nelle tre direzioni dello spazio. Infine un pressiometro consente di mantenere il multirotore su una prestabilita quota di volo. La FlighCtrl pu essere collegata ad un PC, quindi letta e impostata tramite il software MK-Tool. Il regolatore (AVR ATMEGA8 della Atmel) di ogni singolo motore collegato alla FlighCtrl attraverso il sistema Bus I2C. Ogni regolatore contraddistinto da un proprio indirizzo riconoscibile dal microprocessore. La piattaforma in dotazione stata attrezzata anche con la NaviCtrl (con microcontrollore ARM9) collegata ad un GPS ed un magnetometro (MK3MAG) in modo da rendere possibile il volo semiautonomo e la posizione stabile di hoovering. E necessario il fixing con almeno 4 satelliti ma per un volo sicuro sono consigliabili almeno 6 satelliti. La Navicontrol in grado d registrare su memoria microSD (formattazione 16FAT fino a 2GB) il percorso in formato *.km le *.gpx. Il magnetometro MK3MAG dotato di un sensore a 3 assi ed il microcontrollore ATMEGA168 serve per la stabilizzazione azimutale durante il volo e deve essere calibrato.

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5.2 Mikrokopter Tool

Mirkokpter mette a disposizione un software che permette di controllare da remoto alcuni parametri fondamentali del quadrirotore, gestire alcune funzioni estese, configurare e aggiornare il firmware delle diverse schede. Tale software, che prende il nome di Mikrokopter Tool, sviluppato dalla stessa Mirkokopter in forma freeware liberamente scaricabile dal sito web mikrokopter.de.

Figura 22 - Screenshot Mikrokopter tool

Le funzioni principali del software sono di gestione, aggiornamento e visualizzazione (anche in tempo reale) dei parametri proveniente dai sensori di bordo del quadrirotore (accelerometri, bussola, giroscopi).

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6 SENSORISTICA DEDICATA

Il velivolo si presta ad essere impiegato per molteplici attivit di rilievo installando a bordo diversi sensori. Il principale criterio che guida nella scelta del sensore da installare a bordo del velivolo legato al peso delloggetto, al suo sistema di alimentazione e alla velocit di campionamento (sia in caso di macchina fotografica che di sensore chimico). Le tecnologie individuate e impiegabili sul quadrirotore sono di tipo multi spettrale, visibile RGB, sensori ambientali MEMS, Laser scanner. Tra i sensori individuati alcuni sono stati testati sul quadrirotore e sono riportate nei paragrafi successivi.

6.1 Multispettrale TETRACAM ADC lite

Per lutilizzo sul quadrirotore mini-UAV stata individuata una camera multi spettrale a 3 bande di piccole dimensioni (TETRACAM ADC LITE) e peso contenuto (200gr ca.) da impiegare in analisi ambientali dove necessaria la componente NIR (Near Infra Red).

Figura 23 - Tetracam ADC Lite

Figura 24 - Tetracam ADC Lite - Esempio di NDVI

Camera multispettrale (Green, Red & NIR) con risoluzione di 3.2 megapixel (CMOS sensor, 2048x1536 px). Immagini memorizzabili in 3 diversi formati:

10 bit DCM, 8 bit RAW e 10 bit RAW. Dimensioni: 114mm x 77mm x 22mm Peso: 200gr. Alimentazione: 5-12 V DC Ingresso dedicato RS232 per NMEA GPS

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Con la fotocamera effettuare diverse elaborazioni: NDVI, SAVI, Canopy Segmentation e il rapporto NIR/Green. La camera in oggetto stata impiegata per un volo realizzato su un vigneto; i problemi riscontrati hanno riguardato essenzialmente la messa a fuoco a causa della focale fissa.

Composite 432 NDVI NIR

6.2 Macchine fotografiche con culla

La fotografia e la ripresa aerea sono tra le prime aree di ricerca e sviluppo che hanno interessato appassionati e ricercatori nel campo dei quadrirotori e in generale dei sistemi UAV. Il problema maggiore nellimpiego di macchine fotografiche e video camere a bordo dei velivoli rappresentato dalle vibrazioni. Altre difficolt si hanno nello scatto, nella messa a fuoco e nella distorsione di alcune lenti. I problemi relativi alle vibrazioni sono risolvibili con limpiego di culle dotate di sistemi di smorzamento delle vibrazioni.

Figura 25 - Culla artigianale per installazione di macchina fotografica prospettica

Tali culle sono dotate di servo comandi dedicati alla pressione del pulsante di scatto qualora la macchina fotografica non sia automatizzata con intervalli di scatto temporizzati. Recentemente sono state realizzate culle servo assistite che rilevano lassetto del velivolo e correggono la nadiralit dello scatto correggendo lassetto della culla su due assi, come mostrato in figura seguente.

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Figura 26 - Culla per scatti nadirali

Figura 27 - Esempio di scatto prospettico

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Figura 28 - Esempio di scatto nadirale - Centro Storico Feltre

Figura 29 - Scatto prospettico

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Figura 30 - Strisciata

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6.3 Laser scanner

Recentemente levoluzione e la miniaturizzazione di diverse componenti ha permesso la realizzazione di Laser Scanner di piccole dimensioni, basso peso e bassi consumi. In particolare la societ Giapponese Hokuyo sta sviluppando diverse soluzioni. In particolare lHokuyos URG-04LX con range di scansione da 20 centimetri a 4 metri (1mm di risoluzione, 240 apertura e 0,36 di risoluzione angolare), ha bassi consumi (5v 500ma), interfaccia USB serial (RS-232) e peso contenuto.

Figura 31 - Laser scanner Hokuyo's

Il velivolo con a bordo il laser scanner ricostruisce lambiente circostante e in tempo reale lo elabora ricreandosi lo spazio reale in cui si muove. In questo modo il velivolo pu volare in automatico superando ostacoli complessi anche allinterno di edifici o in luoghi senza la copertura GPS o di altre tecniche di posizionamento radio. Non stato possibile testare il nostro velivolo con un sistema laser scanner, tuttavia nel panorama degli enti di ricerca su velivoli UAV sono numerosi i video che nostrano limpiego dei laser scanner su velivoli multi rotori.

Figura 32 - Esempio di rilievo dellambiente tramite laser scanner installato sul quadrirotore. Il laser scanner stato

utilizzato dal MIT di Boston.

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(Visualizzare per il dettaglio il video: Robust Aerial Navigation in GPS-Denied Enivronments su Youtube).

Link video Robust Aerial Navigation GPS Denied

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7 RICERCA EFFETTUATA

Sulla piattaforma micro UAV sono stati realizzati diversi test che hanno portato anche alla definizione di nuove procedure operative descritte approfonditamente nel paragrafo XXX. I test effettuati hanno riguardato:

Verifica del volo (test 1) Registrazione della traccia (test 2) Il volo autonomo (test 3) Test di sensoristica varia Scatti e impostazioni della camera (test 4) Test di rilievo di area estesa (test 5) Test in area montana Procedura di Georeferenziazione automatica Rapid Mapping

La strumentazione di corredo impiegata in tutti i test la seguente:

GPS TRIMBLE Geoexplorer XM + software Arcpad per posizionamento dei target Palmare HTC connessione HDSPA GPS Datalogger Macchina fotografica Nikon Coolpix p6000 con GPS integrato Quadrirotore con GPS e sistema di volo automatico Netbook con MK-Tools v1.66b Trasmettitore-ricevitore Zigbee Xbee PRO.

Figura 33 - Strumentazione impiegata

Sono stati realizzati anche alcuni software specifici per la georeferenziazione automatica e la pianificazione del volo con la realizzazione di piani di volo che sono descritti nei capitoli successivi.

7.1 Test 1: Verifica del volo

Lo scopo del test stato quello di verificare le condizioni di base da cui iniziare per la predisposizione di un quadrirotore, dei tre di propriet del gruppo di ricerca NT&ITA, per la ripresa fotografica utilizzando la macchina fotografica NIKON Coolpix P6000 con GPS integrato gi in possesso del gruppo di ricerca. Inoltre si voleva testare e verificare il volo automatico su un percorso semplice (rettangolare di dimensioni 20 x 40 m) confrontando la traccia pre-impostata con la traccia effettuata dal quadrirotore e registrata da un datalogger GPS installato sul quadrirotore. Per la verifica dellimpronta a terra della macchina fotografica stato realizzato un volo verticale a quote diverse con scatto. Il test stato effettuato nelle campagne di Istrana, pilota Mario Pizzolon. Metodologia Area Rettangolare: Posizionamento di 4 target di dimensioni A3 sui vertici di un rettangolo di dimensioni 20 x 40 mt e un target centrale sulla diagonale e successivo rilievo GPS con TRIMBLE (DOP costante 2,6 con correzione WAAS/

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EGNOS, numero dei satelliti sempre maggiore di 8 per tutta la durata del test); contemporaneamente rilievo punti con NONI e HTC per test (fig.32).

Figura 34 - Schema del volo automatico

I punti rilevati con il GPS TRIMBLE in formato Gradi, decimi di grado sono stati inseriti con 5 decimali nel sistema di volo automatico del quadrirotore. La macchina fotografica impostata sul programma di scatto automatico ogni 30 secondi, con GPS acceso, sistema antivibrazioni attivato e il GPS datalogger sono stati assicurati al quadrirotore attraverso del nastro isolante, in asse con lantenna GPS del quadrirotore (fig.33).

Figura 35 - Strumenti di bordo

Risultati Linquadramento geografico dei target attraverso il rilievo GPS (TRIMBLE GEO XM) risultato molto soddisfacente, il DOP sempre costante (2,6 con tratti a 2,2 e alcuni punti a 1) e lorizzonte nella zona prescelta molto aperto. I buoni risultati errano anche prevedibili dallalmanacco seguente.

31

Figura 36 - Almanacco GPS della Stazione di Istrana (TV)

Stazione di Istrana (TV): Nord 4544; Est 128; Altezza 0m Validit: 9::00 13:00 (UTCC +2h) del 02/002/2010.

Soglia di elevazione 10;; Satelliti: 39 (30 GPS, 9 WAAS/EEGNOS); Ostacoli: 0%

Figura 37 - Posizionamento delle mire.

La traccia di volo del quadrirotore purtroppo non stata registrata a causa di un problema legato alla micro-SD. Questultima infatti uscita dallalloggiamento e non ha permesso la registrazione dei dati. Lunica traccia di volo disponibile quella del datalogger installato sotto il quadrirotore. La traccia molto complessa e presenta diversi punti che si discostano notevolmente dalla traccia,a causa forse di interferenze. In post produzione stata isolata la traccia di percorso del rettangolo pre-impostato. La traccia risulta traslata verso NE di circa 12 metri dai punti GPS (fig.39).

32

Figura 38 - In blu il tracciato di volo

Durante lascesa verticale il datalogger installato a bordo non ha funzionato e non ha fornito quindi la traccia. Le cause sono sconosciute; forse la temperatura (da -4 a 0 durante tutta la durata del test) ha creato problemi alle batterie. Le immagini riprese durante la salita verticale sono state prese a quattro step di quota (10 m,30 m,50 m,85 m) per non riconducibili in quanto non presente la traccia GPS. I target di dimensioni (42 x 29,7 cm) sono ben visibili. Su due immagini stato possibile fare una georeferenziazione basandosi sui target a terra.

Figura 39 - Imamgine di esempio

Le problematiche da risolvere per i prossimi test sono molte e riguardano soprattutto linstallazione e le impostazioni della macchina fotografica con la riduzione delle vibrazioni e una migliore impostazione dello scatto. Da verificare i problemi al Datalogger GPS.

33

7.2 Test 2: Registrazione della traccia di volo

Un test stato realizzato per analizzare la traccia registrata dal quadrirotore e verificare i parametri che il quadrirotore registra. La traccia viene memorizzata su una micro-sd in formato *.gpx. MikroKopter Flight 7.320 2009-10-18T09:38:38Z 7 092 138 3 12.1 195 078 002 000 01 000 0 4, 0, 0 0, 0, 0 7.346 2009-10-18T09:38:39Z 7 094 183 4 12.0 199 082 000 -02 01 000 0 1, -2, 0 0, 0, 0 Analizzando il file, oltre ai tag standard che definiscono lXML importante elencare la quantit di informazioni presenti nei tag di Exstension:

Velocit GroundSpeed>138 /GroundSpeed> 138 m/s

Tempo di FlightTime>3 /FlightTime> 3 min

34

volo

Voltaggio batteria

Voltage>12.1 /Voltage> 12,1 V

Qualit di ricezione segnale

radio

RCQuality>195 /RCQuality> 195 db

Direzione rispetto al

nord Compass>078 /Compass> 78N

Angolo di pitch

NickAngle>002 /NickAngle> 2

Angolo di roll RollAngle>000 /RollAngle> 0

NCFlag>01 /NCFlag> 1 Direzione

rispetto al target

TargetBearing>000 /TargetBearing> 0

Distanza dal target

TargetDistance>0 /TargetDistance> 0

RCSticks>4, 0 0 /RCSticks> 4

GPSSticks>0, 0 0 /GPSSticks> 0 Che rappresentano di fatto i parametri di volo e di assetto in volo del quadrirotore.

35

Figura 40 - Esempi di tracce di volo visualizzate in 3D su piattaforma Google Earth

7.3 Test 3: Volo automatico

Lo scopo del test era quello di verificare il comportamento in volo del quadrirotore fornendo un piano di volo, ricevendo a terra la telemetria del velivolo e realizzando una prima serie di scatti. Il test si svolto nella ex-cava di ghiaia di Istrana (TV) usata come campo volo per i test. La stazione di terra stata dotata di: - Software GIS e per elaborazione delle immagini; - Trasmissione radio con il velivolo con tecnologia ZIGBEE - Videoserver convertitore analogico-digitale per video streaming - Software telemetria e gestione del piano di volo. Il velivolo dotato di : - Antenna GPS - Sistema di controllo del volo (flight control e navi control) - Micro SD - Trasmettitore ZigBee/xBee

36

- Culla stabilizzata

Figura 41 - Quadrirotore in assetto di volo con culal stabilizzata.

Il volo si doveva tenere lungo 8 punti di interesse (waypoint Punti Obiettivo) con un tempo di stazionamento per ogni punto di 8 secondi e un buffer di raggio 5 m.

Figura 42 - In rosso i target, in blu la traccia di volo eseguita dal quadrirotore. I cerchi azzurri visualizzano il buffer intorno ai punti

di interesse.

punto

obiettivo PiBB PiBA Pt DM (metri)

1 8 8 3,69

2 8 4 12 2,96

3 8 3 11 3,94

4 8 4 12 4,05

37

5 8 5 13 4,60

6 8 3 11 5,59

7 8 4 12 6,88

media 8 3,8 11,3 4,5

Legenda:

PiBB - punti all'interno del buffer prima di cambiare obiettivo (velocit bassa con traiettoria tendenzialmente circolare intorno all'obiettivo). PiBA - punti all'interno del buffer dopo aver cambiato obiettivo (in accelerazione). Pt punti totali all'interno del buffer DM - distanza media dall'obiettivo dei punti entro il buffer (metri)

Analizzando la traccia di volo e la tabella con i valori calcolati si identifica che : - l'obiettivo di 8 secondi per punto obiettivo viene perfettamente rispettato; - inoltre, in questo arco temporale la velocit ridotta e la traiettoria tendenzialmente circolare intorno all'obiettivo; - durante la permanenza nellarea di buffer, non sembra che il quadrirotore tenda ad avvicinarsi il pi possibile al punto obiettivo, gli sufficiente tenersi dentro il buffer; - i 3 o 4 secondi di uscita dallarea di buffer, dopo che avvenuto il cambio di obiettivo, producono molto probabilmente immagini mosse perch il quadrirotore accelera vistosamente in vista del suo prossimo obiettivo; - in complesso ci sono circa 11 punti all'interno del buffer di 10m di ciascun obiettivo, per un totale di 79 punti (scatti) "buoni" vicino al target; - la distanza media dall'obiettivo dei punti entro il buffer di 4,5 m; - si osserva un peggioramento di questa distanza man mano che il volo procede dal primo all'ultimo punto: si passa da circa 3 metri per i primi tre punti obiettivo ai 6-7 degli ultimi due punti obiettivo, segno di un affaticamento del sistema di sensori che coadiuvano il volo.

7.4 Test 4: Scatti e impostazioni della fotocamera

La fotocamera impiegata a bordo del quadrirotore la Nikon Coolpix P6000, con le caratteristiche tecniche gi descritte. Sulle dimensioni di questa fotocamera compatta stata costruita la culla che permette di mantenere la nadiralit degli scatti e, sempre su questa fotocamera, sono stati effettuati dei test per ricostruire i parametri di orientamento interno utili per limpiego fotogrammetrico della stessa.

38

Figura 43 - Griglia di calibrazione della fotocamera

I parametri di assetto interno della camera sono stati ricostruiti con limpiego di un software specifico che ha fornito la seguente scheda di sintesi: Status Report Tree Project Name: *** NIKON p 6000 *** Information from most recent processing Last Processing Attempt: Thu Oct 07 10:51:52 2010 Status: successful Processing Options Orientation: off Global Optimization: on Calibration: on (full calibration) Constraints: off Total Error Number of Processing Iterations: 3 Number of Processing Stages: 2 First Error: 3.843 Last Error: 3.807 Precisions / Standard Deviations Camera Calibration Standard Deviations Camera1: COOLPIX P6000 [6.00] Focal Length Value: 6.413415 mm Deviation: Focal: 0.002 mm Xp - principal point x Value: 3.903279 mm Deviation: Xp: 9.3e-004 mm Yp - principal point y Value: 2.897293 mm Deviation: Yp: 0.001 mm Fw - format width Value: 7.715424 mm Deviation: Fw: 3.8e-004 mm Fh - format height Value: 5.785714 mm K1 - radial distortion 1 Value: 5.209e-003 Deviation: K1: 2.4e-005 K2 - radial distortion 2 Value: -1.174e-004 Deviation: K2: 1.3e-006 K3 - radial distortion 3 Value: 0.000e+000 P1 - decentering distortion 1 Value: 1.313e-004 Deviation: P1: 7.0e-006 P2 - decentering distortion 2 Value: 5.890e-005 Deviation: P2: 8.1e-006 Quality Photographs Total Number: 12 Bad Photos: 0 Weak Photos: 0 OK Photos: 12 Number Oriented: 12 Number with inverse camera flags set: 0

39

Cameras Camera1: COOLPIX P6000 [6.00] Calibration: yes Number of photos using camera: 12 Average Photo Point Coverage: 77% Photo Coverage Number of referenced points outside of the Camera's calibrated coverage: 0 Point Marking Residuals Overall RMS: 0.476 pixels Maximum: 6.145 pixels Point 80 on Photo 6 Minimum: 0.216 pixels Point 41 on Photo 7 Maximum RMS: 2.128 pixels Point 80 Minimum RMS: 0.145 pixels Point 41 Point Tightness Maximum: 0.0034 m Point 80 Minimum: 0.00021 m Point 85 Point Precisions Overall RMS Vector Length: 0.000127 m Maximum Vector Length: 0.000137 m Point 88 Minimum Vector Length: 0.000124 m Point 1001 Maximum X: 6.86e-005 m Maximum Y: 6.9e-005 m Maximum Z: 9.74e-005 m Minimum X: 5.89e-005 m Minimum Y: 5.88e-005 m Minimum Z: 9.12e-005 m

Altre impostazioni da configurare hanno riguardato: - Lo scatto multiplo, impostato su sequenza con scatto ogni 2 secondi. - La messa a fuoco a infinito. - Lalloggiamento della camera sulla culla. In seguito sono stati realizzati una serie di scatti nellarea del ex-cava usata come campo volo/test.

40

Sono stati effettuati anche numerosi voli per testare lo scatto, la rotazione e lassetto della fotocamera.

Figura 44 - Scatti di esempio

Edificio ex-cava Istrana

Dettaglio 100%

41

7.5 Test 5: Test di rilievo di area estesa

Alla luce di tutti i risultati e i parametri ottenuti da tutti i test precedenti stata realizzato un test conclusivo sullarea di volo della ex-cava con lobiettivo di realizzare la copertura fotografica aerea completa della cava stessa. Il test ha riguardato: - un volo automatico a quota di 98 m con 8 waypoint a copertura completa della cava, con stazionamento di 12 secondi per punto e buffer di 3 m. - realizzazione di scatti nadirali automatici ogni 2 secondi a copertura completa dellarea. - Test della procedura automatica di georeferenziazione Rapid Mapping. - Mosaicatura e georeferenziazione manuale del mosaico di copertura dellintera area. Punto uno: Volo automatico Il volo si doveva tenere lungo 8 punti di interesse (waypoint Punti Obiettivo) con un tempo di stazionamento per ogni punto di 8 secondi e un buffer di 10 m.

Figura 45 - In rosso i target, in blu la traccia di volo eseguita dal quadrirotore.

punto

obiettivo PiBB PiBA Pt DMq (metri) DMs

(metri) Msq

1 10 - 10 1,73 1,51 0,13

2 12 2 14 1,75 1,00 0,51

3 12 2 14 1,40 1,44 0,09

4 9 1 10 2,20 2,20 0,13

5 6 2 8 2,79 1,76 0,16

6 9 0 9 2,42 2,11 0,15

7 9 1 10 1,49 1,91 1,05

8 12 2 14 2,43 2,45 0,09

42

media 9,9 1,43 11,12 2,04 1,8 0,29

Legenda: PiBB - punti all'interno del buffer prima di cambiare obiettivo (velocit bassa con traiettoria tendenzialmente circolare intorno all'obiettivo). PiBA - punti all'interno del buffer dopo aver cambiato obiettivo (in accelerazione). Pt punti totali all'interno del buffer DMq - distanza media dall'obiettivo dei punti entro il buffer (metri) - secondo il quadrirotore. DMs - distanza media dall'obiettivo dei punti entro il buffer (metri) - a giudicare dallo shp. Msq - media della distanza tra il punto in cui crede di essere il quadrirotore e il punto che risulta dallo shp. Analizzando i dati si rileva che: - solo per tre punti (2-3-8) stato raggiunto effettivamente l'obiettivo di 12 scatti/secondi/punti entro un raggio di 3 metri; - per il punto 5 soltanto sei scatti/secondi/punti sono effettivamente dentro il buffer; - per quattro punti (4,5,6,8) la distanza media dei 12 punti che il quadrirotore considera buoni superiore ai 2 metri; - si osserva una discrepanza tra la percezione del quadrirotore di se stesso e la sua localizzazione effettiva rispetto ai target; - per il punto 5 soltanto sei scatti/secondi sono effettivamente dentro il buffer; Punto Secondo: Scatti fotografici Durante il volo, con la fotocamera installata a bordo, stata realizzata una copertura fotografica di tutta la cava. In totale sono stati realizzati 37 scatti, 14 dei quali sono stati mosaicati e georeferiti manualmente ottenendo la copertura completa dellarea di cava.

Figura 46 - Mosaicatura degli scatti effettuati nel campo volo test.

43

44

7.6 Test 6: Stereo coppia e restituzione 3D

Sono stati realizzati alcuni test per lestrazione di nuvole di punti e modelli 3D. Due scatti sono stati utilizzati per realizzare una stereo coppia per la visione stereoscopica.

Figura 47 - Immagine 3D

Altri scatti , soprattutto del centro storico di Feltre e dellarea feltrina dellacquedotto,sono impiegati per ricostruire nuvole di punti 3D attraverso il webservice 3D ARC (http://www.arc3d.be). Attraverso il web service sono resi disponibili un gruppo di strumenti che consentono agli utenti di caricare immagini digitali che vengono elaborate da remoto da alcuni server. Il risultato la creazione di una nuvola di punti 3D.

45

Figura 48 - Nuvola di punti ricostruita dagli scatti aerei, del centro storico di Feltre.

46

8 CONCLUSIONI E ANALISI CRITICA DEI RISULTATI OTTENUTI

8.1 Rapid Mapping georeferenziazione automatica

La procedura che prende il nome di Rapid Mapping stata realizzata dal gruppo di ricerca IUAV sui quadrirotori in collaborazione con lo spin-off Unisky s.r.l. e sfrutta diverse peculiarit del quadrirotore. Un metodo di volo caratteristico del multirotore rappresentato dallhovering (possibilit di stazionare in volo a quote prestabilite) attraverso questa peculiarit si possono realizzare degli scatti nadirali mantenendo la verticale su un punto. Inoltre lelettronica di bordo dei multi rotori composta anche da una stazione inerziale (IMU) basata su giroscopi e accelerometri, i parametri e in particolare gli angoli sui diversi assi nelle tre dimensioni sono registrati e vengono impiegati in post processing per ricostruire lassetto in volo al momento dello scatto. In questo modo la distorsione dello scatto pu essere corretta attraverso gli angoli registrati sul file di log del quadrirotore.

Figura 49 - Schematizzazione del punto di scatto.

Nella figura schematizzato come il punto di scatto di ogni immagine possa essere identificato per ogni istante di volo ricostruendo la sua posizione nello spazio (X1, Y1, Z1), langolo rispetto al nord. Altro parametro importante allinterno di questa procedura rappresentato dalle caratteristiche dellottica della macchina fotografica e dal fattore di scala, che nel caso della camera installata di 1,23 (ad 1 metro di distanza dal target, la lunghezza del lato lungo dello scatto di 1,23 m.) La procedura realizzata per il corretto posizionamento dello scatto su una mappa di base realizzato mediante una semplice procedura geometrica di rotazione di un box rettangolare, che rappresenta il perimetro dello scatto, intorno ad un punto noto, identificato con il baricentro del rettangolo stesso.

47

8.1.1 CARATTERIZZAZIONE GEOMETRICA E TRASLAZIONE

I dati di partenza per la procedura risultano essere i quattro vertici del rettangolo( espressi in coordinate cartografiche utm-32N), a partire dai quali si sono calcolate le grandezze atte a caratterizzare la figura geometrica di riferimento: -le lunghezze dei lati ( L, l) -le diagonali (D1, D2) -il centro della figura O (baricentro definito come luogo geometrico di incontro delle mediane). A partire dal punto O stato effettuata una traslazione di origine, per rendere il punto O (x0, y0), intorno al quale prevista la rotazione, centro del nuovo sistema di riferimento.

Inserire qui i nuovi dati, poi calcola automaticamenteCentro Sistem di riferimento 741052.50281538 5061923.44896623 Traslazione Origine in OBOX X YA 741007.23451538 5061889.49774118 -45.26830000 -33.95122505B 741097.77111538 5061889.49774118 45.26830000 -33.95122505C 741097.77111538 5061957.40019128 45.26830000 33.95122505D 741007.23451538 5061957.40019128 -45.26830000 33.95122505

8.1.2 ROTAZIONEINTORNO AL PUNTO O

Ipotizzando che la direzione del Nord coincida con un angolo di 0, si desumono dai parametri del log di volo langolo di orientamento del quadrirotore, (ovvero angolo di presa della macchina rispetto al nord), che costituir lentit della rotazione da applicare al box di riferimento affinch lo scatto sia correttamente posizionato sulla mappa I dati di partenza per tale procedura sono: -le coordinate dei vertici nel sistema di riferimento con origine in O

-langolo di rotazione applicare assumendo positiva una rotazione in senso antiorario.

Le formule applicate risultano essere le seguenti:

Le figure di seguito illustrano lo spirito della procedura:

48

Figura 50 - Posizionamento dello scatto assumendo come riferimento il centro dell'immagine

Figura 51 - Procedura di rotazione: In verde la configurazione corrispondente ad un angolo di rotazione nullo, cio al solo

posizionamento del box nel centro O; il box blu rappresenta la configurazione successiva alla rotazione dellangolo desunto dai

parametri dellinerziale del quadrirotore per giungere al corretto georiferimento e posizionamento dellimmagine.

Di seguito alcuni esempi di rotazione dei box di riferimento peril posizionamento delle immagini. La combinazione tra hardware (rappresentato dalla culla stabilizzata) e software (che analizza gli assetti al momento dello scatto e la quota) permette di effettuare una georeferenziazione automatica in tempi rapidi degli scatti nadirali realizzati. Al rientro a terra del multi rotore gli scatti realizzati vengono processati congiuntamente alla traccia di volo e ai parametri di assetto, ottenendo in uscita dei file immagine in formato *.jpg con associato il relativo file di georeferenziazione *.jpw.

49

1-angolo 0 I due box: il rosso quello di partenza e il blu quello rotato, coincidono

grad radAngolo 0 0

cos 1sen 0

5061880.00000000

5061890.00000000

5061900.00000000

5061910.00000000

5061920.00000000

5061930.00000000

5061940.00000000

5061950.00000000

5061960.00000000

5061970.00000000

741000.00000000741010.00000000741020.00000000741030.00000000741040.00000000741050.00000000741060.00000000741070.00000000741080.00000000741090.00000000741100.00000000741110.00000000

Box0

O

Y

X

Box2

2-angolo 90: stata imposta una rotazione di 90 positiva, quindi in senso antiorario

grad radAngolo 90 1.570796327

cos 6.12574E-17sen 1

5061870.00000000

5061880.00000000

5061890.00000000

5061900.00000000

5061910.00000000

5061920.00000000

5061930.00000000

5061940.00000000

5061950.00000000

5061960.00000000

5061970.00000000

5061980.00000000741000.00000000

741010.00000000

741020.00000000

741030.00000000

741040.00000000

741050.00000000

741060.00000000

741070.00000000

741080.00000000

741090.00000000

741100.00000000

741110.00000000

Box0

O

Y

X

Box2

3-angolo 30 E stata imposta una rotazione di 30 in senso antiorario, quindi positiva.

grad radAngolo 30 0.523598776

cos 0.866025404sen 0.5

50

5061860.00000000

5061880.00000000

5061900.00000000

5061920.00000000

5061940.00000000

5061960.00000000

5061980.00000000

5062000.00000000

740980.00000000

741000.00000000

741020.00000000

741040.00000000

741060.00000000

741080.00000000

741100.00000000

741120.00000000

Box0

O

Y

X

Box2

La procedura testata nellarea di cava ha fornito risultati molto soddisfacenti, da prima vengono realizzati i bounding box di ogni singola immagine e successivamente creati i file di georeferenziazione di ogni singolo scatto in formato *.jgw (Jpeg world file). Come output sono stati creati anche i file in formato kml/kmz visualizzabili su Google Earth.

51

8.2 SOFTWARE RAPID MAPPING

L'applicazione RapidMapping stata sviluppata con il linguaggio Java ed utilizza alcune librerie esterne, tra cui Geotools (http://www.geotools.org/), per l'elaborazione delle immagini, dei file di header delle stesse e per la creazione al volo di file *.shp. L'applicazione costituita da due moduli principali BBOX e FlyPlan.

Figura 52 - Schema di funzionamento della procedura automatica di georeferenziazione.

Il modulo BBOX, abbreviazione di Bounding Box, nato allo scopo di georeferenziare in modo speditivo e con il supporto minimo di un operatore le immagini acquisite dal multirotore. Il supporto dell'operatore consiste nel copiare allinterno della cartella gpx il file della traccia di volo, con estensione *.gpx, e avviare la procedura da terminale. Gli output prodotti dalla procedura saranno presenti nella cartella out che conterr per ogni immagine georeferenziata alcune elaborazioni intermedie utili nella fase di analisi e per la verifica della procedura, alcuni dei file contenuti nella cartella out sono visualizzabili con un software GIS:

1. Shape file con la traccia di volo in WGS84( files con prefisso gpx4326) 2. Shape file con la traccia di volo in UTM32( files con prefisso gpx32632) 3. Shape file con il centroide dello scatto in UTM32 (file con prefisso bbox32632_centroid) 4. Impronta a terra dello scatto (filecon prefisso file con prefisso bbox32632) 5. Immageine georeferenziata che riporta il medesimo nome del file di input, l'immagine per essere

georeferenziata ha bisogno del file jpjw presente con lo stesso nome nella medesima cartella.

52

Figura 53 - Realizzaizone dei BoundingBox

Figura 54 - Visualizzazione di tutti gli scatti elaborati dalla procedura e georiferiti.

Il modulo FlyPlan serve per costruire piani di volo in modo automatico, l'operatore disegna con uno strumento GIS, attualmente con il sistema di riferimento UTM32, la traccia con l'area da coprire durante il rilievo e salvare tale file in formato *.shp nella cartella flyPlan dell'applicazione.

53

Figura 55 - Buffer dell'area di interesse

Prima di lanciare la procedura da terminale bisogna impostare la variabile mode=-f nel file config.ini contenuto all'interno della cartella config dell'applicazione. Una volta lanciata l'applicazione da terminale produrr i suoi output all'interno della cartella out/flyPlan, tra gli output prodotti alcuni sono visualizzabili con un software GIS:

1. Shape file con il tracciato di input in UTM32(files con prefisso flyPlan32632) 2. Shape file con le impronte a terra degli scatti nel caso di passaggio dal basso all'alto UTM32( files con prefisso

mosaic_bottom_top_polygon32632) 3. Shape file con i centroidi delle impronte a terra degli scatti nel caso di passaggio dal basso all'alto UTM32(

files con prefisso mosaic_bottom_top_point32632)

Figura 56 - Piano di volo

4. Shape file con le impronte a terra degli scatti nel caso di passaggio da sinistra a destra in UTM32( files con prefisso mosaic_left_right_polygon32632)

5. Shape file con i centroidi delle impronte a terra degli scatti nel caso di passaggio da sinistra a destra in UTM32( files con prefisso mosaic_left_right_point32632)

54

55

9 PIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER LE APPLICAZIONI DI PROTEZIONE CIVILE - Lattivit al Terex 2010 -.

Lattivit svolta allinterno dellesercitazione Terex che si tenuta in Toscana nei giorni dal 23 al 28 Novembre 2010 volta ad analizzare le potenzialit e le tecniche di impiego di questa piattaforma innovativa relative allo streaming video, al rapid mapping e applicazioni di fotogrammetria. Per lattivit svolta al Terex stato impiegato uno dei tre quadrirotori basati su kit mikrokopter di propriet IUAV, impiegando software messi a disposizione dalla stessa mikrokopter integrati con software e procedure di trattamento immagini sviluppati da Unisky s.r.l. (spin off delluniversit IUAV di Venezia) ad hoc. La serie dei processi ha composto una filiera che va dallacquisizione dei dati fino alla condivisione sulla piattaforma geoSDI.

9.1 Terex 2010

Terex lacronimo di Tuscany Earthquake Relief Exercise, la pi grande esercitazione di Protezione civile mai effettuata in Italia, che per tre giorni ha interessato le province di Lucca, Massa Carrara, Pistoia e Pisa. Organizzata in Toscana dal 23 al 28 novembre ha visto coinvolti oltre 1.800 volontari con pi di 300 mezzi di soccorso e la partecipazione di numerosissime associazioni del volontariato, dei Vigili del fuoco, di militari, forze dell'ordine, Prefetture, Province, Comuni e altre istituzioni, oltre ai gestori dei servizi di prima necessit, i concessionari delle reti viaria e ferroviaria, le squadre di aiuti da Federazione Russa, Francia, Austria, Slovenia e Croazia e numerosi osservatori da ogni parte del mondo.

Il quadrirotore I-UAV 2, la procedura Rapid Mapping e il nodo mobile di geoSDI sono stati impiegati in tre occasioni compreso uno scenario operativo. Le attivit svolte sono state essenzialmente le seguenti: - Sorvolo a vista con trasmissione a terra su appositi occhiali visualizzatori di un flusso video ripreso da videocamera a bordo del multi rotore, conversione del flusso video analogico in digitale e streaming video. - Scatto di immagini nadirali nel campo del visibile di tre aree di interesse.

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- Georeferenziazione automatica degli scatti. Le zone di impiego del quadrirotore sono state: Gioved 25 Novembre - DI.COMA.C (Direzione di Comando e Controllo. ) Viareggio Cittadella del Carnevale

Figura 57 - Copertura aerea del Dicomac (quota di scatto 160 mt.)

Figura 58 - Georeferenziazione manuale e condivisione su geoserver -> geoSDI.

Venerd 26 novembre - ELIPORTO Castelnuovo Garfagnagna Eliporto soccorso alpino e speleologico Sono stati realizzati complessivamente 3 voli, due con ripresa fotografica e uno con trasmissione del flusso video a terra. I voli sono stati impiegati sia nella procedura automatica (immagine A) che nella mosaiacatura e georeferenziazione manuale (immagine B).

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Figura 59 - Immagine A mosaicatura manuale

Figura 60 - Immagine B georeferenziazione automatico

I dati sono stati caricati su ftp e resi disponibili sulla piattaforma geoSDI, utilizzando il furgone base a terra messo a disposizione da CNR:

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Figura 61 - GEoreferenziazione automatica "Rapid Mapping"

Venerd 26 novembre - SCENARIO CROLLO EDIFICIO SCOLASTICO FORNACI DI BARGA Abbattimento di un edificio scolastico con speciali cariche esplosive. Sotto le macerie erano presenti operatori che simulavano i superstiti da ricercare e recuperare.

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Figura 62 - Mosaicatura manuale

Prima

Dopo Figura 63 - Georeferenziazione automatica

9.2 Trasmissione flusso video

Sfruttando la tecnica di volo FPV (First Person View) possibile inviare a terra il flusso video (anche in alta risoluzione) e la traccia di volo. Questa tecnica stata impiegata in notturna realizzando un volo presso il DiComaC di cui viene riportato un fotogramma successivamente e il flusso video stato impiegato anche alleliporto.

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Figura 64 - fotogramma del video realizzato al Dicomac

La piattaforma e tutta la procedura sono state intensamente testate durante i due giorni di presenza del gruppo al Terex 2010. Tutta lattivit realizzata ha mostrato lelevata affidabilit raggiunta dal velivolo che ha volato complessivamente per 10 voli con durata variabile dai 3 ai 9 minuti del video realizzato in notturno al Dicomac. Le condizioni climatiche sono state impegnative, alcuni voli (come il video e i voli del gioved nel tardo pomeriggio) sono stati realizzati con vento sostenuto e con una leggera pioggia; i voli realizzati alleliporto e presso ledificio crollato sono stati effettuati con temperature molto basse (vicine allo 0 se non sotto). Gli scatti realizzati sono risultati di ottima qualit, nonostante la necessaria cernita ed eliminazione di quelli mossi. La realizzazione di scatti mossi o scuri da imputarsi alla difficolt di messa a fuoco manuale, alla presenza di luce (soprattutto nel volo presso ledificio crollato). Il software appositamente sviluppato per realizzare la procedura di Rapid Mapping ha prodotto risultati soddisfacenti come si pu verificare nelle immagini precedentemente mostrate, i bug o le imperfezioni che sono emerse sono un ottimo spunto per continuare a migliorare il prodotto e la procedura. Per quanto riguarda la procedura, tutta la filiera stata messa sotto stress e, come accade spesso in condizioni di emergenza, si sono evidenziate dei nodi da sciogliere che necessit maggiore attenzione. Tutta la procedura ha comunque prodotto degli strati informativi condivisi sulla piattaforma web geoSDI in tempi molto brevi (nellordine della decina di minuti) che sono sicuramente definibili come strati preziosi in caso di emergenza con una ottima risoluzione di scatto e un corretto posizionamento geografico se pur con un errore talvolta plurimetrico. Complessivamente lattivit svolta stata molto soddisfacente e il punto di vista dallalto, sia con il flusso video che con scatti nadirali, rappresenta un luogo privilegiato in condizioni di emergenza. La procedura, complessiva di piattaforma, stata realizzata con esigui fondi di ricerca messi a disposizione dallUniversit IUAV di Venezia e dal suo spin-off Unisky s.r.l, i risultati ottenuti sono uno stimolo e un punto di partenza per ottenere nuovi fondi magari per risolvere i problemi evidenziati e ottimizzare tutta la procedura/filiera.

10 BIBLIOGRAFIA

LIN Zongjian, UAV for Mapping-Low Altitude Photogrammetric Survey ISPRS Congress Beijing 2008, Proceedings of Commission Ip.1183 ff.

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Nebiker S., Annen A., Scherrer M., Oesch D. (2008) A Light-Weight Multispectral Sensor for Micro UAV - Opportunities for Very High Resolution Airborne Remote Sensing ISPRS Congress Beijing 2008, Proceedings of Commission I p.1193 ff.

11 SITOGRAFIA

Meteotek08: Sonda meteorolgica dels tecnlegs de l'IES Bisbal - http://teslabs.com/meteotek08/ www.uav.it - http://www.uav.it/ Rolex Awards for Enterprise - http://rolexawards.com/en/the-laureates/andrewmcgonigle-the-project.jsp Zenit Srl - Microdrones - http://www.zenit-sa.com/index.php?lingua=1&nav=8 Quadcopter - http://www.quadcopter.org/index.php5/Quadcopter_Home Ascending Technologies GmbH - http://www.asctec.de/main/index.php?id=97&lang=en&cat=pro MikroKopter - https://www.mikrocontroller.com/ OpenQuadrotor.org - http://openquadrotor.org/system_description.html Drone Pixy - http://www.vision-du-ciel.com/drone.html Microdrones GmbH - http://www.microdrones.com/en_mydrone.php V-TOL Aerospace - http://www.v-tol.com/iproducts/uas.html Sensori ADC Air Lite - http://stores.homestead.com/TetracamStore/Detail.bok?no=20 IR Products - http://www.maxmax.com/aIRProducts.htm CropCam - A New Altitude in Agriculture - http://cropcam.com/ ARVAtec srl - http://www.arvatec.it/new/ Sensori - http://www.robot-italy.com/index.php?cPath=15 Formati e standard The GPX format - http://www.rigacci.org/wiki/doku.php/tecnica/gps_cartografia_gis/gpx

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12 APPENDICE

12.1 Pubblicazioni Convegni - Seminari

Nel giugno 2009 stato organizzato e introdotto un seminario su i dispositivi UAV, seminario tenuto dal Dott. Geol. Mario Pizzolon. Durante il seminario stata effettuata una breve storia introduttiva dei velivoli UAV e sono state affrontate le potenzialit di impiego dei dispositivi Micro-UAV per il monitoraggio del rischio idrogeologico. A termine del seminario stata ipotizzata un nuovo ramo di ricerca concentrato solo sui quadrirotori.

12.1.1 Convegni:

IL VOLO A BASSA QUOTA per la conoscenza del territorio - Chies dAlpago il

26 giugno 2010. Chies dAlpago (BL)

Intervento: Lutilizzazione di multirotori per il trasporto in quota di sensori ambientali. - Niccol Iandelli (IUAV Venezia)

Intervento: "Monitoraggio delle citt, del territorio e dell'ambiente con droni, reti di sensori, MMS e laser scanner"

N.Iandelli, M.Pizzolon, A.Ragnoli, N.Bucceri, C.Belli, .

Museo Civico di Rovereto, 10 dicembre 2010

VII WORKSHOP IN GEOFISICA

Geofisica e microgeofisica: strumenti per l'approccio e la risoluzione di problematiche non standard

Intervento: "Quadrirotori: un metodo innovativo per l'indagine non a contatto del territorio" - M. Pizzolon, N. Iandelli,

UNINGEO snc Padova e IUAV-UNISKY Venezia.

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12.1.2 Pubblicazioni:

Giornale IUAV n87 - 2010:

Rapid Mapping con limpiego dei sistemi Micro-Uav. Primi passi verso la georeferenziazione automatica degli scatti nadirali N.Iandelli, I.Boscolo, A.Marchiori.

Le micro piattaforme per il rilevamento ambientale, le reti di sensori

WSN e i sensori wereable N.Iandelli.

Micro Unmanned Aerial Vehicle : Micro UAV N.Iandelli, M. Pizzolon.

Il progetto Quadrirotori N.Iandelli, M.Pizzolon, Stefano Picchio, Andrea Marchiori, Ivano Boscolo.

12.2 Materiali

Tutti i documenti, presentazioni, immagini e software realizzati sono stati raccolti su un HD.

INTRODUZIONEOBIETTIVI DEL PROGETTOPANORAMICA DELLE TECNOLOGIE DISPONIBILIMikrodrones GmbHAscending technologiesDragan flyMikrkokopterIL METODO DI VOLOVolo stazionario HoveringVolo avanzanteVolo lateraleImbardataMODALIT DI PILOTAGGIOVolo a vistaVolo FPV (First Person View, volo in prima persona)Volo autonomoLA PIATTAFORMA ADOTTATAIl Sistema MKMikrokopter ToolSENSORISTICA DEDICATAMultispettrale TETRACAM ADC liteMacchine fotografiche con cullaLaser scannerLink video Robust Aerial Navigation GPS DeniedRICERCA EFFETTUATATest 1: Verifica del voloTest 2: Registrazione della traccia di voloTest 3: Volo automaticoTest 4: Scatti e impostazioni della fotocameraTest 5: Test di rilievo di area estesaTest 6: Stereo coppia e restituzione 3DCONCLUSIONI E ANALISI CRITICA DEI RISULTATI OTTENUTIRapid Mapping georeferenziazione automaticaCARATTERIZZAZIONE GEOMETRICA E TRASLAZIONEROTAZIONEINTORNO AL PUNTO O

SOFTWARE RAPID MAPPINGPIATTAFORMA AEREA LEGGERA A BASSA QUOTA PER LE APPLICAZIONI DI PROTEZIONE CIVILE - Lattivit al Terex 2010 -.Terex 2010Trasmissione flusso videoBIBLIOGRAFIASITOGRAFIAAPPENDICEPubblicazioni Convegni - SeminariConvegni:Pubblicazioni:

Materiali