Tutti i software a 360 gradi per gli UAV. Pianificare, gestire, processare

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Sintesi visiva di Pix4D

I software di post-processing per gli UAV rappresentano un aspetto importante in tutta la catena di programmazione e gestione delle attività di volo. Sembra impossibile, ma anche la semplice gestione di un sistema UAV con una videocamera standard, ha necessità di realizzare le fasi di post-processing dei dati, che coincidono in questo caso con il semplice download dei video, o come in molti casi, una semplice copia della scheda SD della camera fotografica o di altro sensore.

E’ chiaro che le attività di post-volo, rappresentano una attività conseguente a quella della pianificazione e poi della esecuzione del volo. Quindi in genere i parametri dei sensori, così come le rotte programmate, o come spesso si consiglia, i log veri e propri della missione di volo, con la traccia GPS, la registrazione dei valori IMU e degli accelerometri, e altre info accessorie.
Per parlare pertanto di software in ambito UAV, bisogna almeno distinguere i livelli di interazione del sistema, del tipo di impiego e del tipo di utenza. L’utente chiaramente, spesso non fa distinzione tra i diversi livelli di soluzione software, cosi come la diffusione dei sistemi UAV sta in parte volgarizzando alcuni approcci al lavoro professionale, riducendone fortemente la qualità generale di alcuni lavori in campo cartografico e non solo. Per analizzare le soluzioni software, ci riferiramo in ogni caso ad una suddivisione degli ambiti applicativi in 5 classi come segue:
  1. Gestione delle attività UAV – sw professionali per la gestione di flotte di droni, e/o progetti o missioni in ambito corporate business.
  2. Gestione del volo – il vero e proprio sistema di gestione del volo, in genere compatibile o realizzato ad HOC in relazione all’autopilota e al sistema UAV. 
  3. Pianificazione del volo e delle riprese con i sensori a bordo o payload – componenti software per pianificare le attività di volo, ma anche per gestire le attività di misura con i sensori a bordo.
  4. Post-processing per fotogrammetria professionale o elaborazione di altri dati – sw di post-produzione dei dati rilevati con i sistemi UAV, siano essi i più comuni come la fotogrammetria, o altre attività realizzate con il sistema.
  5. 3D modeling & vision digitalizing – sw per la realizzazione di modelli 3D e di sistemi di visualizzazione avanzati.
Di seguito cercheremo di essere esaustivi, dandovi una panoramica sulla disponibilità dei software più noti e diffusi, anche se in questo caso non è facile rimanere aggiornati, vista la frequenza di nascita di nuovi sistemi, aggiornamenti e varianti.
1) Gestione delle attività UAV ==>> Sw di management delle attività di gestione come: pianificazione, gestione dei piani di manutenzione, delle attività e autorizzazione dei piloti, gestione delle note e relazioni post-volo, fino al billing in caso di sistemi di noleggio e di post-processing attraverso portali web specializzati. Diversi di questi servizi avanzati sono stati citati nel volume, e diversi ne stanno nascendo in Europa e USA, e certamente diversi ne nasceranno in India e altri paesi, che nella post produzione in questo settore rappresentano un punto di riferimento. Non ci sono molti esempi in rete di questo tipo di soluzioni, se non soluzioni di fascia alta come i sistemi di Air Traffic Management di Lockheed Martin. Oppure il sistema FlightLog  http://www.flightlog.com.au , che è orientato più che altro ai piloti. Altri software nasceranno e stanno nascendo, per gestire il traffico aereo dei sistemi UAV, come i sistemi di gestione aerea o i sistemi AIS per la navigazione marina (https://it.wikipedia.org/wiki/Sistema_di_identificazione_automatica), che ineluttabilmente preconizzano l’era della obbligatorietà dei transponder su ogni tipo di UAV, ma anche di macchine automatiche, e altri sistemi di mobilità a forte automazione e impatto sociale.
2) Gestione del volo ==>> La gestione delle attività di volo comporta diverse attività di presa in carico di informazioni, abbastanza complesse e di natura complementare. Infatti il vero e proprio volo si gestisce con sistemi che hanno sia la funzione di tenere aggiornati i dati di navigazione, sia in parte interagendo con i sistemi di volo vero e propri come attuatori, motori, etc., e chiaramente i sistemi ospiti o payload. Una delle funzioni primarie del software di gestione del volo, è chiaramente quello di fungere da Groud Control Station, ovvero la gestione delle telemetrie, ma anche dei sitemi FPV, o altre funzionalità specifiche. I software di gestione del volo sono strettamente legati alla cosidetta centralina o autopilota impiegato dal nostro sistema UAV, quindi facciamo un breve elenco dei software più diffusi:
  • APM – è il software di gestione dei sistemi che montano l’autopilota della 3D Robotics, ovvero le soluzioni nate dal famoso Ardupilot. Di questa soluzione abbiamo già parlato nel libro, e riassumiamo giusto alcune caratteristiche. Il software al momento dell’installazione verifica le connessioni con il modello, quindi permette di effettuare diversi settaggi, primo tra tutti il sistema per cui lo state installando. Il menù da sinistra verso destra ha poi le seguenti sezioni e/o schermate:
    • Flight Data – che è la schermata principale della GCS, dove trovare a sinistra l’head-up display, che i valori principali da tenere sotto controllo come velocità, direzione, livello delle batterie, etc., mentre sulla destra trovate la mappa con la traccia del sistema in volo.
    • Flight Data – la sezione dove fare la programmazione del volo di cui parliamo più avanti.
    • Initial setup – dove fare i setup iniziali con, ma anche aggiornare il firmware e altre attività.
    • ConfigurationTuning – settaggi canonici per un sistema UAV, come le calibrazioni dei giroscopi, etc.
    • Simulation – per agganciare i dati dei simulatori di volo
    • Terminal – dove effettuare altri settaggi tra cui le telemetrie radio, ma anche fare il download dei log file a fine missione.
    • Help e donate – come ultime sezioni, sperando che gli utenti italiani gridino fuori dal coro, e contribuiscano con qualche donazione verso chi mette a disposizione potenti sistemi per GLI UAV, completamente gratuiti. Al contrario di come invece agiscono la maggior parte degli italiani che usano software open, senza mai donare nemmeno un centesimo. Almeno a vedere le statistiche mondiali di chi contribuisce al mondo dei sistemi open source.https://www.dronecode.org/
  • eMotion – è il software di Sense Fly che permette di effettuare sia pianificazione delle missioni, che chiaramente il controllo della missione stessa, la simulazione del volo e il controllo di gestione con funzioni proprie delle GCS. https://www.sensefly.com/drones/emotion.html.
  • Paparazzi GCS – il software impiegato nei progetti basati sulla piattaforma Paparazzi uav è tra i più vari e aperti al mondo, e chiaramente si compone delle parti di firmware e GCS, e di diversi tools per la progettazione del volo, per la configurazione del sistema, ma anche per creare un sistema di gestione dei rover UAV, attraverso un TCP-IP Aircraft Server. Insomma, tutto ciò che serve ad un lavoro complesso come gestire una flotta di UAV. http://wiki.paparazziuav.org/wiki/Software.
  • DJI – Anche la famosa DJI, tra i leader nel mercato dei sistemi entry level per UAV multirotori, non può che supportare la sua offerta con una soluzione PC Ground Station, che permette di gestire le funzioni avanzate delle No Fly Zone, fornendone la lista mondiale (http://www.dji.com/fly-safe/category-gs) e implementando la funzione di sicurezza con un raggio di 8KM dai waypoints interdetti, oltre alla maggior parte di utility tipiche dei software di gestione degli UAV https://www.dji.com/product/pc-ground-station. La GS opera avendo come backgroud l’interfaccia di Google Earth, mentre tra i moduli è presente anche un Photogrammetry tool abbastanza minimalista. Vi è da dire che i sistemi della DJI, essendo molto diffusi, sono gestiti anche dai software platform independent, come il diffuso Pix4D che tra le sue funzionalità propone Pix4Dmapper Capture App.s per Android e Apple iOS. Tra le funzionalità basate sulla piattaforma DJI, anche il modulo mesh, che comprende le funzioni di Full 3D Texured Mesh e Fly-through Animation Video.
  • MikroKopter – KopterTool è il software della piattaforma tedesca MikroKopter. In realtà il software si divide in tre sezioni, tra cui il Tool di gestione vero e proprio, la componente di settings, e la sezione di gestione delle rotte, e di tutte le funzioni connesse payload (camera standard, termica, etc.) http://wiki.mikrokopter.de/en/Software.
  • Open pilot – questa soluzione fa parte delle poche soluzioni open, anche se è leggermente meno aperta delle altre piattaforme, per certi versi più documentate e diffuse.
  • Altri – Molti altri software e soluzioni sono in campo, in relazione alla piattaforma di volo, di gestione e a volte di post-processing dei dati ripresi dall’UAV. Il mondo delle applicazioni professionali continuano con  i sistemi SDK di Parrot, ma anche dei sistemi diffusi come quelli di PrecisionHawk, Draganfly, Aeryon e altri (vedi sezione Sitografia del volume).
3) Pianificazione del volo e delle riprese ==>> La maggior parte dei software in dotazione ai sistemi UAV, prevedono una procedura di gestione del volo in termini di waypoint e comandi di attuazione dei sistemi di volo, e quindi dell’uso dei sensori a bordo del sistema. La maggior parte di essi include un tools fotogrammetrico, che permette di definire il piano di volo e i parametri delle riprese fotografiche, che viene poi integrato nel piano di volo e passato al sistema di volo.

Pur tuttavia esistono dei tools indipendenti per il calcolo delle riprese fotografiche, e che al termine del processo generano i file di sistema da passare al software di preparazione della rotta di volo. Tra i non numerosi, segnaliamo il portale di servizi on demand per operatori di UAV www.mapsmadeeasy.com, che mette a disposizione degli iscritti, sia  le funzioni di pianificazione del volo con tool abbastanza potente e che esporta i dati in KLM e in AWM per i sistemi DJI, sia le funzioni di post-produzione del modelli 3D.

4) Fotogrammetria professionale ==>> Parlare di fotogrammetria vuol dire riferirsi a sistemi di calcolo affidabili e certi, sia nelle loro procedure, sia nell’uso di un certo tipo di approccio al cosi detto “rilievo fotogrammetrico”. Con questo termine non si deve intendere un approccio generico all’uso dei modelli 3D generati qualsivoglia con processi poco controllati. Bensì un approccio rigoroso di tracciamento delle informazioni cartografiche (per lo più polilinee 2D o 3D, punti in coordinate 3D e una classificazione topologica ad hoc), desunte attraverso la restituzione sterescopica degli elementi cartografici.
E’ chiaro che questo approccio è riservato solo a pochi e selezionati tecnici, che fanno della fotogrammetria il loro mestiere da sempre. Ma la platea di soluzioni è oggi ampia e variegata, e anche le aziende più tradizionali come Erdas, Inpho, ed altre ugualmente blasonate, hanno cominciato a promuovere le soluzioni e i moduli per i sistemi UAV. Ma noi citiamo di seguito alcune delle soluzioni più diffuse per la post-elaborazione fotogrammetrica, usuali e professionali, anche se ognuna con le sue peculiarità e differenze.
  • APS di Menci Software – La soluzione APS è tra le prime piattaforme sw per UAV nate in Italia, e come i prodotti di Menci in genere, si distingue per serietà tecnica e precisione controllata dei processi, quindi senza abbandonare i canoni di controllo tipici della fotogrammetria classica. Ma insieme ad APS, cosa forse più importante, ci  sono le estensioni ad hoc per la produzione effettiva del dato cartografico. Parliamo di StereoCAD per il tracciamento in sterescopia, un Terrain Tools per la modellazione del territorio per DEM professionali e controllati, e infine il software APSCheck per il controllo in campo delle riprese con UAV,  che vi permette di tornare a casa con i dati validati e già classificati. In aggiunta alle soluzioni ready to work, le soluzioni per il trattamento di Big Data Fotogrammetrici, attraverso la serie OPK Suite che permette di trattare professionalmente terabyte di immagini e dati da UAV. http://www.menci.com/
  • Pix4D di Pix4D Switzerland – Pix4D rappresenta il frutto degli spin-off universitari in terra elvetica. In questo caso la Scuola Politecnica Federale di Losanna. Nata nel 2011, ha già uffici a San Francisco e Shangai. Il lavoro è stato di mettere insieme il meglio delle competenze nella gestione delle fasi di post-elaborazione di dati da UAV, almeno inizialmente. Oggi Pix4D fornisce Pix4Dmapper Capture App che porta i droni del mercato consumer, come i DJI Phantom, sullo schermo dei tablet e smartphone del mercato diffuso, cosi anche l’uomo della strada si potrà permettere di elaborare i suoi modelli 3D senza scomodare chissà chi e chissà quali competenze (appoggiati a servizi di cloud computing). Ma per chi deve produrre, piuttosto che divertirsi, allora vanno bene Pix4Dmapper Pro, oppure Pix4Dmapper Enterprise.
  • ENSOMosaic Suite – Le soluzioni targate ENSOMosaic rappresentano un punto di riferimento professionale in campo professionale, e le soluzioni per UAV hanno ormai qualche anno (http://www.ensomosaic.com/). Le soluzioni di ENSOMosaic coprono tutta la catena di produzione, dal flight planning software, alla post produzione fotogrammetrica, modelli 3D compresi.
  • Agisoft – La piattaforma PhotoScan è la soluzione di punta di questa famosa azienda russa che tra le prime ha promosso in maniera importante l’approccio SFM (Structure For Motion), strutturato e con una interfaccia veramente efficiente ed intuitiva. Ma le soluzioni PhotoScan Professional e Standard Edition hanno il pregio di costare poco e di essere abbastanza aperte a tutto il mondo applicativo, Apple compreso, dove fare i modelli 3D sfruttando tutta la potenza dei PC di Cupertino non ha eguali come semplicità e prestazioni. http://www.agisoft.com
  • PIEneering –   Parallel Image Engineering è un’alta delle soluzioni che ormai da diversi anni propone il modulo per UAV/UAS dei suoi sistemi di calcolo e produzione in campo fotogrammetrico.  http://www.pieneering.fi
  • Servizi cloud per UAV – Diversi sono i servizi cloud che danno supporto per il lavoro con gli UAV, alcuni anche per la pianificazione, ma anche e sopratutto per la post-elaborazione di modelli 3D e per la generazione di elaborati cartografici come ortoimmagini e altre elaborazioni. Cominciamo con REDcatch GmbH, che porta in Italia il progetto http://redcatch.it/ , nato come soluzione made in Germany su rielaborazione della piattaforma open francese Mic Mac, che opportunamente organizzata attraverso dei web services, viene incontro alla potenza di calcolo non sempre disponibile per questo tipo di elaborazione.
    Ma anche Agribotix, azienda australiana attiva nel settore dell’agricoltura intelligente http://agribotix.com/  opera una politica di questo tipo, basata sui servizi a tutto tondo. Abbiamo poi un’offerta di www.precisionhawk.com, e il progetto Maps Made Easy con un full di servizi dalla pianificazione al calcolo dei geodata set  http://www.mapsmadeeasy.com.

5) 3D modeling & vision digitalizing ==> Questa sezione della disamina dei software per il mondo degli UAV, ma anche per il

Case application per il 4D
Case application per il 4D

fronte del 3D modeling in genere, dovrebbe prendere in esame diverse altre soluzioni. Sistemi per il trattamento delle immagini digitali di tipo dinamico e non solo. Parte del lavoro che già alcuni software come PhotoScan della Agisoft già fanno, come si evince senza difficoltà dall’immagine al lato che ne pubblicizza le caratteristiche e le applicazioni. Oppure una specifica opzione del software italiano 3DF Zephyr (http://www.3dflow.net/), o altre soluzioni tra estratta dalla lista comparativa dei software di fotogrammetria sul wiki inglese. https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software.

Conclusioni
In conclusione possiamo aggiungere che di software se ne trovano tanti e diversi, sopratutto se si pensa al fatto che altri software proprietari non sono citati citati e presi in esame in questo articolo di approfondimento del libro.
Soluzioni che in genere accompagnano i sistemi UAV come il sistema X5 di Trimble o altri sistemi professionali che pian piano stanno nascendo come soluzioni consolidate, nelle mani delle multinazionali del settore geomatico. I software di pianificazione e controllo infatti, seguono quasi sempre la soluzione hardware, e qui tutto dipende dal fornitore della tecnologie o del sistema. Si immagini infatti che soluzioni professionali come Aibotix, e anche l’ultimo nato in casa SenseFly, il sistema eXomsono già in grado di operare in assenza di sistema GPS, come nel caso di operazioni di volo indoor o in condizioni di criticità come sotto ponti e viadotti.

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