Pilotare il DJI Spark per applicazioni topografiche e riprese full 3D fotogrammetriche

Il mondo dei droni o UAV come meglio li chiamiamo in ambito professionale, oppure APR come li chiamiamo qui in Italia, è un mondo che sta crescendo in maniera esponenziale, e forse negli ultimi 2 anni cè stato finalmente il passaggio dall’era del fai da te, a quella delle soluzioni facili e sicure.

Il sistema Real Sense di Intel.
Il sistema Real Sense di Intel.

Il punto di svolta dei sistemi di volo si basa su 2 o 3 principi chiave, ovvero sicurezza, stabilità, comunicazione. Insieme a questi parametri generali, ovviamente dovremmo citare gli investimenti e l’avanzamento tecnologico. Anche se su quest’ultimo non possiamo proprio giurare, visto che parliamo di tecnologie ormai disponibili da alcuni anni.

Con i sistemi nati nell’industria del sud-est asiatico, o da altri player industriali come DJI, Parrot e Yuneec, solo per citare i più importanti del mercato internazionale 2017 (https://uavcoach.com/drone-companies/#guide-1), abbiamo assistito ad una forsennata introduzione di sistemi più o meno “intelligenti”, che a vario titolo di fatto hanno aperto il vero mercato dei droni in tutti i settori. Ma cosa si intende per intelligenza a bordo dei droni di nuova generazione ? La risposta è complessa e semplice allo stesso tempo, ma nel seguito di questo post.

 

I TRECENTINI italiani tornano in cantina

Il sistema Phantom 4 appena rilasciato, con i suoi 5 sensori anticollisione.
Il sistema Phantom 4 appena rilasciato, con i suoi 5 sensori anticollisione.

geo-fly_spark_comboSull’onda dei cosiddetti “trecentini”, ovvero dei sistemi inoffensivi che non pesano oltre i 300 grammi , abbiamo assistito alla nascita di una pletora di trecentini, il cui rapporto prezzo/qualità è stato tra i peggiori in assoluto nella breve storia dei sistemi UAV in Italia (vedi sezione “Un po di storia e di comparazioni” nel post del 18 marzo al link http://www.geo-fly.org/droni-e-topografia-con-spark-dji-coppia-perfetta-e-senza-patentino/).

D’altronde tra le aziende leader internazionali, giustamente nessuna ha tenuto conto della normativa italiana, mentre quella USA e EU erano ancora in alto mare. Sta di fatto che dopo questa “bolla speculativa” è cominciata ad arrivare la soluzione targata DJI, e materializzatasi con il sistema DJI SPARK, che rappresenta il massimo della affidabilità, manovrabilità e sicurezza di volo  in poco più di 300 grammi.

Quindi dopo una timida uscita all’aria aperta, i trecentini italiani tornano nei laboratori-cantina da cui sono usciti, senza apprezzabili risultati e con il solo rimorso di chi ha investito tanti soldi per niente.

Il sistema di volo DJI Spark

dji_4_top2Con lo SPARK di DJI abbiamo circa 38 grammi in più di quanto ammesso dalla norma di ENAC. Questione presto risolta mettendo dei nuovi paraelica e una cappottina leggera leggera. Il kit assume subito la paternità di “kit di alleggerimento”, e tra essi purtroppo diversi sono quelli inservibili perché fatti male, o peggio fatti senza attenzione. Per fortuna noi abbiamo incontrato i migliori fornitori sulla piazza, ovvero il grandissimo negozio di modellismo dinamico BRAMA di Perugia (www.bramashop.it), che ci ha fatto un ottimo prezzo, oltre a fornirci assistenza e documentazione per l’iscrizione del sistema al registro ENAC dei sistemi di volo.

Il sistema Spark così come gli altri sistemi DJI di ultima generazione, sono dotati di sistemi fortemente orientati alla questione safety dei droni. Questo aspetto è determinante per i nuovi sistemi in grado di effettuare riprese in modalità follow me in esterno, ma che devono essere in grado di operare anche in ambienti indoor. In esterno come in interni, i sistemi devono essere facili e sicuri, e orientati al mercato consumer e professionale allo stesso tempo.brama1

Pilotare lo SPARK
Ma andiamo al dunque e vediamo le possibilità che abbiamo di gestire il nostro SPARK, che ovviamente dobbiamo saper manovrare attraverso il suo control box, ovvero come tutti i droni attraverso gli stick dell’acceleratore e a quello delle direzioni principali. Infatti come per tutti i droni di un certo livello, lo SPARK è in parte gestito dalla consolle dei comandi manuali, ma in parte può essere gestito attraverso apposite APP, prima tra tutte quella ufficiale di DJI, ovvero DJI GO 4 che è il primo passo per cominciare a gestire il vostro drone. Poi vengono diverse soluzioni come la famosa Pix4D capture, Litchi, e in ultimo Autopilot, la soluzione che abbiamo deciso di sposare perché è la più completa e funzionale della galassia di applicazioni per i droni DJI.

 

DJI GO 4
Il software di base DJG GO4 è la soluzione messa a disposizione dalla casa madre, ed è per questo che siete tenuti ad installare e a usare. E’ disponibile per gli ambienti Android e iOS, completa di tutte le funzioni di gestione e settings dei parametri di volo, ma anche ovviamente di quelli di manutenzione del mezzo di volo. Ovvero le procedure di calibrazione del magnetometro e degli accelerometri che fanno comprendere al sistema le condizioni di assetto. Con la stessa applicazione è possibile settare le modalità di gestione del drone, ovvero le diverse modalità d’uso (Professionale o Sport), di volo, e di ripresa delle immagini o dei video.

Le modalità di volo gestita dall'app DJIGo4
      Le modalità di volo gestita dall’app DJIGo4

Senza usare applicazioni aggiuntive, ovvero impiegando le sole dotazioni di base (comandi + DJI GO4), riusciremo a volare in modalità “topografica”, semplicemente agendo sull’intervallo dello scatto fotografico e volando a vista con una modalità a velocità costante.

Infatti la modalità che possiamo impiegare per effettuare rilievi fotogrammetrici e topografici è sicuramente la ”Interval mode”, che permette di settare l’intervallo di scatto secondo valori prestabiliti di 1s 3s, 5s, 7s, 10s, 15s, 20s, 30s, 60s,  valore che va calcolato in funzione dell’altezza di volo e appunto della velocità del drone.

Dopo aver impostato l’intervallo di scatto, il metodo più immediato per realizzare sequenze fotografiche buone per rilievi geo-topografici, è quello di operare con la modalità “Tripod” (cavalletto), che in sostanza è una modalità di volo a passo ridotto e costante.

Il che si traduce nella possibilità, tenendo “tutto avanti” lo stick di destra (pitch), di mantenere una velocità costante in avanti V=1 m/s (3.6 km/h).

L’intervallo di scatto Δt dovrà essere quindi opportunamente adattato ai parametri di stereoscopia necessari nei rilievi fotogrammetrici (% sovrapposizione fotogrammi, GSD).

La sovrapposizione laterale delle singole strisciate così ottenute dovrà essere valutata in modalità completamente manuale cercando di mantenere valori comunque superiori al 60-70%.

V=1 m/s (3.6 km/h) – sovrapp. fotogr.= 80 %

H volo (m) Δt teorico [Δt DjiGo4]

(s)

GSD

(mm)

10 2 [2] 3.4
15 3 [3] 5.2
20 4 [3] 6.9
25 5 [5] 8.6
30 6 [5] 10.3
35 7 [7] 12.1
40 8 [7] 13.8
45 9 [7] 15.5
50 10 [10] 17.2

Tabella di riferimento intervallo di scatto fotogrammi-altezza di volo-GSD

Autopilot e la galassia Hangar Technology

La galassia di applicazioni e servizi targate Hangar Technology.
La galassia di applicazioni e servizi targate Hangar Technology.
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La schemata principale di Autopilot.

Autopilot è invece l’applicazione professionale più interessante attualmente in circolazione, per gestire tutti i sistemi di volo DJI e quindi anche il sistema SPARK a cui fa riferimento questa nota informativa. Il sistema Autopilot vive all’interno di una galassia di soluzioni contigue alle questioni applicative, che formano una vera e propria suite di servizi e applicazioni orientate sia alle riprese, che soprattutto alle questioni operative di volo e gestione dei dati per il supporto in edilizia e non solo.

Hangar è infatti un aggregato USA che spazia dalle soluzioni di smart hosting di dati relativi ai droni, alle immagini a 360°, ma anche produttore di software. Hangar Technology (www.hangar.com) , basata ad Austin TX), è stata fondata da Jeff DeCoux e Jim McAndrew e fa parte del top delle aziende che si occupano di droni. Ad Austin operano anche AutoFlight Logic, DJI USA e 3DR.

Con Autopilot è possibile gestire la quasi totalità delle funzioni di volo, soprattutto per programmare riprese cinematografiche, implementando dei veri e propri piani sequenza, o delle azioni di following multicamera. Infine con l’opzione Waypoint siamo in grado di generare un path di rilievo con l’opzione GRID, indispensabile a gestire un rilievo regolare secondo un progetto preciso. In questa modalità il vostro DJI SPARK eseguirà la missione in maniera totalmente automatica, e a voi l’onere di gestire le informazioni al contorno come altezza di volo, velocità e altri parametri. Oltre ad eseguire le operazioni di take off o decollo, e landing o atterraggio, fasi da considerare sempre critiche con i sistemi di volo.

L'opzione GRID di Autopilot
L’opzione GRID di Autopilot

 

Altre applicazioni di supporto al volo

Sono diverse le applicazioni più o meno funzionanti ed operative. Ma infine di fatto molte sono le applicazioni che hanno fama di essere funzionali per diversi droni, ma che poi all’atto pratico non sono così efficienti come quella originale DJI GO4, o come Autopilot.

Per dovere di cronaca non possiamo non citare altri sistemi anch’essi evoluti, ma non così performanti come altri. Almeno per il nostro sistema SPARK.

  • Pix4D Capture – https://pix4d.com/product/pix4dcapture/ – è uno degli applicativi più usati, anche se non è una vera e proprio applicazione per gestire i droni, ma solo per volare secondo i canoni fotogrammetrici.
  • Litchi – https://flylitchi.com/ – è l’applicazione più diffusa dopo Autopilot, e in un certo qual modo sembra la brutta copia, anche se le voci della rete lo danno come ottimo sistema di gestione ad un prezzo che è quasi il 50% di Autopilot.

Un test operativo. AUTOPILOT tra programmazione e volo

Report delle linee di volo e dei centri di presa, ottenuti nel processo di bundle con il sistema 3DCapture di GEOWEB/Menci.
Report delle linee di volo e dei centri di presa, ottenuti nel processo di bundle con il sistema 3DCapture di GEOWEB/Menci.

Una delle attività da cui è scaturita questa nota sulle problematiche di volo con sistemi APR, è stata la sperimentazione e il testing di una piattaforma di gestione dei sistemi DJI, e quindi del nostro entry level DJI SPARK. Si tratta dell’app per sistema iOS Autopilot, che porta con se non solo le tecniche più disparate di gestione dei sistemi di volo, non tanto orientata alle problematiche in ambito tecnico, ma piuttosto in ambito creativo nel campo delle videoriprese, anche gestendo più sistemi in concorrenza. Ovviamente tutte le modalità di volo sono programmabili con semplici interfacce geografiche, ovvero su uno sfondo di google map come quasi tutti i sistemi usano. La possibilità inoltre di gestire tutti i parametri di volo, fanno diventare Autopilot lo strumento preferenziale per gestire il sistema SPARK, da affiancare ovviamente al sistema ufficiale DJI GO4.

In modalità Waypoint con Autopilot è possibile generare una griglia di volo con intervallo di scatto calcolato interattivamente, e alla stessa maniera è possibile programmare riprese panoramiche o secondo schemi classici per riprese full 3D.

L’analisi dei risultati
La fase di verifica del volo ha permesso di valutare la bontà della copertura fotografica, e la regolarità della maglia delle linee di volo.

Il modello a nuvola densa, con sole 13 immagini, ottenuto via web con 3Dcapture.
Il modello a nuvola densa, con sole 13 immagini, ottenuto via web con 3Dcapture.

Le tracce delle camere riportate nell’immagine di lato, evidenziano un forte sovrapposizione tra il volo full 3D e il volo nadirale. Ciò semplicemente perchè alla fine si è deciso di realizzare una sola elaborazione d’insieme, anche se non sempre è la strategia migliore in fase di post-produzione.

Intelligenza a bordo degli UAV

L'interfaccia in modalità AR per gestire l'ultimo Phantom 4 Pro.
L’interfaccia in modalità AR per gestire l’ultimo Phantom 4 Pro.

I sistemi della cosiddetta intelligenza a bordo di mezzi mobili come droni, rover e sistemi marini, sono basati per lo più su alcune tecnologie di base che possiamo riassumere in ciò che segue:

  • Sistemi di posizionamento outdoor, comunemente sistemi GNSS.
  • Sistemi di prossimità. Che coincidono con sistemi a infrarossi per soluzioni semplici e a basso costo, oppure con sistemi lidar di nuova generazione, o con sistemi ottici di tipo image flow o anche VPS.
  • Sistemi avanzati di analisi di immagine (Vision Positioning System).
  • Sistemi di posizionamento indoor o per acque profonde, o radioposizionamento avanzato.

Ma quando si parla di sistemi intelligenti, non è facile capire cosa e come viene impiegato, e dobbiamo da subito dire che un semplice sistema ad infrarosso che serve ad evitare di toccare con le eliche le pareti di una stanza, o per atterrare senza movimenti repentini e pericolosi, da soli non possono assumere l’importanza di un vero e proprio sistema di intelligenza. E di fatto ciò che intendiamo per intelligenza a bordo di un sistema di volo, mette insieme diverse soluzioni e diversi scenari d’impiego. Ad esempio un sistema UAV nato per le ispezioni come ALBRIS di SenseFly (https://www.menci.com/it/droni-fotogrammetria-sensefly/albris.html), ha a bordo qualcosa come 5 sensori in grado di gestire la sicurezza di prossimità, anche quando si vola sotto un viadotto, all’interno di un ambiente dotato di arredi, oppure semplicemente per documentare tralicci elettrici, antenne delle reti 4G, etc.

Dettaglio dei sistemi disponibili sul sistema di volo Tello di classe consumer, senza GPS.
Dettaglio dei sistemi disponibili sul sistema di volo Tello di classe consumer. Lo stesso impiega un sistema di stabilizzazione basato su sensore VPS invece che su un GPS. Tello è un sistema che costa poco più di 100€.

I sistemi di sicurezza in prossimità erano stati pensati già da qualche anno, ma il vantaggio competitivo di DJI, è quello di aver messo insieme procedure di volo, hardware specializzato, e questa si vera intelligenza, la tecnologie real sense di Intel che è in grado di comprendere la gestualità umana. Funzionalità che il proprietario del drone può sfruttare a pieno nella gestione sicura ed avanzata dei sistemi di volo.

Decollo e atterraggio automatici, sistema di posizionamento basato su tecnica flow motion (VPS). Queste le 2 primare caratteristiche a portata dei droni giocattolo Tello.
Decollo e atterraggio automatici, sistema di posizionamento basato su tecnica flow motion (VPS). Queste le 2 primarie caratteristiche a portata del drone giocattolo Tello.

Un esempio per tutti è la possibilità per un drone di piccola fattura e peso come lo SPARK DJI, di atterrare letteralmente su una mano. Cosa molto utile la dove lo spazio è poco e la situazione è critica rispetto all’atterraggio di un drone anche se di piccole dimensioni.

Un altro aspetto in cui l’evoluzione è andata di gran carriera, è quello della stabilità delle immagini, o meglio della correzione degli sbandamenti fino ad ieri affidata principalmente ai sistemi meccatronici come le cosiddette GIMBAL. Di fatto i sistemi di analisi di immagine sono una delle innovazioni più proficue degli ultimi anni, a cominciare dalla tecnologia real sense di intel, ma in generale l’unione delle soluzioni Optical Flow e infrarosso, insieme all’analisi di immagine, hanno portato nei ultimi due anni il 70% almeno dell’innovazione nel settore dei droni.

L’unione di queste tecnologie ha fatto si che i droni si possano gestire attraverso le cosiddette gesture, ovvero interfaccia visuale o “gesti”. L’innovazione di questa funzione è ormai considerata una feature dei droni consumer, ed è disponibile anche su droni da non più di 100€ come il nuovo Tello, targato dalla RYZE  di Shenzhen e da DJI. Qualcosa che stupisce per le funzioni avanzatissime per un volo senza GPS, e per verificarlo basta scorrere le funzioni documentate nelle info-grafiche di questo post.

Intell inside è una delle motivazioni di vendita dell'entry level Tello.
Intell inside è una delle motivazioni di vendita dell’entry level Tello.

La soluzione master sembra invece essere l’ultimo Phantom 4 PRO di DJI. Il sistema è stato pensato per operare anche in assenza di GPS per scenari indoor, ed è bastato portare i sensori sulle 5 direzioni di vista principali, e renderlo un sistema sicuro anche in ambienti critici come infrastrutture, interni, ed in generale ambienti in cui è possibile trovare ostacoli, che è in grado di individuare con 15 metri di anticipo. Insomma, un tripudio di sicurezza e precisione che rende il sistema quasi inoffensivo, mentre nel contempo il sistema di guida è diventato facile e docile attraverso un’ottima interfaccia via tablet.

A cura di Dsgeo & Alessio Grassi

Riferimenti
Di seguito trovate alcuni riferimenti ai temi o alle soluzioni tecnologiche citate nella nota editoriale.

VPSVision Positioning System è la nuova tecnologia basata su algoritmi di Optical Flow e che permette di guidare i droni anche in assenza di segnale GPS. Impiegata nel campo della robotica e della Computer Vision, è di fatto diventata una delle tecnologie di supporto all’intelligenza artificiale a bordo dei droni in grado di evitare gli ostacoli anche in situazioni di forte criticità. Cosa impossibile fino a 2 anni fa.
Phantom 4https://www.dji.com/phantom-4-adv?site=brandsite&from=navE’ il sistema al momento con il miglior rapporto prezzo/prestazioni, soprattutto per la presenza di 5 sensori di prossimità e sistema VPS. Con queste dotazioni Phantom 4 Pro è in grado di operare in sicurezza in operazioni indoor, nel rilievo di infrastrutture come ponti e viadotti e altri scenari.
Tello –  https://store.dji.com/shop/tello-series?from=menu_productsIl sistema Tello nasce da una collaborazione tra Ryze e DJI, e poggia le sue funzioni intelligenti come gesture control e altro sulla soluzione Intel Real Sense. E’ un prodotto di fascia bassissima, ovvero nato per il gioco, ma gestibile via control command con linguaggi impiegati per i bambini come il mondo di Scratch del MIT basato su Python. E’ il miglior sistema per cominciare ad esercitarsi con il volo intelligente, ma è anche un sistema per chi si occupa di ricerca nelle interfacce e nella usability per il mercato prosumer o orientato al mondo dei Kids, come ben viene spiegato in questa nota su Digitaltreds.
Zerotechhttps://www.zerotech.com/en/smart-en.html – E’ una soluzione che fa della professione e dell’innovazione la sua filosofia. Zerotech produce sistemi per l’agricoltura, per il surveying e per il mercato consumer, mettendo insieme i concetti di 4K Image Recording, Optical Flow e Ultrasuoni, Video Image Stabilization, Stereo depth Sensor, Followa SNAP, Automatic Obstacle Avoid. Tutte caratteristiche di un sistema di volo made in Zerotech e portate sui chip dei smarthphone.
Marvelmindhttps://marvelmind.com – Il tallone di Achille di diversi sistemi per il rilievo in spazi al chiuso, è il sistema di posizionamento GPS che da sempre ha avuto il problema di non garantire la continuità di posizionamento tra il cosiddetto spazio di transizione Indoor/Outdoor, nonostante le diverse aspettative del positioning basato sul Wifi, MarvelMind realizza il primo sistema che potrebbe permettere l’uso dei sistemi di volo anche in aree al chiuso, determinando attraverso le sue soluzioni, un vero e proprio sistema di posizionamento ai 2.5 cm nominali di precisione. 
DJI GO 4https://store.dji.com/guides/dji-go-4-manual/ – Il manuale dell’app principale per gestire i sistemi DJI va letto almeno una volta.
Autopilot – https://autoflight.hangar.com/ – E’ il sito ufficiale di Autopilot, ma la vera installazione va fatta attraverso il market dell’iPAD di Apple, mentre qui trovate l’immensa sezione chiamata “Flight School” che seguendo le sue 12 sezioni vi permette di diventare degli assi delle riprese video e fotografiche con i droni DJI. Dal cinema alla documentazione di infrastrutture, ma anche fotogrammetria e altro. Il tutto è chiaramente in inglese, ma per gli amanti delle traduzioni via google, non sarà difficile comprenderne il significato generale, stando attenti ai termini tecnici che non sempre sono corretti.

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