Fotogrammetria diretta con UAV: attuali limiti e possibili

Politecnico di Torino –
DIATI
UAV/RPAS in Italia – Piattaforme, regolamenti, applicazioni, problematiche
Fotogrammetria diretta
con UAV: attuali limiti
e possibili sviluppi
futuri
Autori: F. Chiabrando, A. Lingua, M. Piras
20/21 febbraio 2014 - Modena
Sommario
1. Introduzione
• UAV
• Applicazioni fotogrammetriche
• Fotogrammetria diretta?
2. Test e risultati
• Mikrokopter v1 & v2
• Drako – Selex MUAS
3. Possibili futuri sviluppi
4. Considerazioni conclusive
DRACO
m
s
min
max
DE [m]
DN
Dw
[m] DH [m] [gon] Df [gon]
Dk
[gon]
0.318 1.126 -0.870 0.6655 -0.0348 -0.0856
0.858 1.005 0.971 1.791
1.712
3.501
-1.099 -1.577 -2.817 -4.0585 -7.6589 -9.2140
2.266 3.456 -1.697 6.2726 6.1391 10.3219
Introduzione
Unmahned Aerial Vehicle (UAV)
Il mondo UAV/RPAS è in continua evoluzione, sia per scopi militari
(ricognizione e altre questioni belliche) che civili, ma non esistono ancora dei
sistemi capaci di soddisfare tutte le necessità della Geomatica.
Introduzione
Applicazioni fotogrammetriche
Esistono diverse soluzioni commerciali nate per scopi fotogrammetrici, e
numerosi contributi scientifici ne hanno dimostrato l’efficacia metrica, in
applicazioni sostanzialmente close range (a prescindere dagli aspetti
legali) mediante camera digitale leggera:
Introduzione
Fotogrammetria diretta ?
Per permettere la navigazione autonoma, sono
dotati di sensori di navigazione a basso costo
GPS/GNSS (in genere u-blox) e IMU (MEMs)
Problemi
• Gli strumenti commerciali sono chiusi e permettono scarsa
interazione con i dati grezzi
• La precisione/accuratezza dei sensori in ambito dinamico
• Calibrazione del sistema (Level arm, Mounting, …)
• Sincronizzazione della camera con i sensori di navigazione viene
spesso risolta in modo creativo
Occorre approfondire il problema per:
• comprendere meglio i limiti applicativi di questi strumenti;
• proporre eventuali miglioramenti per applicazioni
fotogrammetriche dirette
Introduzione
Casistica
Hexakopter di Mikrokopter (v2011)
Hexakopter di Mikrokopter
(v2012) personalizzazione
di RESTART
Limiti di riferimento in
applicazioni cartografiche
sXYZ = 0.2 n (scala 1:n)
Draco di Selex
Galileo MUAS
HexaKopter di Mikrokopter (v2011)
• Vendita in kit (< 2000 €)
• Ricevitore GPS integrato u-blox 4H
• Flight Control integra MEMs e
bussola elettr. (assetto angolare)
• Camera Sony Nex 5 (sensore DX 14
Mpixels, ottica fissa 16 mm, 600 €)
montata su supporto servo assistito
(2 rotazioni)
• Trasmissione video analogica in real
time (2.4 GHz)
• Trasmissione telemetria in real time
via XBee
HexaKopter di Mikrokopter (v2011)
Lo schema
Dati registrabili:
•Lo stream video in
tempo reale
• La telemetria
• traiettoria e assetto
volo
HexaKopter di Mikrokopter (v2011)
La navigazione automatica
Fissata la quota, è possibile attivare la navigazione automatica per
mezzo di Waypoints
HexaKopter di Mikrokopter (v2011)
Il caso reale: Aquileia
GSD medio 5-7 mm
HexaKopter di Mikrokopter (v2011)
La triangolazione fotogrammetrica
Volo alto
Volo basso
GSD medio 5-7 mm
H media = 17 m (62 immagini)
vXY(GCP) = 4 mm vz(GCP) = 16 mm
vXY(CP) = 11 mm vz(CP) = 17 mm
H media = 14 m (29 immagini)
vXY(GCP) = 3 mm vz(GCP) = 11 mm
vXY(CP) = 6 mm vz(CP) = 13 mm
HexaKopter di Mikrokopter (v2011)
Il confronto
Acquisizione ad inizio e alla fine
ogni volo del monitor del PC con
visualizzazione del tempo GPS.
L’angolo k è stato corretto
declinazione
magnetica
convergenza del meridiano
http://www.ngdc.noaa.gov/geomagweb/#declination
m
s
min
max
DE [m]
1.377
1.781
-0.078
3.188
DN [m]
0.556
2.103
-2.817
5.211
In applicazioni cartografiche:
Solo angoli w f: Ds = 0.18 cm (1:1000)
Influenza k: Ds =0.39 m (1:2000)
Centro di presa XY: 1:10000
Centro di presa Z: 1:25000
DH [m] Dw [gon] Df [gon] Dk [gon]
-0.338 0.687
0.321
0.575
4.223
1.888
1.601
4.254
-6.252 -4.827
-3.155 -10.370
7.168
5.697
5.091
12.294
di
la
di
e
HexaKopter di Mikrokopter (v2012)
Ricevitore GPS u-blox 6S
Motori sviluppati in proprio (RESTART)
Doppia batteria (durata volo ~17 min)
HexaKopter di Mikrokopter (v2012)
I test
HexaKopter di Mikrokopter (v2012)
Comparazione Est-Nord
m
s
min
max
Oltre 20000 punti
In applicazioni
cartografiche
Precisione centro di presa
in planimetria:
1:10000
Soluzione A-GPS
(EGNOS)
DE [m]
-0.034
2.420
-9.841
7.906
DN [m]
0.890
1.744
-6.977
11.402
HexaKopter di Mikrokopter (v2012)
Comparazione altezza relativa
m
s
min
max
Oltre 20000 punti
In applicazioni
cartografiche:
Precisione centro di
presa in quota
1:10000
Soluzione A-GPS
(EGNOS)
DH [m]
0.277
1.465
-8.794
9.352
Draco di Selex Galileo MUAS
Il velivolo
Costo 50-100 k€
Decollo/atterraggio automatici
Batterie potenziate per 20
minuti di volo
Ricevitore u-blox 5H
IMU MEMS (calibrato) ad alta
velocità proprietario
Servocomando della camera
con registrazione dell’istante
di scatto
Stazione
di
controllo a terra
professionale
2 pod disponibili:
fisso (nadirale e
orizzontale)
Brandeggiabile
Draco di Selex Galileo MUAS
Il volo su poligono
Prima parte del volo manuale
II parte volo automatico
Circa 450 immagini acquisite
di cui utilizzate 51
H media 18 m
GSD medio 11 mm
Draco di Selex Galileo MUAS
Risultati di confronto
L’istante di scatto viene registrato in un apposito file di log.
Il sistema è stato calibrato mediante misure in laboratorio (level arm e
mounting)
DRACO
m
s
min
max
DE [m] DN [m] DH [m] Dw [gon] Df [gon] Dk [gon]
0.318
0.858
-1.099
2.266
1.126 -0.870
1.005 0.971
-1.577 -2.817
3.456 -1.697
0.665
1.791
-4.058
6.272
-0.034
1.712
-7.658
6.139
-0.085
3.501
-9.214
-10.321
In applicazioni cartografiche:
Solo angoli w f: Ds = 0.18 cm (1:1000)
Influenza k: Ds =0.31 m (1:2000)
Centro di presa XY: 1:5000
Centro di presa Z: 1:5000
In generale, migliorano lievemente rispetto all’Hexakopter.
I dati non sono ancora accettabili per fotogrammetria
diretta a grande scala, ma solo a media scala.
E se la tecnologia fosse già disponibile?
Ipotizzando di usare dei sensori “terrestri” ma
potenzialmente
trasferibili
(per
peso,
costo
e
complessità) su un micro-UAV e considerando le loro
prestazioni (in termini di sqm), quali performance si
otterrebbero?
Payload > 500 kg
Payload < 2 kg
sqm posizione = 2 cm / 4cm
Condizioni  sqm angoli = 2.0°
E se la tecnologia fosse già disponibile?
Camera: Panasonic GF3
H volo = 20 m
NO GCP
DE [m]
DN [m] DH [m]
m
-0.071
-0.133
s
0.239
max
Min
4 GCP
DE [m]
DN [m]
DH [m]
-0.096
m
-0.027
-0.044
0.079
0.177
0.382
s
0.179
0.085
0.263
0.284
0.191
1.483
max
0.226
0.180
0.498
-0.569
-0.461
-0.418
Min
-0.334
-0.187
-0.487
Quali sono i problemi reali?
Possibili sviluppi futuri
Nel mondo “reale”, i problemi aperti sono:
- sensori a bordo vs peso vs durata del volo;
-Integrazione sensori navigazione (GNSS, IMU);
- sincronizzazione sensori e memorizzazione dati;
Quali sono i problemi reali?
Possibili sviluppi futuri
…
- protocolli di comunicazione e formati dati
- metodi di calibrazione micro-MEMS in dinamico
- calibrazione antenne patch;
- eliminazione delle interferenze elettromagnetiche;
- algoritmi di fissaggio ambiguità e di verifica integrità;
-stima della posizione con PPP (per soluzione
differenziale);
- ….
…e poi post-processing o in tempo reale?
Per il real time (se serve!?)….la strada della ricerca è
ancora molto lunga.
Quali sono i problemi reali?
Possibili sviluppi futuri
SIRIUS PRO
MAVINCI
Costo €
mikrokopter con micro pc
e sensori per la
navigazione di precisione
Costo €
Considerazioni conclusive
Le verifiche effettuate permettono di affermare che, allo stato attuale, i
sistemi UAV non permettono di svolgere applicazioni di fotogrammetria
diretta a grande scala, ma avendo l’accortezza di volare a bassa quota
possono essere utilizzati per applicazioni cartografiche a media scala.
Il problema principale non è nella stima degli angoli ma nella definizione
della posizione del centro di presa (GNSS) a causa dell’uso di sensori e di
procedure in real time che non garantiscono le precisioni/accuratezze
richieste.
In presenza di una sincronizzazione più raffinata e IMU più costosa i
parametri di orientamento esterno di ogni immagine migliorano
sensibilmente (DRACO) e permettono una cartografia in scala 1:5000.
Per affrontare applicazioni cartografiche a grande scala occorre iniziare a
sviluppare sistemi UAV che integrino
sensori di navigazione (in
particolare GNSS) più raffinati e permettano la memorizzazione dei dati
grezzi garantendo soluzioni in post-processing più rigorose e come
dimostrano da numerosi studi spesso più precise e accurate.
Ringraziamenti
Horea BENDEA* per il supporto tecnico sugli
UAV;
Paolo MASCHIO* per il prezioso pilotaggio
degli UAV;
Irene AICARDI* per l’aiuto nel trattamento
dati;
Fabio PAONESSA**per il supporto nella parte
elettronica.
• * Politecnico di Torino – DIATI
• ** CNR - IEIIT

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