Piattaforme di sviluppo per droni

16th July 2019
Posted By : Alex Lynn
Piattaforme di sviluppo per droni

Nell'ultimo decennio sono poche le tecnologie che hanno catturato l'attenzione dell'opinione pubblica come gli UAV (Unmanned Aerial Vehicles - aeromobili senza pilota a bordo), ora più conosciuti con la denominazione di droni. Il loro sviluppo e il loro utilizzo, in passato, era ristretto ad applicazioni prevalentemente in ambito militare.

Di Mark Patrick, Mouser Electronics

A partire dagli inizi di questo secolo, l'enorme successo commerciale e la conseguente diffusione degli smartphone ha contribuito a creare una sorta di "tempesta perfetta" dove l'abbinamento tra l'evoluzione dell'elettronica e la riduzione dei costi tipica dei mercati caratterizzati da volumi molto elevati ha favorito l'affermazione dei droni che negli ultimi anni hanno conquistato un posto da protagonisti.

L'ampia disponibilità di controllori di volo basati su microcontrollori relativamente semplici ed economici su cui girano sistemi operativi "leggeri" (lightweigth) e di sensori come accelerometri e giroscopi, di sistemi GPS (Global Positioning System) e di telecamere, oltre ai progressi fatti registrare nei settori delle batterie e delle tecnologie wireless, ha favorito la rapida diffusione di quadricotteri (droni a quattro rotori) di piccole dimensioni orientati al mercato consumer e caratterizzati da prezzi estremamente contenuti.

Uno sguardo al mercato dei droni

Secondo una ricerca commissionata dalla banca di investimenti Goldman Sachs il settore dei droni per applicazioni militari, consumer e commerciali genererà entro il 2020 un volume di affari pari a 100 miliardi di dollari. Il comparto militare detiene una quota dominante (70%) per quel che concerne il fatturato anche se, in base ai dati forniti da Gartner, in termini quantitativi i droni destinati al settore consumer rappresentano il 94% del totale delle unità spedite.

Poiché il costo di un gran numero di droni per il settore consumer si aggira attorno a qualche centinaia di euro, il loro contributo al fatturato globale del comparto è sicuramente marginale. I droni per applicazioni commerciali, pur rappresentando solo il 6% del mercato in termini di volumi, grazie ai prezzi decisamente più elevati (che vanno dalle migliaia alle decine di migliaia di euro) rappresentano oltre il 60% del fatturato, escludendo i droni per uso militare.

Mentre le vendite di droni destinati al mercato consumer continuano ad aumentare a un ritmo sostenuto, il settore commerciale sarà quello che presenta le maggiori opportunità (grazie a un tasso di incremento delle unità vendute ancora più elevato e a prezzi medi di vendita decisamente più alti rispetto al comparto consumer), con un volume d'affari previsto pari a 13 miliardi di dollari entro il 2020. A seguito dell'evoluzione della tecnologia dei droni sarà proprio il settore commerciale a stimolare lo sviluppo dei casi d'uso più interessanti, favorendo un'ulteriore ampliamento del mercato.

I droni possono essere usati per svolgere un gran numero attività che vengono attualmente condotte sfruttando metodi tradizionali, permettendo di abbattere drasticamente tempi e costi grazie a una sostanziale diminuzione dell'intervento umano e del ricorso a infrastrutture di sicurezza. La fotografia aerea e la video cinemagrafia sono probabilmente due degli impieghi più comuni dei droni: grazie a esse agenti immobiliari, organizzatori di eventi e proprietari di alberghi possono produrre filmati audiovisivi professionali in modo rapido ed economico.

Senza dimenticare che i droni sono destinati a diventare parte integrante delle attività quotidiane in numerosi settori tra cui sorveglianza e sicurezza privata, logistica, assicurazioni, agricoltura e giornalismo. Secondo i risultati di una ricerca condotta da PwC, il settore più promettente appare quello delle infrastrutture, con una valore potenziale stimato in 45 miliari di dollari, seguito dai comparti dell'agricoltura e dei trasporti.

I droni possono anche contribuire a migliorare l'analisi dei dati, permettendo alle aziende di comprendere in maniera più approfondita e prevedere con maggiore accuratezza le prestazioni operative, mentre in alcuni settori industriali consentono di sviluppare modelli di business innovativi e sfruttare nuove opportunità.

Secondo un'indagine condotta da BCG, una società attiva nel campo della consulenza gestionale, la flotta di droni per applicazioni commerciali in attività in Europa e negli Stati Uniti ammonterà a oltre un milione di unità entro il 2050, generando un fatturato complessivo di 50 miliardi di dollari, gran parte del quale ascrivibile ai servizi e all'acquisizione dei dati. Le aziende possono subappaltare a terze parti l'utilizzo, la gestione e la manutenzione dei droni.

Gli operatori attivi nel settore delle telecomunicazioni ad esempio, potrebbero offrire servizi di comunicazione dati per la guida dei droni e la trasmissione dei dati raccolti. Secondo le stime di BCG, i servizi a valore aggiunto rappresenteranno circa la metà di questo mercato di 50 miliardi di dollari generato dai droni e dal loro utilizzo.

Applicazioni commerciali dei droni

Quando si pensa ai droni, la mente è solitamente rivolta alle applicazioni nei settori militare e/o consumer. Nel caso di applicazioni di natura commerciale, molto spesso l'attenzione è focalizzata sui droni impegnati in attività di consegna, un'applicazione che d'altra parte riceve una buona copertura mediatica su base abbastanza regolare.

In ogni caso non bisogna dimenticare che esistono ancora numerosi ostacoli da superare, dal punto di vista sia logistico sia della normativa. Gli ambiti di utilizzo dei droni commerciali vanno comunque ben al di là di questo tipo di applicazione in quanto le potenzialità di questi "oggetto volanti" sono quanto mai varie e in continua espansione. Di seguito alcune tra le più significative.

Mappatura e ispezione - I responsabili delle strutture (facility manager) hanno iniziato a ricorrere ai droni per espletare una pluralità di funzioni come ad esempio ispezioni di tetti, torri cellulari, piattaforme offshore, pannelli fotovoltaici, turbine eoliche, oleodotti e gasdotti, linee elettriche, ferrovie, strade e ponti. I livelli di sicurezza e di efficienza possono essere aumentati grazie all'uso di telecamere equipaggiate con sensori ad alta definizione o per la formazione dell'immagine (imaging) a infrarossi. I sondaggi relativi a un sito e la pianificazione delle costruzioni possono trarre sicuri vantaggi dall'utilizzo di droni equipaggiati con sensori LIDAR che consentono di effettuare una mappatura estremamente precisa dei possibili cantieri.

Gli studiosi di archeologia non devono più far ricorso a piloti di aerei leggeri o a immagini statiche provenienti da un satellite quando esaminano potenziali siti per effettuare gli scavi. I droni permettono loro di ottenere immagini di elevata qualità a bassa quota, in modo da consentire una migliore pianificazione dei luoghi dove effettuare gli scavi, riducendo i tempi di permanenza sul luogo degli scavi stessi. Le immagini, inoltre, possono essere utilizzate per documentare i reperti man mano che vengono alla luce.

Agricoltura e infrastrutture - L'agricoltura è stato uno dei primi settori ad adottare i droni al fine di migliorare la resa, risparmiare tempo e ridurre i costi grazie a sciami di droni utilizzati per spargere sementi, fertilizzanti e pesticidi, oltre a monitorare i raccolti o il bestiame. 

Più di recente i droni sono stati impiegati come punti di accesso wireless aerei, particolarmente utili durante le operazioni di soccorso in caso di disastri o lo svolgimento eventi sportivi e musicali dal vivo di grande richiamo. Questi punti di accesso risultano particolarmente utili nei Paesi meno sviluppati del Pianeta dove il costo di installazione delle tradizionali infrastrutture di telecomunicazioni risulterebbe proibitivo.

Emergenze e interventi medici - I droni vengono sempre più utilizzati in tutti queli Paesi che non dispongono di strutture sanitarie adeguate per fornire farmaci salva-vita, sangue per le trasfusioni e dispositivi medici specialistici alle vittime di calamità che si verificano in località remote di difficile accesso. Nel frattempo, la FAA (Federal Aviation Administration) sta avviando la fase di approvazione di tali servizi negli Stati Uniti, destinati inizialmente alle comunità che vivono in luoghi rurali o remoti.

Anche nelle operazioni di salvataggio e soccorso si fa ampio ricorso ai droni, non solo per localizzare eventuali persone disperse, ma anche per fornire materiali di prima necessità (come cibo, acqua, kit di primo soccorso e dispositivi di comunicazione) in attesa che i soccorritori riescano a raggiungere fisicamente le persone coinvolte. I droni sono stati anche adattati per l'uso nella lotta agli incendi (mediante l'utilizzo di materiali speciali e l'adozione di tecniche progettuali espressamente sviluppate per contrastare le elevate temperature): in questo caso essi vengono impiegati per svolgere compiti esplorativi in modo da ridurre i rischi per gli operatori, che possono così concentrarsi sull'espletamento di altre attività come il salvataggio delle vittime e il contenimento del fuoco.

L'utilizzo di dispositivi quali altimetri, scanner laser e unità di misura inerziale (IMU - Inertial Measurement Unit) permette ai droni di navigare in modo sicuro all'interno degli edifici, dove il segnale GPS non è affidabile.

Sport e intrattenimento - La Drone Racing League ha di recente stipulato accordi pluriennali con alcune reti televisive per la trasmissione delle nascenti competizioni tra droni. A differenza di quanto avviene negli sport più tradizionali, i piloti di droni rappresentano una larga fascia della popolazione e le competizioni che hanno per protagonisti questi "oggetti volanti" possono contribuire a superare le barriere geografiche e suscitare l'interesse degli spettatori più giovani.

Ciò potrebbe rappresentare, per i media tradizionali, un elemento cruciale per riuscire ad attirare e mantenere una base di abbonati. I droni sono anche utilizzati come valida alternativa ai fuochi d'artificio e in generale agli spettacoli pirotecnici nei sistemi SPAXEL (Space Pixel, in pratica pixel nello spazio tridimensionale), dove sciami di droni dotati di sistemi di illuminazione a LED sono coordinati in maniera dinamica per dar vita a esibizioni luminose suggestive e di grande impatto scenografico.

Piattaforme di sviluppo per droni

Il gran numero e l'ampia gamma di applicazioni dei droni sta generando la necessità di integrare funzionalità "su misura" in grado di soddisfare le richieste di casi d'uso specifici. Attualmente è disponibile una vasta gamma di piattaforme di sviluppo per droni che si propongono come un valido ausilio per i progettisti che devono ottemperare a queste esigenze cercando nel contempo di ridurre il più possibile il time to market. L'obiettivo dei progettisti è individuare il mix ottimale tra tecnologie collaudate adatte per un uso di tipo professionale, configurabilità e opzioni di personalizzazione

La scheda di valutazione STEVAL-FCU001V1 di STMicroelectronics è un'unità per il controllo del volo (FCU - Flight Controller Unit) compatta da utilizzare per il progetto di quadricotteri di dimensioni medio/piccole (equipaggiati con motori in continua con o senza spazzole). Scalabile, efficiente e corredata del firmware necessario per ridurre i tempi di sviluppo, questa FCU permette ai progettisti di valutare le prestazioni dei sensori IMU durante il volo. La scheda in questione integra un microcontrollore a 32 bit e può essere controllata per mezzo di un telecomando RF o con uno smartphone/tablet utilizzando il modulo Bluetooth integrato.

La dotazione di serie prevede anche un integrato per la carica della batteria, un modulo inerziale con giroscopio e accelerometro a basso consumo, oltre a un magnetometro e e sensori di pressione per il supporto delle applicazioni di navigazione 3D. Sono altresì disponibili connettori SWD, I2C e USART per le operazioni di sviluppo del firmware e di debug, oltre che per il supporto di moduli RF o sensori esterni.

La piattaforma di sviluppo DFRobot UAV V3 è equipaggiata con un DCS a 16 bit, un accelerometro a 3 assi e giroscopi a 2 assi. Da sola, può essere utilizzata per lo sviluppo di un controllore IMU a 3 assi, mentre con l'aggiunta di un ricevitore GPS rappresenta la base per la realizzazione di un controllore per UAV. Questa piattaforma è corredata con un firmware con funzionalità di auto-diagnostica che rappresenta per i progettisti il punto di partenza per lo sviluppo del loro firmware di controllo e di navigazione. E' anche disponibile un firmware per il pilotaggio automatico (autopilot) di tipo open source perfettamente funzionante.

La Aero Platform per UAV di Intel mette a disposizione dei progettisti una piattaforma completa che integra tutti i sensori e le risorse di elaborazione e di comunicazione necessarie per sviluppare applicazioni sempre più "intelligenti" per i droni. Destinato a sviluppatori di droni per uso commerciale, ricercatori universitari e studenti impegnati nella realizzazione di sofisticate applicazioni per droni, il kit Aero Ready-to-Fly Drone è un quadricottero completamente assemblato e collaudato per il volo in grado di ridurre drasticamente i tempi richiesti per lo sviluppo di applicazioni.

Esso è realizzato a partire dalla scheda ad alte prestazione Aero Compute Board che integra le funzionalità di visione e di percezione della profondità della tecnologia Intel RealSense (grazie alle quali i progettisti possono ad esempio sviluppare avanzati algoritmi per evitare le collisioni) e supporta un sistema operativo Linux open source. Il software per il pilotaggio automatico PX4, pre-caricato sulla FCU (che ospita un microcontrollore a 32 bit, una IMU, un magnetometro e sensori di altitudine), mette a disposizione uno stack completo per il volo.

Gli sviluppatori possono anche realizzare i propri droni abbinando le risorse di elaborazione, memorizzazione, comunicazione e di I/O della Aero Compute Board con quelle del Vision Accessory Kit, contenente le tre telecamere e l'Enclosure Kit, un assemblaggio in plastica composto da due pezzi progettato per ospitare la Aero Compute Board e i moduli delle tre telecamere del Vision Accessory Kit. Le caratteristiche di montaggio consentono un collegamento molto semplice con la maggior parte delle fusoliere degli UAV.


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