Droni: Trasmissione dei dati da parte degli APR

L’aeromobile a pilotaggio remoto (APR), noto anche come mini drone, è uno strumento di ridotte dimensioni (massa massima al decollo minore di 25Kg )in grado di volare in modo teleguidato e/o automatico per un tempo limitato (solitamente qualche decina di minuti). Tale oggetto, inizialmente utilizzato per scopi ludico/ricreativi, ha avuto negli ultimi anni grande diffusione anche nel mercato commerciale, essendo in grado di realizzare innumerevoli compiti solitamente non accessibili o sconsigliati agli operatori, quali ad esempio (per citarne alcuni in ambito prettamente civile: ispezione di siti storico-archeologici, fotogrammetria e controllo del territorio, monitoraggio di immobili e topografia, controllo dell’abusivismo edilizio, pianificazione ed ispezione delle attività agricole, monitoraggio ed ispezione di oleodotti, gasdotti, linee elettriche e ferroviarie, controllo della qualità dell’aria, ecc. (per una panoramica degli utilizzi dei droni in ambito civile, leggi l’articolo di Coltellacci e Nava)

 

Questa flessibilità di utilizzo è dovuta al fatto che l’APR può essere specializzato per lo svolgimento di specifiche missioni attraverso l’installazione e l’utilizzo, di volta in volta, di diverse tipologie di sensori, che costituiscono il payload dell’APR e che sono in grado di collezionare, immagazzinare, elaborare e trasmettere una gran quantità di dati: telemetrie, misure dai sensori, immagini, streaming audio e video, ecc.

 

I dati generati dal payload possono essere immagazzinati localmente a bordo su apparati di storage, dai quali è possibile poi recuperarli a valle della missione per convertirli in informazioni ed eseguire una analisi a posteriori, oppure, inviarli in real-time a terra. Questa seconda possibilità richiede la presenza, a bordo dell’APR, di opportuni apparati di comunicazione (TX/RX), con i quali è possibile il trasferimento bidirezionale di dati senza fili tra la stazione di terra (con funzioni di controllo e gestione della missione) e l’unità di volo.

 

Dovendo descrivere i sistemi di trasmissione dati a bordo di un APR, si faccia riferimento alla figura seguente, nella quale è illustrata una tipica configurazione hardware tipica impiegata per i droni; Dall’esame dell’architettura, è possibile individuare tre macro-funzionalità che richiedono l’utilizzo di tecnologie di trasmissione:

– I sistemi di comando e controllo, che governano al tempo stesso sia il volo dell’aeromobile (ad esempio timoni o motori) che la strumentazione di bordo (ad esempio servomeccanismi per orientare le telecamere).

– I sistemi di telemetria, che generano e riportano a terra tutti i dati e le informazioni necessarie a monitorare lo stato di salute del sistema ed i parametri di missione

– I servizi associati alla missione, quali ad esempio dispositivi di registrazione audio/video, che richiedono la trasmissione in streaming, verso terra, dei dati catturati in volo.

 

Ciascuno di questi blocchi funzionali utilizza degli appositi apparati HW/SW per la formattazione e l’incapsulamento delle informazioni in specifici protocolli, che poi vengono trasmessi a terra attraverso le interfacce radio (modulatori/demodulatori ed antenne). Alcuni di essi possono essere proprietari (come ad esempio i protocolli per il comando e controllo) e altri possono appoggiarsi a standard consolidati (come il wifi per le trasmissioni audio/video).

 

Solitamente è la centralina di elaborazione a bordo dell’APR che agisce da mediatore tra i dispositivi che generano dati e quelli che li trasferiscono a terra, smistando opportunamente i dati tra le diverse interfacce radio (ad esempio antenne per comando e controllo e antenne di trasmissione dati) operanti su bande differenti e con specifiche tecnologie che saranno descritte in seguito.

Figura 1 Architettura hardware di principio del sistema di bordo dell’APR

 

Il mercato offre molteplici soluzioni per il comando & controllo, nonché per il trasferimento wireless di dati, immagini e video, ciascuna dipendente dal rapporto prezzo-prestazione che si desidera ottenere. E’ possibile, infatti, trovare disponibili sul mercato centraline in grado di svolgere tutte le funzioni precedenti, oppure trovare soluzioni modulari con le quali riuscire a svolgere le medesime funzioni mediante upgrade successivi (in funzione delle effettive necessità e/o della disponibilità economica).

 

Sono illustrati qui di seguito i principali sistemi di comunicazione generalmente impiegati a bordo degli APR.

 

Trasmissione dei dati di Comando e Controllo

Il successo degli APR, in ambito sia ricreativo che professionale, è dovuto, oltre che all’ingegno e all’impegno di molti sviluppatori e appassionati di volo e di elettronica, anche all’introduzione sul mercato di centraline controller impiegate come automatismo per il volo, che consentono di impartire comandi all’APR mediante PC e lasciare che questo svolga la sua missione in quasi completa autonomia. In tutto questo, naturalmente, l’impiego del radiocomando rimane un elemento indispensabile, anche se è la centralina controller a svolgere le azioni necessarie a supporto del pilota per il governo dell’APR.

 

Il sistema di comando dell’APR, dunque, è composto dal radiocomando (tramettitore) collocato a terra e da una ricevitore installato a bordo. Questi si distinguono per il sistema di trasmissione che può essere in modulazione di ampiezza (AM), modulazione di frequenza (FM) o modulazione a codice di impulsi (PCM). Il sistema AM è il più economico ma poco usato. Il sistema FM è il più usato per le radio di qualità medio-alta e quello PCM per le radio più costose. Oggi sono entrati prepotentemente nell’uso comune anche i sistemi di comando digitali a 2,4 GHz: l’uso della banda 2.4 GHz è di recente autorizzazione ed è soggetto alla normativa emanata dal Ministero dello Sviluppo Economico – Dipartimento per le Comunicazioni, al quale si rimanda di conseguenza. Il Ministero ha infatti riconosciuto questi sistemi come apparati per il regime di “libero uso” ai sensi dell’art. 105, comma 1, lettera o) del Codice delle comunicazioni elettroniche, emanato con decreto legislativo 1° agosto 2003.

 

I radiocomandi a 2,4 GHz sono apparati a corto raggio con modulazione Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) funzionanti nella banda 2.400÷2.483,5 MHz con potenza irradiata (EIRP) massima di 100 mW. Il successo di questi apparati è legato alla capacità di evitare interferenze tra più apparati e alla buona immunità ai disturbi, grazie alla caratteristica intrinseca del metodo di modulazione, tanto da essere usata come metodo di cifratura nelle comunicazioni analogiche. Questa caratteristica consente di evitare, se si possiede una radio a 2,4 GHz, di informarsi a priori sulle frequenze di lavoro limitrofe prima di accendere la propria radio, nel caso in cui, nelle vicinanze, fossero presenti altri mezzi radiocomandati.

 

Il ricevitore di bordo e la centralina controller sono collegate tra loro e costituiscono il sistema di navigazione di bordo che svolge la funzione di pilota automatico del mezzo e offre al pilota remoto, che controlla il mezzo mediante il radiocomando, assistenza automatica per la stabilizzazione del mezzo durante il volo, oppure controlla automaticamente il mezzo gestendone direttamente sia la stabilizzazione sia la navigazione. In aggiunta, attraverso il radiocomando è altresì possibile impartire comandi al payload di missione, ad esempio per direzionare le telecamere od attivare/disattivare specifici sensori.

 

Trasmissione dei dati di Telemetria

Sono disponibili in commercio ricevitori in grado di inviare i dati di telemetria del mezzo durante le operazioni di volo, oppure è possibile installare opportuni moduli in grado di svolgere la medesima operazione mediante sistemi di comunicazione indipendenti. Questi ultimi sono particolarmente adatti per evoluzioni hardware successive del mezzo APR, soprattutto nel caso in cui si voglia iniziare a realizzare un APR con un investimento iniziale modesto, riservandosi la possibilità di ampliarne le caratteristiche funzionali man mano che si acquisisce esperienza e/o si voglia arricchire il ventaglio di possibili applicazioni del mezzo.

 

Per la trasmissione dei dati telemetrici sono disponibili dispositivi che operano in diverse bande di frequenza e con diverse potenza d’uscita RF. Per l’impiego di alcuni dispositivi, però, è necessaria una verifica preliminare delle frequenze utilizzate, affinché queste siano conformi alle normative e alle limitazioni nazionali sull’utilizzo dello spettro Radio e per le quali è necessaria l’autorizzazione dell’Autorità Governativa (si faccia riferimento al Decreto Legislativo 259/2003 e s.m.i.)

 

Per mezzo del sistema di telemetria, termine con il quale identificare generalmente le componenti che producono questa categoria di dati, è possibile visualizzare sulla stazione di terra i parametri di volo e di stato/salute  del mezzo in tempo reale.

 

Le informazioni generate sono inviate alla stazione di terra mediante un modulo trasmettitore ed un opportuno protocollo di trasmissione. Un protocollo open source spesso utilizzato in questo ambito è, ad esempio, il MAVLink, concesso con licenza LGPL.

 

Le informazioni trasmesse via MAVlink possono essere visualizzate sulla ground station tramite l’applicativo On Screed Display (OSD). Tra i parametri tipicamente visualizzati figurano:

– Coordinate GPS (Lat/Long)
– Quota Orientamento Velocità
– Orizzonte Artificiale Angoli di Pitch/Roll
– Livello della batteria in Volt
– Modo di volo
– Distanza e direzione rispetto al punto di Home (in genere il punto di decollo)

Figura 2 Esempio di presentazione dati mediante funzione OSD


Trasmissione di dati di missione (Audio-Video)

La possibilità di eseguire delle riprese video remote mediante APR è tra le applicazioni più richieste per chi utilizza tali mezzi. Il mercato consumer offre molteplici soluzioni, che impiegano differenti frequenze di trasmissione. Naturalmente anche per questo genere di dispositivi è buona norma verificare la rispondenza delle caratteristiche tecniche ai requisiti relativi all’utilizzo dello spettro radio e l’eventuale richiesta di autorizzazione all’Autorità competente.

 

Il video generato dalla telecamera è trasmesso per mezzo di un trasmettitore video. Questo si distingue generalmente per la frequenza di utilizzo, che tipicamente vanno dai 900 MHz ai 5,8 GHz, e per le potenze di trasmissione, il cui limite dipende dalla frequenza impiegata (es. 10 mW di ERIP per la banda 2.400÷2.483,5 MHz e 25 mW di EIRP per la banda 5.725÷5.875 MHz).

 

Con un ricevitore ed un display video, il pilota e/o l’operatore sono in grado di visualizzare l’immagine acquisita dal modello in tempo reale.

 

In ciascuno dei tre ambiti sopradescritti, ricopre una significativa importanza, infine, la scelta degli apparati di antenna, che devono soddisfare requisiti molto particolari a causa dei sistemi su cui sono installate e degli ambienti in cui devono operare. A tal proposito esistono sul mercato delle soluzioni specifiche per l’installazione su sistemi APR, caratterizzate da ridotte dimensioni, pesi contenuti e forme aerodinamiche tali da ridurre le superfici di attrito e non disturbare la dinamica del volo (particolarmente importante nelle fasi di hovering in ambienti soggetto a venti). Inoltre le caratteristiche elettromagnetiche (potenze e diagrammi di radiazione) sono ottimizzate per assicurare adeguati guadagni e visibilità terra/bordo in qualsiasi circostanza od orientamento del drone, garantendo la continuità del link (fondamentale ai fini di un controllo affidabile) e dunque la continuità del servizio. Ultimo, ma non per importanza, gli apparati di antenna devono fare i conti con i consumi energetici che, specie in condizioni di interferenza, possono contribuire ad un prematuro esaurimento delle batterie: per fronteggiarli si cerca di ottimizzare il link budget e le tecniche di modulazione e codifica a disposizione.

 

Conclusioni

In conclusione si può affermare che le tecnologie di trasmissione dei dati impiegate in un sistema APR ne rappresentano una componente fondamentale, sia per l’affidabilità del sistema che per la corretta esecuzione della sua missione. La modularità e la semplicità di installazione consentono agli utilizzatori di essere continuamente al passo con l’evoluzione delle tecnologie, aggiornando gli apparati radio di bordo e beneficiando dei miglioramenti in termini di frequenze utilizzate, bande disponibili e potenze impiegate. Nell’era dell’Internet of Things (IoT), inoltre, la connettività internet è diventata sempre più pervasiva, e tale evoluzione potrebbe trovare spazio anche nel mondo APR, in cui sempre più spesso vengono utilizzati protocolli per l’integrazione di questi dispositivi con gli apparati mobili (ad esempio smartphone) e per la condivisione pervasiva di contenuti sulla rete.

 

Lista degli acronimi

AM: Amplitude Modulation
EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power
ESC: Electric Speed Controller
FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum
FM: Frequency Modulation
GPS: Global Positioning System
Hz: Hertz
IoT: Internet of Things
LGPL: Lesser General Public License
MAVLink: Micro Air Vehicle Communication Protocol
OSD: On Screen Display
PCM: Pulse Code Modulation
RX: Ricezione
SRD: Short Range Devices
TX: Trasmissione
GHz: Giga Hertz– 109 Hz
MHz: Mega Hertz – 106 Hz

 

Articolo degli ingegneri Donatella Mazza e Livio Riccardi


Lascia una risposta

L'indirizzo email non verrà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

News dal Network Tecnico