UGCS, un solo software di volo per tutti i droni: dai Parrot ai giganti industriali

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Di Filippo Fiaschi – Ileron

Filippo Fiaschi ci racconta la sua esperienza con UGCS, un software di pianificazione/comando e controllo missione, in modalità assistita/mista o completamente automatica per i droni sviluppato dalla lettone Sph Engineering di Riga (Lettonia)

bnbDevo proprio dirlo, se avessi avuto un software di pianificazione/comando e controllo missione per l’A2 più decente dello scarsissimo DJI PC Ground Station con cui ho iniziato, in quanto compreso in bundle con il modulo telemetria DJI, molto probabilmente non avrei investito la stessa energia, intesa come curiosità positiva, capire, studiare e testare a fondo il software multipiattaforma UGCS prodotto dalla SPH Engineering di Riga (Lettonia) oggetto di questa recensione.

Sicuramente ad UGCS sarei atterrato lo stesso, ma con meno fame; nonché si sa, l’appetito vien mangiando e con il senno di poi, posso sicuramente dire che in termini di bontà, sotto tutti i punti di vista, non esiste ad oggi un’alternativa comparabile ad UGCS: esso, non solo mi ha tolto dai casini funzionali del software DJI PC Ground Station (con azzeramento delle frustrazioni), ma ha dato a me ed ai miei partner topografi, termografi ed agronomi le risposte che stavamo cercando sulla parte di acquisizione dati aerei.

Per l’appunto, uno dei miei droni monta l’A2 della DJI, un Flight Controller (FC) ottimo e affidabile; i problemi, risolti facendolo parlare con UGCS, sono stati:

  1. Stabilità: Dato che quando iniziai UGCS non c’era, potevo interfacciarmi all’FC solo con il software DJI PC Ground Station, che come accennavo prima è assolutamente insufficiente per il volo automatico e pianificazione in servizi tecnici nonché pieno di bug e molto instabile.Con UGCS questo tipo di problemi sono spariti e avevo anche tutti i tool immaginabili per la moderna topografia, lato acquisizione dati.
  2. Algoritmi pensati per il volo automatico: Ripeto, l’A2, sebbene ottimo (l’eccellente funzionamento della IMU DJI A2, sarei pronto a giocarmelo con alcuni FC di classe aeronautica più blasonati non-commerciali) non ha proprio degli algoritmi pensati per il volo automatico.  E nel settore dei servizi tecnici si vola in automatico nel 99% delle volte. Così, se si esce da certi parametri, semplicemente malfunziona; niente di pericoloso, solo che tu non porti il risultato a casa o lo porti molto male, se va bene.
  3. Elasticità:  UGCS unita ai potenti tool, a differenza dei software limitati, mi ha permesso di modellare con semplicità ed ergonomia la programmazione di volo fotogrammetrica in maniera da essere compatibile con i colli di bottiglia dell’A2; in sostanza, permette di imbrigliare, una volta capito l’inviluppo di volo della FC in esame, tramite le funzioni di programmazione e comando, una catena di funzioni aggiuntive al piano di volo volte a correggere e far rimanere entro certi parametri il funzionamento del sistema, per portare a casa il risultato in maniera corretta ed efficiente.Un esempio, ma è solo uno dei tanti che potrei dire: con UGCS è possibile attraverso la creazione di corridoi di invito/riallineamento, correggere un difetto dell’A2 che causa la non corretta esecuzione del piano di volo automatico in certe condizioni.

    Sgombriamo il campo da eventuali eccessi di entusiasmo: UGCS non trasformerà un brutto anatroccolo in un cigno; l’A2 ed il suo firmware interno rimarranno tali con i loro difetti (potrete metterci al posto dell’A2 un qualsivoglia FC commerciale), ma UGCS permetterà di rimuovere il brutto. In sostanza, partendo da un’insufficienza si arriverà sempre alla sufficienza, e a volte anche 6+, senza essere costretti ad investire in FC superiori. Il termine sarà un po’ tirato per la coda, ma anche per queste caratteristiche si può dire che UGCS sia un prodotto “democratico”.

Ma cos’è UGCS?
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In un volo completamente “manuale” (con i Flight Controller, il manuale tra virgolette è obbligatorio, anche senza l’ausilio del GPS), sarà probabilmente utilizzato solo come “pannello strumenti” (riporto di quota, altezza, posizione velocità, livelli batteria, ecc.). In altre parole la famosa telemetria (cara anche ad ENAC), indispensabile per chi voglia far volare un drone come si deve: avete mai visto un Phantom, anche solo volato in aeromodellismo, utilizzato senza iPad o telefono per la telemetria? cosa molto rara, e in effetti anche pericolosa perché sarebbe come montare su un aereomobile pilotato a bordo, anche semplice tipo Cessna 160, senza strumentazione, con solo barra, manetta, pedali e pochi switch: io non ci monterei affatto! E comunque il discorso è per assurdo perché una trappola del genere non sarebbe aeronavigabile.

Ad ogni modo, è abbastanza scontato che un drone debba volare con la telemetria, alcuni però fanno ancora delle scelte oggettivamente scorrette: optare per dei moduli telemetria aggiuntivi da interfacciare con il RC ed avere la lettura sul display di quest’ultimo al posto di utilizzare un device (iPad, PC notebook, telefono) su cui girerà un software come UGCS e che, lato on-board, dialogherà direttamente con il FC senza bisogno di installare dei moduli aggiuntivi. Di fatto, quella della telemetria sull’RC con moduli trasmittenti aggiuntivi a bordo è una soluzione nata (e che è la morte sua!) per l’aeromodellismo classico, dove l’avionica di bordo non è robotica e si riduce esclusivamente in una radio-ricevente collegata a dei servi e, per quanto riguarda il comparto propulsione dei modelli elettrici, ad un regolatore, stop.

In un drone quindi, elenco sotto i principali svantaggi (vantaggi, non ce ne sono) nel non utilizzare una configurazione con device + software per il semplice controllo strumentale dei parametri di volo:

  1. Il primo, banale, impossibilità di impartire eventuali comandi di emergenza o meno al FC via telemetria: la comunicazione, sarà solo monodirezionale.
  2. Impossibilità di ricevere alcuni parametri importanti o di allarme, in quanto potremo leggere quest’ultimi solo se collegati via modem al FC con un sistema device + software. Molti droni hanno il led di stato (quelli di fascia alta no), ma non sarà visibile dopo una certa distanza (molto breve) dal pilota e soprattutto, esso non dice proprio tutto in termini di quello che accade dentro al FC.
  3. Costi. Dato che è vero che si risparmia il PC notebook o l’iPad, ma è anche vero che ormai tutti ne hanno uno e, soprattutto, i moduli aggiuntivi on-board da interfacciare all’RC costano (per non parlare dell’aumento di peso in percentuale nelle macchine più piccole).
  4. Ultimo punto, ma forse il più importante: non avere una cartografia elettronica di riferimento e non sapere con esattezza se è stata fatto correttamente il punto Home e soprattutto dove! Vi assicuro che confrontandomi con molti specialisti di questo settore, molti malfunzionamenti e incidenti sono accaduti a causa di una partenza troppo sportiva del pilota, senza aspettare che la FC inizializzasse correttamente il punto Home; va da se, che in assenza di un’interfaccia di verifica (device+software), non potrai mai saperlo.

Abbiamo quindi visto fino ad ora solo la punta dell’iceberg relativa alle potenzialità di un software ground-station per droni. Soprattutto per chi ci lavora, sarà molto interessante il lato pianificazione e controllo per volo automatico o misto/assistito: in sostanza, con appositi tool dei software ground-station, sarà possibile comandare via device il drone e aggiungere waypoint di programmazione volo, eseguendo modifiche anche in tempo reale.Questi concetti molti di voi li conosceranno molto bene, infatti come idea di base, UGCS non differisce rispetto agli altri software ground-station OEM che i produttori di droni o piattaforme FC forniscono con i loro hardware.

Multipiattaforma, multi-user e modularità
ugcs-one-universal-gound-control-software-3dr-apm-1-largeA differenza dei software OEM, che ovviamente possono interfacciarsi solo ad un solo tipo di drone/piattaforma FC, UGCS, come unico software ground-station aftermarket, permette di controllare praticamente il 100% dell’hardware più diffuso e importante presente nel mercato: dal “quasi giocattolo” A.R. Drone della  Parrot, venduto anche al discount, fino alle macchine di classe aeronautica come il drone ad utilizzo prettamente militare della Lockheed Martin Indago (nonché FC Kestrel) e la FC della canadese Micropilot (il cui prezzo, nella versione base, è circa pari ad un’utilitaria), passando per tutta la gamma DJI, droni e FC (anche Phantom 4 ed A3) nonché 3D Robotics Pixhawk/APM (sempre droni e FC stand-alone). Naturalmente è sempre tutto in evoluzione, e per esempio stanno uscendo i driver per far parlare il software con i nuovissimi modelli della DJI.

Moduli VSM: un solo sistema per tutti i droni
Tutto ciò grazie alla particolare e geniale architettura di UGCS: l’interfaccia ed il core resta lo stesso, con implementati più VSMs (Vehicle Specific Modules) corrispondenti alle varie piattaforme. Ciò si traduce in un vantaggio non da poco: un operatore con una flotta variegata non dovrà utilizzare (ed imparare ad usare!) più software, ma ne avrà uno solo, tutto in una singola stazione di terra (o anche più stazioni).
Inoltre, questo vantaggio non è solo per gli operatori che usano più droni, magari diversi; pensiamo ad un operatore con un solo tipo di drone, che dopo un po’ di tempo voglia acquistare una macchina di altro marca: non dovrà cambiare il software ground-station.

Tutti i droni con la stessa ground station. Oppure tante stazioni per un solo drone
Le caratteristiche di modularità però non finiscono qua, è infatti possibile controllare più droni contemporaneamente con la stessa ground-station e, creando un’opportuna rete, anche controllare uno o più droni da stazioni di controllo diverse, magari distanti tra loro, in cui ogni singola stazione potrà prendere o rilasciare il controllo a piacimento (sarà naturalmente opportuno che in caso di GS distanziate, i piloti siano in contatto radio); non appena mi è stata mostrata quest’ultima funzione, ho subito pensato che sarebbe un’ottima soluzione per gestire delle missioni in E-VLOS con efficienza e sicurezza.
Infine, Il software gira su sistemi Apple Mac, Linux, Windows e presto, verranno rilasciate le versioni mobile, quest’ultime, anche con funzionalità d’integrazione ed importazione dai sistemi PC.

Diverse licenze, più configurazioni funzionali, stesso software
Pensate ad un software ground-station il cui spettro di funzionalità abbracci le esigenze del ragazzino che desideri semplicemente giocare con il suo dronetto commerciale, anche datato (Phantom 2, A.R. Drone), fino al topografo/direttore delle operazioni di un’organizzazione militare o governativa, passando per l’azienda service provider di analisi termografiche o impegnata in agricoltura di precisione, magari con operazioni in E-VLOS; costerà come un’automobile, minimo! E invece no. innanzitutto, anche nella versione “full”, UGCS non costa come un’automobile, ma molto, molto meno (un prezzo accessibile anche per un singolo libero professionista). Ma il bello è che il software rimane sempre lo stesso, mentre diversi tipi di licenze, progressivamente ognuna dal prezzo più alto, sbloccano livelli di funzionalità via via sempre più alti.

Il bello è che tutto ciò non è stato pensato a braccio, ma è stata fatta una puntuale indagine affinché ogni categoria di utenti troverà la sua licenza più ottimizzata per le sue esigenze. E sì, il ragazzino potrà giocare liberamente con la licenza gratuita appositamente pensata per questo tipo di utenti.

Ergonomia – Affidabilità – Funzionalità accessorie
Non so se avete presente quella famosa pubblicità televisiva dove il bimbo esclamava “Mamma guarda, un pollo!” in quanto il povero bimbo aveva sempre visto dei surrogati di polli arrosto fino a quel momento. Ebbene, è stato un po’ il mio pensiero/reazione nel mentre esploravo UGCS: “non ci si può credere, finalmente uno strumento di pianificazione e controllo per droni ergonomico!”.
Già, io sono fissato con l’ergonomia, perché ergonomia vuol dire efficienza, velocità, ottimizzazione dei costi, tutte cose molto care al mondo professionale e importanti, ma ahimè prima d’ora non avevo mai visto porre la dovuta attenzione al lato ergonomico nell’ambito dei droni. In un mondo sempre più smart, in un settore così ad alta tecnologia e rivolto al professionale, la mancanza pressoché costante di questa caratteristica mi ha da sempre sconcertato. Forse, solo i software ground-station di ultima generazione della DJI come l’app DJI GO hanno un’ergonomia sufficiente, ma le loro potenzialità sono decisamente insufficienti per l’utenza professionale, a meno che non ci si limiti strettamente all’ambito del video-making.

In UGCS la Human-Machine-Interface è curata sotto tutti i punti di vista e, ripeto, non è solo pura estetica fine a stessa, ma funzionalità e sicurezza. La disposizione dei comandi e la visibilità degli allarmi nel mondo aeronautico è una tema studiato e implementato scientificamente e questo, gli ingegneri di UGCS lo sanno bene. Un esempio con aneddoto: una delle caratteristiche uniche di UGCS rispetto alla totalità degli altri software GS è quella di avere il riporto di posizione del drone sulla mappa, dove ogni movimento ha caratteristiche di fluidità ad altissima risoluzione; mi spiego meglio, ricordate i vecchi Tom Tom dove il vostro punto nave andava a scatti? comparatelo con i moderni GPS/smartphone, esso è fluidissimo, questo perché c’è un software che fa un’interpolazione dei dati prima di riportarli graficamente sotto forma di punto nave.

Disclaimer: non saltate dalla sedia, perché in UGCS l’interpolazione viene implementata solo ed esclusivamente nel riporto grafico del punto nave, quindi niente paura.


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Ebbene, a causa di una raffica di vento oltre i parametri di gestione in volo automatico propri dell’FC A2 (l’A2 contrasta poco efficacemente derive causate da un vento oltre gli 8 m/s), capitò che dovessi “ripassare” in manuale un intero braccio fotogrammetrico; grazie alla fluidità del punto nave riportato in tempo reale e agli indicatori di prua (heading) e direzione (course) di volo (sì in UGCS vi sono due frecce grafiche “imperniate” sul punto nave in cui una di esse indica anche la direzione di volo in tempo reale), fu veramente intuitivo e facile eseguire questa particolare operazione in maniera corretta, che, in assenza delle feature sopra riportate, risulterebbe quasi impossibile da effettuare a parità di risultato (già provato).

Il software risulta molto stabile: mai un crash o rallentamento riportato per tutti e tre i sistemi operativi da parte mia in circa un anno di utilizzo pieno e costante. Non è esoso di risorse di sistema ed ha persino una feature per il risparmio batteria quando si è in campo, che non influisce minimamente sulle prestazioni e non degrada le caratteristiche di human–machine interface. Le funzionalità accessorie sono molte: ADSB, ritorno video in tempo reale (se si ha un link video), No Fly Zone 3D, misurazione di distanza ed area, calcolatore Line of Sight e l’utilissima Offline Map, una funzione che permette di caricare in locale tutti i dati, compresi quindi i dati DEM in un’area fino a 2 km di raggio. Perché in campo, non sempre si può avere una connessione. Queste le principali funzionalità accessorie, ma ce ne sono molte altre e questo fa pensare che per gli ingegneri dell’SPH Engineering i dettagli non siano una componente trascurabile (e ci mancherebbe altro!).

zzzPensato per la geomatica
Un’altro piatto forte di UGCS risiede nella completezza, potenza ed elasticità dei tool di pianificazione missione in volo automatico specifici per servizi tecnici di topografia, agricoltura di precisione e termografia industriale. Photogrammetry Tool, Area Scan Tool, DEM data import, Geo-Tiff data import, opzione per volo con prese a GSD costante ecc. ne fanno uno strumento concreto ed efficiente per l’aerial survey/aeromapping e acquisizioni per creazione di modelli 3D fotogrammetrici. Naturalmente, l’elasticità è molta quindi non ci sono limiti alla tipologia di volo automatico impostabile, si può quindi con facilità programmare anche piani di volo tipici per le ispezioni e perché no, l’aerial-filming. Durante un volo di aeromappatura di un vigneto, effettuata in collaborazione con il laboratorio GECO del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale dell’università di Firenze e l’Istituto Geografico Militare, abbiamo testato e particolarmente apprezzato la possibilità inedita di volare in automatico copiando il terreno grazie alla funzione per effettuare prese a GSD (Ground Sampling Distance) costante.

La funzione Overshoot unita allo scatto automatico in Forward Passes sono una vera manna in termini di efficienza e qualità del risultato, per avere prese tutte perfettamente orientate secondo i bracci fotogrammetrici e soprattutto, senza scarti: la pianificazione con UGCS, se eseguita correttamente, permette di utilizzare il 100% delle prese acquisite.In un procedimento dove i dati siano stati acquisiti tramite UAV, l’operazione finale di analisi/restituzione è di fatto la meno importante:

Nella fase di pianificazione ed esecuzione della missione (o delle missioni) a mezzo UAV, in quanto molto delicata e spesso, anche per motivi economici, irripetibile, vi sono mediamente l’80% delle criticità e dei task da affrontare in relazione all’intero processo per arrivare alla soluzione.

Come Adobe Photoshop
Gli ingegneri disegnatori/architetti potrebbero anche cambiare questo titolo di paragrafo in “Come Autodesk Autocad”, il risultato non cambia: penso proprio che per la prima volta nel mondo dei software ground-station professionali per droni, con UGCS si sia veramente di fronte alla nascita di un riferimento qualitativo dello stato dell’arte e, in analogia al titolo del paragrafo per l’appunto, UGCS è come Photoshop della Adobe: complesso, vasto, potente, e semplicemente ergonomico. Si torna lì, la concezione del prodotto mettendo al primo punto l’ergonomia richiesta da chi deve lavorare (e in campo si lavora anche nel fango, con 40° o al freddo, uno strumento spuntato e che fa perdere tempo non è proprio il massimo) è stata la chiave per arrivare a questo risultato.

La sindrome del coltellino svizzero
Perché ciò? introduco un concetto: la sindrome da coltellino svizzero – non cercatelo su Google, è un neologismo inventato da me. 
Quando si ha per le mani il progetto di un software talmente complesso, completo e vasto come UGCS, il rischio di trasformarlo durante lo sviluppo in complicato o nei casi peggiori, al limite dell’infruibile è altissimo. E se al primo punto, e dall’inizio, non viene posto il fattore ergonomia, nell’accezione più ampia del termine, il rischio è appunto quello di trovarsi di fronte ad un “coltellino svizzero”, capace di mille funzioni, ma con il tutto poco razionale e usufruibile per un’utenza professionale, il cui principale scopo non è quello di sperimentare o gingillarsi tecnologicamente, ma quello di avere un qualcosa per portare concretamente il pane (= risultato) a casa, nel miglior modo possibile, con l’utilizzo minore di risorse e velocemente. Naturalmente, rimanendo uno strumento vasto e complesso, per un corretto utilizzo, l’utente ha bisogno d’imparare ad usare UGCS molto bene, esattamente come Adobe Photoshop per l’appunto, perché gli strumenti, anche i più smart, se non si sa usarli correttamente non funzionano. La buona notizia è che strumenti vasti, complessi ed ergonomici, richiedono un apprendimento sì, impegnativo, ma con un’allocazione di risorse da parte dell’utente molto vantaggiosa in relazione ai risultati ottenibili via via. I software “coltellino svizzero” invece, sono destinati ad essere abbandonati dall’utenza professionale, in quanto in fase di apprendimento l’utente professionale traslerà lo scenario dell’utilizzo di uno strumento complicato e poco fruibile a quando dovrà usare il software nelle battaglie lavorative quotidiane.

La versione 2.10 e considerazioni finali
La versione 2.10, l’ultima, migliora semplicemente il tutto senza stravolgere la filosofia e l’architettura di base; un’altro passo avanti. La sento un po’ mia, dato che come Flight Tester per UGCS in essa sono implementati i suggerimenti che ho dato alla Casa nei miglioramenti del Photogrammetry Tool e di alcuni dettagli.

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ll CEO della SPH alle postazioni UGCS negli uffici di Ileron.

Con la versione 2.10 il ventaglio delle licenze acquistabili è stato ampliato e rivisto; l’end-user ha ora un panorama ancora più equilibrato. Il Chief Technical Officier della SPH Engineering è stato da noi in Italia un po’ di tempo e tra un test di volo e il lavoro in ufficio, abbiamo parlato degli sviluppi tecnici che la casa progetta d’implementare per UGCS nel prossimo futuro: in tale occasione ho avuto la conferma delle mie impressioni iniziali: un’azienda molto dinamica, fatta di persone che sanno accordare perfettamente concretezza e visione; il frutto di ciò è di fatto tangibile. Purtroppo, non posso dire la stessa cosa per molte altre realtà del mondo dei droni, anche a livello internazionale.

bbvPermettetemi una riflessione: penso che questo mondo, sia avvelenato dai big fake ovvero aziende, medio-grandi, che più o meno fraudolentemente ingannano gli investitori e gli end-user promettendo soluzioni che poi non ci sono. Noi end-user dobbiamo fare molta attenzione, perché i piccoli fake (e ce ne sono tantissimi anche di quelli), gli improvvisati, è comunque facile riconoscerli, molto più difficile invece quando i fake sono nascosti dentro aziende dalla facciata importante. Le tecniche di semi-informazione ed informazione soft contribuiscono poi, globalmente ed in tutte le sfaccettature, ad avvelenare questo mondo tecnologico.

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