IT202100018362A1 - Drone e relativo metodo di comando - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"DRONE E RELATIVO METODO DI COMANDO"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un drone, in particolare ad un drone dotato di un computer di bordo, di un controllore di volo e di un dispositivo d?interfaccia tra tale computer di bordo e tale controllore di volo, nonch? al relativo metodo di comando.

STATO DELLA TECNICA

Un aeromobile a pilotaggio remoto, noto comunemente come drone, ? un apparecchio volante il cui volo, essendo privo di pilota a bordo, ? controllato da un computer di bordo oppure tramite controllo remoto di un navigatore o pilota, sul terreno o in altre posizioni.

I droni commerciali, in particolare, sono sempre pi? diffusi, la loro tecnologia si evolve rapidamente e la comunit? scientifica ci dedica sempre pi? tempo e risorse. Ogni drone commerciale, sia esso autocostruito che pre-assemblato implementa a bordo un controllore di volo in grado di stabilizzare l?assetto e di inseguire i riferimenti che gli vengono passati dalla ricevente radio, la quale comunica con il radiocomando del pilota umano.

Tuttavia, i controllori di volo utilizzati su questi velivoli a pilotaggio remoto, si basano su tecnologia a microcontrollore e non permettono lo sviluppo di modalit? avanzate, come ad esempio la guida autonoma basata sulla visione artificiale.

Per cercare di sviluppare applicazioni di questo tipo si ricorre al montaggio a bordo di computer dedicati, che per? non possono dialogare in modo efficiente e completo con l?elettronica del drone, in particolare con il controllore di volo, al quale normalmente ? associata almeno un?unit? di misurazione inerziale che rileva e processa dati ad alta frequenza, ovvero dell?ordine di uno o pi? kHz.

A tali computer dedicati, che possono rivelarsi complessi e costosi, ? piuttosto difficoltoso collegare eventuali sensori aggiuntivi che possano essere utilizzati a bordo, quali sensori GPS, barometrici, magnetometrici, sensori a flusso ottico o altro. Inoltre, l informazione fornita da tali sensori, che tipicamente ? ad alte frequenze, non viene correttamente letta e sfruttata da tali computer.

Inoltre, il dialogo tra il computer di bordo ed il controllore di volo del drone pu? comportare una serie di problemi, tra i quali ad esempio la complessa ed onerosa necessit? di dover intervenire sul firmware del controllore di volo. Tale operazione pu? essere anche rischiosa, dal momento che potenziali bug potrebbero essere introdotti nel firmware del controllore di volo. Tale intervento potrebbe essere necessario ogni volta che cambia tipo di controllore di volo. Se il drone prevede anche una modalit? di volo manuale da remoto, inoltre, non sarebbe possibile inviare al computer di bordo aggiuntivo i comandi manuali in tempo reale e questo precluderebbe lo sviluppo di algoritmi di Intelligenza Artificiale capaci di imparare dal pilota umano.

Esiste pertanto la necessit? di perfezionare un drone che possa superare almeno uno degli inconvenienti della tecnica.

In particolare, uno scopo del presente trovato ? quello di realizzare un drone che possa essere pilotato in modo preciso ed affidabile mediante un computer di bordo.

Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di realizzare un drone che sia provvisto di un dispositivo d?interfaccia in grado di far dialogare un qualsiasi computer di bordo con una qualsiasi unit? inerziale di misurazione, prevista normalmente nel controllore di volo, senza la necessit? di modifiche hardware o software al computer di bordo o al controllore di volo.

Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di realizzare un drone che possa prevedere lo sviluppo di applicazioni innovative per guida autonoma ed in cui il computer di bordo possa utilizzare algoritmi di Intelligenza Artificiale capaci di apprendere dai comandi eventualmente foniti da un pilota umano.

Un ulteriore scopo del presente trovato ? quello di realizzare un drone provvisto di un computer di bordo a cui possano essere associati una pluralit? di sensori in dotazione al drone, quali sensori GPS, barometrici, magnetometrici, sensori a flusso ottico o altro.

Un ulteriore scopo ? quello di mettere a punto un metodo di comando di un drone.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato ? espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell?idea di soluzione principale.

In accordo con i suddetti scopi, un drone secondo il presente trovato comprende almeno un computer di bordo, un controllore di volo, interfacciato con tale computer di bordo e con una pluralit? di motori di movimentazione del drone, ed almeno un?unit? di misurazione inerziale configurata per rilevare l?assetto di volo del drone.

Secondo un aspetto del trovato, il drone comprende un dispositivo d?interfaccia collegato a tale computer di bordo, a tale controllore di volo ed a detta unit? di misurazione inerziale e configurata per pre-elaborare i dati provenienti da tale unit? di misurazione inerziale, inviarli a tale computer di bordo e ricevere da tale computer di bordo i comandi autonomi da inviare a tale controllore di volo. Tale controllore di volo fornir? a tali motori le informazioni di assetto e spinta del drone.

Vantaggiosamente, il presente drone, grazie al dispositivo di interfaccia collegato al computer di bordo, al controllore di volo e all?unit? di misurazione inerziale, pu? essere pilotato in modo preciso ed affidabile mediante tale computer di bordo.

Il presente dispositivo d?interfaccia ? in grado di far dialogare un qualsiasi computer di bordo con qualsiasi controllore di volo commerciale, senza la necessit? di modifiche hardware o software al computer di bordo o al controllore di volo.

Secondo un ulteriore aspetto del trovato, tale unit? di misurazione inerziale possiede un contributo informativo in alta frequenza, dell?ordine di uno o pi? kHz, e tale dispositivo d?interfaccia pu? essere configurato per effettuare un?intermediazione di frequenza ed abbassare tale frequenza a circa 100-200 Hz. Tale dispositivo di interfaccia ? quindi configurato per fornire una stima di assetto e posizione che ? trasmessa a frequenze minori mantenendo la qualit? e l?integrit? del contributo informativo. Tale dispositivo d'interfaccia pu? effettuare una preelaborazione ad alta frequenza dei dati dall?unit? di misurazione inerziale e da eventuali altri sensori. Ad esempio tale pre-elaborazione per il sensore inerziale pu? riguardare la ricostruzione della stima di assetto, che una volta ricostruita pu? essere inviata al computer di bordo a qualsiasi frequenza compatibile con le capacit? di quest'ultimo, senza perdita di informazione, in quanto la stima ? stata ottenuta sfruttando tutto il contenuto informativo disponibile.

Secondo un ancora ulteriore aspetto del trovato, tale dispositivo d?interfaccia pu? essere collegato ad un ricevitore installato a bordo del drone e configurato per ricevere segnali di comando del drone da un radiocomando per la guida da remoto.

Tale dispositivo d?interfaccia pu? essere inoltre configurato per eseguire una modalit? di commutazione mediante la quale possa inviare al controllore di volo comandi automatici provenienti dal computer di bordo, comandi manuali provenienti dal radiocomando, oppure comandi manuali ed automatici, ottenendo una modalit? ibrida che assiste il pilota umano durante il pilotaggio.

Su tale computer di bordo pu? essere inoltre installata una rete neurale per applicazioni di Intelligenza Artificiale.

Il presente drone pu? quindi supportare lo sviluppo di applicazioni innovative per guida autonoma ed il computer di bordo pu? utilizzare algoritmi di Intelligenza Artificiale capaci di apprendere dai comandi fomiti da un pilota umano.

Tale dispositivo d?interfaccia pu? comunicare con tale controllore di volo mediante almeno uno dei seguenti protocolli: PWM (Pulse-Width Modulation), PPM (Pulse Position Modulation), S-BUS, o altri.

Secondo un ulteriore aspetto del trovato, a tale dispositivo d?interfaccia possono essere collegati ulteriori sensori, quali sensori inerziali, magnetometri, GPS, barometri, sensori a flusso ottico o altro. Il dispositivo di interfaccia funziona pertanto da concentratore o HUB di sensori, lasciando pertanto liberi i contatti Input/Output del computer di bordo.

Tale dispositivo d?interfaccia pu? essere inoltre provvisto di una memoria non volatile per la memorizzazione dei dati elaborati e pu? comprendere dei circuiti elettronici configurati per ricevere i comandi generati da tale computer di bordo attraverso una porta seriale e/o una porta ethemet.

Un ulteriore aspetto del presente trovato ? un metodo di comando di un drone, comprendente il rilevamento di dati sull?assetto e la posizione di volo del drone mediante tale unit? di misurazione inerziale, la preelaborazione di tali dati mediante il dispositivo d?interfaccia, l?invio di tali dati pre-elaborati a tale computer di bordo, la ricezione da parte di tale dispositivo d?interfaccia dei comandi autonomi elaborati da tale computer di bordo, la fornitura a tali motori di tali informazioni di assetto e spinta attraverso tale controllore di volo. I comandi autonomi elaborati possono prevedere ad esempio comandi di assetto, di controllo dell?altezza del drone o altri.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Questi ed altri aspetti, caratteristiche e vantaggi del presente trovato appariranno chiari dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fomite a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 ? un disegno schematico dei principali componenti di un drone secondo il presente trovato.

Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente combinati o incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni.

DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE

Si far? ora riferimento nel dettaglio ad una forma di realizzazione preferita del trovato, della quale un esempio ? illustrato nella figura allegata a titolo esemplificativo non limitativo. Anche la fraseologia e terminologia qui utilizzata ? a fini esemplificativi non limitativi.

Con riferimento alla figura 1 , un drone 10 secondo il presente trovato comprende almeno un computer di bordo 11, un controllore di volo 12 interfacciato con tale computer di bordo 11 e con una pluralit? di motori 13 di movimentazione del drone 10, ed almeno un?unit? di misurazione inerziale 14 configurata per rilevare l?assetto di volo del drone 10.

Il drone 10 comprende un dispositivo d?interfaccia 15 collegato a tale computer di bordo 11, a tale controllore di volo 12 ed a tale unit? di misurazione inerziale 14 e configurata per pre-elaborare i dati provenienti da tale unit? di misurazione inerziale 14, inviarli a tale computer di bordo Il e ricevere da tale computer di bordo 11 i comandi autonomi da inviare a tale controllore di volo 12. In tale modo, il controllore di volo 12 pu? comandare i motori 13 del drone 10 in base ai dati ricevuti da tale dispositivo d?interfaccia 15. Sostanzialmente quindi, tale controllore di volo 12 fornisce a tali motori le informazioni di assetto e spinta del drone 10.

La pre-elaborazione di questi dati viene effettuata direttamente a bordo del dispositivo d?interfaccia 15, garantendo delle prestazioni sulla precisione di stima dei dati nettamente superiori rispetto alle stime effettuate ad oggi sui computer di bordo dei droni. I dati pre-elaborati dal dispositivo d?interfaccia 15 vengono inviati in forma aggregata al computer di bordo 11.

Come si pu? osservare ? possibile prevedere una pluralit? di unit? di misurazione inerziali 14 associate al dispositivo d?interfaccia 15.

L?unit? di misurazione inerziale 14 ? provvista di sensori inerziali che possiedono un contributo informativo concentrato sulle alte frequenze, tale contributo non pu? essere sfruttato da un normale computer di bordo 11 basato su un sistema operativo non real-time. Tale contributo informativo pu? essere invece completamente sfruttato dal dispositivo d?interfaccia 15, che impiega tecnologia a microcontrollore ed ? in grado di processare tali dati ad alta frequenza.

Sostanzialmente, il dispositivo d?interfaccia 15 pre-elabora i dati relativi all?assetto e fomiti dall?unit? di misurazione inerziale 14 alle stesse frequenze dell?unit? di misurazione inerziale 14, ovvero dell?ordine di un o pi? kHz, e li fornisce in forma aggregata al computer di bordo 11 ad una frequenza dell?ordine di 100-200 Hz, in modo che possano essere correttamente elaborati da tale computer di bordo 11, effettuando pertanto un?intermediazione di frequenza.

Tale intermediazione di frequenza consente al computer di bordo 11 di elaborare tutti i dati ricevuti dal dispositivo d?interfaccia 15 e fornire quindi un risultato contenente i comandi autonomi da fornire al controllore di volo 12 che aziona i motori 13 in modo preciso e affidabile. L?intermediazione di frequenza viene effettuata mediante un opportuno algoritmo.

Tale dispositivo d?interfaccia 15 pu? comprendere circuiti elettronici configurati per ricevere i comandi generati dal computer di bordo 11 attraverso una porta seriale.

Tali circuiti elettronici possono comprendere microcontrollori ad alte prestazioni normalmente presenti in commercio.

Il dispositivo d?interfaccia 15 pu? essere anche collegato ad un ricevitore 18 installato a bordo del drone 10 e configurato per ricevere segnali di comando del drone 10 da un radiocomando 16 per la guida da remoto.

Il dispositivo d?interfaccia 15 ? configurato per eseguire una modalit? di commutazione mediante la quale possa inviare al controllore di volo 12 i comandi automatici provenienti dal computer di bordo 11, comandi manuali provenienti dal radiocomando 16 oppure comandi manuali ed automatici ottenendo una modalit? ibrida che assiste il pilota umano durante il pilotaggio.

Ad esempio ? possibile prevedere che il pilota umano, mediante il radiocomando 16, possa scegliere una modalit? di pilotaggio del drone 10 con guida manuale, una modalit? di pilotaggio automatica mediante il computer di bordo 11, oppure una modalit? ibrida, con guida manuale assistita dal computer di bordo 11. Preferibilmente, inoltre, il dispositivo d?interfaccia 15 pu? consentire come guida preferenziale la guida da remoto appena il pilota umano aziona il radiocomando 16.

Il dispositivo d?interfaccia 15 pu? quindi inviare al computer di bordo 11 i comandi ricevuti dal radiocomando 16 e quindi dal ricevitore 18. Questa caratteristica pu? essere ulteriormente utile se sul computer di bordo 11 viene installata una rete neurale per applicazioni di Intelligenza Artificiale e che deve imparare a pilotare il drone 10. In questo caso ? possibile pilotare il drone 10 manualmente facendo registrare al computer di bordo 11 tutti i comandi che il pilota umano invia al controllore di volo 12 del drone 10 attraverso il radiocomando 16.

Nel caso in cui il dispositivo d?interfaccia 15 venga connesso anche al radiocomando 16 e grazie alla suddetta modalit? di commutazione tra i comandi manuali e quelli autonomi ? possibile migliorare notevolmente la sicurezza del drone 10, in quanto c?? la possibilit? di escludere i comandi generati dal computer di bordo 11 in qualsiasi momento.

Il dispositivo d?interfaccia 15 pu? essere in grado di comunicare con il controllore di volo 12 del drone rigenerando i segnali che riceve in ingresso nei protocolli comunemente utilizzati su questi sistemi. In particolare ? possibile scegliere il protocollo utilizzato dal dispositivo d?interfaccia 15 per comunicare con il controllore di volo 12 tra almeno uno dei seguenti protocolli: PWM, PPM, S-BUS. Questi protocolli non sarebbero replicabili direttamente dal computer di bordo 11 senza l?utilizzo del dispositivo d?interfaccia 15, poich? per generare tali segnali ? necessario un sistema in grado di gestire gli interrupt, come ad esempio un microcontrollore.

Il dispositivo d?interfaccia 15 ? configurato per funzionare anche come concentratore o HUB per sensori 17 aggiuntivi, quali ad esempio sensori inerziali, magnetometri, GPS, barometri, sensori a flusso ottico ( optical flow), o altro. Anche per questi sensori 17, il dispositivo d?interfaccia 15 ? in grado di fare una pre-elaborazione ad alta frequenza delle informazioni e di inviarle in forma aggregata al computer di bordo 11, il quale le pu? utilizzare per algoritmi di alto livello.

Il dispositivo d?interfaccia 15 pu? essere associato al computer di bordo 11 di un qualsiasi drone 10 commerciale senza alcuna modifica agli altri componenti del drone 10, infatti pu? generare in uscita un segnale di comando codificato nello stesso standard utilizzato dal ricevitore 18.

Inoltre, il fatto che altri sensori 17 possano essere collegati al dispositivo d?interfaccia 15, che funziona come concentratore o HUB, consente anche di lasciare liberi i contatti Input/Output del computer di bordo 11, che altrimenti dovrebbero essere occupati da tali sensori 17. Questo consente al computer di bordo 11 di svolgere altri compiti e utilizzare i dati pre-elaborati e ricostruiti dal dispositivo d?interfaccia 15, tramite ad esempio comunicazione con bus seriale.

Il dispositivo d?interfaccia 15 pu? inoltre essere provvisto di una memoria 19 non volatile per la memorizzazione dei dati elaborati, quindi una sorta di ?scatola nera? del drone 10. Questo aspetto pu? essere utile in quanto i dati memorizzati possono essere utilizzati in reti neurali eventualmente previste nel computer di bordo 11 del drone 10.

Il metodo di comando del drone 10 secondo il presente trovato prevede sostanzialmente il rilevamento di dati sull?assetto di volo del drone 10 mediante tale unit? di misurazione inerziale 14, la preelaborazione di tali dati mediante il dispositivo d?interfaccia 15, l?invio di tali dati pre-elaborati a tale computer di bordo 11, la ricezione da parte di tale dispositivo d?interfaccia 15 dei comandi autonomi generati da tale computer di bordo 11, la fornitura a tali motori 13 di tali informazioni di assetto attraverso tale controllore di volo 12.

? chiaro che al drone 10 o al relativo metodo di comando fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti o fasi, senza per questo uscire dall?ambito del presente trovato come definito dalle rivendicazioni. Nelle rivendicazioni che seguono, i riferimenti tra parentesi hanno il solo scopo di facilitare la lettura e non devono essere considerati come fattori limitativi per quanto attiene all?ambito di protezione sotteso nelle specifiche rivendicazioni.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Drone (10) comprendente almeno un computer di bordo (11) a cui ? interfacciato un controllore di volo (12), una pluralit? di motori (13) di sua movimentazione ed almeno un?unit? di misurazione inerziale (14) configurata per rilevare il suo assetto di volo, caratterizzato dal fatto che comprende un dispositivo d?interfaccia (15) collegato a detto computer di bordo (11), a detto controllore di volo (12) ed a detta unit? di misurazione inerziale (14), configurato per pre-elaborare i dati provenienti da detta unit? di misurazione inerziale (14), inviarli a detto computer di bordo (11) e da questo ricevere i comandi autonomi da inviare a detto controllore di volo (12), in modo che detto controllore di volo (12) possa fornire a detti motori (13) le informazioni di assetto e spinta del drone (10).

2. Drone (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta unit? di misurazione inerziale (14) possiede un contributo informativo in alta frequenza, dell?ordine di uno o pi? kHz, e detto dispositivo d?interfaccia (15) ? configurato per effettuare un?intermediazione di frequenza ed abbassare detta frequenza a circa 100-200 Hz, ovvero per fornire una stima di assetto e posizione che ? trasmessa a frequenze minori mantenendo la qualit? e l?integrit? del contributo informativo.

3. Drone (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo d?interfaccia (15) ? collegato ad un ricevitore (18) installato a bordo di detto drone (10) e configurato per ricevere i segnali di comando da un radiocomando (16) per la guida da remoto.

4. Drone (10) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo d?interfaccia (15) ? configurato per eseguire una modalit? di commutazione mediante la quale possa inviare al controllore di volo (12) comandi automatici provenienti dal computer di bordo (11), comandi manuali provenienti dal radiocomando (16), oppure comandi manuali ed automatici ottenendo una modalit? ibrida che assiste il pilota umano durante il pilotaggio.

5. Drone (10) secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che su detto computer di bordo (10) ? installata una rete neurale per applicazioni di Intelligenza Artificiale.

6. Drone (10) secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo d?interfaccia (15) comunica con detto controllore di volo (12) mediante almeno uno dei seguenti protocolli: PWM, PPM, S-BUS, o altri protocolli standard compatibili con i controllori di volo commerciali.

7. Drone (10) secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che a detto dispositivo d?interfaccia (15) vengono collegati ulteriori sensori (17), quali sensori inerziali, magnetometri, GPS, barometri, sensori a flusso ottico o altro.

8. Drone (10) secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo d?interfaccia (15) ? provvisto di una memoria (19) non volatile per la memorizzazione dei dati elaborati.

9. Drone (10) secondo una qualsivoglia delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo d?interfaccia (15) comprende una scheda elettronica configurata per ricevere i comandi generati da detto computer di bordo (11) attraverso una porta seriale e/o ethernet.

10. Metodo di comando di un drone (10), comprendente almeno un computer di bordo (1 1) a cui ? interfacciato un controllore di volo (12), con una pluralit? di motori (13) di movimentazione del drone (10) ed almeno un?unit? di misurazione inerziale (14) configurata per rilevare l?assetto e la posizione di volo del drone (10), in cui detto metodo comprende il rilevamento di dati sull?assetto di volo del drone mediante detta unit? di misurazione inerziale (14), la pre-elaborazione di detti dati mediante un dispositivo d?interfaccia (15), l?invio di detti dati preelaborati a detto computer di bordo (11), la ricezione da parte di detto dispositivo d?interfaccia (15) dei comandi autonomi elaborati da detto computer di bordo (11), la fornitura a detti motori (13) di dette informazioni di assetto e spinta attraverso detto controllore di volo (12).