PixHawk: misure di sicurezza e normativa ENAC

PixHawk Misure Di Sicurezza e Normativa ENAC - ProjectEMS
 
Il 30 Aprile 2014, in Italia, è entrata in vigore la nuova normativa ENAC sui mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto. Soprattutto in seguito a questa data, diverse persone addette ai lavori si sono preoccupate ed occupate delle misure di Safety riguardanti il loro mezzo e della relazione che esse hanno con la normativa appena entrata in vigore.
In questo articolo non andremo ad analizzare la normativa nel dettaglio, bensì andremo a vedere diverse funzioni di PixHawk, con software Arducopter 3.2, che hanno a che vedere con l’aspetto Safety. Non elencheremo punto per punto come includere tale funzionalità in un dato manuale: il nostro obbiettivo è fornire una visione generale di quello che questa board può fornire a riguardo della sicurezza del proprio mezzo e di coloro che stanno a stretto contatto con esso. Questo al fine di avere uno schema generale di come questa board possa aiutare a rispettare determinati requisiti di “safety”.

PixHawk: Introduzione

PixHawk è un sistema di autopilota (FCB) per Droni che nasce da un progetto di 3DRobotics.
PixHawk è una board open-source ovvero tutti gli schemi sono rilasciati sotto licenza Creative Commons e chiunque può scegliere di riprodurla a casa o modificarne il codice.
 
Specifiche Tecniche:
Processor
32-bit ARM Cortex M4 core with FPU
168 Mhz/256 KB RAM/2 MB Flash
32-bit failsafe co-processor
Sensors
ST Micro L3GD20 3-axis 16-bit gyroscope
ST Micro LSM303D 3-axis 14-bit accelerometer / magnetometer
Invensense MPU 6000 3-axis accelerometer/gyroscope
MEAS MS5611 barometer
Power
Ideal diode controller with automatic failover
Servo rail high-power (7V) and high-current ready
All peripheral outputs over-current protected, all inputs ESC protected
Interfaces
5x UART serial ports, 1 high-power capable, 2x with HW flow control
Spektrum DSM/DSM2/DSM-X Satellite input
Futaba S.BUS input (output not yet implemented)
PPM sum signal
RSSI (PWM or voltage) input
I2C, SPI, 2x CAN, USB
3.3 and 6.6 ADC inputs
Dimensioni 81,5 x 50 x 15,5 mm
Peso 38 g

Battery FailSafe

Questo failsafe serve ad avvisare se la batteria si sta scaricando e a prevenire un’eventuale schianto del mezzo a causa della batteria scarica.
Il failsafe della batteria si triggerà automaticamente quando il voltaggio o i mAh della batteria scendono oltre una soglia. Le soglie di voltaggio e di mAh sono configurabili tramite software.
Il failsafe si triggera quando il voltaggio scende sotto un dato numero di volt configurabili tramite software, oppure quando i mAh rimasti scendono sotto una soglia, anch’essa configurabile tramite software.
 
Link di approfondimento qui: Battery failsafe – Arducopter

Radio failsafe

Questo failsafe serve a prevenire incidenti in caso il pilota perda il contatto con il suo mezzo.
Il failsafe della radio si triggera automaticamente quando il contatto tra radio del pilota(tx) e la ricevente(rx) si interrompe.
La perdita del contatto tra la radio del pilota(tx) e la ricevente(rx) può avvenire se:
– il pilota spegne la radio;
– il mezzo esce dal range di portata della radio;
– il receiver si spegne e non può più ricevere il segnale.
Nel momento in cui si triggera il Radio Failsafe, avviene una delle seguenti (modificabili lato software):
– se il mezzo è disarmato non succede nulla;
– se il throttle è a zero i motori vengono spenti;
– se è entro i due metri dalla home effettua l’RTL;
– se i precedenti parametri non sono rispettati, il mezzo atterra (a meno che non impostato diversamente).
In caso sia stato impostato tramite software, il failsafe della radio che avviene in modalità AUTO potrebbe continuare la missione fino al termine.
 
Link di approfondimento qui: Radio failsafe – Arducopter

Rilevazione software di Glitch GPS

Rilevazione Glitch GPS di default
La protezione di default permette di avvertire il pilota di un Glitch GPS, e quindi innescare automaticamente il fail-safe relativo ai Glitch e ridurre quindi i fly-away. I glitch vengono rilevati confrontando ogni nuova posizione con una posizione prevista in base ai dati precedenti di posizione e velocità. La nuova posizione GPS viene considerata buona se:

  • – Le due posizioni sono entro il valore GPSGLITCH_RADIUS (di default impostato a 5 metri, ma modificabile);
  • – La nuova posizione è all’interno di un raggio 10m/s/s (parametro GPSGLITCH_ACCEL) * dt * dt. Dove dt è la differenza di tempo tra i due campioni.

 
Immagine esplicativa rilevazione glitch GPS di default
Pixhawk Misure di Sicurezza e Normativa ENAC - Rilevazione Software Glitch GPS - ProjectEMS
 
Rilevazione Glitch GPS con EKF
Pixhawk essendo una board a 32 bit è anche in grado di utilizzare l’EKF (Extended Kalman Filter) che, per essere selezionato e attivato, l’impostazione del parametro deve essere AHRS_EKF_USE = 1.
La protezione con EKF funziona in questo modo:

  • – Quando vengono ricevute le nuove coordinate GPS, queste vengono comparate con la posizione prevista in base alle misurazioni dell’IMU.
  • – Se le coordinate ricevute divergono oltre un dato valore dal parametro EKF_POS_GATE, allora esse non vengono utilizzate.
  • – Mentre non vengono utilizzate queste coordinate GPS, un cerchio definito da un “raggio di incertezza” cresce intorno alla posizione prevista. La velocità con cui questo raggio cresce è controllato dal parametro EKF_GLITCH_ACCEL. Questo cerchio è simile al cerchio definito dal parametro GPSGLITCH_ACCEL, la differenza è che questa è centrata attorno alla traiettoria prevista dall’IMU, anziché dalle precedenti coordinate GPS. Il valore di default del parametro EKF_GLTCH ACCEL è minore a 1,5m/s/s, questo perchè sono consentite deviazioni di traiettoria da parte del pilota. La crescita accelerazione del cerchio aumenta quando il veicolo sta accelerando o girando, per consentire una maggiore tolleranza degli errori dell’IMU durante queste manovre.
  • – Se le successive misurazioni GPS si trovano all’interno di questo cerchio, le misurazioni saranno accettate e il raggio del cerchio tornerà al minimo controllato dal parametro EKF_POS_GATE.
  • – Se il glitch GPS è abbastanza ampio e dura abbastanza, le coordinate GPS continueranno ad essere rifiutate fichè il raggio del cerchio eccederà i valori controllati dal parametro EKF_GLITCH_RAD. Quando questo succede, viene applicata una compensazione sulle coordinate GPS, in modo che corrispondano alla posizione prevista del mezzo e le coordinate GPS siano usate di nuovo. La compensazione del GPS viene ridotta a 0 quando il veicolo è a 1 m/s. Questa significa che i glitch di lunga durata causeranno al mezzo un drift ala velocità di 1 m/s. Il mezzo sarà quindi lento abbastanza per permettere al pilota di reagire.

 
Link di approfondimento qui: GPS glitch – Arducopter

GPS failsafe

Il GPS failsafe si verifica se il segnale GPS viene a mancare per almeno 5 secondi mentre il mezzo utilizza una modalità che richiede l’uso del GPS.
Il GPS failsafe è abilitato di default, ma è possibile disattivarlo o attivarlo tramite la lista dei parametri standard del software Mission Planner. E’ altamente consigliato tenerlo attivato.
Se si perde il segnale GPS o si verifica un glitch di più di 5 secondi mentre viene utilizzato una modalità che richiede il GPS il mezzo di default atterrerà (comportamento modificabile tramite software).
 

Telemetria

Con Pixhawk è possibile l’utilizzo della telemetria a 433Mhz che funziona sia come telemetria sia come seconda radio. Come telemetria fornisce dati quali: posizione GPS del mezzo, numero di satelliti o HDOP, altezza del mezzo, distanza dalla home, livello di carica della batteria, modalità di volo, livello di ricezione della radio telemetrica, velocità del mezzo, orizzonte artificiale, ecc. Inoltre utilizzandola come seconda radio è possibile impartire comandi quali l’arm dei motori, il disarm dei motori, il decollo automatico, l’atterraggio automatico, il follow me, ecc. E’ possibile utiizzarla semplicemente tramite il software per computer Mission Planner o tramite l’app per dispositivi mobili Droid Planner.
 
Schermata di esempio del’app Droid Planner
Pixhawk Misure di Sicurezza e Normativa ENAC - App DroidPlanner - ProjectEMS

GeoFence

Pixhawk include la GeoFence, altresì detta Gabbia Virtuale, con centro in Home che impedisce al mezzo di fuoriuscire da un’area designata dal pilota. L’altitudine, il raggio massimo e il comportamento del mezzo quando fuoriesce dalla gabbia possono essere configurati tramite il software Mission Planner.
 
Pixhawk Misure di Sicurezza - Normativa ENAC - GeoFence - ProjectEMS
Link di approfondimento qui: Geofence – Arducopter

Doppio Accellerometro e Doppio Giroscopio

Pixhawk include un doppio giroscopio e un doppio accelerometro. Il primo accelerometro è ST Micro LSM303D 3-axis 14-bit, mentre il secondo accelerometro è Invensense MPU 6000 3-axis. Il primo giroscopio è ST Micro L3GD20 3-axis 16-bit, mentre il secondo è Invensense MPU 6000 3-axis.

Doppio Magnetometro

Il primo magnetometro è interno al Pixhawk ed è il ST Micro LSM303D 3-axis 14-bit. Tuttavia collegando un GPS, che solitamente contiene anche un magnetometro, è possibile avere un secondo magnetometro che viene letto positivamente dalla board. Per questo motivo dalle ultime versioni di ArduCopter è stata introdotta la procedura per calibrare entrambi i magnetometri.

Doppio GPS

Pixhawk possiede le entrate per due GPS: è quindi possibile collegare due GPS distinti. Una volta settati gli opportuni parametri per utilizzare 2 GPS, durante il volo è possibile far avvenire lo switch in completa autonomia. Lo switch avviene nel momento in cui uno dei due GPS rileva almeno 2 satelliti in più dell’altro.

Apertura automatica paracadute

Su Pixhawk esiste la possibilità dell’apertura manuale o automatica del paracadute. Il meccanismo di sblocco del paracadute può essere attivato sia da un Relay sia tramite PWM.
04/02/15: Questa funzione è ancora sperimentale e consigliamo di utilizzarla con cautela.
 
Multicopter Parachute - ProjectEMS
 
Link di approfondimento qui: Paracadute – Arducopter

Operazioni critiche e non critiche

Ancora non siamo in grado di dire se Pixhawk sia una board adatta alle operazione critiche. Non abbiamo abbastanza informazioni per esprimere un giudizio finale a riguardo. Sicuramente, allo stato attuale delle cose, Pixhawk è una board adatta alle operazioni non critiche.
Si iniziano però a vedere diversi parametri riguardanti la ridondanza, e questo fa piacere sia a noi piloti, sia all’Ente legislatore.
Forse in futuro sarà più semplice ottenere l’autorizzazione per le operazioni critiche.
Speriamo sinceramente che la tecnologia continui a muoversi in questa direzione, che ci garantisca sempre più sicurezza e che in un futuro sarà più semplice ottenere l’autorizzazione effettiva per le operazioni critiche.

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