Aerostack2: Un Nuovo Framework per la Robotica Aerea

Negli ultimi anni, il campo della robotica ha visto un aumento dei framework software per robot terrestri e articolati. Esempi includono Navigation2 e MoveIt, che sono stati ampiamente adottati. Tuttavia, un livello simile di collaborazione e standardizzazione manca nella robotica aerea. Ogni gruppo di ricerca tende a creare il proprio framework, portando a sforzi isolati che è difficile combinare.

Per affrontare questo problema, è stato sviluppato un nuovo framework chiamato Aerostack2. Questo framework si concentra sulla costruzione di sistemi robotici aerei autonomi e cerca di portare maggiore standardizzazione nel campo. Basato sul middleware ROS 2, Aerostack2 offre un setup software modulare ed efficiente adatto a varie capacità robotiche. L'obiettivo è fornire un metodo logico per impostare missioni, riutilizzare componenti e sviluppare sistemi di controllo completi. Sono stati condotti rigorosi test in simulazioni e voli reali, assicurandone l'efficacia.

#Panoramica di Aerostack2

Aerostack2 è un aggiornamento di un framework precedente noto come Aerostack, utilizzato con successo in progetti di ricerca e industriali per oltre sei anni. Questa versione aggiornata incorpora numerosi miglioramenti per creare sistemi robotici più efficaci. Funziona su ROS 2, un popolare framework software utilizzato nella robotica, fornendo strumenti preziosi per creare sistemi robotici distribuiti.

#Caratteristiche Chiave

1. Indipendenza dalla Piattaforma: A differenza di altri framework dedicati a droni specifici, Aerostack2 può funzionare con vari tipi di piattaforme aeree, compresi quelli che utilizzano controller Pixhawk e droni commerciali.

2. Versatilità: Aerostack2 supporta un'ampia gamma di capacità robotiche per operazioni autonome, coprendo aspetti come il controllo di volo, la localizzazione spaziale e la comunicazione tra droni.

3. Facile Specifica delle Missioni: Il framework consente agli sviluppatori di definire più facilmente i compiti per i robot aerei. Astrar i dettagli complessi rende più semplice delineare le missioni.

4. Processo di Ingegneria Semplificato: Aerostack2 offre componenti pre-fatti che consentono operazioni autonome, incorporando algoritmi specializzati per funzioni come la visione artificiale e il controllo del movimento. Questi componenti possono essere riutilizzati per diverse applicazioni di robot aerei.

5. Open-source: Aerostack2 è liberamente accessibile e incoraggia gli sviluppatori a usare e modificare il software, promuovendo una più ampia adozione tra gli sviluppatori di droni.

#Lavori Correlati

Vari sistemi consentono ai droni di operare, divisi principalmente in sistemi di controllo a basso livello (controller di volo) e sistemi di controllo a livello superiore (stack aerei). I sistemi a basso livello includono controller open-source e commerciali, mentre i sistemi a livello superiore integrano diversi algoritmi per compiti più complessi.

Negli ultimi tempi sono emersi molti sistemi di controllo a livello superiore, ognuno con caratteristiche uniche. Tuttavia, la maggior parte di essi manca della struttura modulare e della flessibilità offerte da Aerostack2.

#Organizzazione dello Stack Software

Il framework Aerostack2 organizza i suoi componenti in più livelli, costruendo uno stack software strutturato. Ogni livello ha una funzione specifica:

1. Middleware: Alla base ci sono il sistema operativo e ROS, insieme alle librerie software necessarie.

2. Comunicazione Inter-processo: Questo livello contiene componenti che consentono la comunicazione tra diversi processi. Include strutture dati comuni alla robotica aerea per facilitare l'interoperabilità.

3. Interfacce con Piattaforme e Sensori: I componenti in questo livello collegano varie piattaforme aeree e sensori al framework. Questo facilita l'integrazione di sistemi sia fisici che simulati.

4. Funzioni Robotiche di Base: Una raccolta di componenti software qui fornisce funzioni essenziali per operazioni autonome, come il controllo del movimento e la stima dello stato.

5. Comportamenti: Questo livello include componenti per azioni specifiche del robot, come il decollo o il mantenimento in hover.

6. Controllo della Missione: Questo livello aiuta a definire e supervisionare le missioni per droni autonomi.

7. Applicazioni: Il livello superiore consiste in applicazioni specifiche costruite utilizzando i componenti dei livelli inferiori.

Questa organizzazione modulare consente agli sviluppatori di utilizzare qualsiasi parte del framework secondo le proprie esigenze.

#Comunicazione Interprocesso

Aerostack2 utilizza un canale dati standard per organizzare l'architettura di controllo. Questo canale condiviso consente a vari processi di lavorare insieme senza problemi. Seguendo standard consolidati per le strutture dati, il framework permette ai componenti di comunicare in modo efficace.

#Gruppi Principali di Informazioni

1. Misurazioni dei Sensori: Dati diretti dai sensori, come immagini da telecamere o dati GPS.

2. Comandi degli Attuatori: Istruzioni che il drone può comprendere, come valori di spinta.

3. Autolocalizzazione: Informazioni sulla posizione e sulla velocità del robot nell'ambiente.

4. Riferimento al Movimento: Valori target per i controllori di movimento, comprese posizioni e velocità desiderate.

5. Altri Messaggi: Questi possono includere messaggi di comunicazione per set-up multi-robot o avvisi per situazioni di emergenza.

#Interfacce Piattaforme e Sensori

Aerostack2 gestisce le connessioni tra il framework e varie piattaforme utilizzando una classe specializzata per l'astrazione della piattaforma. Questo design aiuta a integrare nuove piattaforme nel framework con facilità, garantendo al contempo coerenza nella comunicazione.

L'interfaccia della piattaforma raccoglie dati dai sensori dell'aeromobile e li trasmette di nuovo al framework. Questo design consente al framework di comunicare in modo efficace sia con droni fisici che simulati.

#Funzioni Robotiche di Base

Aerostack2 presenta componenti dedicati all'esecuzione di funzioni robotiche fondamentali, che sono cruciali per il funzionamento autonomo. Le funzioni includono:

1. Controllo del Movimento: Questo componente traduce i comandi di movimento in segnali azionabili per il drone.

2. Stimatore di Stato: Combina i dati dei sensori per prevedere lo stato del drone, come la sua posizione e velocità.

Queste funzioni sono progettate per essere flessibili e possono adattarsi a situazioni diverse permettendo agli sviluppatori di scegliere tra vari algoritmi.

#Comportamenti del Robot

In Aerostack2, i comportamenti del robot sono moduli specializzati che consentono al robot di eseguire compiti specifici. Ogni comportamento affronta un'abilità unica, come seguire un percorso o scattare una foto. Il framework consente agli utenti di formulare piani di missione più facilmente attivando vari comportamenti.

#Tipi di Comportamenti

1. Comportamenti Basati sugli Obiettivi: Definiti per raggiungere un determinato stato finale (es. decollare).

2. Comportamenti Ricorrenti: Progettati per mantenere uno stato specifico nel tempo (es. fluttuare).

I comportamenti aiutano a rifinire compiti complessi in operazioni gestibili. Monitorano anche la loro esecuzione per garantire prestazioni robuste.

#Controllo e Supervisione delle Missioni

Impostare e supervisionare i piani di missione è cruciale per il successo delle operazioni con i droni. Aerostack2 fornisce agli utenti strumenti per progettare piani di missione che specificano i compiti da svolgere.

#Strumenti di Specifica della Missione

1. Python API: I programmatori possono scrivere piani di missione utilizzando questa interfaccia, consentendo controlli e compiti complessi.

2. Alberi Comportamentali: Un metodo grafico per definire piani di missione, offrendo struttura e monitoraggio più facile.

Entrambi gli strumenti aiutano a coordinare l'esecuzione dei compiti tra vari comportamenti.

#Applicazioni nel Mondo Reale

Aerostack2 è stato impiegato in vari scenari reali, dimostrando la sua versatilità. Alcune applicazioni note includono:

1. Ispezione di Turbine Eoliche: I droni sono stati utilizzati per monitorare turbine eoliche, combinando volo reale e dati di simulazione.

2. Ispezione di Impianti Fotovoltaici: Uno sciame di droni ha condotto ispezioni seguendo percorsi pianificati in un ambiente simulato.

3. Sfida di Attraversamento di Cancelli: I droni hanno navigato con successo attraverso ostacoli in un contesto di competizione.

4. Consegna di Pacchi: I droni sono stati progettati per consegnare pacchi in modo autonomo utilizzando Aerostack2 per la pianificazione e l'implementazione.

5. Operazioni Marittime: Diversi droni hanno coordinato per cercare oggetti specifici in una vasta area senza segnali GPS, mostrando le capacità del framework in ambienti difficili.

#Conclusione e Piani Futuri

Aerostack2 rappresenta un passo significativo verso la creazione di un framework comune per i sistemi robotici aerei. Le sue caratteristiche notevoli, come modularità e indipendenza dalla piattaforma, sono state validate attraverso test estesi in vari scenari.

Guardando al futuro, il framework continuerà ad evolversi, aggiungendo nuovi comportamenti e migliorando le sue funzionalità per servire meglio la community della robotica aerea. La collaborazione con altri sviluppatori arricchirà ulteriormente le capacità del framework, aprendo la strada a sistemi robotici aerei più efficienti e versatili.