• Il primo velivolo senza equipaggio — Curtiss N9
   
• Primo velivolo senza pilota in grado di trasportare esplosivi al suo obiettivo
   
• Costruito da Elmer Sperry e Peter Cooper Hewitt per la Marina degli Stati Uniti durante la prima guerra mondiale
• Una parte della tecnologia di questo aereo telecomandato è stata ispirata dalla "tele-automazione", una tecnologia utilizzata per il controllo dei siluri sott'acqua nel 1893.
   
• Altri aerei che sono stati successivamente costruiti per l'esercito per servire come un ‘siluro aereo' sono stati il Liberty Eagle, TDN-1 ‘drone d'assalto'

Fig. 1 Curtiss N9

Fig. 2 Liberty Eagle

Fig. 3 TDN-1 ‘Drone d'assalto’

• I disegni iniziali dei fratelli Wright erano difficili da controllare.
   
• Sono stati attribuiti per lo sviluppo del controllo a tre assi ampiamente utilizzato (Yaw/Pitch/Roll) per più pesante che aereo pilotato.
   
• Un altro famoso scienziato di quel tempo, il Dr. Samuel P. Langley dedicò i suoi sforzi per realizzare voli stabili con equipaggio. Ma non è riuscito ad avere successo nonostante abbia ricevuto sovvenzioni dal governo e dall'esercito.
   
• Alcune aree che hanno visto uno sviluppo significativo sono state le strutture ottimizzate, l'aerodinamica, le superfici di controllo, la configurazione dell'ala di sollevamento

Fig. 7 Wright Flyer

Fig. 8 Langley Aerodrome No. 6 del Dr. Langley

• Diverse invenzioni hanno contribuito allo sviluppo di aerei pilotati da remoto, ovvero aerei senza equipaggio/Drones.
   
• Prima dell'invenzione degli aerei, la discopvery delle onde radio e il suo uso per la trasmissione del segnale wireless portarono all'invenzione di quella che fu allora chiamata "Teleautomazione".
   
• I siluri subacquei furono inventati nel 1898 per guidare gli esplosivi alle navi nemiche usando la teleautomazione.
   
• Un'altra tecnologia specificamente progettata per i siluri era il giroscopio a tre assi di Elemer Sperry.
   
• Queste tecnologie menzognere hanno permesso a Sperry di perfezionare il suo design del primo pilota automatico meccanico affidabile.

Fig. 9 Barca giocattolo guidata da Teleautomation di Nikola Tesla

Fig. 10 Giroscopio meccanico a tre assi

• Secondo la Federal Aviation Administration (FAA) — Un sistema aereo senza equipaggio è un aeromobile senza equipaggio e l'equipaggiamento necessario per il funzionamento sicuro ed efficiente di tale aeromobile.
   
• Un aereo senza equipaggio è un componente di un UAS.
   
• Tutti gli aeromobili operati senza la possibilità di un intervento umano diretto dall'interno o dall'aeromobile sono classificati come Unmanned Aircraft VHeycle (UAV). (Legge pubblica 112-95, articolo 331, paragrafo 8).

Fig. 11 Piattaforme UAS ala fissa CTOL* (sinistra) e multirotore** (destra)

* Take-off & atterraggio convenzionale
** Decollo verticale & atterraggio

• Per comprendere il blocco di base di UAS si richiede la comprensione delle informazioni fondamentali sul controllo del veicolo, la stabilizzazione e la progettazione del sensore
   
• I metodi di controllo utilizzati in un UAS possono essere ampiamente classificati in:
  • Controllo manuale  – Questo consente a un pilota UAS esperto di manipolare con precisione la traiettoria di volo e l'esito prevedibile di un UAV
  • Controllo stabilizzato — Questo consente a un operatore di manipolare con precisione la posizione di un aeromobile attraverso un pilota automatico a bordo dell'UAV. Il livello di autonomia per l'UAV è più alto in questo caso.
  • Controllo automatizzato — Questo scenario di controllo richiede la minor quantità di controllo dell'operatore. Attraverso l'uso del software viene pianificata una missione completa prima dell'implementazione e il controllo completo viene assunto dal software di controllo a terra e dal pilota automatico a bordo.

Fig. 12 Different levels of UAS Autonomy

• Il carico utile è definito come il peso totale che un UAV può trasportare. Non include il peso della piattaforma stessa.
   
• Il tipo di carico utile può variare a seconda degli obiettivi della missione delle piattaforme. In genere, vengono utilizzati per la raccolta di dati come immagini, video, temperatura, coordinate, ecc.
   
• I carichi utili tipici utilizzati su UAV sono::
  • Sensori di imaging elettro-ottici
  • Sensori RGB visibili
  • Sensori IR (Infrarosso)
  • SensoriLiDAR (Light Detection & Ranging)
  • SAR (radar di apertura sintetica)

• Il software è un componente chiave di qualsiasi sistema UAS indipendentemente dal livello di autonomia che l'UAV ha.
   
• L'autopilota a bordo, l'elaborazione dei dati a terra e molte altre funzioni oggi sono soddisfatte dal software.
   
• I software tipici che sono oggi disponibili in commercio sono:
  • Software di gestione della flotta UAS
  • Software di pilotaggio automatico
  • Sensor Data Asset Management
  • Software di fotogrammetria analitica
  • Rilevamento dei cambiamenti e apprendimento automatico 
  • Software di visione computerizzata
  • Software autonomo di pianificazione delle traiettorie di volo

Fig. 18 UAV pianificazione della traiettoria di volo Interfaccia utente

Fig. 19 Applicazione di rendering dati 3D

• Oggi i droni/UAV sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni commerciali, dal ricreativo all'agricoltura e alla pianificazione urbana.
   
• Il rapido boom del suo ampio adattamento può essere attribuito al basso costo e alla disponibilità di hardware e software UAS come componenti Off-the Shelf (COTS) commercialmente disponibili.
   
• Oltre a questi progetti di sviluppo open source come Dronecode che ha portato allo sviluppo di PX4, MAVLink ecc. ha dato alle persone l'opportunità di costruire sistemi su misura.
   
• Tipiche applicazioni commerciali che sono molto comuni in questi giorni sono:
  • Ispezione degli edifici
  • Ispezione degli aeromobili
  • Olio, gas, linee elettriche, ispezione Powerplant
  • Ispezione delle infrastrutture pubbliche (ponti, dighe, strade, ecc.)
  • Mappatura aerea/sorveglianza
  • Agricoltura di precisione
  • Produzione cinematografica
  • Marketing e spettacoli di luce
  • Notiziario
  • Meteorologia
  • Consegna del carico

Fig. 20 Casi d'uso commerciali UAS

• Un UAS comprende un gruppo di elementi interconnessi o interconnessi che agiscono in coordinamento per realizzare gli obiettivi/missione di un utente/operatore/cliente.
   
• La maggior parte degli UAS consiste in:

• UAV/piattaforma pilotata a distanza 
  Pilota umano
  Carico utile
  Elementi di controllo
  Elemento di comunicazione del collegamento dati
  Elemento di lancio e recupero ( In alcuni sistemi specializzati)

Fig. 21 Elementi di base di UAS

• I veicoli a pilotaggio remoto (RPV) sono ampiamente classificati in diverse categorie in base al loro peso e classe di prestazioni.
• Il regolamento sulla classe di peso e le prestazioni può variare da paese a paese. Ma in generale, sono differenziati come piccoli UAS (sUAS) che sono meno di 55 libbre o UAS più grandi che sono 55 libbre o più.
• Anche le piattaforme UAS sono classificate in base alle loro caratteristiche di volo. Quali:
  • Ala fissa (convenzionale Take-Off & Landing CTOL)
  • Decollo verticale & atterraggio (VTOL)
  • Piattaforme ibride (capable di CTOL e VTOL)

Fig. 22 Classificazione UAS (Dipartimento della Difesa USA — DOD)

• Il concetto alla base dell'UAS è quello di sfruttare la capacità di questi sistemi di eseguire missioni seguendo una serie di istruzioni pre-programmate con limitato/senza intervento umano.
   
• I piloti automatici consentono alle piattaforme di eseguire tali istruzioni mantenendo un volo stabile.
   
• La stazione di controllo a terra (GCS) fornisce invece l'interfaccia uomo-macchina per fornire istruzioni all'UAV.
   
• Il collegamento dati wireless è ciò che consente a GCS di trasmettere le istruzioni di comando e controllo al pilota automatico dell'UAV. Comprende anche larghezze di banda assegnate alla trasmissione di dati di carico utile.
   
• Le operazioni UAS possono essere suddivise in:
  • Linea di vista (LOS) 
  • Oltre la linea di vista (BLOS)
  • Oltre la Visual Line of Sight (BVLOS)

Fig. 23 GCS

Fig. 24 hardware di collegamento dati

Fig. 25 UAV Autopilota

• L'elemento Launch & Recovery (L &R) è uno degli aspetti più laboriosi dell'UAS.
   
• La maggior parte dei sUAS non richiede e l'attrezzatura di L &R.
   
• Per i sistemi più grandi, un elemento L &R può variare ampiamente in base al tipo di piattaforma, alla progettazione architettonica, all'ambiente operativo e ai requisiti ecc.
   
• Alcuni sistemi di lancio tipici ampiamente utilizzati sono:
  • Lancio di catapulta
  • Lancio a mano
  • Recupero del paracadute
  • Recupero netto
  • Recupero del gancio

Fig. 26 Sistema di lancio di catapulta pneumatica

Fig. 28 Recupero del gancio

Fig. 29 Lauch a mano

Fig. 27 Recupero del paracadute

Fig. 30 Net Recovery

• I carichi utili dei sensori a bordo degli UAV rilevano l'ambiente in cui operano attraverso il rilevamento attivo e passivo.
   
• I sensori attivi emettono energia elettromagnetica verso oggetti esterni per catturare e analizzare l'energia riflessa. Esempi di sensori attivi sono:
  • LiDAR
  • SAR
  • RADAR

• I sensori passivi, come le telecamere visive, catturano solo l'energia emessa da fonti esterne. Alcuni esempi di sensori passivi sono:
  • Macchina fotografica RGB
  • Sensore IR

Fig. 31 Spettro energetico elettromagnetico

• L'UAS è spesso usato per studiare le informazioni spaziali dei soggetti o dell'ambiente. UAS a volte utilizza queste informazioni per la navigazione, la pianificazione del percorso e la localizzazione.
   
• Questo approccio è noto anche come Simultaneous Localization and mapping (SLAM), che è un problema computazionale di costruzione o aggiornamento di una mappa di un ambiente sconosciuto, mantenendo allo stesso tempo traccia della posizione di un UAV all'interno di esso.
   
• L'approccio Slam utilizza dati geospaziali disponibili come:
  • Dati raster — dati memorizzati come valori in una griglia contigua
  • Dati vettoriali — dati memorizzati come punti, linee, poligoni, ecc..

Fig. 32 Rappresentanza di Raster e dati vettoriali

• La FAA e l'Agenzia europea per la sicurezza aerea (AESA) regolano l'uso dello spazio aereo nazionale all'interno degli Stati Uniti e dell'Unione europea (UE).
   
• Sono responsabili di garantire la sicurezza e la protezione dell'ambiente nel trasporto aereo in Europa e negli Stati Uniti.
   
• I produttori di apparecchiature originali (OEM) e gli operatori in genere guidano e motivano le normative in qualsiasi ambiente tecnico come l'aviazione.
   
• Il 16 settembre 2005, la FAA ha rilasciato il memorandum AFS-400 UAS Policy 05-01 come linea guida per l'uso di UAS nel National Airspace System (NAS) degli Stati Uniti.
   
• I regolamenti UE 2019/947 e 2019/945 stabiliscono il quadro per il funzionamento sicuro dei droni civili nei cieli europei.

• Negli Stati Uniti l'attuale regolamento sui droni richiede che qualsiasi drone sia:
  • Meno di 55 libbre
  • Operare all'interno della Visual Line-Of-Sight (VLOS) del pilota in comando/osservatore visivo
  • Non operare direttamente sulle persone
  • Operare solo di giorno
  • Volare a velocità non superiore a 100 mph (87Knts)
  • Vola al di sotto di 500 piedi (AGL)
  • Non operare nello spazio aereo di classe A
  • Operare nello spazio aereo di classe E solo dopo l'approvazione da parte dell'ATC
  • Operare in una visibilità meteorologica minima di 3 miglia
  • Deve essere operato solo da un pilota autorizzato ai sensi della parte — 107
• Nell'attuale regolamento UE sui droni (le normative nazionali possono differire per ogni paese):
  • È necessario ottenere un certificato di drone UE prima di pilotare un drone del peso di 250 grammi o più
  • Devi registrarti come pilota di droni e collegare un numero di operatore al tuo drone.
  • Il drone deve volare ad un'altezza massima di 120 metri 
  • Il drone deve essere volato all'interno della vista diretta dei piloti
  • Il drone può essere volato solo durante il giorno nei Paesi Bassi
  • Non è consentito volare in una no-fly zone (temporanea)
  • Non è consentito volare sopra persone non coinvolte

Fig. 33 Pilota UAS con licenza

• L'ambiente dell'aviazione è un ambiente complesso, dinamico e pieno di insidie a causa delle numerose parti interessate (progettisti, operatori, utenti, ecc.) coinvolte nel processo di ricerca dell'accesso al NAS.
• Richiede quindi maggiore cautela quando si introducono nuovi regolamenti in modo che le regole di ingaggio siano pienamente comprese.
• Il coinvolgimento attivo dei partner e degli operatori del settore è molto importante per consentire una crescita organica di questo settore.
• La sfida più grande per gli organismi di regolamentazione come la FAA e l'AESA è quella di arrivare a politiche, procedure, regole e regolamenti coerenti, razionali e applicabili per l'industria UAS.

Fig. 34 Consegna del carico Drone

• L'elemento umano nel funzionamento UAS è molto critico per la sicurezza generale e il successo dell'industria UAS.
   
• L'obiettivo generale dei fattori umani in UAS è quello di fornire agli utenti, ai clienti e agli operatori la guida, le conoscenze e le competenze necessarie per archiviare un funzionamento sicuro degli UAV.
   
• Anche se gli esseri umani sono altamente adattabili al loro ambiente (che li rende le specie più intelligenti su questo pianeta), sperimentano stanchezza mentale/fisica, disorientamento, cattiva comunicazione ecc., il che spesso porta a situazioni pericolose e catastrofiche a causa di errori umani.
   
• Alcuni dei molti motivi che possono essere attribuiti a questi possono essere classificati in:
  • Errori di percezione
  • Attenzione selettiva
  • Mancanza di attenzione mirata
  • Attenzione divisa

Fig. 35 Fattori che influenzano la cognizione umana

• Secondo Senders & Moray (1991)* e l'errore è definito come "non inteso dall'attore, non desiderato da un insieme di regole o da un osservatore esterno, o che ha condotto il compito o il sistema al di fuori dei suoi limiti accettabili".
   
•  Industria critica per la sicurezza come l'industria aeronautica impiega strategie per rilevare e prevenire gli errori umani prima che si verifichino.
   
• Nei fattori umani il modello swiss-formaese è spesso usato per descrivere come gli errori scivolano attraverso le guardie di diversi livelli di supervisione e si combinano con determinate precondizioni che alla fine portano a incidenti. 
   
• Ci sono essenzialmente quattro strati di influenze che portano a incidenti:
  • Influenza organizzativa — mancanza di politiche, orientamenti, regole, ecc.
  • Influenza di vigilanza — mancanza di vigilanza da parte delle persone fisiche
  • Condizioni preliminari — condizioni che facilitano la causa dell'incidente
  • Azioni dell'operatore — azioni intraprese dall'operatore che conduce all'evento

*Enders, J.W., & Moray, N.P. (1991). Errore umano: Causa, previsione e riduzione (1º ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781003070375

Fig. 36 Modello di errore umano svizzero-formaggio

• Marinare la consapevolezza situazionale è la chiave per un'industria UAS sicura ed efficiente.
   
• È definito come un "modello mentale interno dello stato attuale dell'ambiente di volo".
   
• Ci sono quattro aspetti della consapevolezza della situazione, visti come un passo comune nel processo decisionale:
  • Vigilanza — gestire il giusto tipo di attenzione
  • Diagnosi — identificare la causa principale della situazione
  • Analisi dei rischi — comprendere l'impatto della situazione
  • Azione — intraprendere azioni giuste per mitigare i rischi
     
• Altri modi per migliorare l'SA sono attraverso il design.
   
• La progettazione efficiente dell'interfaccia uomo-macchina (HMI) può rendere le informazioni critiche più accessibili, ridurre il carico di lavoro pilota e allertare gli attori in anticipo.

Fig. 37 Fattori che influenzano SA

• Nuovi casi d'uso identificati dai militari all'inizio del20º secolo e nuove tecnologie che si uniscono hanno portato allo sviluppo di UAS nei primi giorni.
   
• L'UAV può avere diversi livelli di autonomia in base alla tecnologia e al metodo di controllo utilizzati.
   
• Gli UAV trasportano una vasta gamma di carichi utili adatti a tutti i tipi di missione/obiettivo.
   
• Il software è una componente critica dell'UAS che consente ai piloti di navigare, controllare ed elaborare i dati.
   
• Sulla base del peso e delle prestazioni degli UAV, gli organismi di regolamentazione classificano gli UAV per governare le regole di funzionamento e garantire la sicurezza delle persone e dell'ambiente.
   
• Affinché l'industria UAS possa crescere e prosperare, la sicurezza deve essere l'obiettivo primario di progettisti, operatori, manutentori e piloti.
   
• I fattori umani svolgono un ruolo vitale in questo. Pertanto, dovremmo mirare a ridurre al minimo l'errore umano ed evitare qualsiasi potenziale causa di incidenti.