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Mobile drone computing

Droni e 5G: un binomio promettente, ma servono nuove norme

Il lancio su larga scala del 5G potrà fornire enormi opportunità per realizzare applicazioni innovative usando tecnologie di robotica mobile, come i droni. Vediamo le potenzialità e i limiti della tecnologia

11 Giu 2019

Luca Mottola

Professore Associato, Politecnico di Milano


La rete mobile 5G promette un salto generazionale in applicazioni e servizi basati sull’uso di droni civili, definendo nuovi modelli di business e aprendo nuovi mercati. La ricerca è attualmente impegnata nell’assicurare che tale potenziale possa essere pienamente sfruttato. Il “tassello” mancante è quello normativo.

Facciamo allora il punto sulle potenzialità e i limiti del binomio droni-5G.

Il boom della dronistica domestica

Dai tempi in cui Chris Anderson, sull’onda di sviluppi tecnologici sempre più spinti guidati dall’adozione massiva di smartphone e tablet, lanciava “accidentalmente” il boom della dronistica domestica, la tecnologia alla base di quelli che oggi chiamiamo semplicemente “droni” ha permesso che fossero utilizzati come una nuova potente generazione di sistemi di rilevamento mobile. Piccoli computer embedded che si muovono autonomamente trasportando un ricco payload di sensori, come telecamere e microfoni, possono ampliare notevolmente le capacità dei sistemi di rilevamento tradizionali, riducendo contemporaneamente i costi.

Ciò permette di ottenere dati dal mondo reale ad una precisione mai vista prima, in contesti che vanno dall’agricoltura di precisione fino alla ispezione e manutenzione di impianti critici.

Mobile drone computing

Rispetto ad altri tipi di rilevamento mobile, come ad esempio il rilevamento opportunistico utilizzato nelle piattaforme di crowdsourcing che operano su dispositivi di telefonia mobile, i droni offrono un controllo diretto su come interrogare l’ambiente. Tale controllo può divenire parte integrante della logica applicativa, che può istruire esplicitamente il drone su dove e quando muoversi per ottenere i dati del mondo reale che sono utili all’utente finale.

Nonostante l’enorme potenziale di tale tecnologia, la dronistica attuale soffre di una serie di limitazioni. Un esempio lo si trova nella necessità di un operatore umano, esperto ed addestrato al pilotaggio remoto di velivoli senza pilota, che controlli manualmente il drone rimanendo in diretto contatto visivo con esso.

Tale necessità è dovuta all’estrema difficoltà nel realizzare comportamenti completamente autonomi, a causa di imprevedibili dinamiche ambientali. Nonostante esistano dimostrazioni reali di capacità autonoma di volo, queste sono ancora limitate a specifici scenari e contesti e quindi difficilmente generalizzabili dove le condizioni di funzionamento non siano note a priori.

Tutte le opportunità del 5G

La rete mobile 5G porta con se la promessa di trasmissioni dati a larghissima banda, bassa latenza, e alta affidabilità. L’impatto di tale tecnologia sul modus operandi dei droni e le applicazioni che potrebbero essere di conseguenza abilitate, superando i limiti tecnologici attuali, sono molteplici. Tre esempi sono paradigmatici.

La disponibilità di banda larga e bassa latenza nella trasmissione dati può finalmente abilitare la cosiddetta modalità di pilotaggio “Beyond Visual Line of Sight” (BVLoS). Con questa, si intende la capacità di un pilota di controllare il drone senza avere necessariamente contatto visivo con lo stesso.

La rete 5G può fornire le capacità di trasmissione necessarie affinché un flusso video di pilotaggio catturato dal drone con una o più telecamere apposite possa essere convogliato via Internet fino ad una stazione di controllo dove il pilota risiede fisicamente. Allo stesso tempo, lo stesso canale può essere sfruttato per trasmettere i comandi di pilotaggio dall’operatore remoto al drone. L’area di operatività del drone e la stazione di controllo potrebbero quindi essere geograficamente distinte. Si immagini ad esempio un pilota comodamente seduto presso la sede della propria società di dronistica specializzata a Milano, comandare da remoto un drone che viene usato per ispezionare un impianto elettrico a Roma.

Una tale innovativa funzionalità può abbattere i costi e dar vita a nuove applicazioni, così come ridefinire il modello di business disaccoppiando la fornitura dell’hardware da quella del servizio. È lecito immaginarsi che a differenza dello stato attuale, il fornitore del dispositivo drone non sia necessariamente lo stesso soggetto che fornisce il servizio di pilotaggio. L’utente finale potrebbe affidarsi ad un fornitore di droni geograficamente vicino, ma rivolgersi ad un servizio di pilotaggio remoto che tramite la rete 5G può controllare il drone acquistato o noleggiato indipendentemente dalle reciproche posizioni.

Un fattore determinante nel poter utilizzare algoritmi e tecniche esistenti per fornire un comportamento autonomo al drone sta inoltre nella necessità di ingenti capacità di calcolo a bordo del dispositivo. Nonostante i grandi e recenti progressi di hardware e software che forniscono sempre maggiori capacità di calcolo, consumi energetici sempre più ridotti, e dimensioni fisiche dei dispositivi di calcolo sempre più limitate, ancora non è generalmente possibile affidarsi completamente alla computazione on-board. Si pensi, ad esempio, alle tante tecniche di navigazione autonoma basate su flussi video, che spesso devono sacrificare risoluzione e quindi accuratezza a causa di risorse computazionali insufficienti a bordo drone.

D’altra parte, le risorse computazionali sostanzialmente infinite disponibili nel cloud sono rimaste difficilmente sfruttabili sino ad oggi. Due sono i motivi: l’infrastruttura di rete non fornisce sufficiente banda e affidabilità per trasportare i dati grezzi ottenuti dai sensori di navigazione a bordo del drone, mentre la stessa infrastruttura di rete non garantisce le latenze necessarie perché questi dati possano essere elaborati prontamente nel back-end e le decisioni di navigazione siano comunicate al drone in tempo utile.

La rete 5G può cambiare tutto questo. Non soltanto fornendo banda, affidabilità, e latenze di trasmissione più che sufficienti per trasportare i dati grezzi dal drone al back-end, ma soprattutto grazie al supporto specializzato a quelle funzioni che vengono dette Mobile Edge Computing (MEC) e network slicing.

Con MEC si intende la capacità di spostare fisicamente le funzionalità di computazione e storage tipiche del cloud ai confini della rete stessa, in questo caso, avvicinandole all’utente finale che si trova sulla rete 5G. Ciò permette ai dati di percorrere una strada più breve per arrivare al nodo di rete dove possono essere elaborati, evitando di dover attraversare un’infrastruttura complessa come la Internet tradizionale per arrivare ad un data center geograficamente distante. Il supporto a MEC della rete 5G sfrutta invece esclusivamente la rete core dell’operatore mobile, abbattendo quindi drasticamente le latenze. Questa soluzione può essere combinata con un opportuno network slicing fornito dalla rete 5G, ossia la capacità di riservare una porzione della rete, definita in base a garanzie minime su metriche di performance quali banda e latenza, alle operazioni di determinate applicazioni. Si ottengono quindi garanzie minime di performance, sotto alle quali non è possibile andare.

Il 5G ci porta quindi sempre più vicini a scenari dove un alto numero di droni svolgono operazioni giornaliere, in aree densamente popolate, per realizzare le funzionalità più disparate, da quelle odierne di rilevamento fino a consegne personalizzate di beni di varia natura. In un tale contesto, diventa fondamentale poter orchestrare il funzionamento dei droni che verranno inevitabilmente a condividere lo stesso spazio aereo, nel rispetto delle norme vigenti e delle future regolamentazioni atte a garantire la sicurezza di cose e persone. Il 5G può svolgere un ruolo importante anche in questo contesto. Può infatti diventare il denominatore comune tramite il quale droni appartenenti a diversi soggetti possono coordinare le loro operazioni in uno spazio aereo condiviso ed essere monitorati per il rispetto di norme e regolamenti.

Si può quindi immaginare una sorta di “canale di coordinamento” supportato dalla rete 5G che, in maniera simile a quanto avviene oggi con gli aeromobili civili, serve per interagire con una o più “torri di controllo” che concedono i permessi di decollo e atterraggio, determinano le rotte sicure, e monitorano lo svolgimento delle operazioni. Anche in questo caso, l’affidabilità delle trasmissioni sulla rete 5G, unitamente alle tecnologie MEC e network slicing che è naturale aspettarsi vengano sfruttate per l’implementazione del “canale di coordinamento”, diventano caratteristica imprescindibile per la concreta realizzazione.

Ma il 5G non basta

L’infrastruttura di rete 5G fornisce ai droni le fondamenta necessarie per realizzare applicazioni e servizi di nuova generazione. Tali fondamenta però, non sono da sole sufficienti. La quasi totalità delle funzionalità descritte sopra non sono immediatamente fruibili, in quanto applicazioni, protocolli, e configurazioni di sistema devono essere appositamente sviluppate e determinate per mettere a pieno frutto le potenzialità dello strato 5G. La nuova generazione di reti mobili diventa quindi opportunità non solo per il mercato industriale, ma anche per la ricerca.

Nel caso della navigazione BVLoS, per esempio, la ricerca si sta focalizzando sull’individuare quali protocolli e configurazioni utilizzare per convogliare il flusso video dal drone verso il pilota remoto e i comandi di pilotaggio nella direzione opposta, il tutto entro stretti requisiti di latenza massima dettati dalla necessità di garantire un controllo in quasi tempo reale. Tale scenario si distingue dai più tradizionali scenari di video streaming, si pensi ad esempio ai servizi di TV on-demand, in quanto il flusso video è convogliato dalla sorgente ad un singolo utente, invece che ad una miriade di essi. Inoltre, i comandi di pilotaggio viaggiano tra gli stessi end point, ma nella direzione opposta, cosa che normalmente non avviene nei comuni scenari di video streaming.

Gli algoritmi di navigazione autonoma non sono spesso preparati ad operare su un dispositivo che, per quanto dotato di enormi capacità di calcolo, non è fisicamente co-locato con il drone. È quindi necessario sviluppare nuovi meccanismi o adattare quelli esistenti perché tengano in considerazione una determinata latenza, per quanto piccola ma comunque maggiore di quella comunemente assunta, nel ricevere i dati di input e trasmettere i comandi in output. Norme e regolamenti vigenti sull’uso di droni per operazioni civili inoltre, prevedono spesso la possibilità di volo autonomo solo in presenza di un pilota pronto ad intervenire, che recuperi manualmente il controllo del drone in caso di necessità. In caso di controllo BVLoS, anche il pilota potrebbe non essere fisicamente vicino al drone. Le tecniche di volo autonomo devono quindi essere adattate per cedere il controllo del drone ad un pilota remoto in caso di necessità.

Il problema del coordinamento di uno spazio aereo condiviso è, per molti tratti, un problema non affrontato in letteratura, ad esempio, per questioni di scala del sistema e ancora di latenze massime nell’elaborare soluzioni efficienti.

Un qualsiasi approccio al problema deve inoltre tenere in conto della presenza di ostacoli fissi e conosciuti, si pensi ad esempio ad edifici e strutture civili nei canyon urbani, così come di ostacoli mobili e non necessariamente noti a priori, come la presenza di veicoli e persone nelle aree di decollo e atterraggio. Le mutevoli condizioni atmosferiche potrebbero inoltre determinare la necessità di modificare le rotte in tempo reale, o addirittura sospendere le operazioni per garantire la safety di oggetti e persone. Tutto questo deve avvenire mentre il sistema opera, in un continuo aggiornarsi della soluzione a fronte di mutevoli condizioni.

Conclusioni

Molti degli scenari delineati in questo articolo operano ai confini di quelli che sono i regolamenti attuali sull’uso dei droni civili. L’augurio è quindi che i normatori abbraccino gli sviluppi abilitati dal 5G in maniera chiara e tempestiva, così da non rallentare gli incredibili sviluppi che ci aspettano in questo campo.

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