Appunti Drone Scuola lavoro

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DRONI

2. ESC: Electronic Speed Control ... 6

2.4 LI-PO Battery ... 6

2.5 BEC :Battery Eliminator Circuit ... 6

2.6 Flight Controller:FCB ... 7

2.7 Sensori di bordo ... 7

2.8 IMU ... 8

2.9 Sistema di controllo a distanza ... 8

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1.INTRODUZIONE AI DRONI

1.1 Definizione di drone

Un aeromobile a pilotaggio remoto o APR, comunemente noto come drone, è un velivolo caratterizzato dall’assenza del pilota umano a bordo. Il suo volo è controllato dal computer a bordo del velivolo, sotto il controllo remoto di un navigatore o pilota, sul terreno o in un altro veicolo.

Tra i termini più ricorrenti in italiano troviamo multirotori, Aeromobili a pilotaggio remoto, anche nella versione in sigla APR e nella variante SAPR, mentre in lingua anglosassone si incontrano spesso RPA, ROA, RPV, UAV e UVS.

L’aspetto fondamentale riguarda quindi il fatto che il velivolo viene controllato da un pilota

umano che non si trova a bordo, ma opera “in remoto” e quindi a distanza grazie ai comandi

trasmessi al computer di bordo. Si tratta di una definizione generica, ma sempre utile come riferimento, di cosa sia un drone. È però opportuno approfondire la questione attraverso le definizioni fornite dagli enti regolatori.

A proposito di droni, l’ENAC, l’Ente Nazionale per l’Aviazione Civile in Italia, parla di “Mezzi

Aerei a Pilotaggio Remoto”, che divide poi in due sottocategorie:

 Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR), mezzi impiegati o destinati all’impiego

in operazioni specializzate (lavoro aereo).

 Aeromodelli, mezzi impiegati esclusivamente per scopi ricreazionali e sportivi e che non

sono considerati aeromobili ai fini del loro assoggettamento alle previsioni del Codice della Navigazione.

Norme fondamentali da rispettare stando all'ENAC per poter volare in tutta legalità o Non potete trasportare merci pericolose (art.6 com. 5)

o Dovete essere muniti del un manuale di volo del vostro APR (art. 8 com. 3)

o Dovete volare ad almeno 150m da aree urbane e persone zone militari, ferrovie stazioni e aereoporti per questi ultimi 8 km, queste distanze vanno rispettate anche in caso di avaria (art. 1 com. a)

o Non potete volare in caso di scarsa luminosità e dovete trovarvi in spazi aerei non controllati o Se state volando per conto di terzi dovete avere stipulato un contratto per l' attribuzione delle

responsabilità in caso di danni dovuti al volo del vostro APR

o Dovete munirvi del contrassegno ENAC da applicare sia sull' APR che sulla stazione di terra (GCS) (art. 9)

o Dovete essere muniti di un'assicurazione per danno contro terzi (art. 20)

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1.2 Tipologia di Droni

Esistono diversi tipi di droni e, grazie al progresso tecnologico, nuove tipologie fino a ieri inimmaginabili arriveranno a breve.

I droni vengono raggruppati principalmente in base al loro utilizzo o al numero di motori. Per quanto riguarda l’utilizzo, possiamo fare una macro distinzione tra droni ad uso militare e

droni ad uso civile. Come spesso accade per le tecnologie avanzate, anche i droni sono nati per scopi militari e questi rappresentano, ancora oggi, una larga fetta del mercato. Gli ultimi anni, però,

hanno visto l’ascesa potente ed inarrestabile dei droni ad uso civile, protagonisti di un successo senza pari determinato dalla sempre più ampia sfera di applicazione

A seconda del numero dei motori, e quindi di eliche, i droni si distinguono invece in tricotteri, quadricotteri, esacotteri, ottocotteri.

Un maggiore numero di motori significa ovviamente più potenza, e permette di portare in volo un

peso maggiore, garantendo anche maggiore stabilità in aria, specie in presenza di vento.

Non solo, perché un drone con più motori sarà necessariamente dotato di un telaio più resistente, di un’elettronica più complessa e di conseguenza avrà un prezzo più alto.

Non a caso, il quadricottero si è affermato come drone per uso ricreativo, mentre esacotteri e ottocotteri sono droni più utilizzati da professionisti.

Un multirotore è un aerogiro sollevato e spinto da più rotori. Si tratta di un mezzo simile a un elicottero, ma al posto di un unico grande rotore principale e di un piccolo rotore di coda per mantenere e dare la direzione, ha una serie di motori (3-4-6-8-12) con eliche di dimensioni più contenute.

Un modello di elicottero necessita di un semplice giroscopio e di servocomandi per il movimento del piatto oscillante mentre un drone multirotore per poter volare, ha bisogno di almeno un giroscopio a 3 assi e di un microcontrollore che ne gestisce l'assetto.

La struttura principale di un multirotore è il frame (Il telaio)

dove sono fissati i motori e l'elettronica necessaria per farlo funzionare.

Ai fini dell’ottimizzazione è importante che il frame dia la possibilità di montare tutti i motori equidistanti e che il centro di gravità sia esattamente al centro della struttura. Sotto il frame

troviamo il carrello di atterraggio (o landing gear), in alcuni casi fa parte della stessa struttura del frame, in altri casi è persino retrattile permettendo alla camera di potersi muovere a 360°.

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Applicazioni Drone

Le applicazioni sono nate per soluzioni tecnologiche dedicate esclusivamente alle operazioni militari, oggi però il mercato si è sbloccato, il vero business è rappresentato dagli infiniti usi civili dei droni, resi possibili grazie a una miriade di nuovi modelli, accessori e tecnologie che hanno differenziato i settori di applicazione e di conseguenza il consumatore.

Oggi quelli che acquistano i droni non sono più i ministeri della difesa, ma sono i papà che vogliono giocare assieme ai bambini, l’imprenditore agricolo che intende fare agricoltura di precisione, le forze dell’ordine che intendono monitorare il territorio, l’architetto che vuole

verificare la conformità dell’edificio al suo progetto, l’ospedale che ha bisogno di un’ambulanza più veloce che mai e tanti altri ancora, in ogni parte del mondo.

Droni per i servizi di emergenza

I droni possono garantire un’incredibile operatività, e sono perciò strumenti ideali nei servizi di emergenza, dove è fondamentale offrire una risposta il più immediata possibile in situazioni critiche. Tra gli esempi dell’utilità in questo ambito sono il drone ambulanza, munito di defibrillatore, che può salvare la vita in caso di attacco cardiaco.

Droni per media e comunicazioni

 Pubblicità e marketing

 Arte (progettazioni commerciali)

 Intrattenimento (cinema, televisione, internet)

 Giornalismo investigativo

Droni per business e commercio

 Aero-tecnologia, robotica, ricerca e sviluppo

 Reporting

 Esplorazione (acqua, olio, gas, minerali…)

 Inspezioni (infrastrutture e industrie)

 Servizi di consegna

Droni per ricreazione e intrattenimento

 Esplorazioni

 Eventi

 Hobby

 Fotografia e video

 Controllo remoto del volo

Droni per sport

Innanzitutto c’è da dire che esistono delle vere e proprie competizioni per piloti di droni, che seguono le dinamiche delle corse di Formula 1 o, se preferite, della vela. Insomma lo scopo è arrivare prima degli altri al termine di un percorso. Inoltre, i droni possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni in altri sport, come ad esempio ha fatto l’allenatore del Napoli, Maurizio Sarri, per studiare meglio i movimenti della linea difensiva dei suoi giocatori.

 Monitoraggio prestazioni in campo sport di squadra

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2 COMPONENTI DI UN DRONE

Dopo aver visto cos’è un drone, ora possiamo approfondire la questione andando a scoprire

qualcosa di più riguardo le “parti” dalle quali è composto. Innanzitutto è opportuno sottolineare che a seconda dell’uso per cui è stato costruito, un drone può essere molto diverso dall’altro, ma esistono delle componenti basilari, con funzioni specifiche, che sono più o meno comuni a tutti i modelli. Vediamo un po’ più nello specifico come si chiamano e quali sono le loro caratteristiche.

2.1 Telaio (frame)

Il telaio rappresenta l’ossatura del drone, ossia la sua struttura portante, e varia a seconda del numero di motori.

le caratteristiche principali da considerare sono:  Aspetto: dipende dal telaio scelto e dal costo

 Configurazione: riguardo tale punto è da prendere in considerazione non solo il numero dei motori da montare, ma anche se equipaggiare il tutto con una macchina fotografica come anche il suo posizionamento. Di solito oggi si preferiscono I quadricotteri con

un’alloggiamento centrale per gli accessori e le batterie.

 Dimensione: di solito si preferisce all’inizio un quadricottero di dimensioni ridotte perchè requisiti tecnici sono meno complessi

 Materiali: di solito si preferisce alluminio o plastica o una combinazione di emtrambi.  Montaggio dell’hardware: si può molto spaziare da componento legati assieme da

specifiche parti oppure legate tra loro con mezzi molto semplici

 Prezzo: il prezzo è molto variabile e dipende da come sono stati prodotti se industrialemnte oppure hand made.

 Robustezza: questo dipende dai materiali utilizzati. Più è robusto e più probabilmente dureranno poco le batterie ma sarà immune da deformazioni e rotture

 Peso: peso del telaio e peso dei motori

2.2 Motori

Il numero di motori (engines) presenti sui multicotteri possono essere 3 (tricottero), 4 (quadricottero), 6 (esacottero), oppure 8 (ottocottero).

Ogni motore è collegato a un’elica (propeller) che roteando permette al +drone di alzarsi da terra. I motori installati sui droni sono motori elettrici, che si distinguono per la presenza o meno

di contatti elettrici striscianti (cioè le “spazzole”) sull’albero motore. Avremo quindi motori:

Brushed: Motori spazzolati, che sfruttano appunto spazzole metalliche interne che, ruotando,

alternano la polarità degli elettromagneti per generare movimento rotatorio. Sono motori ormai quasi non più usati se non in applicazioni particolari come micro-multirotori (per semplicità) oppure alcuni modelli di auto radiocomandate. Per invertire il senso di rotazione basta invertire la polarità con cui arriva la corrente scambiando il filo nero dal rosso.

Brushless Motore di nuova generazione che fa a meno delle spazzole perché l’alternanza di polarità

è controllata elettronicamente dall’ESC, da cui escono tre fili invece che i soli due di positivo e negativo: si chiamano tri-fase.

In pratica sfruttando i campi magnetici, quelli dei magneti e quello creato dal passaggio della corrente negli avvolgimenti genera la rotazione dalla contrapposizione dei campi.

6 decisamente superiori rispetto ad un motore spazzolato.

Altri vantaggi oltre alla già citata minore resistenza meccanica sono peso inferiore, zero possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione e minore necessità di manutenzione periodica.

I motori brushless di dividono in due grandi famiglie: inrunner ed outrunner;

il funzionamento è lo stesso, differiscono in quanto nel primo caso gli avvolgimenti sono sulla parte esterna che rimane fissa, mentre nel secondo caso il rotore alloggia i magneti.

Riassumiamo le parti fondamentali di un motore

1)FONDELLO. Normalmente costruito in alluminio, è la parte che chiude la campana del motore ed integra la ventola di raffreddamento, con il compito di forzare il flusso d’aria all’interno del motore tra gli avvolgimenti.

2) CAMPANA. È la parte più esterna del motore, realizzata in acciaio magnetico. Al suo interno accoglie i magneti permanenti.

3) MAGNETI PERMANENTI. Sono alloggiati all’interno della campana, incollati ad essa hanno il compito di creare il campo magnetico permanente del motore.

4) LAMIERINO dello STATORE. E’ la singola parte che compone lo statore. 5) STATORE. E’ la parte interna del motore che accoglie gli avvolgimenti di rame.

6) SUPPORTO dello STATORE. E’ la parte che alloggia lo statore, normalmente realizzato in alluminio, è anche la parte che serve per il fissaggio del motore completo.

7) ALBERO. E’ l’elemento che ha il compito di fornire il moto alla sistema di trasmissione,

essendo accoppiato in maniera solidale con il fondello e la campana, questi 3 elementi costituiscono le parti in rotazione del nostro Outrunner

2. ESC: Electronic Speed Contro

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E’ un circuito elettronico che permette di regolare variare la velocità di un motore elettrico, la sua direzione e di agire come freno. Un ESC per motori brushless, pilota il motore trifase inviando una sequenza di segnali per la sua rotazione.

Gli ESC utilizzati sono di tipo OPTO ovvero non contengono al loro interno un BEC integrato. È quella parte del drone che collega i motori brushless al Flight Controller ed è costituita da un insieme di cavi nella cui parte centrale è posizionata una piccola scheda elettronica. Sebbene sia piccola e dall’aspetto semplice, questa componente svolge una funzione abbastanza complessa, consentendo ai motori di girare in entrambi i sensi e a velocità variabili.

sono dei dispositivi elettronici che permettono di far funzionare un motore brushless in base alla quantità di potenza che impostiamo attraverso il radiocomando o il dispositivo di controllo.

2.4 LI-PO Battery

Le batterie Li-Po (Lithium-ion Polymer Batteries) sono Batterie ai Polimeri di Litio che vengono utilizzate sui droni in virtù del fatto che non possiedono alcun contenitore di metallo e risultano di conseguenza più leggere di quelle tradizionali.

E’ importante sottolineare che le batterieLiPo rappresentano la base che ha permesso lo sviluppo di tutti i piccoli droni moderni e dell'aereomodellismo elettrico in genere.

In questo modo i motori del drone hanno bisogno di minore potenza per sollevare il multicottero e la stessa carica delle batterie durerà più a lungo. Le batterie dei droni per uso ricreativo hanno una durata media di 10 minuti, mentre possono arrivare a oltre un’ora in caso di droni per uso

professionale.

2.5 BEC :Battery Eliminator Circuit

E’ un circuito che permette di stabilizzare la tensione d'ingresso proveniente dalla batteria ad un valore utile ad alimentare correttamente un altro circuito.

7 alimenta anche i motori.

2.6 Flight Controller:FCB

È la centralina di bordo che rappresenta il sistema di autopilotaggio del drone. Questa unità processa i dati di volo e si occupa, tra le altre cose, di mantenere il multicottero “in equilibrio” durante il volo, agendo in automatico in base ad una lunga serie di informazioni ricavate

dall’hardware e dal software di cui esso dispone. Per funzionare, si interfaccia ad’unità IMU, che può essere anche contenuta all’interno dello stesso Flight Controller.

I giri dei motori sono delegati quasi totalmente alla centralina che, grazie ai sensori (giroscopi, accelerometri, barometro, bussola e gps), provvede a mantenere in assetto controllato il mezzo. Quando il mezzo è in volo, se noi non agiamo sui comandi, si definisce in “hovering”, cioè permane passivamente fermo a mezz’aria.

Nel momento in cui andiamo ad agire su un comando, la centralina interpreta il nostro comando e provvede a far erogare più potenza ad uno o più motori, che salendo di giri creano un

inclinazione del mezzo da un lato, e quindi il relativo spostamento. I comandi primari per pilotare un drone sono quattro:

 Potenza motori. I motori aumentano tutti contemporaneamente il numero dei giri: influisce

sulla quota del mezzo (altitudine).

 Beccheggio. I motori posteriori vengono accelerati, il mezzo si inclina sull'anteriore e si sposta

in avanti. Al contrario per il comando “indietro”.

 Rollio: vale lo stesso princìpio del beccheggio, ma i motori coinvolti sono quelli di

destra/sinistra, ed il mezzo di sposta lateralmente.

 Imbardata. Le eliche del drone non hanno tutte lo stesso senso di rotazione, metà girano in

senso orario e metà in senso antiorario. Per esempio, su un drone a sei eliche, le eliche in posizione pari (la 2, 4 e 6) girano in senso orario mentre le dispari (in posizione 1, 3 e 5) girano in senso anti-orario. Quando tutte le eliche girano ad uno stesso numero di giri, il drone risulta fermo su sé stesso. Se le eliche pari girano più veloce delle dispari (dunque agiamo sul comando dell’imbardata), sul mezzo si verificherà un momento contrario che avrà come risultante una rotazione opposta del drone, pertanto il velivolo comincerà a ruotare su sé stesso

2.7 Sensori di bordo

Grazie a questi sensori : accelerometri, giroscopi e magnetometro, si ha la possibilità di stabilizzare il volo del drone e di controllare la corretta esecuzione dei comandi.

L'accelerometro misura l'intensità del campo magnetico (le accelerazioni) sui 3 assi x,y, z . Con questi valori, il controllore è in grado di calcolare gli angoli di inclinazione relativi agli assi di pitch e roll.

Il giroscopio è il sensore che permette al multirotore di mantenere l'assetto nei tre assi nonostante eventi esterni tendano a modificarlo. Grazie al giroscopio, il multirotore “percepisce” sempre qual è l'orizzonte rispetto al suolo e quindi può riposizionarsi in automatico parallelamente al suolo.

Questo evita che rimanga inclinato verso una delle quattro direzioni per poi scivolare verso terra.Il

barometro rileva le variazioni di pressione dovute al cambio di quota, queste informazioni sono poi utilizzate per mantenere il multirotore sempre alla stessa altitudine.

Il magnetometro è una bussola elettronica che generalmente è usata in combinazione con il GPS.

Con l’ausilio del GPS abbiamo un corretto posizionamento nello spazio nonostante il vento ed è dunque possibile stabilizzare la posizione del drone in hovering, ossia nel volo sostenuto a velocità nulla ed a quota fissa, detto anche volo puntiforme o stazionario, estremamente utile per

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sono alimentati da uno o più pacchi di batterie LiPo che sono leggere e di potenza elevata.

2.8 IMU

L’unità IMU, ovvero Inertial Measurement Unit è costituita da un insieme di componenti elettroniche che sono fondamentali per il funzionamento del drone. Questa parte può

includere antenne GPS, giroscopi, accelerometri, barometri, etc, strumenti di misurazioni inerziali, che permettono al Flight Controller di migliorare la risposta alle improvvise variazioni dei fattori che vengono registrati.

2.9 Sistema di controllo a distanza

Il sistema di controllo è solitamente costituito da un “radiocomando” trasmettitore (controller) e da un ricevitore apposito che si interfaccia con il Flight Controller.

2.10 Gimbal

Si tratta di un ingegnoso supporto per videocamere, montato su multicotteri che permette la stabilità della camera e consente riprese perfette e professionali, quindi, niente più immagini tremolanti o inquadrature non in asse. E’ composto da un telaio, un sistema di supporto e due cerniere. Una è situata sul piano verticale, l’altra su quello orizzontale, ad esse sono applicati due motori elettrici trifase, collegati ad un piccolo microprocessore. Nella sua evoluzione, il Gimbal ha subito interessanti modifiche infatti non è più gestito da servocomandi ma da una centralina che agisce direttamente sui motori brushless.

Il suo utilizzo necessita in genere di due operatori quindi di altrettanti radiocomandi. Uno verrà utilizzato per pilotare il drone, l’altro per gestire la ripresa.