Progetto Quadcopter, tesina

Istituto tecnico del trasporto aereo e logistica

Lindbergh Flying School

Progetto Quadcopter

Alessandro Ruggiero

Classe V, sezione NA

Esami di stato

Sessione 2014/2015

“A smooth sea never made a skilled sailor”

Proverbio inglese

Sommario

Attraverso questa tesina, ho intenzione di condividere con chiunque sia incuriosito ed affascinato dal volo e dall’automazione, alcune conoscenze a cui sono pervenuto tramite un percorso tortuoso e non privo di tentativi, fallimenti, ma anche molte soddisfazioni.

Questo percorso ha visto la creazione di un drone quadrirotore avente un discreto grado di autonomia, e gli obiettivi di questo elaborato sono di illustrare sinteticamente e accuratamente i passaggi chiave che hanno portato all’assemblaggio, alla programmazione ed ai primi tentativi di volo del Quadcopter.

L’elaborato si articola in quattro parti: nella prima parte si introduce il concetto generale di velivolo o mezzo autonomo, avvicinandosi in particolare alla materia di diritto (Codice della Navigazione ed ENAC), mentre nella seconda e nella terza parte prende forma il vero e proprio corpo della tesi, ovvero la costruzione e gli utilizzi del quadricottero da me assemblato e in parte ideato, lasciando alla quarta e ultima parte, curiosità e applicazioni in materia.

I due capitoli centrali interessano da vicino alcune materie fondamentali, fra cui elettrotecnica, aerotecnica ed inglese, dipanandosi rispettivamente fra circuiti di distribuzione, autonomie e stabilità, ed infine sistemi GPS misti a piattaforme inerziali, ma senza presentare troppe informazioni matematiche o specifiche tecniche; infatti questa tesina non è nata per essere un manuale di costruzione, ma più semplicemente un’introduzione dettagliata al nuovo e vibrante mondo dei droni autonomi.

Auguro pertanto una piacevole lettura, nella speranza che le informazioni qui contenute possano servire da spunto per più approfondimenti personali. I

Indice

Sommario..................................................................................................... I

1. Aeromobili a pilotaggio remoto ........................................................... 1

1.1. Introduzione........................................................................................................................... 1

1.2. Disposizioni ENAC ............................................................................................................... 1

1.3. Mansioni ................................................................................................................................ 2

2. Progetto Quadcopter ............................................................................ 3

2.1. Introduzione........................................................................................................................... 3

2.2. Caratteristiche di volo ........................................................................................................... 3

2.3. Dinamiche di controllo .......................................................................................................... 4

2.4. Obiettivi del progetto............................................................................................................ 4

3. La costruzione ...................................................................................... 5

3.1. Materiali utilizzati per il progetto .......................................................................................... 6

3.2. Assemblaggio ........................................................................................................................ 6

3.3. Frame F450............................................................................................................................ 7

3.4. NAZA M Lite con GPS ......................................................................................................... 7

3.5. Trasmittente e ricevente (TX/RX) ......................................................................................... 8

3.6. Batterie, consumi ed autonomie .......................................................................................... 10

4. Cenni storici e curiosità ..................................................................... 12

4.1. I primi UAV ........................................................................................................................ 12

4.2. Applicazioni dei multirotori ................................................................................................ 13

4.3. Droni e stampa 3D ............................................................................................................... 14

Sitografia .................................................................................................... 16

Ringraziamenti ........................................................................................... 17

1. Aeromobili a pilotaggio remoto

1.1. Introduzione

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 di bordo, il quale può essere totalmente o parzialmente indipendente, a seconda del grado di influenza dell’operatore presente a terra durante il volo.

L’inclusione del termine aeromobile sottolinea che, indipendentemente dalla posizione del pilota e/o dell’equipaggio di volo, le operazioni devono rispettare le stesse regole e le procedure degli aerei con pilota ed equipaggio di volo a bordo.

1.2. Disposizioni ENAC

Il Codice della Navigazione, all’articolo 743 come emendato dal decreto legislativo 9 maggio 2005 n. 96, prevede nella definizione di aeromobile i mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto (APR):

“Per aeromobile si intende ogni macchina destinata al trasporto per aria di persone o cose. Sono altresì considerati aeromobili i mezzi aerei a pilotaggio remoto, definiti come tali dalle leggi speciali, dai regolamenti dell’ENAC e, per quelli militari, dai decreti del Ministero della difesa. Le distinzioni degli aeromobili, secondo le loro caratteristiche tecniche e secondo il loro impiego, sono stabilite dall’ENAC con propri regolamenti e, comunque, dalla normativa speciale in materia”.

Il Regolamento distingue due tipologie di Mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto:

• Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR), 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.

Al fine di determinare i requisiti da soddisfare per operare e le diverse modalità di accesso allo spazio aereo, il Regolamento suddivide i Sistemi Aerei a Pilotaggio Remoto in due categorie di peso:

• Inferiore a 25 kg
• Uguale o maggiore a 25 kg

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Sistemi con APR di massa al decollo massima minore di 25 kg

Per quanto attiene i mezzi del segmento inferiore, utilizzati in operazioni di volo non critiche, è stato introdotto il concetto di “autocertificazione”. Per tale tipo di operazioni, la responsabilità è lasciata all’operatore che valuta la criticità e l’idoneità del sistema.

Sistemi con APR di massa al decollo massima maggiore o uguale a 25 kg

Per i Sistemi Aeromobili Pilotaggio Remoto di peso superiore ai 25 kg, invece, è sempre prevista una certificazione del mezzo aereo e una autorizzazione all’operatore aereo, indipendentemente dalla criticità delle operazioni di volo.

Per tali mezzi, infatti, si mantiene la stessa tipologia di regolamentazione in uso per gli aeromobili tradizionali, certificazioni di aeronavigabilità e autorizzazione all’impiego.

1.3. Mansioni

L’interesse per l’impiego di questi aeromobili negli ultimi tempi sta crescendo esponenzialmente in diverse attività per le potenzialità di impiego che si intravedono, quali ad esempio, sorveglianza del territorio, rilevamento delle condizioni ambientali, trasmissione dati, riprese aeree, impieghi agricoli o compiti di ordine pubblico.

A differenza degli aerei tradizionali, gli APR possono essere utilizzati in situazioni caratterizzate da un elevato pericolo per la vita umana e nelle aree inaccessibili o impervie, volando a bassa quota e velocemente.

Per questo motivo possono trovare impiego durante le fasi di monitoraggio di aree colpite da calamità naturali o da avvenimenti particolari (terremoti, esondazioni, incidenti stradali ecc.). Ne è un esempio il terremoto del Tōhoku in Giappone che ha colpito la centrale nucleare di Fukushima: in quell’occasione sono stati utilizzati dei Global Hawk (velivoli militari statunitensi), col fine di monitorare i reattori dopo le esplosioni che si erano verificate.

Un ulteriore vantaggio che deriva dall’uso degli APR per scopi civili è il contenuto costo di acquisizione e di esercizio di tali sistemi, rispetto ai tradizionali sistemi di ripresa aerea utilizzati fino ad ora. A questo aspetto si affianca la facilità di utilizzo e la loro versatilità.

Di seguito vengono presentate alcune applicazioni in ambito civile per gli APR:

Operazioni di ricerca e soccorso

Gli APR possono svolgere un ruolo importante nelle operazioni di ricerca e soccorso consentendo di effettuare delle ricognizioni in tempi rapidi, inoltre possono essere equipaggiati con strumentazioni specifiche per il compito da svolgere, in particolare a seguito del verificarsi di situazioni di emergenza.

Ampliamento della connessione Internet

Da diversi anni numerose aziende come Google e Facebook stanno utilizzando i droni ad ala fissa per “diminuire il divide” del pianeta, vale a dire aumentare la copertura di Internet nel mondo. I droni, la maggior parte delle volte equipaggiati con pannelli solari, hanno un’autonomia di volo pressoché illimitata e nel corso degli anni offriranno connettività nei paesi disagiati raggiungendo quasi 2,8 miliardi di persone.

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2. Progetto Quadcopter

Un quadricottero, chiamato anche quadrirotore, è un aeromobile multirotore caratterizzato dalla presenza di quattro rotori posti verticalmente, alle estremità di quattro braccia uscenti dal corpo centrale.

I quadricotteri sono classificati come aerogiri, diversi dagli aeroplani in quanto la portanza non è ottenuta tramite una superficie alare, ma come succede per gli elicotteri, dalla rotazione di una o più eliche poste verticalmente.