Droni, tesina

Istituto di Istruzione Superiore

“Volterra-Elia”

Ancona

Alunno: Michele Spallacci

Classe: 5^ AO

Indirizzo: Elettronica

Anno scolastico: 2014-2015

I droni 0

Indice: pagina

• 1- Introduzione. 2
• 1.1- Principio di funzionamento. 2
• 1.2- L’orientamento dei droni nello spazio. 3
• 1.3- Configurazioni tipiche. 4
• 2- Componenti di un multirotore. 5
• 2.1- Telaio. 5
• 2.2- Centralina di controllo. 5
• 2.3- Software. 5
• 2.4- Sensori. 6
• 2.5- Motori. 7
• 2.6- Driver motori. 7
• 2.7- Batterie. 7
• 2.8- Radiocomando. 7
• 2.9- Telemetria. 8
• 3- Il nostro quadricottero. 9
• 3.1- Telaio. 9
• 3.2- Motori. 9
• 3.3- ESC. 9
• 3.4- Batterie. 10
• 3.5- Carica batterie. 10
• 3.6- Eliche. 10
• 3.7- Elettronica di controllo. 11
• 3.8- Radio controllo. 11
• 3.9- Software. 12
• 4- Storia dei droni 13
• 4.1- Bersagli per l’artiglieria 14
• 4.2- Lo sviluppo delle armi teleguidate 15
• 5- Gabriele D’Annunzio 16
• 5.1- La vita 16
• 5.2- La poetica 17
• 5.3- Il volo su Vienna 18 1

1- Introduzione

Il primo concetto di macchina volante risale a Leonardo Da Vinci, con il suo elicottero a vite, ma dovettero trascorrere secoli prima che si potesse passare da questo disegno un po’ goffo, pesante e poco funzionante ad immaginare una macchina tecnologicamente avanzata, compatta e priva di conducente, capace di solcare i cieli con agilità e sicurezza.

Il drone, noto con l’acronimo APR (aeromobile a pilotaggio remoto) è un velivolo caratterizzato dall’assenza di pilota a bordo.

La sua prima comparsa avvenne nel 1849 quando gli Austriaci attaccarono la città di Venezia legando cariche esplosive a palloni aerostatici, i quali, oltre a danneggiare le linee nemiche, hanno compromesso, a causa di un colpo di vento, anche le proprie truppe.

Il primo prototipo di APR a radio controllo venne prodotto durante la prima guerra mondiale nel 1916 noto con il nome di Aerial Target, questo fu la prima dimostrazione di pilotaggio a distanza tramite una piattaforma che montava un sistema di giroscopi.

Nel corso della seconda guerra mondiale, negli USA, i droni vennero prodotti in larga scala, mentre è nel periodo della guerra fredda che le dimensioni iniziarono a ridursi con l’uso di tecnologie mano a mano sempre più spinte.

Un multirotore è una particolare tipologia di UAV che si differenzia dagli elicotteri standard per la presenza di 3 o più eliche a passo fisso ovvero con angolo d’attacco costante ma velocità di rotazione controllata.

È un velivolo di semplice costruzione meccanica, ma di complessa gestione dinamica. Non ha alcuna stabilità aerodinamica e per volare necessita di una centralina dedicata per il controllo del volo e della stabilizzazione.

1.1- Principio di funzionamento

Il multirotore vola agendo esclusivamente sulla velocità di rotazione dei gruppi elica/motore, nessun’altra parte meccanica è in movimento, unica eccezione è fatta dal tricottero che richiede un servo per il movimento del motore di coda.

Ogni accoppiata motore-elica produce due componenti di forza utili a governare il multirotore: SPINTA e MOMENTO TORCENTE (coppia).

Regolando queste due forze si può spostare il drone in qualsiasi direzione nello spazio.

Per mantenersi in equilibrio sull’asse Z (YAW o IMBARDATA) il momento torcente dei motori 1-3 deve essere uguale e contrario a quello sviluppato dai motori 2-4. Per l’equilibrio degli assi X e Y la somma delle spinte sui motori 1-3 (ROLL o rollio) e 2-4 (PITCH o beccheggio) deve essere uguale.

Roll e Pitch: Per il movimento si mantiene un angolo di ROLL o PITCH diverso da 0. Nell’esempio, controllando la velocità dei motori 1-3 (aumentando 3 e diminuendo 1) il momento rimane costante ma cambia l’inclinazione facendo ruotare il quadricottero sull’asse x. 2

Yaw: Per la rotazione sull’asse z si modificano le velocità delle due coppie in modo che la differenza di momento torcente faccia ruotare il quadricottero. La somma delle forze però deve rimanere costante quindi si agisce aumentando la velocità di una coppia e diminuendo l’altra.

Nel multirotore sono necessarie due tipi di eliche per far fronte alla necessità dei due sensi di rotazione dei motori: Dalla figura a lato si possono notare le differenze tra i due tipi di eliche:

• Verde- Rotanti (Pusher)
• Blu- Controrotanti (Standard)

1.2- L’orientamento dei droni nello spazio

La DCM (Direction Cosine Matrix) usa le rotazioni di matrice per calcolare la posizione dell’oggetto relativa ad un sistema di riferimento fisso.

I multirotori usano, a seconda della modalità di volo configurata, due sistemi di riferimento fissi: Il corpo stesso e la terra.

Il risultato della DCM viene trasformato in “angoli di Eulero”. Gli angoli di Eulero sono utili per comprendere l’inclinazione del corpo rispetto ad un sistema fisso, utile nelle funzioni automatiche di navigazione. 3

1.3- Configurazioni tipiche

Esistono moltissimi tipi di multirotori in svariate configurazioni, i più comuni sono:

• Tricotteri:
• Quadricotteri:
• Hexacotteri:
• Octacotteri: 4

2- Componenti di un multirotore

Il drone come ogni essere o macchinario che esegue ordini o copie lavoro è composto da una struttura (telaio) che regge tutto il sistema, un cuore (batteria) che fornisce e distribuisce energia, un cervello (controller) che elabora i dati ricevuti dai sensori (piattaforma IMU), una rete nervosa (regolatori) per la distribuzione degli impulsi elettrici ai muscoli (rotori) che eseguono fisicamente le operazioni calcolate.

2.1- Telaio

Il telaio di un multirotore è composto principalmente da cinque elementi:

1. Il corpo centrale: normalmente composto da due piastre parallele di materiale composito atte a ospitare tutta l’elettronica di volo, quella di comando e varie elettroniche accessorie (trasmettitori telemetria, trasmettitore video, osd, etc.)
2. I bracci porta motori: generalmente in alluminio o in materiali compositi vari (carbonio/fibra/o plastiche)
3. Supporto motore: alloggiamento fisico di ancoraggio dei motori di volo.
4. Supporto batteria di volo principale.
5. Pattini di atterraggio: non sempre inclusi nei frame commerciali, sono di vario genere, e misure, a seconda della necessità.

2.2- Centralina di controllo

Per funzionare, un multirotore deve necessariamente disporre di una centralina di controllo con microcontrollore (MCU).

Molto popolari son gli Arduino a 8 bit (es. ArduPilotMega) oggi gradualmente sostituiti da piattaforme ARM a 32 bit.

La centralina si occupa di variare la velocità dei motori ad una frequenza molto elevata; operare un multirotore senza centralina è impossibile.

Le centraline devono disporre di almeno 4 ingressi e 4 uscite per poter controllare un Quadricottero.

I 4 ingressi base sono Roll, Pitch, Throttle, Yaw (Rollio, Beccheggio, Gas, Imbardata). Gli ulteriori ingressi servono per le modalità di volo e funzionalità opzionali.

Le uscite sono 1:1 con i motori/eliche e generano degli impulsi (PWM) che comandano i motori tramite gli ESC (Electronic Speed Controller).

2.3- Software

Il software di controllo utilizzato dalla centralina è il vero e proprio “cervello” del drone.

Il SW ha il compito di:

1. Mantenere in equilibrio il drone usando i sensori di bordo
2. Interpretare i comandi del pilota convertendoli in segnali per i motori
3. Eseguire funzioni di volo autonomo
4. Verificare la funzionalità delle componenti di bordo
5. Inviare alla stazione di controllo i dati di telemetria

Esistono 2 tipologie di SW:

• Open source (software aperto)
• Closed source (software chiuso) 5

Le piattaforme open source contano decine di sviluppatori che convergono su un unico progetto. Il codice viene reso pubblico e può essere utilizzato per creare nuovo codice.

Le piattaforme closed sono sviluppate all’interno di società/enti che non rendono pubblico il codice e quindi non permette la customizzazione delle parti SW.

Le piattaforme closed più famose sono:

• Mikrokopter (parzialmente closed)
• DJI
• ASCTEC

Le piattaforme Open più diffuse sono:

• Ardupilot
• Multiwii
• Autoquad
• Aeroquad
• ACopter32

Modalità di volo Manuali e Semiautomatiche:

• ACRO
• SPORT
• STABILIZE
• ALTITUDE HOLD

Funzioni automatiche:

• SIMPLE e Super-SIMPLE
• GPS Hold e Attitude
• GUIDED
• AUTO:
  • RTL
  • TAKE-OFF & LAND
  • CIRCLE

2.4- Sensori

Esistono cinque tipi di sensori che sono alla base del volo autonomo di un multirotore:

• Giroscopio (essenziale)
• Accelerometro (opzionale)
• Bussola (opzionale)
• GPS (opzionale)
• Barometro (opzionale)

Grazie alla tecnologia MEMS quasi tutti i sensori possono essere inseriti in un unico chip.

L’insieme dei sensori combinati su di una scheda compongono quella che viene chiamata IMU (Inertial Measurement Unit o Unità di Misura Inerziale). 6

Esempio VRBrain:

• MPU6000 (6 assi di misurazione) combina un accelerometro a 3 assi e un giroscopio a 3 assi
• HMC5883 bussola digitale su 3 assi
• MS5611 barometro ad alta precisione

I giroscopi misurano la velocità angolare su 3 assi. Unità di misura: gradi/s.

Gli accelerometri misurano la forza di gravità su 3 assi. Unità di misura: m/s² (9.8m/s²=1G).

La bussola digitale misura il nord magnetico sui tre assi (°).

Il barometro misura temperatura e pressione atmosferica che converte in altitudine s.l.m.

2.5- Motori

I motori brushless (senza spazzole) sono motori sincroni alimentati da una sorgente a corrente alternata controllata elettronicamente.

Per la costruzione dei multirotori si utilizzano gli outrunners caratterizzati da magneti permanenti fissati sulla campana esterna che funge da rotore.

Gli outrunners hanno una elevata coppia a ridotto numero di giri, cosa che rende non necessario un riduttore di giri con i conseguenti benefici di leggerezza.

2.6- Driver motori

I driver utilizzati per comandare i motori vengono chiamati ESC (Electronic Speed Control), sono piccoli microcontrollori per il controllo dei motori brushless; fondamentali per una buona stabilità di volo.

Gli ESC vengono alimentati dalla tensione della batteria ma sfruttano il segnale PWM generato dalla centralina di controllo, fornendo ai motori la corretta sequenza di alimentazione che ne permette la rotazione.

2.7- Batterie

Le batterie LiPo sono batterie ricaricabili composte da un elettrolita a base di sali di Litio incorporati in un polimero; cosa che le rende più economiche, versatili e robuste.

La tensione di una cella LiPo varia da 2,7V (scarica) a 4,23V (carica) e mai deve superare i 4,235V.

È fondamentale utilizzare un carica batterie specificatamente progettato e di buona qualità per evitare di superare i limiti di carica e rischiare la deflagrazione.

I pacchi batteria LiPo sono tipicamente costituiti da assemblaggi in serie (2/3/4/6S) e parallelo (2/3/4P) in base alle caratteristiche richieste dall’applicazione.

2.8- Radiocomando

Per controllare un multirotore serve una radio di tipo RC preferibilmente digitale su frequenza 2.4GHz.

Le più comuni radio RC generano segnali PWM mentre quelle di fascia medio alta solitamente generano segnali PPMSUM.

Con alcuni sistemi si può usare un Joystick (Fly By Wire) o addirittura un PC/App quando disponibile la telemetria. 7

Sono necessari almeno 4 canali per controllare il volo:

1. Pitch