Progetto Quadcopter, tesina

I

velivolo lungo un asse, di rollio o di beccheggio, mentre per configurazioni diverse, ad

sono più le coppie di rotori a controllare le rotazioni ma i singoli rotori (Fig. 1.1).

Obiettivi del progetto

2.4.

 Realizzare un quadricottero

avente un discreto livello di

autonomia ed in grado di

mantenere la quota e la

posizione grazie al GPS ed ai

vari accelerometri/giroscopi

presenti nella scheda di volo

 Testare la stabilità del mezzo

con differenti carichi e

spostando il baricentro lungo

l’asse verticale e longitudinale

 Fig. 1.1

Approfondire alcuni argomenti

inerenti l’elettrotecnica e l’aerodinamica dei velivoli

svolti durante il triennio

 Testare diverse funzioni tipiche di un sistema autonomo con un alto livello di elaborazione

 Dotare il mezzo di una telecamera, stabilizzata grazie ad un “Gimbal” in grado di contrastare le

rotazioni intorno a due dei tre assi. 4

3. La costruzione

L

a costruzione è stata ovviamente il primo passo di quel percorso che ha avuto come obiettivo la

realizzazione di un drone funzionante e sicuro.

Nelle prime fasi, ho cercato l’ausilio di guide online che spiegassero esattamente come scegliere al

meglio i vari componenti, ma con scarsi risultati; infatti i tutorial presenti in rete sono pochi e per la maggior

parte incompleti o troppo specifici.

Seppur dopo molte difficoltà, sono comunque riuscito ad assemblare il quadricottero e a realizzare dei

settaggi che si abbinassero alle caratteristiche costruttive di ogni componente utilizzato.

Dall’esperienza ottenuta, ho potuto ricavare personalmente una scaletta necessaria per la costruzione di

qualunque drone quadrirotore, e che verrà analizzata più approfonditamente nei paragrafi successivi :

 Scegliere un telaio (frame) avente sufficiente elasticità e leggerezza per sostenere gli elevati stress e

le accelerazioni derivanti dai momenti torcenti dei motori

 Nel caso in cui il frame non sia dotato di un circuito di distribuzione per la corrente, acquistarlo a

parte facendo attenzione a rispettare le tensioni massime ed il numero di uscite per i motori

 Scegliere dei motori elettrici, preferibilmente brushless, in linea con la tensione di alimentazione

ricordando che l’unità di misura fondamentale per questo tipo di motori è il Kv

preventivata,

(rpm/min x Volt).

Ciò vuol dire che per ogni Volt erogato dalla batteria, equivarranno le centinaia di giri al minuto

indicate sul motore, consiglio quindi di fare molta attenzione a non sovralimentarlo per non

incorrere in gravi danni

 Accoppiare ai motori gli ESCs (Electronic Speed Controllers) nel caso in cui i motori scelti siano

brushless, infatti un normale rotore a spazzole necessita solo di un semplice potenziometro per

regolare la velocità

 proprie esigenze; personalmente consiglio di non “andare

Selezionare un scheda di volo idonea alle

al risparmio” nell’acquisto di elementi così fondamentali, e anzi, di indirizzarsi ad un’elettronica

dotata di GPS e sistemi anti-collisione

 Acquistare in blocco sia la Trasmittente (il vero e proprio radiocomando) che la Ricevente (da

installare sul Quad) tenendo presente che un maggior numero di canali radio disponibili equivarrà

ad un maggior prezzo, ma allo stesso tempo ad una maggiore versatilità nel controllo del mezzo

 Ora non resta che scegliere gli ultimi componenti del quadricottero, ovvero tutti quei componenti

accessori facilmente sostituibili, fra cui : batterie LiPo, caricabatterie, eliche e stabilizzatore per la

telecamera nel caso la si voglia installare.

 Sono eclusi tutti quei materiali come cacciaviti specifici, velcri da modellismo e fascette di plastica

che tornano molto utili quando si tratta di dare forma al proprio quadricottero. 5

Materiali utilizzati per il progetto

3.1.

 Frame - Flame wheel 450 (F450)

 Electronic Speed Controllers - 4X ESCs (30A)

 –

Motori - 4X Motors 2212 (950 rpm/V Max Thrust 850g cad.)

 Batterie - 2X Lipo Batteries 5000 Mah 3S

 Trasmittente/Ricevente Spektrum DX6I

 Scheda di volo - Naza M Lite con GPS

 Eliche - 4X 8x4.5in Propellers

 –

Stabilizzatore telecamera Tarot T2D V2

 Stazione saldatore

 Tester voltmetro

 Attrezzatura accessoria ( viti, caricabatterie, Velcro ecc.)

 Telecamera Gopro Hero 3+ Silver

Assemblaggio

3.2. l’esatto contrario.

Premettendo che questa fase dovrebbe essere facile, rapida e divertente, per me è stato

Non avendo una guida di

riferimento, ho speso molto

tempo nel cercare i

componenti con il miglior

rapporto qualità-prezzo, oltre

ai vari

materiali da lavoro, tanti dei

quali si sono poi rivelati

inutili, rendendo questo step

dispersivo.

Durante questa fase ho fatto

molta attenzione a bilanciare i

pesi simmetricamente rispetto

all’asse trasversale e

longitudinale del velivolo,

come si evince infatti dalla

figura 1.2, i quattro ESCs

sono allineati coi quattro

motori e sono equidistanti dal Fig. 1.2

corpo centrale, la scheda di volo (non presente nell’immagine)

è perfettamente centrata e la batteria altrettanto. 6

Gli unici elementi non allineati centralmente sono il modulo GPS, la ricevente AR6210 e il bilanciatore di

voltaggio , ma dato il loro peso esiguo e la possibilità di indicarne la posizione sul software di volo, non ho

abbastanza ordinata.

ritenuto necessario centrarli a tutti i costi, a discapito di un’estetica

Frame F450

3.3.

Questo è il telaio principale del quadricottero e si compone di tre parti : le braccia, la piastra superiore e la

piastra inferiore.

Particolare rilevanza hanno le braccia, costituite da una speciale fibra di plastica e carbonio, e la piastra

inferiore, anche chiamata PDB (Power Distribution Board).

Quest’ultima quale convergono l’alimentazione

incorpora un circuito (Fig. 1.3) nella (battery input) e gli

ESC, che a loro volta regolano la corrente in entrata nei motori. Fig. 1.3

Il primo step è stato quindi saldare il tutto alla piastra inferiore, imbullonarci le braccia e a loro volta fissarci

gli ESCs ed i motori.

È importante che questo passaggio sia eseguito con cura e accertandosi che tutti i collegamenti siano solidi,

poichè i carichi maggiori convergono proprio sulle connessioni fra piastra e braccia, dopo di che si può

inserire l’elettronica ed applicare la piastra superiore a protezione del delicato carico, e a sostegno della

batteria. NAZA M Lite con GPS

3.4.

Al giorno d’oggi esiste una grande scelta per l’elettronica da modellismo, partendo da un livello basso, per il

quale grava tutto sull’abilità dell’operatore, fino ad arrivare a prodotti di medio/alto rango, i quali

garantiscono funzioni di autostabilizzazione e Obstacles Avoidance. 7

La NAZA è una scheda di controllo per aeromodelli

e multirotori che assicura ottime prestazioni e

stabilità grazie a tre giroscopi (uno per ogni asse di

rotazione), tre accelerometri e due altimetri

barometrici, oltre ovviamente al modulo GPS, il

quale ha un livello di errore non oltre il metro e

mezzo.

Il montaggio non è stato particolarmente ostico, è

bastato saldare i cavi del bilanciatore al battery input

presente sulla piastra (Fig. 1.3) ed inserire

correttamente i cavi di regolazione provenienti dagli

ESC e dalla radio nel corpo centrale della centralina,

dopo di che ho montato il GPS su un’asticella di Fig. 1.4

circa 7cm per evitare disturbi elettromagnetici della centralina stessa, e ho applicato il LED di navigazione

(Fig. 1.4) sotto al quadricottero, per renderlo più visibile.

Una particolarità della NAZA è proprio la presenza del modulo LED, che attraverso una serie di colori indica

lo stato operativo della scheda, per esempio : un punto verde e tre punti rossi indicano che il numero di

satelliti disponibili è inferiore a cinque, mentre una serie di linee verdi indicano che la centralina ha acquisito

i satelliti e che quindi il velivolo sarà molto più stabile.

Una volta montata sul drone, quindi, la centralina potrebbe pontenzialmente funzionare con le proprie

impostazioni, ma è conveniente installare un software dedicato sul pc e creare dei settaggi personalizzati,

grazie ai quali è possibile sfruttare al massimo tutte le funzionalità, come ad esempio il Failsafe Mode,

ovvero una modalità per la quale il drone valuterà se rimanere in hovering o tornare al punto di partenza

automaticamente, a seconda della potenza del segnale e dal livello di carica della batteria.

A questo punto potrei riempire altre tre o quattro pagine solo discutendo di come e perchè impostare la

NAZA in un certo modo rispetto che in un altro, ma per non incorrre nel rischio di creare un trattato noioso e

ripetitivo, preferisco procedere spiegando il funzionamento degli

apparati radio che permettono di controllare il Quadcopter.

Trasmittente e ricevente (TX/RX)

3.5.

Per trasmittente e ricevente si intendono quei due apparati radio

che, scambiandosi informazioni, permettono il controllo a distanza

di un modello.

La trasmittente non è nient’altro se non il classico radiocomando

tanti tasti e levette e un’antenna in cima;

che tutti conosciamo:

mentre la ricevente è di sicuro meno conosciuta ma non meno

importante, infatti questi due apparati non potrebbero funzionare

l’uno senza l’altro, e come è logico che sia, devono condividere

certe caratteristiche tecniche che ne permettano la comunicazione. Fig. 1.5

8

Il primo concetto da chiarire prima di parlare oltre di controllo radio però, è quello di canale: un canale radio

è semplicemente una banda di frequenza nella quale

viaggia un’informazione utile, come può essere ad

esempio il controllo di un motore o il movimento di un

servo.

I canali rivestono un ruolo importantissimo nel mondo

del modellismo poichè un maggior numero di canali

permettono all’operatore di controllare il mezzo con un

maggior numero di strumenti; nel caso di un

quadricottero, il numero minimo di canali è quattro,

ovvero, un canale per ogni controllo di movimento,

come si può vedere sulla ricevente (RX) i canali

occupati in Fig. 1.6 infatti sono: RUDD (rotazione

intorno all’asse verticale), ELEV (rotazione intorno

all’asse trasversale), (rotazione intorno all’asse

AILE ovvero la “manetta”

longitudinale) ed infine THRO,

(traslazione sull’asse verticale).

Essendomi informato per tempo di questa necessità, mi Fig. 1.6

sono munito di una coppia TX/RX a 6 canali

“Spektrum DX6I” (Fig. 1.5), di cui i primi quattro occupati nel modo s