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Come è fatto e come funziona un drone

Il drone è un oggetto volante che sfrutta le forze aerodinamiche impresse dall'interazione di un oggetto volante nell'aria ei campi di pressione variabili, dovuti soprattutto alla forma e alla velocità dell'oggetto volante: quindi, il drone è un aeromobile, come gli aeroplani e gli elicotteri e di solito non ha un pilota che lo guida all'interno di sé, ma viene controllato da remoto con un'adatta stazione di terra.

Indice

Ho fatto tutto al contrario: recentemente ho pubblicato due articoli, che trattavano di una applicazione del drone, ma guarda un po' ho tralasciato di dire cosa esso sia e come si sviluppa il suo funzionamento HW e SW. Il mio intento in questo articolo. è quello di descriverlo in tutte le sue funzionalità e dare alcuni accenni, come farlo funzionare, facendolo volare. Come potete forse immaginare, il drone è un oggetto volante che sfrutta le forze aerodinamiche impresse dall'interazione di un oggetto volante nell'aria con campi di pressione variabili, dovuti soprattutto alla sua forma e alla sua velocità: quindi, il drone è un aeromobile, come gli aeroplani e gli elicotteri, ma di solito non ha un pilota che lo guida all'interno di sé, ma viene controllato da remoto, mediante un'adatta stazione di terra. Generalmente, il drone è di dimensioni più o meno limitate, rispetto ad un aereo, ma ha la sua efficacia in tante applicazioni tecniche, come la fotogrammetria, rilevazioni archeologiche, missioni militari, missioni ambientali, ricognizioni geografiche, cinematografia e tanto altro.

I droni possono costituire da un lato un hobby e si trovano modelli a costi accessibili, dall'altro, come abbiamo già intuito, ha degli scopi più importanti ed ufficiali e i modelli diventano molto più complessi, ad un costo che via via aumenta a seconda della serietà ed utilità dello scopo. Ovviamente, non si può pilotare nessun drone a cuor leggero, dai più insignificanti ai più importanti, perché come s'immagina, esiste una vera e propria legislazione di sicurezza, costituita per evitare pericoli, incidenti più o meno gravi e distruzioni del drone stesso. L'intermediario che si occupa di far rispettare la varie leggi sulla sicurezza è l'istituto dell'ENAC, che ha emesso una serie di provvedimenti, per circoscrivere la sicurezza in ambiti di vera salvaguardia dalle deviazioni da un corretto comportamento, il quale ente, tra l'altro organizza corsi, per ottenere patenti di volo, per coloro che hanno intenzione di pilorare un drone da remoto, mediante una stazione di terra e pubblica anche mappe per far conoscere territori od aree dove è consentito fare volare il drone con estrema sicurezza..

Introduzione: breve storia dei droni.

Diventa interessante, nel momento in cui ci si affaccia a questo nuovo mondo, sapere come sono nati e come si sono evoluti nel tempo gli APR (aeromobili a pilotaggio remoto), più comunemente conosciuti come droni. Il primo tentativo nella storia di impiegare un velivolo senza pilota risale al 1849, per scopi prettamente militari. Gli Austriaci attaccarono la città di Venezia servendosi di palloni caricati di esplosivo e lanciati dalla nave austriaca Vulcano.

Fig. 1. Un drone di stampo militare

Fig. 1. Un drone di stampo militare

Sebbene alcuni di questi funzionarono, altri, per il forte vento, finirono per danneggiare le linee di austriache mettendo in forte discussione la strategia di attacco. I successivi esempi e prototipi di velivoli senza pilota fecero la loro comparsa durante la prima guerra mondiale. Ne è un esempio l’”Aerial Target” nel 1916, che veniva controllato mediante tecniche di radio controllo. Il 12 settembre dello stesso anno, l’aeroplano automatico “Hewitt – Sperry”, o anche noto come “bomba volante”, compì il suo primo volo, dimostrando il concetto di aereo senza pilota. Il velivolo veniva comandato grazie ad una serie di giroscopi montati internamente. Nel periodo di tempo compreso tra le guerre mondiali, lo sviluppo tecnologico permise alle varie aziende e alle truppe militari di portare avanti progetti che portarono alla conversione di alcuni modelli di aerei in APR (aeromobili a pilotaggio remoto) alla nascita dei primi sistemi senza pilota che potevano essere lanciati dalle navi da guerra e controllati mediante un autopilota. La prima produzione in larga scala degli APR risale però al periodo della seconda guerra mondiale grazie a “Reginald Denny”, che durante la prima guerra mondiale servì l’esercito britannico per poi trasferirsi negli Stati Uniti. Negli anni ’30, il giovane ingegnere inglese aveva presentato all’Esercito americano uno dei primi esemplari di drone. La US Army inizialmente fu molto diffidente e si domandò: “che cosa ne facciamo di un giocattolo?”. In seguito le autorità statunitensi si sarebbero ricredute, iniziando un’avventura che dall’impiego militare si è via via spostata sempre più a quello civile. L’etimologia della parola “drone” è ancora avvolta nel mistero. Attualmente vi sono numerose metafore che riconducono l’APR ad un insetto. In inglese moderno, infatti, il termine “drone” significa fuco, il maschio dell’ape. Alcuni indizi fanno pensare che il nome derivi dal rumore simile al ronzio del fuco che i primi modelli producevano. Inoltre, è curioso scoprire un altro collegamento: nei primi anni di utilizzo, il drone veniva impiegato quasi esclusivamente come bersaglio volante per le esercitazioni dell’aeronautica. Come il fuco non aveva ruolo attivo, non incideva direttamente. Se agli esordi la parola “drone” era stata assegnata una connotazione passiva, oggi possiamo certamente dire che questi mezzi a pilotaggio remoto sono prepotentemente passati da un ruolo di bersagli a veri e propri protagonisti e interpreti di una tecnologia sofisticatissima e in continua evoluzione. A seguito del rapido progresso tecnologico registrato nel corso degli anni duemila e grazie alla loro versatilità, gli APR hanno cominciato ad essere utilizzati anche in ambito civile, dove sono impiegati in diversi ambiti quali: settore cinematografico ( riprese aeree, spot pubblicitari, ecc…);settore industriale (termorilevamenti, fotogrammetria, mapping, …);settore agricolo (agricoltura di precisione, analisi stato del terreno, analisi delle colture, …);settore ambientale (monitoraggio ambientale, interventi tempestivi, analisi di rischio, …) In questi anni lo sviluppo tecnologico ha permesso alle grandi case produttrici multinazionali (DJI, PARROT, WALKERA) di progettare droni con sistemi di sicurezza all’avanguardia che permettono di lavorare con estrema precisione. Il futuro che si prospetta è roseo e ricco di sorprese, vi saranno importanti modifiche sia a livello legislativo, sia a livello tecnologico e innovativo. Il mercato è in continuo sviluppo e le applicazione danno filo da torcere alla creatività. Chissà se un giorno i droni sostituiranno le automobili… In Fig. 1 è rappresentato un drone di tipo militare.

Tipi di droni

Ed ora andiamo a vedere le varie tipologie dei droni, che possono essere ad elica, come un elicottero o ad ali, come un aeroplano. Poi alla fine esamineremo nello prossimo paragrafo un drone quadricottero, ovvero formato da quattro eliche, che ruotano in precisi versi, per assicurare stabilità al velivolo.

I droni ad elica si dividono in:

Droni a singolo rotore o monocottero

Fig. 2. Un drone monocottero

Fig. 2. Un drone monocottero

Come si vede dalla Fig. 2. il design più comune in uso con rulli di tipo rotatorio è quello a multi rotore che dispone di molti rotori per mantenere stabile la posizione, ma nel caso di un modello a rotore singolo avrai un solo rotore all'interno. Un altro sarà un rotore di coda che aiuta semplicemente a fornire il controllo. Nel caso in cui tu abbia da portare carichi pesanti ma necessiti di un tempo di volo veloce con una resistenza più lunga, allora gli elicotteri a singolo rotore possono essere la scelta migliore per te.

Droni tricotteri

Fig. 3. Un drone tricottero

Fig. 3. Un drone tricottero

Ci sono tre diversi tipi di motori potenti all'interno di un tricopter, tre controller, quattro giroscopi e un solo servo. I motori sono semplicemente posizionati ad ogni estremità di tre bracci e ognuno di essi detiene un sensore di posizione (vedi Fig. 3). Ogni volta che si ha bisogno di sollevare il tricopter, è essenziale avviare un movimento nella leva dell'acceleratore, il sensore giroscopio riceverà immediatamente il segnale e passerà direttamente al regolatore che aiuta a controllare la rotazione del motore. Un tricottero è in grado di rimanere stabilizzato sul suo percorso in quanto è dotato di tanti sensori classici e di roba elettronica funzionale. Non è necessario applicare alcuna correzione manuale.

Droni quadricotteri

Fig. 4. Un drone quadricottero

Fig. 4. Un drone quadricottero

Quando un multirotore è progettato con quattro pale (Fig. 4), allora diventa quadricopter. Questi dispositivi sono generalmente controllati da motori a corrente continua tipo brushless appositamente progettati. Due dei motori si muovono in senso orario mentre altri due vanno in senso antiorario. Questo aiuta ad un atterraggio sicuro per il quadricopter. La batteria per tali dispositivi è al polimero di litio, come vedremo più avanti.

Droni esacotteri

Fig. 5. Un drone esacottero

Fig. 5. Un drone esacottero

L'Hexacopter può servire per molte applicazioni potenziali con il suo meccanismo a 6 motori dove 3 lavorano in senso orario e altri tre si muovono in direzione antioraria (Fig. 5). Quindi, questi dispositivi sono in grado di ottenere una potenza di sollevamento superiore rispetto ai quadrotti. Non è necessario preoccuparsi del suo meccanismo in quanto è progettato per atterrare in modo estremamente sicuro.


Droni octacotteri

Fig. 6. Un drone octacottero

Fig. 6. Un drone octacottero

Octo sta per otto; quindi l'octocopter e' utile, grazie ai suoi potenti otto motori che trasmettono potenza a 8 eliche funzionali (vedi Fig. 6). Questo velivolo naturalmente ha alte capacità rispetto alle unità discusse sopra ed è anche molto stabile. Puoi usufruire di una registrazione stabile di filmati a qualsiasi altitudine. Questi dispositivi trovano applicazione nel mondo della fotografia professionale.

Droni ad ali fisse.

Fig. 7. Un drone ad ali fisse

Fig. 7. Un drone ad ali fisse

Questa è una categoria completamente diversa da tutte le unità di cui sopra. Ci sono design piuttosto unici rispetto ai tipi di droni a multi rotore usualmente utilizzati. Troverai un'unica ala su di loro e sembrano degli aerei tradizionali, come si evince da Fig. 7.. Questi droni non sono in grado di stare stabili nell'aria in quanto non sono molto potenti per combattere la forza gravitazionale. Essi trovano le loro applicazioni nella registrazione dei movimenti, dove possono andare avanti anche in base al loro sistema di batteria incorporato.


Il drone quadricottero.

Fig. 8a.Schema semplificato di un drone quadricottero.

Fig. 8a.Schema semplificato di un drone quadricottero.

Fig. 8b.Schema delle parti elettroniche di controllo, con logica Arduino.

Fig. 8b.Schema delle parti elettroniche di controllo, con logica Arduino.

E' il più classico, il più conosciuto e il più usato tra i vari tipi di droni (vedi Figg. 8a e 8b). Possiede quattro motori e quattro eliche. E' costituito da un telaio portante, che supporta tutta la circuiteria elettronica e meccanica HW and SW, terminante all'estremità con quattro eliche simmetriche rispetto al baricentro di moto rotatorio opportuno, per la stabilizzazione del velivolo, onde impedire che in assetto stabile ruoti su se stesso, anziché rimanere fermo. Entrando piu' specificatamente nell'argomento vediamo la costituzione di questo velivolo, mediante le sue parti:

Il telaio

Fig. 9.Telaio in fibra di carbonio di un drone.

Fig. 9.Telaio in fibra di carbonio di un drone.

Come è evidente da Fig. 9, il telaio rappresenta l’ossatura del drone, ossia la sua struttura portante, e varia a seconda del numero di motori. I telai possono essere di diversi materiali, tra cui legno, plastica, alluminio e carbonio, la loro composizione risulta determinante nella resistenza, nel peso e quindi nella durata di volo del drone. Allo stesso modo, anche la grandezza del telaio e quindi il suo diametro influisce sulle prestazioni aeree del drone: un diametro maggiore assicura maggiore stabilità di volo, ma allo stesso tempo implica un peso superiore e quindi più dispendio di energia. Il telaio può essere acquistato direttamente, mentre gli appassionati del fai da te possono costruirlo a partire da componenti di “origine domestica” o persino crearlo con una stampante 3D. Può essere un pezzo unico o più pezzi assemblati, caratteristica che rende più facili e meno costose, in caso di rottura, le sostituzioni delle sole parti danneggiate.

I motori

Fig. 10. Spaccato di uno dei quattro motori del drone.

Fig. 10. Spaccato di uno dei quattro motori del drone.

I motori presenti sui multicotteri possono essere 3 (tricottero), 4 (quadricottero), 6 (esacottero), oppure 8 (ottocottero). Nel nostro caso sono solo quattro. 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, soprattutto di tipo “brushless”, ossia “senza spazzole”. Questo genere di motori funziona senza bisogno di contatti elettrici striscianti (ossia le “spazzole”) sull’albero motore (vedi Fig. 10). In questo modo si hanno vantaggi come minore resistenza meccanica, peso inferiore, zero possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione e minore necessità di manutenzione periodica. A differenza dei motori a spazzole, però, quelli brushless necessitano di ulteriori componenti come l’ESC (Electronic Speed Controller).

Le eliche

Fig. 11. Schema di un

Fig. 11. Schema di un'elica.

Le eliche (si osservi la Fig. 11) svolgono la stessa funzione delle ali di un aereo e con la loro rotazione, creano in basso un campo di pressione che spinge verso l'alto il velivolo. Le eliche sono costituite da diversi materiali, che ne condizionano l'efficienza, ma i parametri più importanti sono il diametro ed il passo. Il diametro massimo delle eliche dipende dall'estensione del telaio, in modo che le eliche stesse non si sovrappongano. Il passo dell'elica è invece lo spostamento perpendicolare al loro piano, prodotto da una loro rotazione a 360°. Sappiamo quindi che la rotazione delle eliche genera portanza, ovvero la spinta verso l'alto del velivolo e a parità di diametro, con un passo minore, esse devono girare più velocemente per ottenere una data portanza. Molte volte non è consigliabile scegliere un passo troppo alto, altrimenti si creano turbolenze, che compromettono l'assetto di volo, ma in genere le eliche che si vendono superano questo tipo di problema. Le instabilità di volo del drone sono create tuttavia da altri problemi e non dal passo dell'elica. Dato che il motore possiede un numero di giri ottimale, per avere la massima efficienza, è bene scegliere eliche che girino ad una velocità adeguata. Le eliche più piccole richiedono meno energia, per essere avviate, dato il loro momento d'inerzia minore e tendono ad adattarsi ai continui cambi di velocità del motore. Esse si possono sostituire con relativa facilità, a costi contenuti e di solito sono costituite da materiali, come plastica, fibra di carbonio e legno. Anche se quelle di plastica danno un buon rendimento, per ottenere maggiore spinta sono consigliate quelle a fibra di carbonio, che influiscono positivamente sulla portanza e la stabilità del velivolo. Ma quest'ultime, oltre ad essere più affilate e pericolose, per caratteristiche di produzione, sono anche più costose da sostituire. E' bene per una persona non ancora esperta, di portare con sé durante i primi voli, eliche di riserva. E' importante notare che le eliche di un drone quadricottero, essendo disposte come i vertici di un quadrato, non ruotano tutte nello stesso verso, altrimenti si avrebbe una rotazione anomala del drone su un piano; per questo ruotano a due a due in versi opposti verso l'interno (Fig. 12).

Fig. 12. I sensi di rotazione delle eliche di un quadricottero.

Fig. 12. I sensi di rotazione delle eliche di un quadricottero.

ESC o Electronic Speed Controller

Fig. 13. I quattro ESC per un drone quadricottero.

Fig. 13. I quattro ESC per un drone quadricottero.

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 (in Fig. 13 è mostrato una versione hardware di un quadricottero).

Batteria Li-Po

Fig. 14. Batteria LI-PO di un drone..

Fig. 14. Batteria LI-PO di un drone..

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 (vedi Fig. 14). 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. Il discorso della batteria è importantissimo, per la sua durata e consumo e per questo sarà creata una sezione a parte, per poter concentrarci su questo aspetto.

Il Flight Controller

Fig. 15. Schema parziale di un Flight Controller.

Fig. 15. Schema parziale di un Flight Controller.

Fig. 16. Visualizzazione hardware su piatra forata di un Flight Controller.

Fig. 16. Visualizzazione hardware su piatra forata di un Flight Controller.

Fig. 17. Versione integrata del Flight Controller.

Fig. 17. Versione integrata del Flight Controller.


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 da sensori e dall’hardware e dal software di cui esso dispone. Essa è collegata a un ricevitore esterno a più canali, per il colloquio con la stazione di terra. Per funzionare, si interfaccia ad’unità IMU, che può essere anche contenuta all’interno dello stesso Flight Controller. Le Figure 15,16 e 17 mostrano schemi e soluzioni hardware).

IMU

Fig. 18. Scheda dell

Fig. 18. Scheda dell'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 il GPS, giroscopi, accelerometri, barometri, magnetometri, optical flow e sonar, tutti strumenti di misurazioni inerziali, che permettono al Flight Controller di migliorare la risposta alle improvvise variazioni dei parametri fisico-elettromeccanici. Vediamoli tutti in semplice dettaglio:

Giroscopio. Esso rivela la propria posizione (e quindi quella del drone), rispetto ad ognuno dei tre assi. Esso è l'equivalente digitale dell'orizzonte artificiale.

Accelerometro. Rileva l'accelerazione sugli tre assi coordinati. Contiene cristalli microscopici che se sollecitati da vibrazioni emettono un segnale elettrico misurabile.

Barometro. Misura l'altitudine, rilevando le variazioni di pressione atmosferica e permette alla centralina di mantenere una quota costante, sebbene la precisione possa essere influenzata dalla conformazione del terreno e dalle condizioni meteorologiche. L'altitudine misurata è quella assoluta sul livello del mare e non sul livello del suolo.

Magnetometro.

Esso è essenzialmente una bussola, che permette al multicottero di mantenere l'orientamento, grazie al magnetismo terrestre (ed è fondamentale se si usa il GPS).

Optical Flow e Sonar.

Il sonar è un dipositivo di localizzazione acustica, che può misurare la distanza del drone da terra ad un'altezza di pochi metri, ed è perciò più utile di un varometro per l'atterraggio ed il volo di bassa quota. L'Optical Flow, invece segue traccia del movimento di oggetti dul terreno, grazie ad una videocamera, puntata verso il basso. La Fig. 18 mostra un chip integrato dell'IMU.

Sistema di controllo a distanza o Stazione di terra

Fig. 19. Un esemplare di radiocomando o stazione di terra.

Fig. 19. Un esemplare di radiocomando o stazione di terra.

Il sistema di controllo, come s'intravede in Fig. 19, è solitamente costituito da un “radiocomando” trasmettitore (controller) a 2.4 GHz e da un ricevitore apposito che si interfaccia con il Flight Controller. Questo è chiamato anche radiocomando, che agisce in quattro modi di controllo e per ognuno di essi, i comandi di base sono spesso chiamati con i termini gas (Throttle), timone (rudder), equilibratore (elevator) e alettone (aileron), che fanno riferimento alle superfici di controllo di un aeroplano e non all'effetiva direzione di movimento. Il trasmettitore deve essere dotato di un certo numero di canali, almeno quattro per le quattro manovre essenziali corrispondenti: su/giù (gas), rotazione (timone), avanti/indietro (equilibratore) e destra/sinistra (alettone). I comandi vengono impartiti di solito con due joystick, uno a sinistra e l'altro a destra. In più deve essere disponibile un canale supplementare per selezionare, mediante un commutatore la modalità di volo: Altitude Hold o Loiter, che vedremo in seguito. Si possono aggiungere anche altri canali, per esempio per il controllo dell'inclinazione di una telecamera montata sotto il drone. I modi di controllo sono contrassegnati con i numeri 1,2,3,4 e di solito all'atto dell'acquisto è impostata la modalità 2, che è consigliata per gli utenti medi, senza troppa esperienza.

Altre facilitiy per il drone.

Una volta individuato l'hardware ed il software di base (routine che girano nel Flight Controller), andiamo a vedere altre caratteristiche nel funzionamento del drone.

Sistema FPV.

L'FPV permette al pilota d'individuare mediante un monitor od occhiali adattati, il segnale di una videocamera, proveniente dal drone, trasmesso a una frequenza diversa di quella del radiocomando. Il segnale trasmesso è del tipo video-analogico (per esempio quello del sistema PAL) e non deve interferire con altri segnali simili nelle vicinanze. Inoltre il segnale trasmesso deve essere omnidirezionale e per questo vengono adottate delle antenne a quadrifoglio, preferite a quelle a stilo. La frequenza del segnale à di solito 5.8 GHz o un suo multiplo. La risoluzione della telecamera è meno importante della capacità di adattersi ai soventi cambi d'esposizione, quindi è bene allenarsi, per ottenere alla fine una buona attitudine alla ripresa, il che si traduce con il manovrare in maniera attenta il drone dalla stazione di terra. Questi dispositivi o presentano monitor per visualizzare l'evoluzione del drone, oppure hanno supporti per collegarvi smartphone, tablet e pc portatili, che funzionano con applicazioni adatte per programmare gli scatti delle foto ed i video.

Fotocamere e video camere per i droni

Quando si compra un drone, in genere sono montate video camere e fotocamere per default, che hanno prestazioni molto onorevoli (foto sino a 16 MP e video con risoluzioni Full HD). Per chi non si accontenta, sono a disposizione sul mercato fotocamere e videocamere di livello semi-professionali e professionali, ma si deve spendere alcune poche migliaio di euro. Il problema delle foto e soprattutto delle riprese deriva soprattutto dai movimenti vibratori del drone su cui gli apparecchi di ripresa sono montati. A risolvere questo problema sotto gli apparecchi di ripresa sono montati dei gimball, che sono dispositivi atti a stabilizzare le immagini.

Gimbal

Fig. 20.Esempio di gimbal.

Fig. 20.Esempio di gimbal.

Un GIMBAL è un giunto cardanico (o un sistema di giunti) che permette la stabilizzazione di un oggetto (nel nostro caso una camera agganciata ad un multirotore) su uno o più assi;- in una configurazione senza GIMBAL la camera è agganciata in maniera solidale al corpo del drone, e ne segue quindi tutti i movimenti e le oscillazioni, a discapito ovviamente della stabilità delle immagini. Questa configurazione risulta preferibile nel caso di pilotaggio in prima persona (FPV, first person view), in quanto permette di avere feedback visivo diretto ed immediato delle manovre effettuate;- un GIMBAL a 2 ASSI stabilizza la camera e annulla, entro certi limiti, il "rumore" sugli assi X e Y, compensa cioè, limitatamente a questi 2 assi, sia le oscillazioni indesiderate dovute per esempio alle turbolenze e al vento, sia le rotazioni che si generano naturalmente durante gli spostamenti destra-sinistra e avanti-dietro del drone, e cioè, rispettivamente, il roll ("rollio" -> rotazione sull'asse X) e il pitch ("beccheggio" -> rotazione sull'asse Y): per dirla in parole povere, nei nostri video l'orizzonte rimarrà sempre "in bolla" e alla stessa altezza, ma l'inquadratura sarà invece libera di "ballare" a destra e a sinistra;- un GIMBAL a 3 ASSI invece ha la capacità di stabilizzare la camera su tutti e 3 gli assi (X, Y, Z): ciò vuol dire che, oltre ad evitare (come un gimbal a 2 assi) che i movimenti di roll e pitch si trasferiscano alla camera, è capace anche di compensare le oscillazioni indesiderate sul terzo asse e di addolcire i movimenti della camera (in particolare gli "attacchi" e gli "stacchi") durante le rotazioni del drone sull'asse Z (yaw - "imbardata");- spesso in un gimbal, alla semplice funzione di stabilizzazione dell'immagine, sono affiancate funzioni di controllo remoto della rotazione della camera per mezzo di motori (in generale risulta controllabile il "tilt" della camera, cioè la rotazione su/giù attorno all'asse Y, ma su alcuni modelli è presente anche la possibilità di agire sul "pan", cioè la rotazione attorno all'asse Z). Il gimbal è dotato di un ulteriore giroscopio e di una centralina autonoma, per comandare i velocissimi motori brushless. In conclusione, questo tipo di dispositivo, sgancia i movimenti della fotocamera o video camera da quelli del drone.

Telemetria.

Oltre ad un segnale video, il drone fornisce a terra segnali d'informazione, come la carica della batteria, l'altezza e l'orientamento, che si presentano sul display di visualizzazione della stazione di terra. Per alcuni tipi di drone questi dati possono essere registrati, anche durante il volo, in modo da ottenersi la storia del volo del drone. Il collegamente telemetrico è di tipo WI-FI bidirezionale ed è distinto dal collegamento radio classici della stazione di terra, a causa delle differenti affidabilità dei due collegamenti stessi.

Organi di atterraggio.

Fig. 21.Zampe e piattaforme di atterraggio per i droni.

Fig. 21.Zampe e piattaforme di atterraggio per i droni.

Gli organi di atterraggio sono costituiti da zampe retrattili o no. Sono in dotazione aanche piattaforme piane per far atterrare docilmente gli aeromobili (vedi Fig. 21). Negli aerei vengono usati i carrelli retrattili, per ridurre la resistenza aerodinamica, ma nel drone non c'è questa necessità; però se un drone è uato per la fotografia professionale i sistemi retrattili si fanno preferire.

Come prolungare il tempo di funzionamento della Batteria

Innanzitutto, per comprendere meglio come sfruttare al 100% la batteria, è opportuno fare una veloce panoramica sugli elementi che influiscono sulla sua durata:

PESO DEL DRONE Il primo fattore da considerare è ovviamente il peso che i motori devono sollevare: più il drone è pesante, più la batteria si consumerà velocemente CAPACITÀ DELLA BATTERIA Il valore vicino alla scritta mAh (milliampere/ora) indica la sua capacità nominale, ossia quanta energia riesce a immagazzinare. Più questo valore è alto, più la batteria (se completamente carica) avrà energia da trasmettere METEO E TEMPERATURA Condizioni meteorologiche avverse, specie in presenza di forte vento, e temperature troppo alte o basse, possono limitare anche di molto la durata della batteria TIPOLOGIA DI VOLO Così come guidare accelerando in modo improvviso consuma più carburante di uno stile costante, anche la batteria risente positivamente di un pilota che dosa sapientemente l’acceleratore. Dopo questa lezione teorica, vediamo meglio nella pratica quali sono i comportamenti e i trucchi da adottare per allungare la vita alla batteria del drone.

Detto questo, come possiamo fare per ridurre od ottimizzare i consumi della batteria, magari allungando il suo tempo di funzionamento? Ci sono delle regole e dei trucchi da osservare:

1. Non lasciare che la batteria si scarichi del tutto Se il tuo controller ha una spia che indica in tempo reale la carica rimasta nella batteria del drone, allora ti conviene riportarlo a terra prima che questa si scarichi completamente. Infatti, le batterie ai polimeri di litio (Li-Po) possono essere ricaricate da zero solo per un certo numero di volte. Attaccandole alla corrente quando la carica è tra l’80 e il 40 per cento, invece, potrebbe aiutarti ad allungare un pizzico la loro vita. 2. Scegli una batteria con alto valore di mAh Se hai costruito il tuo drone da solo, o se sei pratico di elettronica, puoi pensare di acquistare una batteria più potente, in grado di assicurarti maggiore durata. Ricordati, però, che una batteria più capiente avrà anche un ingombro e un peso maggiore, che ti faranno anche consumare un po’ di più. 3. Ricarica la batteria poche ore prima di usarla Essere un tipo organizzato è senz’altro un’ottima cosa, ma caricare la batteria del drone con largo anticipo (ad esempio una settimana prima del volo) purtroppo non farà altro che ridurre la durata del volo di qualche minuto, dal momento che una volta raggiunta la massima carica e staccata dal caricatore, la batteria perderà un po’ di carica per ogni giorno che passa. 4. La videocamera è proprio necessaria? Se sei un operatore professionale e lavori nel campo della fotografia o delle riprese aeree, hai tutti i motivi per saltare questo punto. Se però sei un appassionato che vola per semplice diletto, però, ti conviene valutare volta per volta se la videocamera è davvero necessaria. Il suo peso costringerà infatti i motori a lavorare di più, consumando più velocemente la batteria. 5. Vola solo in condizioni atmosferiche ottimali Banale ma fondamentale: il drone consumerà più energia in presenza di vento forte, perché dovrà contrastare le raffiche nel tentativo di mantenere la posizione. Senza contare che gli agenti atmosferici come vento e pioggia, oppure una temperatura troppo alta o bassa, possono non solo consumare più batteria, ma addirittura danneggiare il drone. Per conoscere le condizioni meteo attese nella zona dove desideri volare, ti suggeriamo di utilizzare il servizio UAVFORECAST, che ti permetterà di conoscere le previsioni meteo nello specifico.

Quasi pronti a volare.

I comandi della stazione di terra.

Come accennato sono due joystick, uno situato a sinistra e l'altro a destra. Nella modalità 2, la piu' comune, nella parte destra del radiocomando, se si muove il joystick in alto e in basso avremo il movimento di pitch o beccheggio del drone, che rispettivamente s'inclina verso l'alto o verso il basso, determinando il movumento in avanti o indietro, mentre se si muove il joystick a destra o a sinistra, avremo il roll o rollìo e rispettivamente il velivolo svolta a destra o a sinistra; nella parte sinistra, se il joystick si muove in verticale, verso l'alto o verso il basso, si dà più o meno gas e il drone aumenterà di quota o si abbasserà, se si muove verso destra o verso sinistra otteniamo lo yaw o l'imbardata del velivolo, ovvero ruoterà in piano o verso destra o verso sinistra.

Modalità di volo.

La modalità di volo comunica da terra alla centralina, come deve usare i suoi sensori. Per esemipo si può scegliere l'Altitude Hold, che mantiene costante l'altezza del drone quando si rilascia la leva del gas, che fa variare l'altezza, oppure si può optare per la modalità Loiter, che non mantiene costante solo l'altezza, ma anche le coordinate del velivolo, grazie al posizionamento satellitare. Riassumiamo le modalità di volo più comuni.

Stabilize.

Riposta ai comandi. Rollio: inclinazione. Beccheggio: inclinazione. Imbardata: rotazione. Gas: salita o discesa.

Il pilota controlla roll, pitch e yaw, ma il SW mantiene il drone stabile.

Altitude Hold.

Riposta ai comandi. Rollio: inclinazione. Beccheggio: inclinazione. Imbardata: rotazione. Gas: sotto il 50% discesa, sopra salita,al 50% quota costante.

Il drone mantiene un'altezza costante, quando si lascia la leva del gas in posizione centrale. Se non si agisce sul rollìo o sul beccheggio, il drone si lascia trasportare dal vento.

Loiter.

Uso del GPS. Riposta ai comandi. Rollio: inclinazione. Beccheggio: inclinazione. Imbardata: rotazione. Gas: sotto il 50% discesa, sopra salita,al 50% quota costante.

Se non si toccano i comandi e la leva del gas è lasciata circa al 50%, il drone mantiene la sua esatta posizione, grazie al GPS innescato.

OF Loiter.

Riposta ai comandi. Rollio: inclinazione. Beccheggio: inclinazione. Imbardata: rotazione. Gas: hovering se la leva è al 50% (volo su punto fisso e quota costante).

Come il precedente, ma il drone usa l'Optical Flow al posto del GPS.

RTL.

Uso del GPS.

Ritorno al punto di lancio o Return to launch. Il drone raggiunge un'altezza prefissata, ritorna al punto di decollo ed atterra. Spesso RTL è usata come modalità di sicurezza (se s'interrompe il collegamento col radiocomando o si scarica la batteria).

Auto.

Uso del GPS.

Il drone segue un percorso prestabilito, programmato via SW.

Acrobatic.

Riposta ai comandi. Rollio: inclinazione. Beccheggio: inclinazione. Imbardata: rotazione. Gas: spinta se il drone è inclinato, ovvero il comando influisce sull'accelerazione, oltre che sull'altezza.

E' simile a Stabilize, ma il pilota ha il pieno controllo del gas per fare acrobazie e magari pure per fare schiantare il velivolo...

Sport.

Riposta ai comandi. Rollio: inclinazione. Beccheggio: inclinazione. Imbardata: rotazione.

Il drone non si stabilizza automaticamente e si lascia trasportare come in Altitude Hold, senza mantenere però un'altezza costante.

Drift (su APM).

Usa il GPS?

Riposta ai comandi. Rollio: stick destro Beccheggio: stick destro Imbardata: auto Gas: cambio velocità.

Guided.

Usa il GPS.

Il drone raggiunge punti specifici, man mano che il pilota li seleziona su una mappa nel monitor della stazione di terra e poi rimane in hovering.

Circle.

Usa il GPS.

Il drone vola secondo una circonferenza, rimanendo rivolto verso il suo centro.

Land.

Il drone atterra automaticamente, spegne i motori e li disarma.

Follow me.

Usa il GPS.

Il drone segue un'unità GPS "indossata" dal piolta, come quella di uno smartphone.

Modalità manuale e automatica

Modalità manuale

Pilotare in manuale non significa maneggiare il comando del gas, solo per mantenere il drone ad altezza costante, ma tentare di anche di opporsi ai movimenti di beccheggio e rollio, spingendo le rispettive leve in direzione opposta.

Ci sono manovre speciali da provare.

Il flip

La maodalità manuale consiste nel prendere i comandi sul joystick della stazione di terra: insomma dobbiamo guidare noi il drone. La modalità automatica, se esiste, consente di fare acrobazie durante la rotazione completa intorno agli assi di rollìo e beccheggio, allo scopo di ottenere foto e filmati spettacolari. Il flip manuale , invece, consiste nel dare un colpo deciso sulla leva del gas, prima di fare la manovra acrobatica: ma attenzione, per evitare di schiantarsi a terra, se non si è troppo sicuri, quindi meglio lasciar perdere!

Inclinarsi in virata

Si puo' provare a portare su la leva di beccheggio per acquisire velocità ed eseguire una imbardata a sinistra per ruotare il muso del velivolo.

In manuale è utile esercitarsi col volo circolare ad otto. Attenzione, perché, quanto il drone più si inclina i motori gnerano moviment laterali, piuttosto che portanza e quindi sarebbe necessario dare più gas, per compensare la perdita di quota.

Modalità automatica

Fig. 22.Tipico ricevitore GPS per drone quadricottero.

Fig. 22.Tipico ricevitore GPS per drone quadricottero.

Madalità automatica significa lavorare col ricevitore GPS, che riceve da una una rete di satelliti che girano intorno alla terra. Il ricevitore GPS, a volte si trova nella centralina di volo e altre ne è esterno. Sapendo il tempo che intercorre per il segnale per arrivare dal trasmettitore ed il ricevitore ( dove ci troviamo), conosciamo le distanze che intercorrono da noi ai satelliti che il ricevitore rileva. Questo consente consente di calcolare le coordinate del punto in cui ci troviamo, che è individuato almeno dall'intersezione di quattro circonferenze i cui raggi sono le distanze del ricevitore dal satellite, che conosciamo. Ma con i drono abbiamo una vasta rodondanza di ricezione: si riescono a ricevere fino a 16-18 satelliti e questo no fa che aumentare la precisione delle misure. Detto questo, se noi combiniamo le informazioni GPS con quelle del magnetometro e degli altri sensori, la centralina è in grado di guidare automaticamente il drone in un percorso programmato agendo in input di un determinato software della stazione di terra (percorso a tappe o waypoint"). In pratica se su uno schermo touchscreen si impostano su una mappa visualizzata i punti di passaggio del droni e affiancandoli alle relative altezze, abbiamo che il drone esegue la traiettoria da noi impostata. Un esemplare di ricevitore GPS è in Fig. 22.

Simulatori

Esistono molti software che girando sul computer addestrano a far volare il drone, alla stessa guisa dei giochi che vediamo al bar o eseguiamo in casa con adatti joystick ed occhiali. L'unica difficoltà d'uso è quella di adattare i movimenti di due leve ai movimenti dello spazio tridimensionale.

Ora si parte per volare!

Modalità per volare

La modalità di volo comunica aòla centralina come usare i sensori di bordo. Si puo' scegliere la modalità 'altitude hold', che manntiene il quadricottero ad un'altezza costante, quando si rilascia la leva del gas, che è l'unica a non tornare in posizione normale centrale o al 50%. In alternativa si può optare per la modalitaà Loiter, che non mantiene costnte solo l'altezza, ma anche le coordinate del drone nello spazio tridimensionale, grazie al GPS.

Return to Launch

In molti modelli di drono c'è la possibilità di riportare il velivolo al punto di decollo, in caso in cui il collegamento col radiocomado s'interrompa. Per cui in questo caso, bisogna accertarsi che il drone abbia registrato il punto di partenza prima del decollo, altrimenti esso si dirigerà verso l'ultima località impostata, che addirittura potrebbe riferirsi ad un volo precedente e a parecchi chilometri di distanza.

Armamento dei motori

Onde prevenire decolli inappropriati, i drono non accettano comandi, se non attivati o 'armati'. Questa operazione si esegue portando una o entrambe le leve del radiocomando in basso e verso l'esterno; così come si devono disarmare i motori appena dopo l'atterraggio.

Decollo

Molte volte il decollo viene faclitato, sollevandolo automaticamente da terra e tenendolo fermo in aria. Poi, basta alzare con decisione la leva del gas e portarsi ad eseguire le fasi impegnative.

In volo

In questo caso, la funzione Loiter può essere utile, per far prendere confidenza con i comandi: dopo aver portato il drone ad una certa altezza con la leva del gas, potete farlo avanzar e fare pratica con virate e rotazioni.

Atterraggio

Se il radiocomando non disponga di un pulsante apposito , per atterrare la cosa più opportuna è essere decisi: occore individuare un punto e restarci sopra in hovering, controbilanciano il vento con delicati spostamenti della leva di beccheggio e rollìo; quindi si abbassa con risolutezza la leva del gas per vincere la turbolenza rispetto al suolo.

Controlli preliminari

La cosa principale è quella di programmare il drone per evitare schianti. Oltre all'errore del pilota e qualcos'altro dovesse andare storto, molte volte non ci sarebbe il tempo per intervenire. Un esacottero, per esempio, potrebbe sopportare la perdita di un'elica, ma un quadricottero, potrebbe precipitare molto più probabilmente. Si potrebbe rimpere anche il telaio, a forza di urti, ma la cosa più fastidiosa e frustrante c'è il fatto che le riparazioni potrebbero costare abbastanza. Poi per non parlare del ferimento delle persone che si trovano a distanze raggiungibili e delle conseguenze scandalistiche e addirittura politiche. I controlli si fanno a casa o sul campo.

A casa

-Verificare le condizioni atmosferiche, che devono essere stabili. -Controllare tutti i tipi di batterie. -Le schede di memoria devono avere spazio sufficientemente libero. -Nel montare l'attrezzatura sul drone, verificare la posizione del centro di gravità. -Controllare le mappe, che rivekìlano zone permesso e non, per il volo del drone. -Tenuta strutturale, ossia, che tutti gli assemblaggi sono ben avvitati e che le parte recentemente aggiustate abbiano una tenuta affidabile.

Sul campo

-Disfare la borsa contenente le attrezzature ed il drone lentamente. -Controllare il serragio delle eliche. -Telecamere e fotocamere debbono avere tutti gli obbiettivi puliti. -Si avvia il Ground Control System o software di controllo del drone. -Si accenda il radiocomando. -Si controllo che il canale video sia libero. -Si accenda il drone collegando la batteria.

-Non ci devono essere persone, bambini ed animali, nelle vicinenze.

Il volo inaugurale

Prima del decollo è mandatorio leggere le istruzioni allegate al drone ed alla centralina di volo, per la procedura iniziale di calibrazione. E' d'uopo prendere in mano il drone e ruotarlo attorno ai tre assi in un senso e nell'altro, in modo da sincronizzare la centralina (vedi riferimenti, parte web). Se ciò non è non eseguito, il volo assumerà un andamento irregolare al di fuori delle aspettative. Anche il magnetometro deve essere calibrato, o via software o manualmente, in quanto il nord magnetico non corrisponde a quello geografico. L'ultima cosa da calibrare è il radiocomando, ovvero occore ruotare le leve dei due joystick e rilasciarle in modo che il sw rilevi l'estensione del movimeto e la posizione centarle. Vi sono vari metodi di calibrazione di radiocomando: o collegando il drone a un PC e muovere le leve del joystick oppure il radiocomando deve essere collegato via USB a un computer con un software soecifico. In mancanza di GPS, la modalità migliore à è l'altitude hold, che usa il barometro per mettere il velivolo a quota costante; dopo agire delicatamente con le leve rollìo e beccheggio per mantenere la posizione. Se non si dispone delle modalità Loiter ed Altitude Hold, sceglieta Stabilize. Per il decollo è salutare stare almeno a 10 metri dal drone. Per avere un impatto visivo su come cominciare a pilotare un drone di vedano nella parte riferimenti i filmati che iniziano per titolo 'come vola un drone'.


Beccheggio (pitch)

Fig. 23. Mode 2, movimento verticale joystick di destra per l

Fig. 23. Mode 2, movimento verticale joystick di destra per l'avanzamento o l'arretramento di un drone

Usando la configurazione Mode 2, il beccheggio è comandato dal joystick verticale che si trova, a destra della sezione di terra,in modo da muoversi avanti ed indietro. Consigliabile il decollo del drone, col muso dalla parte opposta di dove e' il manovrante, in modo che abbassi il muso e si allontani dalla posizione di chi controlla, quando si porta su la leva (vedi Fig. 23).

Rollìo

Fig. 24. Mode 2, movimento orizzontale joystick di destra per fare voltare a destra o a sinstra un drone.

Fig. 24. Mode 2, movimento orizzontale joystick di destra per fare voltare a destra o a sinstra un drone.

E' comandato dal joystick orizzontale silla destra della stazione di controllo e si permette al drone di andare a destra o a sinistra, col muso tenuto in avanti. Se si usa il drone per la videoripresa, le manovre di rollìo danno la possibiltà di fare manovre laterali rispetto al soggetto in movimento, sfruttando l'effetto 'carellata aerea' (vedi Fig. 24).

Gas

La leva del gas, quella verticale a sinistra nel radiocomando, determina l'effetto portanza: se si sposta in basso, il drone scende, altrimenti sale. Se rilasciata la leva torna al centro garantendo una modalità di volo in hovering (Fig. 25).

Fig. 25. Mode 2, movimento verticale joystick di sinistra per l

Fig. 25. Mode 2, movimento verticale joystick di sinistra per l'aumento e la diminuizione quota di un drone

Imbardata o yaw

Si usa il joystick di sinistra, con movimento orizzontale: il drone ruota attorno al suo asse nei due sensi.

Fig. 26. Mode 2, movimento orizzontale joystick di sinistra per la rotazione del drone nei due sensi

Fig. 26. Mode 2, movimento orizzontale joystick di sinistra per la rotazione del drone nei due sensi

Brccheggio e Rollio.

Agendo contemporaneamente su questi comandi, il drone si muove secondo due assi, rimanendo nella stessa direzione (Fig. 26).

Beccheggio ed Imbardata

E' un modo per fare virare il drone. Con l'imbardata il drone ruota attorno al suo asse verticale (joystick verticale, alla sinistra deel radiocomando.

Come esercitarsi

La prima regola è subito imparare a volare a quota costante, senza l'aiuto della centralina, con meno interventi sul joystick di destra. Poi si può provare a fare anche un volo circolare: si spinge in alto la leva di beccheggio e poi si usa quella dell'imbardata. Altro buon esercizio è andare avanti e indietro, con virate strette alle estremità del percorso. Ultimo a prova è cercare di comandare il volo ad otto.

Normative e regolamenti per utilizzare in sicurezza e legalità i droni o SAPR

Gli aeromodelli volanti, senza pilota, tra cui i droni, sono contraddistinti anche con la sigla SAPR, che significa Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto. Esistono regole e normative, che disciplinano le attività e le modalità di uso di questi oggetti. Nella sezione "Riferimenti bibliografici, del web ed articoli", si trova un collegamento con il sito dell'ENAC, che è l'ente che regola tutte queste attività.

Riferimenti bibliografici, del web ed articoli

  • Adam Juniper - Droni - Logos - Ed. Modena, 2016.
  • Ivo Marloh foreword by Keith Partridge, The Drone Camera Handbook, Ed. Aurum Press (GB), 2015
  • Giancarlo Stretti - Il pilota di Droni - Guida al SAPR, Ed. IBN, 2015
  • Alex Elliot - Il Manuale dei Droni, Ed. LSWR, 2016.


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Commenti e note

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di ,

la inseriro', dopo aver controllato. anzi, cio' mi da lo spunto per aggiornare l'articolo sotto il profilo legislativo.

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di ,

Grazie, la inseriro'.

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di ,

Visto che non ne fai cenno, volevo sapere, la normativa di riferimento per i mezzi aerei a pilotaggio remoto è questa: https://www.enac.gov.it/repository/ContentManagement/information/N122671512/Regolamento%20APR%20con%20art.%2010%20corretto.pdf o c'è dell'altro? Saluti, Max

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di ,

Bellissimo e interessantissimo articolo, oltretutto scorrevole come pochi. Chapeau! Scaricato e tenuto in serbo per future letture offline.

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di ,

pl. -i
1. aereo privo di pilota, telecomandato a distanza, impiegato in azioni di guerra, ricognizione o sorveglianza
2. modellino militare di aereo o nave usato come bersaglio nelle esercitazioni
Etimologia: ← dall’ingl. ant. drone, che è dal ted. drohne ‘fuco, maschio dell’ape’.

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di ,

Questo articolo mi ricorda i tempi lontani dei miei aeromodelli, in particolare l'elicottero fracassato mille volte perchè privo di giroscopio. Lo leggero meglio ma una domanda la faccio subito: cosa li distingue da un semplice aeromodello? La definizione di drone è legata ad una certa capacità computazionale a bordo e quindi la possibilità di eseguire operazioni in autonomia, come figure acrobatiche, recarsi iin un luogo o seguire un bersaglio?

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