Costruire Droni

Costruire Droni

By Prof Daniele Pauletto

Apple Park sarà pronto ad ospitare i lavoratori di Cupertino. Oltre 700mila metri quadrati con lo Steve Jobs Theater. Il complesso, progettato in collaborazione con Foster ... L'edificio principale del campus, con la sua forma circolare e un'area complessiva di 260mila metri quadri, è interamente rivestito con le più grandi vetrate curve al mondo. http://www.repubblica.it/tecnologia/2017/02/22/news/apple_park_aprira_ad_aprile-158929497/ VIDEO https://www.youtube.com/watch?v=zIN7Yq5T6yw

DroniLab

Esacottero ad uso professionale maggiormente impiegato per riprese video aeree. Può essere dotato di supporto per videocamera compensato (gimbal) a 2 o 3 assi;  in quest'ultimo  caso, oltre al radiocomando del pilota, serve un'ulteriore radiocomando dedicato alla gestione del  supporto videocamera che viene completamente gestita da un operatore dedicato alla riprese video anche FPV

Convertiplano

monoala

Professional

Batterie e Motori vedi dispense relative e https://ecalc.ch/calcinclude/help/xcoptercalchelp.htm#flat_vs_coax

Il frame è la struttura principale di un multirotore dove vengono fissati i motori e l'elettronica necessaria per farlo funzionare. Per essere ottimizzato il multirotore ha bisogno di un frame che dia la possibilità di montare tutti i motori equidistanti e che il CG (centro di gravità) sia esattamente al centro della struttura. Il frame deve essere una struttura sufficientemente rigida da non flettere in caso di grosse sollecitazioni Per esempio: per un Tricottero distanzieremo i 3 motori di 120° (120x3=360°) Per un Quadricottero, li distanzieremo di 90° (90x4=360°) Per un Esacottero (radiale), li distanzieremo di 60° (60x6=360°)

IL REGOLATORE o ESC (Electronic speed control) PANORAMICA I regolatori sono dei dispositivi elettronici che ci permettono di far funzionare un motore brushless in base alla quantità di potenza che impostiamo attraverso il radiocomando o il dispositivo di controllo. I parametri che ci permettono di scegliere quale regolatore usare sono gli Ampere massimi e il numero di celle lipo supportate. Esistono regolatori che hanno anche un'uscita di tensione ausiliaria chiamata BEC (battery eliminator circuit) la quale generalmente ha una tensione di 5V e una corrente di 2-5A per alimentare l'elettronica di bordo; i regolatori senza BEC vengono chiamati OPTO. Il BEC può essere lineare (LBEC) o switching (SBEC)

Il regolatore ha: - 2 cavi (negativo/positivo) che lo alimentano e sono generalmente collegati direttamente alla batteria - 1 cavo a 3 poli composto dalla massa (nero), da un'alimentazione a 5V che arriva dal BEC (rosso) e da un cavo segnale che riceve gli impulsi dal radiocomando o dalla controller e quindi fa reagire il motore di conseguenza (bianco o giallo) - 3 cavi che vanno al motore e portano a rotazione l'impulso che serve a farlo girare

I regolatori vanno programmati in base all'uso che se ne deve fare. BRAKE=Permette di settare un freno sul motore in modo che, quando si toglie gas, il motore tenda a fermarsi piuttosto che girare liberamente. BATTERY=Permette di selezionare il tipo di batteria (LiPo/NiMH) CUT OFF VOLTAGE=Permette di regolare a quale percentuale di scarica della batteria vogliamo che intervenga la protezione per non mandala sotto la tensione minima TIMING=Permette di settare con quanto anticipo il regolatore deve dare l'impulso per far girare il motore. Di solito il valore è “AUTO” e in rarissimi casi serve cambiarlo. GOVERNOR=Permette di attivare un controllo che tenda a far mantenere costante il numero di giri anche quando il motore va sotto sforzo. Generalmente si attiva solo per gli elicotteri e non per i multirotori. STARTUP=Permette di regolare la modalità di avvio del motore. Generalmente per i multirotori e gli aerei si lascia in “NORMAL” e si mette in “SOFT” per gli elicotteri. Questo serve per evitare che il rotore dell'elicottero parta troppo aggressivamente, creando un potenziale pericolo per chi gli è vicino e per non far ribaltare l'elicottero a causa del repentino movimento delle pale.

In alcuni regolatori è possibile settare anche: - Il voltaggio in uscita dal BEC (4.5/5/5.5V) - Il senso di rotazione del motore La programmazione di un regolatore si può fare in due modi: - TRAMITE SCHEDINA DI PROGRAMMAZIONE - TRAMITE UNA SEQUENZA DI MOVIMENTI DEGLI STICK DEL RADIOCOMANDO

La 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 funzionalita’ 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).

ARM Cortex-M7

Software di controllo

Il software di controllo 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 In commercio esistono 2 tipologie di SW: ● open source (software aperto) ● closed source (software chiuso)

Le piattaforme closed più famose sono: ● Mikrokopter (parzialmente closed) ● DJI ● ASCTEC Le piattaforme Open più diffuse sono: ● Ardupilot ● Multiwii ● Autoquad ● Aeroquad ● ACopter32

I sensori di bordo Esistono 5 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.

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

Gli Accelerometri consentono ai multirotori di sapere sempre qual è l'orizzonte rispetto al suolo ed è quindi sono in grado di riposizionarsi in automatico parallelamente al suolo, sono rumorosi, ma tendenzialmente resistenti agli sbalzi di calore I Giroscopi sono sensori che permettono al multirotore di mantenere l'assetto nei 3 assi nonostante eventi esterni tendano a modificarlo.sono molto precisi, ma sensibili alle vibrazioni e ai cambi repentini di temperatura I Magnetometri sono la bussola elettronica, sono molto sensibili ai campi magnetici e oggetti metallici in genere. I Barometri riescono a rilevare le variazioni di pressione dovute al cambio di quota e, grazie a questo, sono in grado di far mantenere al multirotore sempre la stessa altitudine, sono sensibili ai movimenti di aria e alla luce

Come funziona il GPS Misurando la distanza da almeno 3 satelliti (con posizione nota) e’ possibile ottenere un posizionamento 2D (delle due possibili soluzioni una viene scartata perche’ non compatibile con la superficie terrestre). Con quattro satelliti si ottiene un posizionamento 3D, ogni satellite addizionale contribuisce a migliorare la precisione.

Radiocomando e ricevente

Per controllare un multirotore serve una radio di tipo RC preferibilmente digitale su frequenza 2.4GHz. con una potenza massima consentita di 100mW Le più comuni radio RC generano segnali PWM (un cavo per canale) mentre quelle di fascia medio alta solitamente generano segnali PPMSUM (un cavo per n-canali). Sono necessari almeno 4 canali per controllare il volo:

1. Pitch

2. Roll 3. Throttle 4. Yaw Il quinto canale e’ solitamente utilizzato per la selezione delle modalita’ di volo. I canali 6,7,8 sono utilizzati, se presenti, per funzionalita’ opzionali

Segnali PWM e PPM

I radiocomandi odierni sono dotati di varie funzioni gestite da un microcontrollore tra cui la possibilità di inserire:

• degli esponenziali per poter addolcire o meno i comandi di un modello
• - dei timer che ci avvisano allo scadere del tempo impostato
• - mixer dei canali
• - memorie per poter gestire più modelli con un solo radiocomando

e molto altro ancora. Le radio più avanzate implementano anche la telemetria.

Telemetria Si tratta di un secondo canale di comunicazione, oltre alla radio R/C, con ‘la base’. Il canale di comunicazione si realizza tramite due moduti RTX collegati con una porta seriale della centrale di controllo e ad un PC, Tablet o smartphone a terra. La portata della telemetria dipende dalla tecnologia utilizzata e puo’ anche arrivare a centinaia di Km se basata sulla rete cellulare.

Telemetria Tramite la telemetria e’ possibile monitorare da terra i tutti parametri di volo, frai quali: - posizione - orientamento, rotta, velocita’ - tensione/corrente erogata dalla batteria, etc. E’ inoltre possibile impartire, tramite la stazione base, comandi quali: - modifica parametri di volo - inserimento/modifica waypoint per volo autonomo

• land/RTL (Return To Launch)
• - navigazione tramite joystick / game-pad

Ground Control Station Tramite la stazione base di terra e’ solitamente possibile:

• installare/aggiornare il SW di controllo
• configurare i parametri di volo
• pianificare le missioni autonome
• monitorare in tempo reale i parametri di volo se disponibile la telemetria

Visualizzazione in tempo reale dei parametri di volo.

Creazione e gestione di missioni con waypoint

Modalità volo Il multirotore invece, per mantenere la direzione dell'asse Z, usa in modo alternato eliche che girano in senso orario e in senso antiorario in modo che una azzeri l'effetto di spinta rotatoria dell'altra. Nel multirotore il cambiamento di direzione dell'asse Z viene effettuato variando il regime di rotazione di alcuni dei motori (per esempio: se devo orientare la prua del multirotore verso sinistra, il microcontrollore una volta recepito il comando dalla radio, procederà ad alzare i giri dei motori che girano in senso orario ed abbassare leggermente i giri dei motori che girano nel senso antiorario).

Il multirotore può: - Restare fermo in un punto

• Spostarsi a destra e sinistra
• Andare avanti e indietro
• Ruotare sul suo asse rimanendo fermo in posizione

Per i piloti meno esperti vengono in aiuto l'accelerometro (modalità stabile) e il GPS (Hold position) nonché il magnetometro (IOC).

IL PID Il settaggio della risposta dei sensori in un multirotore viene effettuato tramite il PID . Per ogni asse ci sono 3 valori da settare: Il parametro P (Proporzionale) è il GAIN, ovvero la potenza con cui i giroscopi interverranno. Più è alto e più i giroscopi influiranno sui motori cercando di correggere l'assetto del multirotore. Il parametro I (Integrale) ha influenza sulla durata e sulla persistenza con cui il multirotore compensa le variazioni di assetto, cercando di mantenere l'angolo impostato dagli stick. Il parametro D (Derivativo) ha influenza sulla velocità con il quale i giroscopi interverranno e quindi nei transitori, sui passaggi dal volato all'hovering, sui cambiamenti di assetto veloci e continuativi.

10 comandamenti per volare sicuro con il tuo drone ​secondo l'EASA

POSSIBILITA’ DI SORVOLARE LE ZONE URBANE E’ la vera novità del regolamento. Finalmente sarà possibile svolgere lavori aerei sorvolando zone cittadine a patto di non sorvolare assembramenti di persone. La cosa è possibile con:  ( vanno rispettate anche norme come legge privacy, disposizioni locali del Sindaco, disposizioni di pubblica sicurezza etc. ) Droni di peso non superiore a 300g e velocità massima non superiore ai 40Km/h, la procedura è semplificata in quanto non è previsto l’ottenimento dell’attestato per il pilota, non deve superare la visita medica, Inoltre tutte le operazioni vengono considerate NON CRITICHE. Droni di peso inferiore ai 2kg che però devono avere caratteristiche di inoffensività certificate dalla stessa ENAC o da organizzazione ufficialmente riconosciuta dall’ Ente. Anche in questo caso le operazioni sono considerate NON CRITICHE in tutti gli scenari operativi, rimane vietato il sorvolo di assembramenti di persone. Il Pilota deve seguire il normale iter ( visita medica, ottenimento dell’attestato etc.) ma può operare con una struttura organizzativa ridotta.

nuove disposizioni in bozza riguardanti la Open Category, ovvero la sottocategoria di droni (A0), giudicati inoffensivi che potranno essere utilizzati da chiunque senza bisogno di ottenere attestati e/o patentini, e quelle con un certo grado di rischio di provocare lesioni di varia entità in caso di impatto contro una persona. ( A1, A2, A3 ).La nuova Open Category EASA, che entrerà in vigore nel 2018 è composta da 4 sottocategorie:

A0 I droni rientranti in questa categoria sono giudicati inoffensivi e potranno essere utilizzati da chiunque senza bisogno di patentino e neppure di registrazione. Sono droni venduti sul mercato che non superano i 250g di peso, che rispettano la direttiva sulla sicurezza dei giocattoli 2009/48/EC e che hanno limitazioni costruttive o sistemi attivi che ne limitano l'altezza massima raggiungibile a 50m, la distanza massima di 100m dal pilota e una velocità massima di 54 km/h ( 15 m/s ) rispetto al suolo.  Questi mini droni A0 possono anche essere autocostruiti in forma privata senza dover rispettare la normativa sui giocattoli e la marchiatura CE a patto che rispettino i limiti su peso e prestazioni già indicati sopra. Inoltre, nella A0 è anche possibile autocostruire un mezzo vincolato da un cavo max 50m a patto che non abbia sistema di propulsione, non pesi più di 25 kg o che non abbia un volume superiore a 40m cubi http://www.sapritalia.com/blog/droni-europei-ci-siamo

A1 L' A1 ha le stesse agevolazioni operative della A0 compresa la possibilità del pilotaggio FPV  con in più il grande vantaggio di poter arrivare teoricamente fino a 25kg di peso. La contropartita risiede nel fatto che il drone A1 dovrà essere registrato ( però il pilota non avrà bisogno del patentino ) ma soprattutto dovrà essere costruito in modo che in caso di impatto su persona non provochi una lesione di grado superiore a 2 della scala AIS.  Come per i droni A0, l'altezza massima dovrà essere limitata a 50 metri mentre la distanza dal pilota sarà relativa al range del VLOS, il volo a vista. Secondo le note esplicative EASA un tipico drone da 500g in caso di impatto su persona probabilmente raggiunge un livello AIS 3/4, pertanto viene naturale pensare che con lievi accorgimenti costruttivi un quadricottero da 500-600 grammi di peso potrà essere classificato A1, mentre per l'ala fissa il peso probabilmente potrà essere più alto. Per questi motivi gli attuali droni italiani da 300g potrebbero rientrare in questa categoria senza ulteriori accorgimenti a parte l'adeguamento software per limitare l'altezza massima raggiungibile, dagli attuali 150 metri ai futuri 50 metri confermando così ciò che aveva dichiarato ENAC in occasione dei concept of operation

A2 I droni di questa sottocategoria appartengono alla fascia < 25kg hanno un livello di pericolosità AIS 4. Anche per loro vale altezza massima 50 metri, distanza massima dal pilota quella del VLOS con in più la limitazione di dover volare ad almeno 50 metri di distanza dalle persone estranee alle operazioni. Inoltre, non potranno essere condotti in FPV. Tuttavia, permane l'assenza dell'obbligo da parte del pilota di ottenere il patentino ma c'è l'obbligo della registrazione operatore più l'identificazione elettronica. A3 I droni A3 sono quelli che più si avvicinano ai nostri droni per le operazioni non critiche. Peso massimo fino a 25kg, livello di pericolosità AIS > 4, il pilota deve ottenere il patentino superando esami di competenza teorica e pratica ma è l'unica sub-categoria delle Open Category che permette di raggiungere i 150 metri di altezza con distanza massima orizzontale VLOS consentendo anche operazioni EVLOS con osservatore. La distanza minima dalle persone è di 20 metri, obbligo di identificazione elettronica con trasmissione dati in realtime

PATENTINO DRONI I nuovi corsi prevedono 4 nuove classi e categorie di APR su cui si può scegliere di diventare pilota: “L/Ap”- APR ala fissa di peso massimo operativo inferiore ai 25Kg “L/Hc”- APR elicottero di peso massimo operativo inferiore ai 25Kg “L/Mc”- APR multicottero di peso massimo operativo inferiore ai 25Kg “L/As”- APR dirigibile di peso massimo operativo inferiore ai 25Kg Per diventare pilota, il candidato dovrà anche superare la visita medica aeronautica prevista per la licenza LAPL https://www.dronezine.it/17571/piloti-professionisti-di-droni-cosa-cambia-con-la-visita-medica-lapl/

PATENTINO DRONI Il corso per l’ottenimento di un Attestato di pilota APR si suddivide in una parte teorica ed una parte pratica di volo L’ESAME DI TEORIA Al termine del corso teorico il Pilota deve sostenere un esame, comprendente un test a risposta multipla (almeno 4 possibili risposte per domanda) di almeno 24 domande che coprono in maniera equa tutte le materie del corso teorico. L’esame teorico si ritiene superato se il candidato risponde positivamente ad almeno il 75% delle domande. IL CORSO DI VOLO E L’ESAME DI PRATICA Il corso di volo sull’APR consiste in un minimo di 18 missioni per un totale di almeno di 3 ore di volo; le manovre di coordinazione del corso pratico sono stabilite in funzione delle classi di APR. Al termine del corso pratico il candidato deve superare un esame (“Skill Test”) ( minimo 10 minuti ) con un Esaminatore APR. Lo Skill Test dovrà prevedere delle manovre di volo svolte senza l’ausilio del GPS.

PATENTINO DRONI IL LOG BOOK L’ attestato di Pilota sarà valido per 5 anni e si dovrà redigere un apposito Log Book registrando a penna i tempi di volo con l’ APR ( data, luogo, scopo del volo, ora inizio missione, ora fine missione, tempo di volo in minuti ) con anche la firma del Pilota. Il Log Book deve essere composto di pagine rilegate numerate e non asportabili   ABILITAZIONE PER LE OPERAZIONI CRITICHE Il Pilota APR che intende ottenere la qualifica per effettuare operazioni critiche dovrà effettuare uno specifico corso teorico di abilitazione di minimo 12 ore con moduli relativi alle prestazioni di volo e alla pianificazione, alla safety e alla gestione del rischio. Il corso pratico  prevede almeno di 18 missioni (di 10 minuti ciascuna) pari ad almeno 3 ore minime, articolate in funzione di specifici scenari (es: volo in ambiente urbano, volo di precisione in ambienti ostili). Possono essere ammessi a tale corso i piloti APR con almeno 50 ore di volo APR in possesso di abilitazione valida. Al termine del corso teorico il Pilota è sottoposto ad un accertamento tramite esame di almeno 20 domande a risposta multipla. Al termine di questo percorso formativo il pilota deve sostenere uno skill test con un Esaminatore APR. La check list dell’esame in volo deve essere rappresentativa del volo negli specifici scenari.

http://dronilab.blogspot.it/2014/01/applicazioni-droni.html

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QUALI POTREBBERO ESSERE LE APPLICAZIONI DEI MINIDRONI IN AMBITO INDUSTRIALE ?

• In campo industriale tra le applicazioni possibili alcune test si stanno facendo
• all'Ipsia abbinando i sensori degli smartphone ( es. Samsung ,IPhone) alcune app ( applicazioni per cellulari) e i minidroni.
• Tra queste uso di App che consentono di inviare le le misurazioni dal telefono di sensori inerziali via UDP in formato CSV (Comma-Separated Values) a un computer in rete.Questo trasforma il tuo telefono in una unità di misura inerziale wireless (IMU)
• .I seguenti sensori sono supportati:- Accelerometro - Giroscopio – Magnetometro con diverse applicazioni industriali.
• Altri usi dei minidroni potrebbero essere quelle legate a microstraporto di minuterie e documenti tra i vari reparti con maggior velocità,
• misurazioni termiche, termografiche valutare la dispersione termica di una macchina o di un impianto di macchine che sono nello stadio di collaudo per ottimizzare la resa.