APR Inside Drone's World

Inside drone's worldUn tuffo nel mondo degli APR

Che cos’è un Drone ?

UAV : Unmanned Aerial Vehicle APR : Aeromobile a Pilotaggio Remoto

L’origine è militare: negli anni ‘30 del secolo scorso la marina britannica aveva sviluppato un bersaglio telecomandato per esercitazioni di tiro derivato dal biplano DH 82 Tiger Moth(“falena tigrata”) e denominato DH 82B Queen Bee (“ape regina”). La marina americana si era basata sul Queen Bee per costruire un proprio modello che in omaggio all’originale aveva chiamato Drone (“fuco”), continuando così il tema entomologico.

Come funzionano?Il multirotore vola agendo esclusivamente sulla velocità di rotazione dei gruppi elica/motore, nessun’altra parte meccanica e’ in movimento. Eccezione: il ‘tricottero’ richiede un servo per il movimento del motore di coda.Nel multirotore esistono due tipi di eliche:

Destrorse (pusher o CW Clock Wise)

Sinistrorse (standard o CCW Counter Clock Wise)

Le forze in giocoOgni 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 multi 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.

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 quad sull’asse x.

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 quad.

La somma delle forze però deve rimanere costante quindi si agisce aumentando la velocità di una coppia e diminuendo l'altra

X

Y

Z

L’orientamento nello spazioLa DCM (Direction Cosine Matrix) usa le rotazioni di matrice per calcolare la posizione dell'oggetto relativa ad un sistema di riferimento fisso (es. il multirotore in riferimento alla terra).

I multirotori usano, a seconda della modalita’ di volo configurata, due sistemi di riferimento fissi:

Il corpo stesso e la terra.

L’ attitude per l’orientamento

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.

ConfigurazioniDi norma le configurazioni degli APR a multirotori vanno da 3 a 8 motori, le varie configurazioni, hanno rispettivamente pregi e difetti che le caratterizzano, ad esempio nelle configurazioni di numero pari troviamo le varianti “I” e “X”, rispettivamente la “I” rimane più agile nei movimenti avendo gli assi Y X allineati a quelli dei motori ma meno stabile e più soggetta a vibrazioni dato che è solo un motore a stabilizzare quell’asse, la configurazione a X rimane stabile ma un pò più lenta nei movimenti, quindi la nostra scelta andrà molto in base alluso che ne faremo e se abbiamo un quad, esa o octo.Un’altra configurazione è quella coassiale, Y6, X8 sono configurazioni dove due motori vengono sovrapposti, questo non và a favore del payload, dato che la forza viene persa in parte in turbolenze, ma questa configurazione favorisce stabilità e sicurezza di volo.

APR Multirotore e la sua strutturaPrincipalmente gli attori in essere sono :

● Frame● Landing gear● ESC (Electronic Speed Control)● Motori brushless● IMU (Inertial Measurement Unit)● Eliche● Radio e ricevente

FrameCorpo centrale che è la struttura portante, dove viene alloggiata l’elettronica e ancorate le braccia

Le braccia3/4/6/8 ma devono esserci, altrimenti le nostre eliche non avrebbero la superficie libera per far circolare l’aria sotto di loro

Supporti motore sono quei piattini dove andremo ad avvitare il nostro motore, dovranno essere ben saldi alla struttura per evitare rotazioni

Supporto batteria non sempre presente aiuta a tenere ordinata la struttura e a far areare meglio (o tener calda) la batteria nelle diverse situazioni

Landing gearLanding gear o carrello di atterraggio, in alcuni frame facente parte della struttura stessa, in altri casi persino “retrattile” o meglio ripiegabile, questo permette a un’eventuale telecamera sotto di potersi muovere a 360° sull’asse Z

ESC Electronic Speed ControlSembra un componente semplice ma, è di fattoquello che ci farà girare le pale!

E’ composto da un piccolo integrato che data una frequenza in PWM (Power With Modulation) eun’alimentazione adeguata, dà le fasi ai cavi in uscita A B C, questo aggiornamentoviene effettuato anche 600 volte al secondo

Motori BrushlessI 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.

IMU, MCU e GPSProprietarie o OpenSource sono logicamente tre sono le unità necessarie alla gestione ottimale del nostro APR

IMU : Inertial Measurement Unit

MCU: Main Controller Unit

GPS : Global Position System

IMUEsistono 4 tipi di sensori che sono alla base del volo autonomo di un multirotore:● Giroscopio (essenziale)● Accelerometro (opzionale)● Bussola (opzionale)● Barometro (opzionale)

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

MCULa 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, come ad esempio per comandare un carrello retrattile o un gimbal.Le uscite sono 1:1 con i motori/eliche e generano degli impulsi (PWM) che comandano i motori tramite gli ESC (Electronic Speed Controller).

GPSOramai di uso quotidiano, sono 31 satelliti attualmente in orbita GPS: Global positioning systemCome 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.

Tanti sensori ma poi ??Il passo successivo è il Software di controllo, colui riesce a acquisire i diversi valori da sensori e ingressi PWM e tramite complessi algoritmi stabilizza e direziona il nostro mezzo nel suo cammino.

Il SW ha il compito di:

● Mantenere in equilibrio il drone usando i sensori dell’IMU● Interpretare i comandi del pilota convertendoli in segnali per i motori● Eseguire funzioni di volo autonomo attraverso il GPS● Verificare la funzionalità delle componenti di bordo● Inviare alla stazione di controllo i dati di telemetria

Open VS ClosedIl software come l’hardware si divide in OpenSource e Proprietario

Alcune piattaforme Open :● Ardupilot● Multiwii● Autoquad● Aeroquad● ACopter32

Alcune piattaforme Closed :● Mikrokopter (parzialmente closed)● DJI● ASCTEC

Software e modalità di voloLe modalità di volo sono spesso differenti a seconda dell’unità co controllo, principalmente si divisono in :● ACRO (per volo acrobatico)● SPORT (molto reattivo)● STABILIZE (stabilizzato)● GPS (stabilizzato con l’ausilio supplementare del GPS)● ALTITUDE HOLD (bloccato ad un’altitudine)A queste si aggiungono delle modalità automatiche come il RTH o RTL, dove l’APR torna automaticamente al punto di partenza e atterra, Take-Off dove decolla autonomamente ed altre modalità.

Gestione sw del senso di marciaPer il senso di marcia del nostro APR vale la regola della guida in prima persona, questo però ci porta, se abbiamo l’APR di fronte a noi ruotato di 180°, a pensare al contrario, la nostra destra diventa sul radiocomando la sua sinistra, stesso concetto andare avanti diventa tornare indietro verso di noi. Nelle unità di controllo con la gestione IOC Intelligent Orientation Control, possiamo cambiare il comportamento attivando le seguenti due opzioni:Corse Lock : in qualsiasi senso sia ruotato il messo la nostra destra sarà sempre la destra visiva dello stessoHome : La sinistra del mezzo sarà senore orientata vers o di noi in unacirconferenza superiore a 10mt

Valori magici : Gain Affinchè il giroscopio funzioni correttamente in un elicottero, bisogna regolare nel migliore dei modi il guadagno (GAIN).Un guadagno troppo basso porterà ad una sotto correzione e quindi l'elicottero avrà difficoltà a mantenere la direzione mentre, un guadagno troppo alto, porterà ad una sovracorrezione e quindi (in gergo si dice che la coda sbacchetta).Si vedrà quindi che la coda dell'elicottero inizierà ad andare rapidamente da una parte all'altra senza fermarsi subito nella posizione in cui dovrebbe.In caso di correzione molto elevata lo sbacchettamento non terminerà mai, anzi tenderà ad aumentare sempre di più fino a far perdere il controllo del mezzo.I multirotori sotto questo punto di vista sono forse un po' più complicati, perchè avendo giroscopi e accelerometri a 3 assi hanno un GAIN da settare per ogni asse e per ogni sensore.

Valori magici : PIDIl settaggio della risposta dei sensori in un multirotore viene effettuato tramite il PID che è un sistema ben conosciuto, perchè ampiamente impiegato nei sistemi di controllo dei macchinari di vario genere e non solo nei multirotori.Per ogni asse ci sono 3 valori da settare:P (Proporzionale) 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.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.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.

ElicheEsistono diversi tipi di eliche, forme, materiali e misure, come già detto, si dividono principalmente in CCW e CW a seconda del senso di rotazione, i materiali di costruzione sono: Resina : Leggere ma poco resistenti agli urti e poco reattiveCarbonio : molto reattive e leggere, ma molto pericolose in caso di contatto con cose e persone.Legno : Pesanti, hanno un leggero effetto volano, più semplici da tarare ma costose, consigliate per l’uso in aree critiche.

Radio e riceventePer controllare un multirotore serve una radio di tipo RC preferibilmente digitale su frequenza 2.4GHz. 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).

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

GroundStation e TelemetriaLa telemetria consiste nell’acquisire in tempo reale dati provenienti da un mezzo remoto, nel caso degli APR si avrà un DataLink e una riceventequesti dati potranno essere visualizzati in forma ristretta direttamente sulla radio oppure in un sistema pc/tablet chiamatoGroundStation, dove trovate tuti i dati dei sensori del vostro APR.

Mission planner e volo automaticoVolo automatico e volo autonomo si distinguono dal fatto che il volo automatico può essere abortito e si riprende il controllo RC una volta programmato, la realizzazione del piano di volo si effettua con un mission planner, nel caso dell’immagine sottostante, si disegna una griglia per un rilievo fotogrammetrico, attraverso la griglia dei marker possiamo specificare coordinate, altitudine, velocità e gradi di rotazione sull’asse, in alcuni SW gestire anche lo scatto.Una volta pianificato il nostro volo l’APR decolla autonomamente e svolgerà la sua missione, noi possiamo seguire la stessa dalla GroundStation come visto in precedenza, una volta finito lastessa il mezzo tornerà al punto dipartenza, atterrando in autonomia.

FPV First Person View L'FPV non è nientaltro che un viaggio in prima persona sui propri modelli di aerei,volare da terra e avere la sensazione di essere a bordo del nostro aereo RC.Sul nostro modello, viene installata una telecamera frontale, questa telecamera, grazie ad un trasmettitore video, con diverse bande (900m /1,2g /1,3g / 2,4g / 5,8g / ..) trasmette il segnale a terra e praticamente ci mostra in tempo reale quello che l'APR vede, un po come se noi fossimo sopra.Normalmente per ricevere meglio il segnale, vengono costruite antenne particolari, che in base alle esigenze vengono sostituite.Naturalmente, anche a terra vengono utilizzate per ricevere il segnale antenne sensibili, in grado di ricevere il segnale anche più debole.

Batterie LiPo :DLe batterie LiPo sono batterie ricaricabili composte da un elettrolita a base di sali di Litio incorporati in un polimero; cosa che le rende piu’ 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.E’ fondamentale utilizzare un caricabatterie specificatamente progettato e di buona qualita’ 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.

Batterie LiPo :( ...OCIO!!!Quando vi dicono “quella batteria è una bomba!” non è sempre un complimento!Sono pericolose e si rischia la defragrazione:in fase di caricamento, se lesionate, se troppo stressate, e in fineQUANDO VOGLIONO LOROQuindi per tenerle, caricarle, spostarvi: Usate il un contenitore ignifugo!

CAPITO???

APR Multirotori ma non soloAereomobile non è solo il multirotore, ma tutto ciò che viene usato per scopo lavorativo e sorvola la superficie terrestre.Lavorativamente parlando il mezzo che più si alterna nei ruoli con il multirotore è il TUTTALA questo veicolo utilizza un solo motore e ha una larghezza alare che và dai 60cm ai 3mt, il principio è lo stesso, ha un motore brushless ,un esc al suo interno,il fatto che ha un solo motore e la sua superficie lo portano a un’autonomia di volo anche di 60min, questo ci permette di lavorare ove possibile su grandi superfici con un grande risparmio sui tempi.

Aeremobili e aereomodelliQuelli che tutto comunemente chiamano Droni sono in realtà dei mezzi a pilotaggio remoto, e si distinguono tra aereomobili (come i normali mezzi di aviazione) e aereomodelli.Cosa li differenzia?.. L’uso!Se usiamo per Hobby un quadricottero è un aereomodello e stiamo facendo modellismo, se lo usiamo per lavoro è un aereomobile,... quindi?Il modellista deve assicurarsi, e può avere tutti gli aereomodelli che vuole, l’aereomobile và assicurato singolarmente.

L’aereomobile una volta autorizzato dall’ENAC può volare ovunque, l’aereomodello solo in zone sicure, dove non ci sono pericoli per terzi.

Io ce l’ho più grosso..Anche qui pesi e dimensioni la fanno da padrona, ma al contrario di come pensate, per l’ENAC, più è piccolo e più e meglio…Le categorie al momento civili sono 3, date dai pesi in volo (completi di batterie e materiale <=150kg, <=25kg, <2kg.La categoria dove rientrano il 80% degli APR per operazioni specializzate è la seconda, visto che un’esacottero attrezzato di mirrorless ha un peso di media inferiore ai 4kg e una reflex 8/9kg, un restante buon 15% nella terza, dove l’Enac prevedere un’alleggerimento della normativa ancora non pubblicato.Mentre per le due minori categorie basta un’autocertificazione e documentazione del mezzo, per gli inferiori ai 150kg si prevede solo l’uso di mezzi prodotti in serie, che siano certificati e validati dall’enac direttamente.Sopra 150kg valgono le regole ICAO (International Civil Aviation Organization)

La normativa ENACL’ENAC è Ente Nazionale per l’Aviazione Civile, per la prima volta l’italia è prima, si a regolamentare il volo di questi mezzi prima libero/vietato.Libero perchè non essendo regolamentato vigeva l’anarchia,Vietato perchè occupando l’aria ed essendo sotto i 500mt era esplicitamente vietato per le regole dell’aria se non si avevano particolari autorizzazioni.Dopo l’annunciato regolamento del 16 dicembre il 14 Febbraio per SanValentino l’Enac ci regala un rinvio dell’entrata in vigore del regolamento, rimandandolo al passato 30 Aprile 2014, il regolamento è molto articolato e complesso, dopo un breve dizionario a cappello, provo a semplificarlo, ma attenzione avendo molte clausole, questa è la mia interpretazione e non vi esula di leggerlo, studiarlo e sottoscriverlo in caso vogliate fare delle attività aeree.

APR e regolamentazioneAree congestionate : Aree con possibili assemblamenti di personeBLOS : Operazioni condotte fuori dalla linea visiva di voloVLOS : Operazioni condotte con il mezzo in contatto visivoEVLOS : Operazioni condotte con l’ausilio di mezzi terzi per il contatto visivoOp. Specilizzate : Attività a titolo oneroso (fotogrammetria,imp. Agricoli..)Osservatore SAPR :Persona designata in VLOS a supportare il pilota remoto V70 :Superficie cilindrica di raggio 200mt e 70mt di altitudineV150 :Superficie cilindrica di raggio 500mt e 150mt di altitudine

Operazioni non Critiche 1/2Per operazioni specializzate non critiche si intendono quelle operazioni che non prevedono il sorvolo, anche in caso di avarie e malfunzionamenti, di:

● aree congestionate, assembramenti di persone, agglomerati urbani e infrastrutture;

● aree riservate ai fini della sicurezza dello Stato; ● linee e stazioni ferroviarie, autostrade e impianti industriali.

Operazioni non Critiche 2/2Esse sono condotte nel volume di spazio “V70” e nell’ambito delle seguenti condizioni: ● Ad una distanza orizzontale di sicurezza adeguata dalle aree

congestionate, ma non inferiore a 150 m, e ad una distanza di almeno 50 m da persone e cose, che non siano sotto il diretto controllo dell’operatore;

● In condizioni di luce diurna; ● In spazi aerei non controllati; ● Fuori dalle ATZ e comunque ad almeno 8 km dal perimetro di un aeroporto

e dai sentieri di avvicinamento/decollo di/da un aeroporto.

Operazioni Critiche

Per operazioni specializzate critiche, si intendono quelle operazioni condotte in VLOS, nell’ambito di limitazioni/condizioni che non rispettano, anche solo parzialmente, quanto al precedente citato per le operazioni non critiche.

SperimentazioneLa fase di sperimentazione è una fase transitoria, che vi permette di mettere a punto il vostro mezzo, provare tutte le operazioni di emergenza in caso si avaria o altro,questo per redare un documento chiamato “manuale delle operazioni”.

Questa deve essere svolta dopo richiesta all’ENAC, in una zona segregata come un campo volo, oppure richiesta appositamente con un NOTAM, rispettando i limiti V70.

La fase di sperimentazione come nelle operazioni, richiede, per volare, una polizza assicurativa apposita.

Patentino? Puntualmente la domanda più fatta è : Dove prendo il patentino??A Gubbio :) .. ma non serve per l’APR

Non ci sono patentini ma una serie di documenti da fornire all’ENAC :Uno dei più complessi da redare è il Manuale delle operazioni, dove dovete descrivere il vostro mezzo in dettaglio, la stazione di terra e tutto ciò che concerne le operazioni che andrete a svolgere, inoltre cosa fare in caso i ogni tipo di emergenza per essere pronti ed avere un protocollo in caso di emergenza.

Dichiarazione op. non critichePer le operazioni non critiche, nella dichiarazione l’operatore deve attestare la rispondenza al Regolamento e indicare le condizioni e i limiti applicabili alle operazioni di volo previste, incluso, eventualmente, la necessità di operare in spazi aerei segregati e si deve inoltre allegare la seguente documentazione:

● La descrizione e la configurazione del sistema da impiegare, nonché le caratteristiche e le prestazioni tali da garantirne un impiego sicuro ovvero la dichiarazione di conformità rilasciata dal costruttore, nel caso di SAPR in possesso di certificato di tipo;

● I risultati delle prove dell’attività sperimentale iniziale; ● La tipologia delle operazioni specializzate che intende svolgere; ● I risultati dell’analisi del livello di rischio associato alle operazioni previste, eseguita al fine

di sostanziare la sicurezza delle stesse; ● Il manuale di volo dell’APR o documento equivalente; ● Il manuale delle operazioni e il programma di manutenzione del SAPR.

Richiesta per op. criticheNel caso di operazioni critiche, l’operatore presenta all’ENAC la domanda di autorizzazione nella quale attesta la rispondenza al Regolamento e indica le condizioni e i limiti applicabili alle operazioni di volo previste, inclusa, eventualmente, la necessità di operare in spazi aerei segregati. Alla domanda allega la documentazione come da op. non critiche.

NB: mentre per le operazioni non critiche la documentazione e l’autocertificazione sono sufficienti, per le operazioni critiche per essere accetata bisogna avere un protocollo di sicurezza più rigido sul mezzo (paracadute, centralina slave ecc), si deve aver superato visita media di 2°Cat., e un’assicurazione adeguata al tipo di attività.

E quindi ?

Un caffè?

Usi e applicazioniIl campo di applicazione degli APR è dato solo dalla nostra fantasia e da limiti tecnici, al momento viene utilizzato per :● Sorveglianza e sicurezza territoriale● Sopralluoghi, ponti, tralicci, pale eoliche, strutture..● Operazioni di ricerca e soccorso● Videoriprese e fotografia● Aerofotogrammetria e rilievo dell'architettura● Biodiversità e monitoraggio fauna● Agricolutura di precisione● Monitoraggio centrali termoelettriche e impianti industriali● Rilevamento di coltivazioni di mariujana abusivi (attivo in Olanda)● ecc

Cosa serve di base?A seconda dello scopo di utilizzo si applicano sensori di vario tipo e schede elettroniche atte ad esso, uno degli strumenti che spesso scende in campo quando installiamo fotocamere o sensori ottici è il Gimbal, molto spesso disegnato su modello specifico del modello di camera serve per stabilizzare 2 o 3 assi di movimento, un pò come è compito dell’imu de nostro mezzo, l’elettronica si basa su giroscopi e accellerometri,i tre valori sono PAN, ROLL, TILT.

Video riprese e fotografiaL’ambito più diffuso di utilizzo per hobbisti e professionisti, in questo caso il nostro gimbal dovrà avere necessariamente una piastra che evita ilpassaggio di microvibrazioni e possibilimente uno shotter remoto per scattare da remoto le nostre foto.

Aerofotogrammetria e rilievo Aereofotogrammetria ci permette di creare una vista 3Ddella superficie terrestre, attraverso una serie di foto realizzate con un’ottica calibrata, e da un’altitudine data siamo capaci di ricreare una superficie 3D con un’indicedi esattezza tale da permetterci di capire ad esempioi volumi di roccia in una cava o riuscire a calcolare “vie di sfogo” di fiumi e torrenti per prevenire esondazioni, le stesse misurazioni vengono effettuate anche in archeologia, edilizia.

Agricoltura di precisioneL’ agricoltura di precisione consente di gestire le operazionicolturali con approccio differenziato per dose, epoca e luogo. La gestione dei fertilizzanti con tecnologie a dose variabile(Vrt) permette di attuare proprio un approccio di questo tipo, impiegando macchine operatrici in grado di leggere mappe di prescrizione sulla concimazione, elaborate dalle letture effettuate con sensori ottici multi spettrali relativamente al vigore delle piante.

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Grazie!antonio@apritalia.comafelizianidesartstudioantoniofeliziani3476279689