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Droni e multirotori, la nuova
frontiera delle applicazioni aeree
#Droni @CampusLaCamilla
emile.castelnuovo@gmail.com
enrico.bazan@gmail.com
Droni e multirotori
● Cosa sono e come sono fatti
● Principi di funzionamento
● Configurazioni e componenti
Pausa caffe’
Usi ed applicazioni
● Normative italiane ed estere
● Applicazioni presenti e future
● Missioni autonome
Dimostrazione di volo

Domande e risposte

Agenda
Droni e multirotori

Cosa sono e come
sono fatti?
Droni, UAV e APR
Il temine inglese ‘Drone’ (fuco in
Italiano) è usato comunemente per
indicare i velivoli a comando remoto o
autonomi. Ha origine in Inghilterra a
seguito del primo velivolo a pilotaggio
remoto chiamato Queen Bee.
UAV e’ l’acronimo di ‘Unmanned
Aerial Vehicle’. E’ un veivolo senza
pilota a bordo. Il volo e’ controllato
autonomamente dal computer di bordo
RPA: velivolo pilotato da da un pilota a
terra (o su altro veicolo) mediante un
telecomando.
Cos'è un multirotore
Un multirotore e’ una particolare tipologia di
UAV che si differenzia dagli elicotteri standard
per la presenza di 3 o più eliche a passo fisso.
E' un velivolo di semplice costruzione
meccanica, ma di complessa gestione dinamica.
Non ha alcuna stabilità aerodinamica (come un
ferro da stiro) e per volare necessita’ di una
centralina dedicata per il controllo del volo e
della stabilizzazione.
Cos'è un multirotore
Droni e multirotori

Come funzionano?
Principi di funzionamento
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) e sinistrorse (standard).
Eliche destrorse e sinistrorse
Verde Rotanti (pusher) - Blu Controrotanti (standard)
Le forze in gioco
Ogni accoppiata motoreelica 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
L’equilibrio
Per mantenersi in
equilibrio sull'asse Z
(YAW o IMBARDATA) il
momento torcente dei
motori 1-3 deve essere
uguale e contrario a
quello sviluppato dai
motori 2-4.
Per l’equilibrio degli assi
X e Y la somma delle
spinte sui motori 1-3
(ROLL o rollio) e 2-4
(PITCH o beccheggio)
deve essere uguale.
Roll e Pitch
Per il movimento si
mantiene un angolo di
ROLL o PITCH diverso da
0.
Nell' esempio, controllando
la velocità dei motori 1-3
(aumentando 3 e
diminuendo 1) il momento
rimane costante ma cambia
l'inclinazione facendo
ruotare il 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
L'orientamento del drone
nello spazio
La DCM (Direction Cosine Matrix)
usa le rotazioni di matrice per calcolare la
posizione dell'oggetto relativa ad un sistema di
riferimento fisso (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.
I due sistemi di riferimento
Attitude: 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.
Volo stabilizzato
Droni e multirotori

Configurazioni
Configurazione ‘Quad’
AKA ‘X4’
Configurazione ‘Octa Quad’
AKA ‘X8’
Configurazione ‘Hexa’
Configurazione ‘Octa’
Configurazioni ‘Octa V’ e ‘Y6’
OCTA V:

Y6:
Configurazioni ‘Tricopter’
Droni e multirotori

Componenti
Frame / Telaio
(4) supporto batteria

(1) corpo centrale
(3) supporto motore

(2) braccio

(5) pattini di atterraggio
Frame / Telaio
Il telaio di un multirotore è composto principalmente da 5
elementi:
1) il corpo centrale : normalmente composto da due piastre
parallele di materiale composito atte a ospitare tutta l’
elettronica di volo, quella di comando e varie elettroniche
accessorie (trasmettitori telemetria,trasmettitore video,
osd, ecc ecc)
2) i bracci porta motori : generalmente in alluminio o in
materiali compositi vari (carbonio/fibra/o plastiche)
3) supporto motore : alloggiamento fisico di ancoraggio dei
motori di volo.
4) supporto batteria di volo principale.
5) pattini di atterraggio : non sempre inclusi nei frame
commerciali, sono di vario genere, e misure, a seconda della
necessità.
Frame: esempi DIY
I frame Virtual Robotix
Lifter Pro8

X4 e X8

B.O.D.
e-Volo
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.
La centralina di controllo
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).
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
Software di controllo
In commercio esistono 2 tipologie di SW:
● open source (software aperto)
● closed source (software chiuso)
Le piattaforme open source contano decine di
sviluppatori che convergono su un’unico progetto.
Il codice viene reso pubblico e può essere utilizzato
per creare nuovo codice
Le piattaforme closed sono sviluppate all’interno di
società/enti che non rendono pubblico il codice e
quindi non permette la customizzazione delle parti
SW.
Software di controllo
Le piattaforme closed più famose sono:
● Mikrokopter (parzialmente closed)
● DJI
● ASCTEC
Le piattaforme Open più diffuse sono:
● Ardupilot
● Multiwii
● Autoquad
● Aeroquad
● ACopter32
Software di controllo
PRIMA:
Processori 8bit
Sensori analogici
SW monothread
ORA:
Processori single core 32bit (ARM)
Sensori digitali
SW multithread con Sistema Operativo
POI...:
Processori multicore 32bit (es. iPhone, Galaxy S4)
SW Linux embedded
Più sensori su un’unico chip
Modalita’ di volo
Manuali e Semiautomatiche
●
●
●
●

ACRO
SPORT
STABILIZE
ALTITUDE HOLD

Funzioni Automatiche
●
●
●
●

SIMPLE e Super-SIMPLE
GPS Hold e Attitude
GUIDED
AUTO
○ RTL
○ TAKE-OFF & LAND
○ CIRCLE
PID di stabilizzazione in AC32
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.
Inertial Measurement Unit
L’insieme dei sensori combinati su di una
scheda compongono quella che viene chiamata
IMU (Inertial Measurement Unit o Unità di
Misura Inerziale).
Esempio VRBrain:
● MPU6000 (6 assi di misurazione) combina
un accelerometro a 3 assi e un giroscopio a 3
assi
● HMC5883 bussola digitale su 3 assi
● MS5611 barometro ad alta precisione
Inertial Measurement Unit
I giroscopi misurano la velocità angolare su 3
assi. Unità di misura: gradi/s.
Gli accelerometri misurano la forza di gravità
su 3 assi. Unità di misura: m/s2 (9.8m/s2=1G).
La bussola digitale misura il nord magnetico sui
tre assi (°)
Il barometro misura temperatura e pressione
atmosferica che converte in altitudine s.l.m.
Inertial Measurement Unit
Con una board appoggiata al tavolo i sensori
dovranno fornire (assi x,y,z):
● Giroscopi : 0,0,0
● Accel.:
0,0,1G
Con il muso verso l'alto i sensori forniranno
come output:
● Giroscopio: 0,0,0
● Accel.:
1G,0,0
Inertial Measurement Unit
Gli accelerometri sono rumorosi, ma
tendenzialmente resistenti agli sbalzi di calore
I Giroscopi sono molto precisi, ma sensibili alle
vibrazioni e ai cambi repentini di temperatura
Le bussole sono molto sensibili ai campi
magnetici e oggetti metallici in genere.
I barometri sono sensibili ai movimenti di aria
e alla luce
GPS: Global positioning system
31 satelliti attualmente in orbita
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.
Esempio di precisione GPS
La calibrazione dei sensori
Tutti i chip escono dalla fabbrica con un offset
leggermente differente.
In ogni sistema di navigazione inerziale è
fondamentale procedere con una corretta
calibrazione per registrare lo zero.
Il codice della VBRAIN procede alla
calibrazione dei GYRO e degli ACC. in fase di
startup.
La calibrazione della bussola deve essere fatta
almeno una volta.
La calibrazione dei sensori
Dato che i giroscopi sono sensibili ai cambi di
temperatura, prima di volare, soprattutto in
inverno, si raccomanda di lasciare che i chip si
adeguino alla temperatura esterna.
In alternativa si dovrebbe comprendere nel
software un sistema per la calibrazione
dinamica in base alla temperatura.
Pro: nessuna calibrazione ulteriore
Contro: lungo processo di messa punto e
complessità di gestione.
Taratura degli Accelerometri
La taratura degli accelerometri è quella
procedura che serve per registrare l'offset degli
accelerometri sui tre assi.
Fondamentale per la navigazione ‘inerziale’.
Esempio da planner.
La calibrazione dei giroscopi
La calibrazione dei giroscopi deve essere
effettuata con il sensore più fermo possibile.
Serve ad ottenere l'offset rispetto allo zero di
fabbrica.
E' essenziale per avere un volo fluido e senza
sobbalzi.
La calibrazione della bussola
La calibrazione della
bussola è fondamentale
per le funzioni di
navigazione automatica.
Non è fondamentale per il
volo stabilizzato manuale.
La calibrazione della bussola
Una perfetta calibrazione permette di eliminare
le interferenze magnetiche generate dai motori
e da apparecchiature elettriche.
Motori Brushless
I motori brushless (senza spazzole) sono motori sincroni
alimentati da una sorgente a corrente alternata controllata
elettronicamente.
Per la costruzione dei multirotori si utilizzano gli
outrunners caratterizzati da magneti permanenti fissati
sulla campana esterna che funge da rotore.
Gli outrunners hanno
una elevata coppia a ridotto
numero di giri, cosa che rende
non necessario un riduttore di giri
con i conseguenti
benefici di leggerezza.
Electronic Speed Controllers
Gli ESC sono piccoli microcontrollori per il
controllo dei motori brushless; fondamentali
per una buona stabilità di volo.
Batterie LiPo
Le 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.
LiPo e sicurezza
La Radio RC
Per 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.
Il segnale PWM
Il segnale PPM
La Radio RC
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.
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
Ground Control Station
Ground Control Station
Visualizzazione in tempo reale dei parametri di volo.
Ground Control Station
Creazione e gestione di missioni con waypoint.
Ground Control Station
Gestione dei parametri di volo e di stabilizzazione.
Pausa caffe’
Normative
Il panorama normativo inerente la materia è
eterogeneo ed è composto dalla normativa
internazionale, da quella comunitaria e da
quella nazionale.
Il rapporto tra queste fonti è di tipo gerarchico
quindi quanto disposto da una fonte normativa
inferiore soccombe in presenza di disposizioni
normative di una fonte superiore.
Normative
Gerarchia internazionale:
ICAO: International Civil Aviation
Organization
EASA: European Aviation Safety Agency
ENAC: Ente Nazionale Aviazione Civile

ICAO
EASA
ENAC
Normativa italiana
ENAC
Ente Nazionale per l’ Aviazione Civile
I Mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto utilizzati
esclusivamente per impiego ricreazionale e
sportivo, si definiscono Aeromodelli mentre i
mezzi impiegati o destinati all’impiego in
operazioni specializzate sono definiti Sistemi
Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR)
Normativa italiana
Impiego di aeromodelli per uso
professionale
Gli aeromodelli (e quindi anche i multirotori)
non possono essere utilizzati per effettuare
lavori (ad ora).
Solo alcune organizzazioni (protezione civile,
esercito, vigili del fuoco) possono impiegare
droni per usi specifici senza necessità di
certificazione, ma solo con un autorizzazione
del prefetto.
Normativa italiana
Bozza ENAC
Uscita in Dicembre 2012 per sopperire alla mancanza di
regolamentazione riguardo l’uso di SAPR per applicazioni
professionali.
Fino ad ora valgono le regole ICAO (International Civil
Aviation Organization) che vietano l’uso a meno di essere
regolarmente certificati.
Gli APR sono distinti in MTOW <=20 Kg e > 20 Kg fino a
150 Kg. Si parla di SAPR Sistemi Aeromobili Pilotaggio
Remoto. La norma non parla di UAV (Unmanned Aerial
Vehicle) in quanto sistemi con funzioni di volo autonome.
Normativa italiana
Bozza ENAC
Il SAPR NON è dotato di equipaggiamento che CONSENTE
il volo autonomo ma di strumentazione che consente al
pilota il comando e controllo del vettore.
DEVE ESSERE GARANTITA LA PRESENZA DELL' UOMO
NEL CIRCUITO DI COMANDO E CONTROLLO.
Per i vettori <20 kg non è previsto di norma il rilascio di un
certificato di aeronavigabilità.
Normativa italiana
Bozza ENAC
Per i vettori <20 kg non è previsto di norma il rilascio di un certificato
di aeronavigabilità.
Entra in vigore il concetto di volume aereo V70 con 70 metri di quota e
500 di raggio in condizioni VLOS con distanza di sicurezza di aree
congestionate di minimo 150 metri e a distanza NON inferiore a 50
metri da persone e cose che non siano in controllo dell’ operatore.
Valgono inoltre le regole di:
● give way aircraft in caso di altri vettori simili nello spazio aereo
oggetto di traffico
● modalità VFR / VMC (visual flight rules e visual meteo conditions)
● condizioni di luce diurna
● fuori da ATZ (Aerodrome Traffic Zone) e a distanza > 8 km da
aeroporti sentieri avvicinamento decollo
● spazi segregati
Normativa estera (USA)
Dall’ Agosto 2013 la FAA (ENAC statunitense)
rilascia delle licenze ad-hoc per l’uso di droni
per uso commerciale.
E’ comunque necessario avere un certificato e
uno “sponsor” che garantisca l’operatività del
mezzo.
Normativa estera (UK)
In UK, per droni di peso inferiore ai 20Kg non è
necessaria nessuna registrazione o licenza a
patto di operare lontano da aree congestionate
e lontano dalle persone e non per scopi
commerciali.
Nel qual caso si deve disporre di un’
autorizzazione ad hoc e il pilota deve possedere
un certificato che dimostri le conoscenze delle
regole dell’aria e del traffico aereo e la capacità
di pilotare il proprio mezzo.
Normativa estera (UK)
L’ UAV deve poter disporre di log di volo.
L’operatore deve mantenere una libretta di volo
per dimostrare di non aver perso le capacità di
pilotare il mezzo.
La certificazione viene fatta sul mezzo specifico
che deve avere il certificato di conformità del
costruttore o se il mezzo è FDT deve essere
valutata dalla commissione che rilascia la
certificazione.
BNUC-S e RPQ-s sono le due certificazioni
possibili
Principali applicazioni
●
●
●
●
●
●
●
●
●

Divertimento
Riprese e fotografia aerea
Fotogrammetria
Ricerca e salvataggio
Ispezioni ed esplorazione in aree pericolose o
inaccessibili
Rilevazioni ambientale
Rilevazioni geologiche
Agricoltura
Spettacolo ed intrattenimento
Possibili applicazioni future
●
●
●
●

Broadcasting televisivo in HD
Personal-drone
Riprese autonome in terza persona
...
Divertimento (FPV)
Agricoltura
(A) il quadrirotore sorvola autonomamente il campo
coltivato ad una quota di 30m.

(B) le immagini multispettrali ottenute vengono elaborate
per rilevare le erbe infestanti.
Fotogrammetria 3D
Foto e riprese aeree
Ispezioni aeree
Ricerca e soccorso - PROCIV
Spettacolo
Spettacolo 2
Construzioni
Missioni collaborative
Trasporto personale
Hardware VRBrain
La piattaforma hardware VRBrain di
VirtualRobotix basata su processore ARM:
●

168Mhz ARM CortexM4F microcontroller with DSP and floating-point hardware acceleration.

●

1024KiB of flash memory, 192KiB of RAM.

●

MEMS accelerometer and gyro, magnetometer and barometric pressure sensor.

●

8 RC Input standard PPM , PPMSUM , SBUS - 8 RC Output at 490 hz

●

1 integrated high speed data flash for logging data

●

1 Can bus 2 i2c Bus

●

3 Serial port available for GPS / serial option / serial telemetry.

●

3 digital switch (ULN2003).

●

Jtag support for onboard realtime debugger.

●

1 Buzzer output.

●

1 Input for control lipo voltage

●

Italian design
Software VRBrain
La piattaforma VRBrain supporta pienamente
una versione dedicata e frequentemente
aggiornata del software APMCopter.
Sono in corso sviluppi per il supporto di
firmware TauLabs
Sviluppi open-source e supporto totalmente in
Italia
Community Internazionale
Missioni autonome
Tramite il mission planner e’ possibile
programmare (e modificare anche in volo)
missioni automatiche con un numero
virtualmente illimitato di waypoint.

Dimostrazione pratica su Mission Planner per
dimostrazione di volo.
Domande e risposte

?
Costruisci il tuo quadcopter
E’ in fase di preparazione un corso di due giorni
per imparare a:
● auto costruire
● configurare
● rendere operativo un multirotore.
Kit completo Quad - Radio -Batteria e
caricabatteria.
Prezzo da definire.
Scuola di volo
VirtualRobotix è disponibile a formare piloti
UAV per scopi ludici e per le attività lavorative
che si potranno effettuare dopo l’uscita della
normativa ENAC.
VR Dispone di un campo volo in zona BG e nei
pressi di Milano.
Per ogni info potete lasciare il vostro indirizzo
e-mail.
Restiamo in contatto
Gruppo di discussione
https://groups.google.com/forum/#!forum/droni-e-multirotori

Forum Virtualrobotix:
http://www.virtualrobotix.com/forum

Forum sviluppo VR-Brain:
http://www.baronerosso.it/forum/modelli-multirotori/274499-vrbrain-virtualrobotix.html

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Droni e multirotori, la nuova frontiera delle applicazioni aeree

  • 1. www.campuslacamilla.it www.virtualrobotix.com presentano : Droni e multirotori, la nuova frontiera delle applicazioni aeree #Droni @CampusLaCamilla emile.castelnuovo@gmail.com enrico.bazan@gmail.com
  • 2. Droni e multirotori ● Cosa sono e come sono fatti ● Principi di funzionamento ● Configurazioni e componenti Pausa caffe’ Usi ed applicazioni ● Normative italiane ed estere ● Applicazioni presenti e future ● Missioni autonome Dimostrazione di volo Domande e risposte Agenda
  • 3. Droni e multirotori Cosa sono e come sono fatti?
  • 4. Droni, UAV e APR Il temine inglese ‘Drone’ (fuco in Italiano) è usato comunemente per indicare i velivoli a comando remoto o autonomi. Ha origine in Inghilterra a seguito del primo velivolo a pilotaggio remoto chiamato Queen Bee. UAV e’ l’acronimo di ‘Unmanned Aerial Vehicle’. E’ un veivolo senza pilota a bordo. Il volo e’ controllato autonomamente dal computer di bordo RPA: velivolo pilotato da da un pilota a terra (o su altro veicolo) mediante un telecomando.
  • 5. Cos'è un multirotore Un multirotore e’ una particolare tipologia di UAV che si differenzia dagli elicotteri standard per la presenza di 3 o più eliche a passo fisso. E' un velivolo di semplice costruzione meccanica, ma di complessa gestione dinamica. Non ha alcuna stabilità aerodinamica (come un ferro da stiro) e per volare necessita’ di una centralina dedicata per il controllo del volo e della stabilizzazione.
  • 8. Principi di funzionamento 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) e sinistrorse (standard).
  • 9. Eliche destrorse e sinistrorse Verde Rotanti (pusher) - Blu Controrotanti (standard)
  • 10. Le forze in gioco Ogni accoppiata motoreelica 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
  • 11. L’equilibrio 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.
  • 12. Roll e Pitch Per il movimento si mantiene un angolo di ROLL o PITCH diverso da 0. Nell' esempio, controllando la velocità dei motori 1-3 (aumentando 3 e diminuendo 1) il momento rimane costante ma cambia l'inclinazione facendo ruotare il quad sull’asse x.
  • 13. 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
  • 14. L'orientamento del drone nello spazio La DCM (Direction Cosine Matrix) usa le rotazioni di matrice per calcolare la posizione dell'oggetto relativa ad un sistema di riferimento fisso (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.
  • 15. I due sistemi di riferimento
  • 16. Attitude: 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.
  • 23. Configurazioni ‘Octa V’ e ‘Y6’ OCTA V: Y6:
  • 26. Frame / Telaio (4) supporto batteria (1) corpo centrale (3) supporto motore (2) braccio (5) pattini di atterraggio
  • 27. Frame / Telaio Il telaio di un multirotore è composto principalmente da 5 elementi: 1) il corpo centrale : normalmente composto da due piastre parallele di materiale composito atte a ospitare tutta l’ elettronica di volo, quella di comando e varie elettroniche accessorie (trasmettitori telemetria,trasmettitore video, osd, ecc ecc) 2) i bracci porta motori : generalmente in alluminio o in materiali compositi vari (carbonio/fibra/o plastiche) 3) supporto motore : alloggiamento fisico di ancoraggio dei motori di volo. 4) supporto batteria di volo principale. 5) pattini di atterraggio : non sempre inclusi nei frame commerciali, sono di vario genere, e misure, a seconda della necessità.
  • 29. I frame Virtual Robotix Lifter Pro8 X4 e X8 B.O.D.
  • 31. 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.
  • 32. La centralina di controllo 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).
  • 33. 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
  • 34. Software di controllo In commercio esistono 2 tipologie di SW: ● open source (software aperto) ● closed source (software chiuso) Le piattaforme open source contano decine di sviluppatori che convergono su un’unico progetto. Il codice viene reso pubblico e può essere utilizzato per creare nuovo codice Le piattaforme closed sono sviluppate all’interno di società/enti che non rendono pubblico il codice e quindi non permette la customizzazione delle parti SW.
  • 35. Software di controllo Le piattaforme closed più famose sono: ● Mikrokopter (parzialmente closed) ● DJI ● ASCTEC Le piattaforme Open più diffuse sono: ● Ardupilot ● Multiwii ● Autoquad ● Aeroquad ● ACopter32
  • 36. Software di controllo PRIMA: Processori 8bit Sensori analogici SW monothread ORA: Processori single core 32bit (ARM) Sensori digitali SW multithread con Sistema Operativo POI...: Processori multicore 32bit (es. iPhone, Galaxy S4) SW Linux embedded Più sensori su un’unico chip
  • 37. Modalita’ di volo Manuali e Semiautomatiche ● ● ● ● ACRO SPORT STABILIZE ALTITUDE HOLD Funzioni Automatiche ● ● ● ● SIMPLE e Super-SIMPLE GPS Hold e Attitude GUIDED AUTO ○ RTL ○ TAKE-OFF & LAND ○ CIRCLE
  • 39. 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.
  • 40. Inertial Measurement Unit L’insieme dei sensori combinati su di una scheda compongono quella che viene chiamata IMU (Inertial Measurement Unit o Unità di Misura Inerziale). Esempio VRBrain: ● MPU6000 (6 assi di misurazione) combina un accelerometro a 3 assi e un giroscopio a 3 assi ● HMC5883 bussola digitale su 3 assi ● MS5611 barometro ad alta precisione
  • 41. Inertial Measurement Unit I giroscopi misurano la velocità angolare su 3 assi. Unità di misura: gradi/s. Gli accelerometri misurano la forza di gravità su 3 assi. Unità di misura: m/s2 (9.8m/s2=1G). La bussola digitale misura il nord magnetico sui tre assi (°) Il barometro misura temperatura e pressione atmosferica che converte in altitudine s.l.m.
  • 42. Inertial Measurement Unit Con una board appoggiata al tavolo i sensori dovranno fornire (assi x,y,z): ● Giroscopi : 0,0,0 ● Accel.: 0,0,1G Con il muso verso l'alto i sensori forniranno come output: ● Giroscopio: 0,0,0 ● Accel.: 1G,0,0
  • 43. Inertial Measurement Unit Gli accelerometri sono rumorosi, ma tendenzialmente resistenti agli sbalzi di calore I Giroscopi sono molto precisi, ma sensibili alle vibrazioni e ai cambi repentini di temperatura Le bussole sono molto sensibili ai campi magnetici e oggetti metallici in genere. I barometri sono sensibili ai movimenti di aria e alla luce
  • 44. GPS: Global positioning system 31 satelliti attualmente in orbita
  • 45. 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.
  • 47. La calibrazione dei sensori Tutti i chip escono dalla fabbrica con un offset leggermente differente. In ogni sistema di navigazione inerziale è fondamentale procedere con una corretta calibrazione per registrare lo zero. Il codice della VBRAIN procede alla calibrazione dei GYRO e degli ACC. in fase di startup. La calibrazione della bussola deve essere fatta almeno una volta.
  • 48. La calibrazione dei sensori Dato che i giroscopi sono sensibili ai cambi di temperatura, prima di volare, soprattutto in inverno, si raccomanda di lasciare che i chip si adeguino alla temperatura esterna. In alternativa si dovrebbe comprendere nel software un sistema per la calibrazione dinamica in base alla temperatura. Pro: nessuna calibrazione ulteriore Contro: lungo processo di messa punto e complessità di gestione.
  • 49. Taratura degli Accelerometri La taratura degli accelerometri è quella procedura che serve per registrare l'offset degli accelerometri sui tre assi. Fondamentale per la navigazione ‘inerziale’. Esempio da planner.
  • 50. La calibrazione dei giroscopi La calibrazione dei giroscopi deve essere effettuata con il sensore più fermo possibile. Serve ad ottenere l'offset rispetto allo zero di fabbrica. E' essenziale per avere un volo fluido e senza sobbalzi.
  • 51. La calibrazione della bussola La calibrazione della bussola è fondamentale per le funzioni di navigazione automatica. Non è fondamentale per il volo stabilizzato manuale.
  • 52. La calibrazione della bussola Una perfetta calibrazione permette di eliminare le interferenze magnetiche generate dai motori e da apparecchiature elettriche.
  • 53. Motori Brushless I motori brushless (senza spazzole) sono motori sincroni alimentati da una sorgente a corrente alternata controllata elettronicamente. Per la costruzione dei multirotori si utilizzano gli outrunners caratterizzati da magneti permanenti fissati sulla campana esterna che funge da rotore. Gli outrunners hanno una elevata coppia a ridotto numero di giri, cosa che rende non necessario un riduttore di giri con i conseguenti benefici di leggerezza.
  • 54. Electronic Speed Controllers Gli ESC sono piccoli microcontrollori per il controllo dei motori brushless; fondamentali per una buona stabilità di volo.
  • 55. Batterie LiPo Le 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.
  • 57. La Radio RC Per 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.
  • 60. La Radio RC 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.
  • 61. 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.
  • 62. 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
  • 63. 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
  • 65. Ground Control Station Visualizzazione in tempo reale dei parametri di volo.
  • 66. Ground Control Station Creazione e gestione di missioni con waypoint.
  • 67. Ground Control Station Gestione dei parametri di volo e di stabilizzazione.
  • 69. Normative Il panorama normativo inerente la materia è eterogeneo ed è composto dalla normativa internazionale, da quella comunitaria e da quella nazionale. Il rapporto tra queste fonti è di tipo gerarchico quindi quanto disposto da una fonte normativa inferiore soccombe in presenza di disposizioni normative di una fonte superiore.
  • 70. Normative Gerarchia internazionale: ICAO: International Civil Aviation Organization EASA: European Aviation Safety Agency ENAC: Ente Nazionale Aviazione Civile ICAO EASA ENAC
  • 71. Normativa italiana ENAC Ente Nazionale per l’ Aviazione Civile I Mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto utilizzati esclusivamente per impiego ricreazionale e sportivo, si definiscono Aeromodelli mentre i mezzi impiegati o destinati all’impiego in operazioni specializzate sono definiti Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR)
  • 72. Normativa italiana Impiego di aeromodelli per uso professionale Gli aeromodelli (e quindi anche i multirotori) non possono essere utilizzati per effettuare lavori (ad ora). Solo alcune organizzazioni (protezione civile, esercito, vigili del fuoco) possono impiegare droni per usi specifici senza necessità di certificazione, ma solo con un autorizzazione del prefetto.
  • 73. Normativa italiana Bozza ENAC Uscita in Dicembre 2012 per sopperire alla mancanza di regolamentazione riguardo l’uso di SAPR per applicazioni professionali. Fino ad ora valgono le regole ICAO (International Civil Aviation Organization) che vietano l’uso a meno di essere regolarmente certificati. Gli APR sono distinti in MTOW <=20 Kg e > 20 Kg fino a 150 Kg. Si parla di SAPR Sistemi Aeromobili Pilotaggio Remoto. La norma non parla di UAV (Unmanned Aerial Vehicle) in quanto sistemi con funzioni di volo autonome.
  • 74. Normativa italiana Bozza ENAC Il SAPR NON è dotato di equipaggiamento che CONSENTE il volo autonomo ma di strumentazione che consente al pilota il comando e controllo del vettore. DEVE ESSERE GARANTITA LA PRESENZA DELL' UOMO NEL CIRCUITO DI COMANDO E CONTROLLO. Per i vettori <20 kg non è previsto di norma il rilascio di un certificato di aeronavigabilità.
  • 75. Normativa italiana Bozza ENAC Per i vettori <20 kg non è previsto di norma il rilascio di un certificato di aeronavigabilità. Entra in vigore il concetto di volume aereo V70 con 70 metri di quota e 500 di raggio in condizioni VLOS con distanza di sicurezza di aree congestionate di minimo 150 metri e a distanza NON inferiore a 50 metri da persone e cose che non siano in controllo dell’ operatore. Valgono inoltre le regole di: ● give way aircraft in caso di altri vettori simili nello spazio aereo oggetto di traffico ● modalità VFR / VMC (visual flight rules e visual meteo conditions) ● condizioni di luce diurna ● fuori da ATZ (Aerodrome Traffic Zone) e a distanza > 8 km da aeroporti sentieri avvicinamento decollo ● spazi segregati
  • 76. Normativa estera (USA) Dall’ Agosto 2013 la FAA (ENAC statunitense) rilascia delle licenze ad-hoc per l’uso di droni per uso commerciale. E’ comunque necessario avere un certificato e uno “sponsor” che garantisca l’operatività del mezzo.
  • 77. Normativa estera (UK) In UK, per droni di peso inferiore ai 20Kg non è necessaria nessuna registrazione o licenza a patto di operare lontano da aree congestionate e lontano dalle persone e non per scopi commerciali. Nel qual caso si deve disporre di un’ autorizzazione ad hoc e il pilota deve possedere un certificato che dimostri le conoscenze delle regole dell’aria e del traffico aereo e la capacità di pilotare il proprio mezzo.
  • 78. Normativa estera (UK) L’ UAV deve poter disporre di log di volo. L’operatore deve mantenere una libretta di volo per dimostrare di non aver perso le capacità di pilotare il mezzo. La certificazione viene fatta sul mezzo specifico che deve avere il certificato di conformità del costruttore o se il mezzo è FDT deve essere valutata dalla commissione che rilascia la certificazione. BNUC-S e RPQ-s sono le due certificazioni possibili
  • 79. Principali applicazioni ● ● ● ● ● ● ● ● ● Divertimento Riprese e fotografia aerea Fotogrammetria Ricerca e salvataggio Ispezioni ed esplorazione in aree pericolose o inaccessibili Rilevazioni ambientale Rilevazioni geologiche Agricoltura Spettacolo ed intrattenimento
  • 80. Possibili applicazioni future ● ● ● ● Broadcasting televisivo in HD Personal-drone Riprese autonome in terza persona ...
  • 82. Agricoltura (A) il quadrirotore sorvola autonomamente il campo coltivato ad una quota di 30m. (B) le immagini multispettrali ottenute vengono elaborate per rilevare le erbe infestanti.
  • 84. Foto e riprese aeree
  • 86. Ricerca e soccorso - PROCIV
  • 92. Hardware VRBrain La piattaforma hardware VRBrain di VirtualRobotix basata su processore ARM: ● 168Mhz ARM CortexM4F microcontroller with DSP and floating-point hardware acceleration. ● 1024KiB of flash memory, 192KiB of RAM. ● MEMS accelerometer and gyro, magnetometer and barometric pressure sensor. ● 8 RC Input standard PPM , PPMSUM , SBUS - 8 RC Output at 490 hz ● 1 integrated high speed data flash for logging data ● 1 Can bus 2 i2c Bus ● 3 Serial port available for GPS / serial option / serial telemetry. ● 3 digital switch (ULN2003). ● Jtag support for onboard realtime debugger. ● 1 Buzzer output. ● 1 Input for control lipo voltage ● Italian design
  • 93. Software VRBrain La piattaforma VRBrain supporta pienamente una versione dedicata e frequentemente aggiornata del software APMCopter. Sono in corso sviluppi per il supporto di firmware TauLabs Sviluppi open-source e supporto totalmente in Italia Community Internazionale
  • 94. Missioni autonome Tramite il mission planner e’ possibile programmare (e modificare anche in volo) missioni automatiche con un numero virtualmente illimitato di waypoint. Dimostrazione pratica su Mission Planner per dimostrazione di volo.
  • 96. Costruisci il tuo quadcopter E’ in fase di preparazione un corso di due giorni per imparare a: ● auto costruire ● configurare ● rendere operativo un multirotore. Kit completo Quad - Radio -Batteria e caricabatteria. Prezzo da definire.
  • 97. Scuola di volo VirtualRobotix è disponibile a formare piloti UAV per scopi ludici e per le attività lavorative che si potranno effettuare dopo l’uscita della normativa ENAC. VR Dispone di un campo volo in zona BG e nei pressi di Milano. Per ogni info potete lasciare il vostro indirizzo e-mail.
  • 98. Restiamo in contatto Gruppo di discussione https://groups.google.com/forum/#!forum/droni-e-multirotori Forum Virtualrobotix: http://www.virtualrobotix.com/forum Forum sviluppo VR-Brain: http://www.baronerosso.it/forum/modelli-multirotori/274499-vrbrain-virtualrobotix.html Grazie! emile.castelnuovo@gmail.com enrico.bazan@gmail.com