Droni e Multirotori:
- Cosa sono e come sono fatti
- Principi di funzionamento
- Configurazioni e componenti
Usi ed applicazioni:
- Normative italiane ed estere
- Applicazioni presenti e future
- Missioni autonome
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
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).
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.
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.
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.
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
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
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.
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
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.
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