Droni da carico progetto teorico

In questo articolo voglio proporre un’ipotesi di progetto utile per la realizzazione di 2 differenti  tipi di droni che presentano un insieme di caratteristiche di base comuni, ma che differiscono l’uno dall’altro per le caratteristiche di funzionamento in relazione alla diverse operatività sul campo.

Voglio precisare che lo scopo di questo articolo,  è puramente divulgativo e sebbene tenti di entrare nel dettaglio tecnico, dovrà  essere considerato come  punto di partenza per ulteriori valutazioni in un  progetto di dettaglio. Allo scopo voglio ringraziare il mio collega ed amico Christian Giottoli che ha speso del tempo ad aver contribuito alla stesura dei contentuti.

Bene, cerchiamo, innanzitutto, di dare una chiave di lettura per facilitare la comprensione  di  quanto verrà descritto in seguito. Il documento tratterà due ipotesi di droni; il primo fa riferimento ad un drone che potrà essere impiegato in  attività di monitoraggio ed acquisizione di immagini, mentre il secondo fa riferimento ad un drone che potrà essere  impiegato come sistema da carico. Il progetto nel suo complesso, pertanto,  potrebbe essere utilizzabile nei contesti in cui  si rende  necessario monitorare e/o svolgere attività di trasporto. Un caso di studio potrebbe, ad esempio,  essere quello dell’erogazione dei trattamenti fitosanitari mirati in un contesto agricolo.

Iniziamo ad analizzare le caratteristiche comuni partendo dalla piattaforma di controllo che integra diverse funzioni .

Integrated Electronic Platform

La board principale, di cui è stato realizzato uno schema a blocchi, è  comune ad entrambi i droni ed è difatto il cervello del drone.  La piattaforma elettronica integrata, infatti, controlla il velivolo ed è  costituita da una main board, dai sensori ad essa connessi e dai sistemi di comunicazione con la stazione di terra ed il controllo remoto.

Quali sono i moduli  fondamentali della board? Cerchiamo di capire ed approfondire il ruolo dei vari componenti nell’architettura immaginata.

Main board

La main board rappresenta il centro nevralgico del velivolo, alla quale  è integrata/interconnessa la sensoristica di navigazione e sulla quale viene eseguito il software/firmware responsabile del controllo dei componenti di volo.

La figura schematizza, infatti evidenzia le componenti principali della main-board immaginata ed i sensori dell’elettronica di bordo.

Al fine di qualificare qualche componente, proverò a fornire alcune ipotesi reali :

Il cuore della board è la Multi Processing Unit (MPU) basata su 2 processori ARM, il Samsung Exynos5422 Cortex™-A15 2.0Ghz quad core ed il Cortex™-A7 quad core, per le funzionalità di acquisizione ed elaborazione di flussi multimediali, la MPU scelta integra la Graphical Processing Unit (GPU) Mali-T628 MP6, con il supporto OpenGL ES 3.0/2.0/1.1 e full profile OpenCL 1.1 Full profile, mentre  a supporto delle operazioni di calcolo troviamo  2 Giga Byte di RAM LPDDR3 a 933MHz con ampiezza di banda di 14.9GB/s.

Per la gestione dei consumi di energia possono essere  integrati 4 sensori (PMIC) per il controllo real-time degli assorbimenti delle due CPU, della GPU e della RAM.

Per la componente di volo la board dovrà essere dotata di  un controller Proporzionale–Integrale–Derivativo (PID), per la correzione degli errori di navigazione, integrato con i sistemi di Electronic Speed Control (ESC) e di due moduli di connettività wireless:

 – il primo per il radio controllo del velivolo (RC), ricevente a 2.4GHz a 8 canali

– il secondo per la trasmissione dei dati di telemetria grazie ai moduli long-range LoRA 433/868/915 MHz che supporta distanze oltre i 30Km anche in contesti ad alta interferenza, quali ad esempio quelli urbani.

La board è  inoltre in grado di controllare direttamente, attraverso canali di controllo di tipo GPIO, sia i servo motori necessari per l’attuazione meccanica di diverse componenti, quali ad esempio le slitte di atterraggio, i bracci o le paratie per l’accesso al sistema di ricarica automatica, sia eventuali componenti elettromeccanici quali ad esempio la valvola di apertura di eventuali serbatoi.

Sensori

La sensoristica integrata consente il campionamento di tutti le informazioni necessarie al software/firmware di controllo a bordo drone per garantire la stabilità e la consistenza fra i comandi, ricevuti attraverso il controllo radio o attinenti al piano di volo, ed il comportamento del velivolo durante la fase di volo;

Unità di misura inerziale (IMU)

L’IMU è un sistema elettronico che impiega sensori inerziali, quali ad esempio accelerometri e giroscopi, etc.

Per garantire la stabilità in volo di un drone l’IMU controlla e registra le informazioni provenienti dai sensori per consentire alla componente software di controllo di determinare il comportamento del velivolo ed effettuare le opportune manovre correttive.

Per convenzione la rotazione di un velivolo rispetto all’asse X è definita rollio, in inglese roll, la rotazione rispetto all’asse Y è definita beccheggio, in inglese pitch e la rotazione rispetto all’asse Z è definita imbardata, o in inglese yaw.

Le rotazioni rispetto agli assi X e Y portano alla formazione di due angoli, rispettivamente di rollio, fra orizzonte e asse Y e di beccheggio, fra orizzonte e asse X. Le rotazioni rispetto all’asse Z non comportano alcun angolo di rotazione rispetto all’orizzonte, ma comportano una rotazione degli assi X e Y, il cui angolo è definito di imbardata, rispetto alla posizione originale degli assi stessi

Giroscopio

Il giroscopio è un sensore impiegato a bordo velivolo per misurare la rotazione rispetto agli assi X, Y, e principalmente Z, ossia gli angoli di rollio, beccheggio ed imbardata.

Il giroscopio di per sé non è sufficiente a garantire la stabilità del velivolo durante il volo.

Accelerometro

L’accelerometro è il sensore impiegato a bordo del drone per misurare l’accelerazione dinamica lineare rispetto agli assi X e Y e Z e consentire al software di correggere la velocità dei motori in funzione dei valori misurati per compensare gli spostamenti che avvengono lungo le tre direzioni.

Attraverso l’accelerometro triassiale è possibile misurare dunque gli spostamenti del drone lungo gli assi X, Y e Z.

Magnetometro

In aggiunta ai sensori inerziali descritti, l’IMU impiega il magnetometro, impiegato per la misurazione di direzione ed intensità del campo magnetico terrestre e per calcolare le informazioni di orientamento.

Tali informazioni non consentono tuttavia al drone di conoscere con esattezza la propria posizione in termini di coordinate terrestri per ottenere le quali occorre un sistema di posizionamento globale (GPS)

Barometro

I sensori inerziali non sono comunque sufficienti a garantire il mantenimento di una quota stabile da parte del drone.

Il barometro viene infatti utilizzato per rilevare le variazioni di pressione atmosferica per determinare le variazioni di quota e migliorare le operazioni di correzione della velocità di rotazione dei motori.

Global Navigation Satellite System (GNSS)

Il GNSS è lo strumento indispensabile perché un drone possa volare in modo autonomo, in quanto consente attraverso la rilevazione dei satelliti posti in orbita geostazionaria e l’elaborazione dei dati da questi inviati a terra, il calcolo delle coordinate terrestri alle quali si trova il drone.

Il GNSS basa il suo funzionamento sulla triangolazione trigonometrica, ma impiega i dati ricevuti anche per il calcolo dell’altitudine e la sincronizzazione dell’orologio interno, richiedendo dai 5 ai 6 canali/satelliti.

Il GNSS è comunemente dotato di una antenna che richiede il posizionamento esterno per garantire una migliore ricezione delle informazioni trasmesse dai satelliti.

Il modulo utilizzato sarà di tipo Multi-GNSS e consente l’utilizzo contemporaneo di differenti reti satellitari oltre alla rete GPS , quali ad esempio GLONASS, Galielo e SBAS.

Collision Avoidance System

Il Collision Avoidance System impiega diversi sensori con differenti tecnologie per evitare collisioni durante la fase di volo del drone.

I dati provenienti dai sensori vengono correlati ed utilizzati per stabilire la presenza o meno di ostacoli rispetto alle informazioni di navigazione (direzione, velocita, etc.).

Nei paragrafi a seguire sono descritti i sensori di cui il Collision Avoidance System dispone e le funzioni cui questi assolvono.

Sensore di prossimità ad ultrasuoni

I sensori di prossimità ad ultrasuoni si basano sul principio del sonar, emettendo impulsi sonori ultrasonici e rilevando l’eventuale eco di ritorno generata dalla presenza di oggetti all’interno dell’area di portata del sensore.

La velocità di rilevamento dei sensori di prossimità ad ultrasuoni non è elevatissima ma hanno una portata nominale elevata (fino a 10m), non risento dei disturbi elettromagnetici e non sono sensibili alla tipologia di materiale da rilevare a meno di particolari materiali fonoassorbenti.

Grazie alla combinazione di differenti sensori di prossimità ad ultrasuoni è possibile rilevare la presenza di eventuali ostacoli verso cui il drone è potenzialmente in rotta di collisione, e rispetto alla direzione e alla velocità di volo calcolare una rotta di navigazione evasiva o arrestare il velivolo.

Sensore di prossimità ad infrarossi

I sensori di prossimità ottici, definiti anche fotoelettrici, si basano sulla rilevazione della riflessione di un fascio luminoso da parte dell’oggetto rilevato.

Tali sensori impiegano tipicamente un emettitore di raggi di luce che ricadono nello spettro dell’infrarosso, la cui radiazione è meno soggetta a contaminazioni da parte di fonti di luce ambientale.

Rispetto ai sensori ad ultrasuoni, i sensori di prossimità ad infrarossi hanno una portata nominale che varia sensibilmente in funzione del valore di riflettanza dell’oggetto, dai 10cm a 100cm per superfici comuni ai 50m nel caso di superfici catadiottriche.

Utilizzati in sinergia con i sensori di prossimità ad ultrasuoni, i sensori di prossimità ad infrarossi consentono un rilevamento accurato di eventuali ostacoli nelle differenti condizioni di volo del drone

Sistema di controllo Proporzionale-Integrale-Derivativo

Il sistema PID è un sistema software che opera in retroazione negativa comunemente utilizzato nei sistemi di controllo è in grado di reagire, rispetto alla lettura di valori forniti in ingresso, a un eventuale errore positivo o negativo tendendo verso il valore 0. La reazione all’errore può essere regolata e ciò rende questo sistema molto versatile.

Il sistema PID regola i valori di uscita in base a:

• il valore del segnale di errore (azione proporzionale);
• i valori passati del segnale di errore (azione integrale);
• quanto velocemente il segnale di errore varia (azione derivativa).

Rispetto alle funzioni di controllo dei velivoli, il sistema PID è il responsabile della lettura dei dati provenienti dai diversi sensori e determina la velocità alla quale i motori devono girare.

Il PID è dunque il sistema attraverso il quale si ottiene la stabilità del drone.

Ciascuna regolazione è indipendente ed influenza determinati aspetti delle condizioni di volo.

Controllo P

È il controllo fondamentale in quanto il drone può volare e stabilizzarsi con il solo valore di output del controllo proporzionale facendo a meno dei due restanti parametri (I e D)

Il coefficiente configurabile di guadagno P determina l’entità della correzione, più alto è il coefficiente più sensibile è il drone e più forte è la reazione alle variazioni angolari.

Un valore troppo basso comporta un volo “morbido” ma meno stabile, d’altro canto un valore troppo alto può comportare una errata sovra-correzione e oscillazioni.

Controllo I

Il controllo I influenza la precisione della posizione angolare.

Il coefficiente configurabile di guadagno I determina la reattività della correzione delle angolazioni rilevate durante il volo del drone, un valore elevato è utile ad esempio in ambiente ventoso, nel medesimo ambiente un valore troppo basso comporta per contro la deriva del velivolo.

Un valore troppo elevato può inoltre comportare un decremento dell’efficacia del coefficiente P.

Controllo D

Il controllo D agisce come inibitore, riducendo le sovra-correzioni causate dal coefficiente P, con l’obbiettivo di rendere il volo più uniforme minimizzando le eventuali oscillazioni legate agli effetti della propulsione.

Un valore troppo elevato tuttavia comporta una amplificazione del “rumore” del sistema PID con conseguenti vibrazioni del velivolo dovute a repentini cambi di velocità di rotazione dei motori, che non riescono a tenere il passo ed eventualmente rischiano il surriscaldamento.

Un ulteriore effetto collaterale dei valori elevati del coefficiente D è la maggior latenza di controllo e reazione del drone.

Electronic Speed Control (ESC) e motori

Gli ESC sono i componenti che regolano l’erogazione, e più propriamente la modulazione dell’energia fornita ai motori, consentendo così la variazione della velocità di rotazione.

I motori impiegati dal drone sono di tipo brushless, letteralmente “senza spazzole” ossia senza elementi di contatto “striscianti”, e necessitano di essere controllati elettronicamente attraverso gli ESC.

Gli ESC sono a loro volta controllati dal software “pilota” in esecuzione sulla main-board.

Ciascun motore ha un ESC dedicato, nel caso specifico di un quadricottero ne occorrono dunque 4, e la scelta delle caratteristiche dell’ESC, ossia la capacità di erogazione di una specifica quantità di corrente, è condizionata alla caratteristica di assorbimento massimo da parte del motore.

Power Management Unit (PMC)

L’unità di gestione dei consumi monitora costantemente l’assorbimento delle CPU, della GPU e della RAM per garantire il controllo completo della permanenza stabile e sicura del velivolo.

Un assorbimento elevato potrebbe infatti portare a repentine diminuzioni di carica della batteria e relativa diminuzione dell’autonomia di volo, ed in casi estremi all’arresto dei motori con conseguente arresto e caduta del velivolo. Il monitoraggio continuo dello stato di alimentazione dei sistemi consente di applicare le dovute contromisure, quali diminuzione della velocità di volo in caso di particolari condizioni avverse di volo ed eventuale rientro alla base per prevenire cadute e/o danni del drone.

Sistema di controllo radio (RC)

Il sistema di controllo radio è composto da due componenti, il primo, la ricevente, a bordo drone, il secondo, la/e trasmittente/i a terra. Il componente a bordo drone è costituito dalla ricevente radio che riceve dal secondo i comandi di navigazione, in modalità manuale attraverso un radiocomando o in modalità automatica attraverso i sistemi di controllo di volo della stazione di terra.

Il sistema di controllo selezionato in ambito di progetto è di tipo modulare, e sebbene operi in modalità standard sulla banda 2.4GHz comunemente adottata per questa tipologia di radio comandi, supporta differenti tipologie di modulazione per garantire la massima flessibilità operativa con eventuali sistemi a controllo remoto già in uso o di futura adozione, supporta la modalità failsafe in caso di mancata connessione fra trasmittente e ricevente, offre la funzione di personalizzazione della programmazione e della tensione meccanica dei controlli,  ed è in grado di ricevere e presentare alcune informazioni di telemetria attraverso un display retroilluminato integrato. Il firmware radio comando manuale è aggiornabile e supporta configurazioni multiple memorizzabili e richiamabili da scheda SD.

Drone per il monitoraggio

Il drone di campionamento per il monitoraggio sarà dotato di un sistema di acquisizione video digitale in alta definizione ed a elevata risoluzione, attraverso cui sarà possibile effettuare campionamenti di immagine e audio/video durante il volo.

Il DVAS è costituito da:

• Video camera 4K da 8,93MP con zoom ottico 12X e digitale 12X (144X zoom combinato) e sistema automatico ICR (rimozione filtro infrarossi) in grado di acquisire audio e video in alta definizione e privi di artefatti ad una risoluzione di 3,840 x 2,160 (QFHD) fino a 30P (30fps non interlacciato).
• Sistema di trasmissione e controllo della video camera via RS232/TTL.
• Sistema di cattura video con risoluzione fino a 4K (QFHD/UltraHD) a 30fps e fino a 1080P a 60fps
• Telecamera multispettrale a 5 colori (Blue Verde, Rosso,

Le immagini campione e le riprese video ad alta definizione saranno impiegati dal software per la generazione di ortomosaici georeferenziati, bidimensionali e tridimensionali, numero delle piante e percentuali di copertura fogliare per specifiche aree di terreno.

La telecamera multispettrale è lo strumento ideale per la valutazione dello stato di salute e del vigore vegetativo.

I dati di imaging multispettrale, raccolti attraverso il drone in modalità remote sensing, saranno impiegati, attraverso il software per l’intelligent image processing (IIP), per il calcolo degli indici di differenza di vegetazione (DVI) utilizzati per la generazione di mappe di uniformità e di vigore delle colture.

Tali mappe consentiranno, oltre all’individuazione, la classificazione della vegetazione, il monitoraggio dello stato di salute della stessa e l’erogazione di trattamenti mirati e di intensità specifica per determinate zone di coltura.

L’immagine seguente illustra differenti tipologie di indici DVI e le relative mappe generate.

Drone per il trattamento fitosanitario caso d’uso

Il drone sarà dotato di un serbatoio in grado di contenere fitofarmaci per un peso pari a 10Kg e della funzione, attraverso servo motori o elettrovalvole, di attuazione per l’attivazione e la disattivazione dell’erogazione regolata in funzione della velocità di volo in modo da distribuire la corretta quantità di fitofarmaco, evitando sovradosaggi e velocizzando ed economizzando le operazioni.

Rispetto alla distribuzione manuale dei fitofarmaci, si è calcolato che la distribuzione a mezzo drone sarà dalle 40 alle 60 volte più rapida.

Materiale e dimensionamento del frame

In funzione degli obiettivi di progetto, nello specifico in relazione alla durata dell’autonomia di volo rispetto ai requisiti di carico del serbatoio del drone di erogazione, pari a 8Kg, si suggerisce l’adozione di un frame realizzato in fibra di carbonio, con un diametro di circa 1.450mm, con struttura tubolare di almeno 35mm, il cui peso è estremamente ridotto, si calcola circa 4.3Kg, rispetto all’impiego di materiali differenti ed è dotato della ressistenza necessaria al trasporto di un carico che può arrivare, peso del velivolo incluso, fino ai 50Kg.

Dimensionamento motori

In funzione del modello fornito come requisito, ossia un quadricottero, tenendo in considerazione i vincoli di peso, di frame, elettronica componenti meccanici e payload, si ipotizza che il drone in hovering al 50% della potenza dei motori sarà in grado di erogare un lift di approssimativamente 26Kg, offrendo cosí la possibilità di calibrare il sistema rispetto al peso effettivo per calcolare e variare l’erogazione dei motori rispetto alle fasi di hovering, thrust o drag per ottenere il tempo di volo fornito come requisti pari ad 1 ora.

Per consentire quanto sopra descritto si consiglia l’adozione di motori di tipo T-Motor U13 (100Kv), pilotati da ESC T-Motor Flame 80A 6-12S, le cui caratteristiche sono di seguito elencate:

• Diametro dl motore: 118,4 mm
• Altezza motore: 56,8 mm
• Peso: 1235 g

La tabella a seguire riporta le specifiche tecniche del motore.

 

Il grafico a seguire riporta la e la relativa curva di assorbimento/thrust.

La tabella ed il grafico riportano i valori di riferimento per la valutazione dei dati di thrust in funzione dell’assorbimento dei motori per garantire il corretto dimensionamento del drone.

Propulsori

Il rapporto indicato è relativo all’adozione di propulsori di tipo CF29-4, illustrati nella figura di seguito riportata.

La tabella a seguire riporta le caratteristiche del propulsore:

Diametro	29*9.5 inch  (736,6mm * 241,3mm)
Peso	108g
Temperatura operativa	-40°C 65°C
Thrust Limite	32Kg

Peso ed autonomia di volo

A partire da tali informazioni si ipotizza che fissando una potenza pari al 50% della potenza totale ogni motore erogherà un lift di 6,556Kg con un assorbimento di 17,34A.

Con una tale configurazione, il quadricottero sarà in grado di erogare, come già indicato, un     lift di 26,6Kg con un assorbimento di 69,6A.

Utilizzando 8 batterie di tipo Li-po Battery Pack da 1.600mAh, da 22,2V 15/30C 6SP1, configurate come 4 coppie (serie/parallelo) è possibile ottenere un sistema di alimentazione dimensionato per erogare circa 64A/h, consentendo un tempo di volo pari a circa 1 ora con un carico lordo di 26,2 Kg.

A seguire sono riportate le caratteristiche singolo battery pack:

• Capacità: 16000mAh
• Voltaggio: 22.2V
• Discharge Rate: 15C
• Peso: 1990g
• Dimensione: 193*77*66 mm

Riassumendo, di seguito si riporta il peso totale calcolato del quadricottero al netto del payload:

• 4 Motori:                        4,940Kg
• 8 Battery pack:                        7,960Kg
• 1 Frame drone: 4,300Kg
• 4 Propulsori ed elettronica: 1,000Kg.

Per un peso totale al netto del payload di 18,2Kg, che consente dunque un payload di 8Kg.

Flight Control Platform (FCP)

La Flight Control Platform è l’insieme del software di gestione della stazione di terra (GCS) utilizzata per le operazioni di pianificazione e controllo delle missioni di volo del drone, ed il software/firmware di comunicazione, misura e controllo dei sistemi di bordo del velivolo.

Nei paragrafi a seguire sono descritte le principali funzionalità della Flight Control Platform.

Configurazione velivolo

Per poter configurare il velivolo sarà sufficiente connettere il software/firmware a bordo drone con la GCS.

La connessione può avvenire in modalità wired o wireless, attraverso il medesimo sistema di comunicazione radio impiegato per il monitoraggio in telemetria.

Una volta stabilita la connessione attraverso la GCS sarà possibile effettuare le operazioni di calibrazione ed i testi di funzionamento delle componenti del drone.

La calibrazione avviene operando sul velivolo tenuto in sospensione e con l’esecuzione di determinati movimenti in sequenza ponendolo in specifiche posizioni che sollecitano la sensoristica di controllo ed il conseguente rilevamento da parte della GCS

Per ciascuna delle posizioni è possibile verificare sulla GCS i livelli misurati dall’IMU e lo stato di avanzamento percentuale di calibrazione

Pianificazione missione

La funzione di pianificazione missione consente la costruzione di un percorso di navigazione attraverso la definizione di una sequenza di punti obbligati di passaggio, i waypoint, oltre al punto di partenza, definito home o launch base.

Il percorso può essere costruito attraverso una interfaccia che offre una vista cartografica sulla quale è possibile definire, alternativamente attraverso le coordinate geografiche o la pressione del tasto sinistro del mouse su uno specifico punto della mappa, i vertici della linea spezzata che rappresenta il percorso che il velivolo seguirà durante il volo.

È possibile definire una altitudine predefinita o specificarne una per ciascun waypoint.

I waypoint hanno un’area di tolleranza nell’intorno del punto specificato dalle coordinate geografiche, tale area consente al drone di considerare valido il waypoint anche se le coordinate del punto non sono state raggiunte.

Le missioni pianificate possono essere memorizzate e ricaricate all’occorrenza.

Una volta configurata la missione, questa viene trasferita al drone che resta in attesa del “lancio”.

Missione di mappatura

Un particolare tipo di missione è quella dedicata alla mappatura di una specifica area, con una specifica disposizione dei waypoint mirata ad ottenere un percorso di volo a griglia.

Per le missioni di mappatura è possibile, definita l’area, creare automaticamente i waypoint sulla mappa e successivamente configurare ciascun waypoint, ad esempio modificandone l’altitudine.

È possibile inoltre configurare le impostazioni di ripresa della video camera che saranno impiegate durante la missione per il campionamento di immagini e audio/video.

Modalità guidata

La Flight Control Platform, oltre alla definizione di piani di volo, la modalità di volo guidato.

Tale modalità consente di utilizzare una vista cartografica per gli spostamenti del drone attraverso la definizione point-and-click ed in tempo reale della destinazione.

Durante il volo guidato è possibile utilizzare la video camera per il campionamento di immagini e audio/video.

Dashboard di volo

Durante lo svolgimento di una missione è possibile visualizzare attraverso la dashboard di volo le informazioni ricevute a mezzo telemetria, monitorando:

• Velocità
• Errori di crosstrack e turn rate
• Direzione di puntamento
• Angoli di inclinazione
• Stato della radio telemetria
• Tempo GPS
• Coordinate GPS
• Altitudine
• Stato della batteria
• Orizzonte artificiale
• Waypoint corrente e distanza da prossimo waypoint
• Modalità di volo corrente

Attraverso la dashboard è possibile seguire in tempo reale su di una vista cartografica la navigazione del drone rispetto al piano di volo configurato, ed è possibile inoltre ricevere in tempo reale le eventuali immagini e/o flussi audio/video ripresi dalla camera.