Guida all’Assemblaggio di un drone quadcopter con Pixhawk 2.4.8

TELAIO

Un aspetto cruciale nella scelta del telaio è la sua dimensione, spesso indicata da termini come F450, F250, F650, ecc. Questa terminologia si riferisce alla distanza diagonale tra i motori del drone, misurata in millimetri. Ad esempio:

• F250: Questo telaio ha una distanza diagonale di 250 mm tra i motori. È un telaio di dimensioni ridotte, spesso utilizzato per i droni da corsa o per quelli destinati a voli brevi e manovre agili.
• F450: Con una distanza di 450 mm, questo telaio è di dimensioni medie. È una scelta popolare per i droni da hobby e per quelli utilizzati in fotografia e videografia aerea, grazie al suo equilibrio tra dimensioni e capacità di carico.
• F650: Questo telaio, con una distanza di 650 mm tra i motori, è più grande e può sostenere carichi più pesanti. È ideale per applicazioni professionali, come la mappatura aerea o la consegna di piccoli pacchi.

MOTORI

• Brushless vs. Spazzole:
  • I motori per droni si dividono principalmente in due categorie: con spazzole e brushless (senza spazzole). I motori con spazzole utilizzano spazzole fisiche per trasferire corrente al rotore. Questi motori sono meno efficienti e richiedono più manutenzione. Al contrario, i motori brushless utilizzano un sistema elettronico per controllare la rotazione, offrendo maggiore efficienza, durata e minori necessità di manutenzione. Di conseguenza, i motori brushless sono diventati la scelta standard per i droni.
• Colori delle Blocca Propellers:
  • Durante l’installazione dei motori, è cruciale assicurarsi che le eliche siano montate nella direzione corretta per garantire un volo stabile. Molti motori brushless sono dotati di blocca propellers (o bulloni) colorati per facilitare questo processo. Ad esempio, colori come il rosso o il blu possono indicare direzioni di rotazione specifiche, come oraria o antioraria. Seguire questi indicatori colorati durante l’installazione aiuta a garantire che le eliche girino nella direzione corretta.
• Tre Cavi di un Brushless:
  • A differenza dei motori tradizionali con due cavi, i motori brushless sono caratterizzati da tre cavi. Questi cavi formano collegamenti tra il motore e l’ESC (Electronic Speed Controller). L’ESC invia sequenze di corrente attraverso questi cavi, controllando la rotazione del motore senza la necessità di spazzole. Se, dopo l’installazione, si nota che il motore gira nella direzione sbagliata, è possibile invertire la direzione semplicemente scambiando due dei tre cavi.
• Significato di KV:
  • Il valore KV di un motore indica il numero di giri al minuto (RPM) che il motore effettuerà per ogni volt (V) di tensione applicata, in assenza di carico. Ad esempio, un motore con una specifica di 1100KV girerà a 1100 RPM per ogni volt di tensione fornito. In pratica, un valore KV più alto indica che il motore girerà più velocemente ma con meno coppia, mentre un valore KV più basso indica una rotazione più lenta ma con maggiore coppia. La scelta del valore KV appropriato dipende dalla specifica applicazione del drone e dalle esigenze di volo.

ELICHE

• CW e CCW: Le eliche si distinguono in due tipi principali basati sulla loro direzione di rotazione: CW (Clockwise, ovvero in senso orario) e CCW (Counter-Clockwise, ovvero in senso antiorario). Questa distinzione è essenziale perché un drone tipicamente utilizza una combinazione di eliche CW e CCW per bilanciare la spinta e prevenire una rotazione indesiderata del drone.
  • CW (Clockwise): Queste eliche girano in senso orario. Sono spesso contrassegnate con un segno “+” o un colore specifico (ad esempio, rosso) sulla blocca propeller o sul bullone di montaggio.
  • CCW (Counter-Clockwise): Queste eliche girano in senso antiorario. Sono spesso contrassegnate con un segno “-” o un colore diverso (ad esempio, nero) sulla blocca propeller o sul bullone di montaggio.
• Importanza della Direzione: La direzione di rotazione delle eliche è fondamentale per la stabilità del drone. Se tutte le eliche girassero nella stessa direzione, il drone inizierebbe a ruotare su se stesso a causa della forza di reazione. Avere eliche che girano in direzioni opposte bilancia queste forze e permette al drone di volare stabilmente.

ESC

• Funzionamento tramite PWM: L’ESC non regola semplicemente la corrente che va ai motori; piuttosto, utilizza segnali PWM (Pulse Width Modulation) per determinare la velocità del motore. Il PWM funziona variando la larghezza dell’impulso di un segnale periodico, determinando così la potenza fornita al motore. In termini semplici, varia la durata dell'”accensione” e dello “spegnimento” in un ciclo per controllare la velocità del motore. Il controllore di volo invia questi segnali PWM all’ESC, che a sua volta interpreta questi segnali e fornisce la potenza appropriata ai motori.
• Valori 20A, 30A, ecc.: Questi valori rappresentano la corrente massima, in Ampere (A), che l’ESC può gestire. È fondamentale scegliere un ESC basato sulla corrente massima che i motori potrebbero richiedere. Ad esempio, un ESC da 20A può gestire una corrente continua massima di 20 Ampere.
  • 20A: Adatto per droni leggeri o con motori meno esigenti in termini di potenza.
  • 30A: Comunemente utilizzato in droni di dimensioni medie con motori più potenti.
  • Valori superiori (40A, 50A, ecc.): Indicati per droni più grandi o con motori ad alta potenza.
• Importanza della Scelta Corretta: La scelta di un ESC appropriato è vitale. Un ESC inadatto può portare a prestazioni subottimali o, nel peggiore dei casi, a danni ai componenti.

CENTRALINA

• Funzioni Principali:
  • Stabilizzazione: Utilizzando i dati dai sensori integrati, come accelerometri e giroscopi, la Centralina assicura che il drone mantenga un volo stabile, compensando automaticamente eventuali movimenti indesiderati.
  • Interpretazione dei Comandi: Riceve segnali dal radiocomando o da altri dispositivi di input e li traduce in comandi specifici per i motori e altri componenti.
  • Navigazione: In combinazione con dispositivi come GPS e magnetometri, la Centralina può guidare il drone lungo percorsi predeterminati, mantenere una posizione fissa o tornare automaticamente al punto di partenza.
  • Gestione dei Sensori: Oltre ai sensori di base, molte Centraline possono essere collegate a ulteriori sensori, come altimetri, sonar o sensori di evitamento degli ostacoli, per migliorare le capacità e la sicurezza del drone.
• Configurabilità: La maggior parte delle Centraline moderne offre ampie possibilità di configurazione. Gli utenti possono regolare le impostazioni, come la sensibilità dei comandi o i limiti di altezza e distanza, attraverso software dedicati. Questa personalizzazione permette di adattare il comportamento del drone alle esigenze specifiche dell’utente.
• Connettività: Le Centraline sono dotate di vari connettori e porte per interfacciarsi con altri componenti, come ESC, riceventi, moduli telemetrici e sistemi di videocamera. Questa modularità permette di espandere e migliorare le capacità del drone.
• Sicurezza: Molte Centraline includono funzioni di sicurezza, come il ritorno automatico al punto di partenza in caso di perdita del segnale o la possibilità di atterrare automaticamente se la batteria è quasi scarica.

IMU

• Componenti Principali:
  • Accelerometro: Misura l’accelerazione lineare in tre direzioni (asse X, Y e Z). Può rilevare movimenti come l’ascensione, la discesa e gli spostamenti laterali del drone.
  • Giroscopio: Misura la velocità angolare, ovvero la velocità con cui il drone ruota attorno ai suoi assi. Esso aiuta a mantenere il drone stabile, prevenendo rotazioni indesiderate.
  • Bussola (Magnetometro): Misura l’orientamento del drone rispetto al campo magnetico terrestre, funzionando come una bussola elettronica. È particolarmente utile per la navigazione e per mantenere una direzione costante.
• Funzionamento: L’IMU raccoglie continuamente dati dai suoi sensori e li invia al Flight Controller. Questi dati vengono utilizzati per calcolare la posizione esatta, l’orientamento e la velocità del drone. Se, ad esempio, una raffica di vento sposta il drone, l’IMU rileva immediatamente questo cambiamento e il Flight Controller può correggere la posizione del drone in tempo reale.
• Calibrazione: È essenziale che l’IMU sia calibrata correttamente per garantire letture accurate. Una calibrazione imprecisa può portare a comportamenti instabili o imprevedibili del drone. La calibrazione si effettua solitamente attraverso il software del drone, seguendo procedure specifiche che possono includere la rotazione del drone in varie posizioni.
• Importanza nel Volo Stabile: Senza un’IMU funzionante e ben calibrata, il volo stabile e controllato di un drone sarebbe quasi impossibile. L’IMU compensa continuamente le variazioni esterne, come le raffiche di vento, garantendo che il drone rimanga dove dovrebbe.

• GPS (Global Positioning System):
  • Funzione: Il GPS è un sistema satellitare che fornisce informazioni sulla posizione geografica (latitudine, longitudine e altitudine) del drone in tempo reale. Utilizza segnali da una rete di satelliti per triangolare la posizione esatta del drone sulla Terra.
  • Importanza: Il GPS è fondamentale per molte funzioni avanzate dei droni, come il volo autonomo, il ritorno automatico al punto di partenza (Return to Home) e la creazione di percorsi di volo predefiniti.
  • Precisione: La precisione del GPS può variare in base al numero di satelliti disponibili e alla qualità del segnale. Alcuni droni sono dotati di GPS dual-band o sistemi GNSS (Global Navigation Satellite System) che utilizzano più reti satellitari per una maggiore precisione.
• MAGNETOMETRO:
  • Funzione: Il Magnetometro, spesso integrato nell’IMU, funziona come una bussola elettronica, misurando l’orientamento del drone rispetto al campo magnetico terrestre.
  • Importanza: Mentre il GPS dice al drone dove si trova, il Magnetometro dice al drone in quale direzione sta guardando o muovendosi. Questo è particolarmente utile per mantenere una direzione costante durante il volo e per funzioni come il “seguimi” (Follow Me).
  • Calibrazione: Il Magnetometro può essere influenzato da interferenze magnetiche, come quelle prodotte da strutture metalliche o apparecchiature elettroniche. Pertanto, è essenziale calibrarlo regolarmente, specialmente se si vola in nuove aree. La calibrazione si effettua solitamente attraverso il software del drone, seguendo procedure specifiche.
• Interazione tra GPS e Magnetometro: Insieme, il GPS e il Magnetometro permettono al drone di sapere esattamente dove si trova e in quale direzione sta andando. Questa combinazione è fondamentale per la navigazione precisa, soprattutto in modalità di volo autonomo.

PMB

• Funzioni Principali:
  • Distribuzione di Energia: La PMB prende energia dalla batteria principale e la distribuisce ai vari componenti del drone, come motori, ESC, luci LED, e altri sistemi elettronici.
  • Regolazione di Tensione: Alcune PMB sono dotate di regolatori di tensione integrati che forniscono tensioni specifiche richieste da determinati componenti. Ad esempio, mentre i motori potrebbero richiedere la tensione completa della batteria, altri componenti come il controllore di volo o la telemetria potrebbero richiedere tensioni ridotte.
• Design e Layout:
  • Connettori: La PMB ha tipicamente una serie di connettori o pad saldanti designati per ogni componente. Questi connettori sono chiaramente etichettati per evitare errori durante il collegamento.
  • Forma e Dimensione: La forma e le dimensioni della PMB sono spesso progettate per adattarsi specificamente ai telai dei droni, permettendo un’installazione pulita e ordinata.
• Protezione e Sicurezza:
  • Fusibili: Alcune PMB includono fusibili o altri sistemi di protezione per prevenire cortocircuiti o sovraccarichi, proteggendo così i componenti elettronici da potenziali danni.
  • Indicatori LED: Molti PDB sono dotati di LED che indicano lo stato di funzionamento, aiutando gli utenti a identificare problemi o confermare che l’energia viene distribuita correttamente.
• Caratteristiche Aggiuntive: Alcune PMB avanzate possono includere funzionalità aggiuntive come circuiti di filtraggio per ridurre il rumore elettronico, punti di connessione per telemetria o altri sensori, o addirittura sistemi di OSD (On-Screen Display) integrati.

• Funzioni Principali:
  • Trasmissione di Dati: Questi sistemi inviano e ricevono dati in tempo reale tra il drone e il pilota o l’operatore. Questi dati possono includere informazioni sullo stato del volo, la posizione GPS, la velocità, l’altitudine, la salute della batteria e altri parametri critici.
  • Controllo a Distanza: Oltre alla trasmissione di dati, il Datalink permette anche il controllo remoto del drone, permettendo al pilota di inviare comandi e ricevere feedback.
• Telemetria:
  • Monitoraggio in Tempo Reale: La telemetria fornisce un flusso continuo di informazioni dal drone all’operatore, permettendo un monitoraggio in tempo reale delle condizioni e delle prestazioni del drone.
  • Registrazione dei Dati: Molti sistemi di telemetria registrano i dati del volo, permettendo un’analisi post-volo. Questo può essere utile per la manutenzione, la risoluzione dei problemi o l’ottimizzazione delle prestazioni.
• Datalink:
  • Comunicazione Bidirezionale: Mentre la telemetria è spesso una comunicazione unidirezionale (dal drone all’operatore), il Datalink permette una comunicazione bidirezionale, consentendo sia la trasmissione di dati che la ricezione di comandi.
  • Protocolli e Frequenze: Esistono vari protocolli e frequenze utilizzati nei sistemi Datalink, e la scelta dipende da fattori come la distanza operativa desiderata, la resistenza alle interferenze e le normative locali.
• Importanza per la Sicurezza:
  • Allarmi e Avvisi: Grazie alla telemetria, l’operatore può ricevere allarmi in tempo reale in caso di problemi, come una batteria scarica o una perdita di segnale, permettendo interventi tempestivi.
  • Ritorno al Punto di Partenza: In caso di perdita di segnale o altri problemi, la telemetria e il Datalink possono essere utilizzati per attivare funzioni di sicurezza come il ritorno automatico al punto di partenza.

RICEVENTE

• Funzioni Principali:
  • Ricezione dei Comandi: La Ricevente capta i segnali inviati dal radiocomando e li trasmette al Flight Controller (o Centralina) del drone, permettendo al pilota di controllare il volo, la direzione, l’altitudine e altre funzioni del drone.
  • Comunicazione Bidirezionale: Mentre la funzione principale è ricevere comandi, alcune Riceventi moderne possono anche inviare dati al radiocomando, fornendo feedback in tempo reale sullo stato del drone, come la carica della batteria o il segnale GPS.
• Canali:
  • Una Ricevente può avere vari canali, con ciascun canale che controlla una funzione specifica del drone. Ad esempio, un canale potrebbe controllare l’ascensione e la discesa, mentre un altro potrebbe gestire la rotazione. Il numero di canali determina la complessità e la versatilità del controllo che un pilota può avere sul drone.
• Protocolli e Frequenze:
  • Esistono diversi protocolli di comunicazione e frequenze utilizzate dalle Riceventi, e la scelta dipende da fattori come la compatibilità con il radiocomando, la distanza operativa desiderata e le normative locali. È essenziale che la Ricevente e il radiocomando utilizzino lo stesso protocollo per garantire una comunicazione fluida e senza interferenze.
• Bind e Sicurezza:
  • Bind: Per garantire una comunicazione sicura e priva di interferenze, la Ricevente deve essere “legata” (o “bindata”) al radiocomando specifico. Questo processo garantisce che la Ricevente comunichi solo con quel particolare radiocomando.
  • Fail-Safe: Molte Riceventi hanno una funzione di fail-safe che viene attivata in caso di perdita del segnale dal radiocomando. Questa funzione può far atterrare il drone in modo sicuro o farlo tornare al punto di partenza.
• Alimentazione e Installazione:
  • La Ricevente è alimentata dalla batteria principale del drone attraverso il sistema di distribuzione energetica. Deve essere posizionata in un luogo protetto sul drone, lontano da possibili interferenze e con le antenne ben orientate per garantire una ricezione ottimale del segnale.

BATTERIA

• Tipologia:
  • LiPo (Polimero di Litio): Le batterie LiPo sono le più comuni nei droni per la loro capacità di fornire alti livelli di corrente, essenziali per alimentare i motori ad alta potenza. Sono leggere e possono essere prodotte in diverse forme e dimensioni.
• Capacità (mAh):
  • Significato: “mAh” sta per milliampere-ora e indica la capacità di carica della batteria. In pratica, rappresenta la quantità di corrente che una batteria può fornire in un’ora.
  • Impatto sul Volo: Una batteria con una capacità maggiore (ad esempio, 6000mAh rispetto a 4000mAh) può alimentare un drone per un periodo di tempo più lungo, estendendo la durata del volo. Tuttavia, batterie con capacità maggiori sono spesso più pesanti, il che potrebbe influenzare le prestazioni di volo.
• Numero di Celle (S):
  • Significato: “S” sta per serie e indica il numero di celle all’interno della batteria. Ad esempio, una batteria 2S ha due celle collegate in serie, mentre una 4S ne ha quattro.
  • Tensione: Ogni cella di una batteria LiPo ha una tensione nominale di 3,7V. Pertanto, una batteria 2S avrà una tensione totale di 7,4V (2 x 3,7V), mentre una 4S avrà 14,8V (4 x 3,7V).
  • Impatto sul Volo: Il numero di celle influisce sulla potenza complessiva della batteria e, di conseguenza, sulle prestazioni del drone. Un drone progettato per una batteria 3S potrebbe non funzionare correttamente o in modo sicuro con una 4S, a meno che non sia specificamente progettato per gestire la tensione aggiuntiva.
• Cura e Manutenzione:
  • Le batterie LiPo sono sensibili e richiedono una cura particolare. Devono essere caricate con caricatori specifici e conservate in uno stato di carica parziale quando non utilizzate per lunghi periodi.
  • È essenziale evitare di scaricare completamente una batteria LiPo, poiché ciò potrebbe danneggiarla in modo irreversibile.
  • Le batterie danneggiate o gonfie devono essere smaltite in modo sicuro e non utilizzate.

PAYLOAD

• Tipi Comuni di Payload:
  • Fotocamere: Sono tra i payload più comuni e possono variare da semplici fotocamere per riprese aeree a fotocamere ad alta risoluzione per la mappatura e la sorveglianza.
  • Sensori: Questi possono includere sensori termici, multispettrali, LIDAR e altri, utilizzati per rilevamenti specifici come l’agricoltura di precisione, la ricerca scientifica o la sorveglianza.
  • Illuminazione: Luci potenti possono essere montate su droni per operazioni notturne o in condizioni di scarsa luminosità.
  • Trasmettitori: Per applicazioni come la trasmissione in diretta o la telemetria avanzata.
  • Campioni o Piccoli Carichi: Alcuni droni sono progettati per trasportare e rilasciare piccoli oggetti, come pacchi o campioni scientifici.
• Gimbal:
  • Molti payload, in particolare le fotocamere, sono montati su un dispositivo chiamato gimbal. Il gimbal stabilizza il payload, compensando i movimenti del drone e garantendo che il payload rimanga stabile e orientato correttamente. Questo è particolarmente utile per ottenere immagini chiare e stabili durante il volo.
• Impatto sulle Prestazioni del Drone:
  • Il peso e le dimensioni del payload influenzano direttamente le prestazioni del drone, come la durata del volo, la stabilità e la manovrabilità. È essenziale assicurarsi che il drone sia in grado di gestire il peso del payload e che il centro di gravità rimanga bilanciato.
  • Alcuni droni sono progettati specificamente per trasportare payload pesanti, mentre altri sono più adatti a carichi leggeri.
• Considerazioni di Sicurezza:
  • Quando si monta un payload su un drone, è fondamentale assicurarsi che sia fissato saldamente e in modo sicuro. Un payload che si stacca o si sposta durante il volo può causare instabilità o, nel peggiore dei casi, un incidente.
  • È anche importante considerare le normative locali o nazionali relative al trasporto di determinati tipi di payload, in particolare se includono materiali pericolosi o sensibili.

PPM Encoder

• PPM (Pulse Position Modulation) è un protocollo utilizzato per trasmettere segnali analogici in forma digitale. Un encoder PPM converte più canali PWM (Pulse Width Modulation) in un singolo segnale PPM. Questo è particolarmente utile nelle applicazioni di radiocomando, dove si desidera trasmettere più canali attraverso un singolo filo.
• Spesso utilizzato in sistemi di radiocomando per droni, elicotteri e altri veicoli radiocomandati.
•  Molti encoder PPM utilizzano un’interfaccia I2C per la comunicazione.

Buzzer

Modulo OLED o Mini Osd (On Screen Dispaly)

SD

Modulo Alimentazione

Trasmettitore video

Camera