quadricottero - ElettronicaIn

QUADRICOTTERO
OPEN SOURCE
dell’Ing. MIRCO SEGATELLO
Multirotore ad elevate prestazioni
realizzabile con una base già pronta e una
scheda basata su Arduino Mega, che può
ricevere i comandi da un radiocomando
per aeromodelli e supporta la telemetria
tramite smartphone. Prima puntata.
O
ggigiorno si fa
un gran parlare
di droni, utilizzando
questo termine nel
modo in cui è stato
assimilato dal grosso
pubblico, un po’ come
quarant’anni fa la sigla
TIR venne associata ad
autotreni e autoarticolati: per tanti, il drone
è in realtà il multicottero, “incarnato” nella
forma più comune che
è il quadricottero. Un
drone è genericamente
un robot, ma le notizie
dai più recenti scenari
di guerra ci hanno abituati a chiamare così i
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Maggio 2016 ~ Elettronica In
Top Project
velivoli capaci di volare
senza pilota o di volo
autonomo. Il termine
drone è inglese e tradotto in italiano significa
fuco, ovvero il maschio
delle api, coniato per
via della somiglianza
dei primi velivoli droni
con l’insetto. La relativa tecnologia è nata,
come tante, per scopi
militari, ma è diventata
disponibile a tutti ed
è finita per diventare
un fatto commerciale, passando sotto il
termine più generico di
UAV(Unmanned Aerial
Vehicle = velivoli senza
pilota). Come tutti i
fenomeni commerciali è
scivolata nel consumer,
con i “giocattoli” che
hanno invaso gli store
di tutto il mondo. Le
applicazioni per impieghi civili sono oggigiorno molteplici: dalla
videosorveglianza, alle
riprese video in zone
non accessibili all’uomo,
sino all’analisi delle colture agricole per mezzo
di speciali videocamere.
Adesso è anche possibile fare rilevi in 3D
di un intero territorio
ed è diventato un utile
strumento anche per la
protezione civile.
L’interesse verso questi
velivoli e soprattutto i
radiomodelli del genere,
ci ha spinti a proporre
non una recensione
di un prodotto commerciale, ma un progetto vero e proprio di
quadricottero, ossia un
radiomodello dotato di
quattro eliche disposte
ai vertici di una croce,
azionate ognuna da un
motore elettrico, il tutto
governato da un’elettronica di cui in queste
pagine vi descriveremo
lo schema elettrico e la
costruzione.
COME VOLA
IL QUADRICOTTERO
Nel corso dell’articolo
faremo riferimento a
termini specifici e a
concetti propri del volo
dei quadricotteri, quindi prima di analizzare
l’hardware vi introduciamo ai principi basilari di tale affascinante
tecnica. Partiamo dalla
teoria degli elicotteri,
dove c’è un rotore per
l’elevazione e l’avanzamento; per bilanciare la
spinta contro-rotante
del rotore si usa un rotore di coda, il cui scopo
è evitare che l’elicottero
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Terminologia del volo
PITCH: rappresenta il beccheggio, ovvero l’oscillazione sull’asse trasversale.
ROLL: detto anche rollio, è il termine usato per definire la rotazione del modello
sul proprio asse longitudinale.
YAW: rotazione di coda, cioè la rotazione del modello sul proprio asse verticale.
PASSO: indica l’inclinazione della pala dell’elica rispetto il piano di rotazione.
CLASSE: indica la categoria a cui appartiene il quadricottero, identificata dalla
distanza in diagonale tra due motori in millimetri.
ESC: acronimo di electronic speed controller ovvero il driver di potenza per
i motori brushless.
BEC: acronimo di battery eliminator circuit indica che l’ESC è fornito di regolatore
di tensione interna.
PDB: acronimo di power distribution board ovvero lo stampato usato per portare
l’alimentazione della batteria a tutti gli ESC.
MODE2: modalità di utilizzo del telecomando con gas e yaw a sinistra ed il controllo
pitch e roll sulla destra.
MODE1: modalità di utilizzo del telecomando con gas e yaw a destra e pitch e roll
sulla sinistra.
BIND: indica l’associazione tra il telecomando ed il ricevitore in apparati radio RC.
PID: indica la terna dei parametri proporzionale, integrativo e derivativo di
un controllo.
ruoti su se stesso. Esistono poi gli
elicotteri militari a due rotori (il
Chinook) in cui la spinta controrotante delle due pale si annulla a
vicenda perché una gira in senso
orario e una in senso antiorario.
In questi esempi lo spostamento
in verticale del velivolo avviene
variando il passo dell’elica; quello sul piano orizzontale si ottiene
inclinandolo nella direzione in
cui si vuole che l’elicottero vada.
Alcuni anni addietro andavano di
moda alcuni elicotteri giocattolo
che avevano due eliche principali
coassiali e contro-rotanti, molto
stabili proprio grazie al bilanciamento delle spinte di rotazione
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delle due pale. Il baricentro
molto più in basso delle eliche
permetteva un’intrinseca stabilità
di volo, senza utilizzare complesse elettroniche.
Poi sono arrivati i multirotori, i
quali, grazie ad un sofisticato
controllo elettronico, hanno
ridotto enormemente la complessità meccanica degli elicotteri,
ottenendo anche prestazioni
migliori in fatto di volo.
Con l’avvento di moduli inerziali (IMU) sempre più sofisticati
(ma economici) è stata possibile
anche a semplici hobbisti la
realizzazione di quadricotteri,
dando il via ad un fenomeno
che ha portato all’invasione del
mercato da parte di tanti prodotti
da autocostruire o già pronti al
volo. È stata proprio la proliferazione incontrollata a richiedere
l’emenazione di una normativa
che regolamenti l’utilizzo dei
multirotori.
Nel nostro quadricottero, due
eliche ruotano in senso orario e
due in senso antiorario, in modo
da bilanciare il moto di controrotazione; i sensori a bordo della
scheda di controllo forniranno
informazioni sull’assetto di volo,
permettendo di comandare la potenza di ogni singolo motore, in
modo da farlo rimanere perfettamente stabile. Fornendo maggiore potenza ai motori di destra il
quadricottero andrà a sinistra e
viceversa spingendo maggiormente i motori di sinistra, il che
permette di traslare il multirotore
in qualsiasi direzione. Se forniamo maggiore potenza alle eliche
che ruotano in senso orario e
contemporaneamente togliamo
potenza ai motori di quelli delle
eliche che ruotano in senso antiorario, facciamo in modo che il
quadricottero non vari di altezza
ma ruoti su sè stesso.
LA SCHEDA DI CONTROLLO
Per gestire i motori del quadricottero abbiamo realizzato una
scheda di controllo generica
per multirotori (e modelli RC in
generale) che abbiamo chiamato
Fly Control Board e che supporta software di comando come
MultiWii e MegaPirateNG. Le
caratteristiche della nostra scheda sono:
• microcontrollore ATMega
2560;
• supporto per firmware MegaPirateNG e MultiWii;
• fino a otto uscite per motori;
• 8 ingressi per ricevitori RC
standard e compatibile con
ricevitori PPM;
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