Tipi di Droni e quali aspetti considerare per costruirne uno

I Droni o UAV (Unmanned Aerial Vehicle) sono aerei senza pilota e senza passeggeri a bordo in grado di volare autonomamente. Il controllo dei droni viene eseguito da remoto, tramite comandi inviati via radio o in modo autonomo (a percorso predeterminato). I droni non hanno una dimensione o un tipo specifico di guida. Spesso sono dotati di accessori utilizzati per la sorveglianza e il monitoraggio mediante l’impiego di sistemi optoelettronici di rilevamento. La caratteristica più importante dei droni è che non necessitano di ulteriori infrastrutture per registrare e monitorare un oggetto o un’area designata. Un vantaggio significativo è il tempo di reazione estremamente breve quando si tratta di mettere in servizio e preparare il sistema di volo.

I precursori degli UAV sono velivoli utilizzati principalmente nell’esercito e nella polizia. I primi paesi che hanno iniziato le ricerche sugli UAV sono stati gli Stati Uniti, il Regno Unito, Russia, Germania e Israele. In tempo di guerra venivano usati come bombe volanti. In epoca più recente gli UAV sono stati utilizzati in ambito civile nell’agricoltura e nel monitoraggio delle foreste.

I droni per uso civile differiscono dai droni militari per le dimensioni e la potenza. I droni civili sono più piccoli e sono azionati da motori elettrici, mentre quelli militari sono azionati da un motore a combustione interna. Entrambe le tipologie di droni sono principalmente impiegati per fotografare e filmare, ma i droni militari possono essere impiegati prevalentemente in missioni di guerra. Riguardo la costruzione del drone, gli elementi più importanti sono: il telaio, le eliche, il motore, il sistema di alimentazione, il controllo elettronico di guida del volo e il sistema di comunicazione. Il sistema di alimentato a batterie è il principale svantaggio di un drone, in quanto l’autonomia di volo si esaurisce abbastanza rapidamente. In generale, i droni possono essere utilizzati nei servizi di pubblica utilità: nelle attività anticrimine della polizia, per i vigili del fuoco nel monitoraggio per la prevenzione incendi, nei sistemi di vigilanza delle guardie di frontiera; i droni possono essere utilizzati dall’esercito e anche nell’industria. Il pericolo principale dell’utilizzo dei droni è di schiantarsi al suolo per varie cause come l’esaurimento delle batterie, danni strutturali causati dalle condizioni meteorologiche (bassa temperatura dell’aria, precipitazioni) o dall’urto con ostacoli (alberi, edifici, linee elettriche di alta tensione). Attualmente vengono condotti molti progetti relativi allo sviluppo del sistema di alimentazione per droni, come le batterie al grafema, anodi di litio puro e celle a combustibile. Un altro rischio molto importante associato all’ampio uso di droni civili è legato alla privacy e ai diritti dei cittadini.

Costituzione dei droni

Il drone è composto da due sistemi principali:

• Struttura del drone
• Sistema di controllo del volo

Struttura del drone

L’elemento base di un drone è il telaio, generalmente in fibra di carbonio. La classificazione della costruzione del telaio si basa principalmente sul numero di motori. In funzione del numero di motori utilizzati, i droni possono essere suddivisi in:

• Bicotteri o elicotteri – due motori.
• Tricotteri – tre motori.
• Quadricotteri – quattro motori.
• Esacotteri – sei motori.
• Ottocotteri – otto motori.

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Un drone con più eliche consente un volo più stabile e affidabile.

Il sistema di controllo del volo

Le eliche e il motore costituiscono il principale sistema di propulsione di un drone e per questo sono soggetti a carichi elevati, di conseguenza è molto importante nella progettazione e realizzazione di un drone considerarne la durata in piena efficienza. Le eliche, azionate dal motore, eseguono il lavoro di spinta per il sollevamento in aria del velivolo. In relazione alla direzione di volo

i sistemi di eliche e motori possono essere suddivisi nelle seguenti tipologie geometriche:

• A croce (+): delle quattro eliche, una è l’elica principale.
• A ics (X): è la configurazione costruttiva più comune, in cui due eliche sono in testa (con un numero pari di eliche).
• A ipsilon (Y): possono essere una o due le eliche principali.
• A vu (V): è una disposizione molto rara in cui due eliche sono disposte in avanti.
• Ad acca (H): anche questa è una disposizione molto rara che prevede due eliche in testa.

In ciascuna delle configurazioni costruttive delle eliche, possono essere disposte doppie eliche (in alto e in basso) aumentando significativamente la potenza del drone, senza la necessità di un ulteriore elica, consentendo una maggiore capacità di sollevamento anche con un motore parallelo in avaria. Tutto ciò si traduce in una riduzione di peso e di costi del materiale, non essendo necessario l’impiego di motori molto potenti, inoltre, il minor peso consente al drone di poter trasportare un maggior carico. Le doppie eliche ruotano in senso opposto bilanciando tra loro la forza d’inerzia. Le ali dei droni possono essere suddivise anche per modalità di rotazione:

• Senso orario (CW)

• Senso antiorario (CCW)

 

 

Le ali, realizzate in fibra di carbonio, plastica o alluminio, sono fissate l’una all’altra mediante laminazione (utilizzata anche per nire le estremità del drone); ciò garantisce prestazioni ottimali di compromesso tra il peso dell’intera costruzione e robustezza meccanica. Poiché il motore e le eliche devono essere sostituite periodicamente a causa dell’usura, vengono effettuati controlli preventivi periodici. La dimensione delle ali è molto importante poiché maggiore è il diametro dello spazio di rotazione, minore è la velocità di rotazione dell’elica e quindi dei droni. Più grandi sono le pale delle ali, maggiore è la portanza aerodinamica generata; inoltre, aumenta anche la pressione esercitata sul mozzo dell’elica e aumentano le forze che deformano le eliche. Più grandi sono le pale dell’elica, più potente deve essere anche il motore per far fronte alla maggiore coppia necessaria per azionare le eliche. E’ importante bilanciare ogni elica prima dell’uso per minimizzare le vibrazioni generate dal funzionamento sbilanciato del sistema. E’ anche molto importante la scelta ottimale del motore e delle eliche in modo tale che i droni possano il più a lungo possibile sollevare un determinato carico. I motori a spazzole sono usati molto spesso nella costruzione di droni. Tuttavia, le esperienze hanno dimostrato che l’utilizzo di motori senza spazzole migliora la durata, l’efficienza e riduce il consumo delle parti in movimento. Ciò consente un lavoro più duraturo e meno impegnativo dei motori. La potenza di un drone è correlata al tempo di permanenza in volo e dipende sia dal tipo di azionamento che dal tipo di alimentazione. L’utilizzo di un sistema di alimentazione a batterie è il principale svantaggio di un drone poichè le batterie si esauriscono rapidamente durante il volo, provocando una repentina perdita di quota del drone.

L’elettronica di controllo del volo

Il sistema elettronico di controllo o Controller, è responsabile della gestione della direzione e stabilità di volo del drone reagendo alle forze emergenti durante la missione. La maggior parte dei Controller sono dotati dello stesso set di sensori differenziandosi nella velocità di calcolo e negli algoritmi utilizzati. Il Controller è costituito dai seguenti elementi:

• Controllore di volo, si occupa della gestione degli azionamenti di controllo del drone.
• ESC (Electronic Speed ​​Control), è l’unità responsabile della gestione del motore.
• Modulo Sim, consente la trasmissione dei dati di telemetria.
• Telecamera di prossimità, è un elemento del sistema anticollisione.
• Tastiera numerica per l’inserimento dei codici PIN dell’utente.

I controllori ESC dei motori vengono utilizzati per garantire le massime prestazioni e il massimo livello di sicurezza in caso di guasti. Alcuni Controller hanno un’uscita aggiuntiva di tipo BEC (Battery Eliminator Circuits), quindi è possibile alimentare il sistema di controllo anche con basse tensioni (ad esempio con una tensione di 5V e una corrente erogabile di 2A). Ciò fornisce buone condizioni operative del sistema di controllo e una limitata complessità della relativa circuiteria.

Il Controller monitora anche le condizioni della batteria. Quando la tensione della batteria scende al di sotto di una predeterminata soglia, il Controller forza una riduzione del regime di funzionamento del motore, prevenendo il danneggiamento della batteria e garantendo ulteriore sicurezza in caso di avaria della centralina. La programmazione dei Controller viene eseguita utilizzando un’apposita scheda di programmazione grazie alla quale è possibile modificare i parametri dei dispositivi, come il livello delle tensioni e il setup di avvio del motore. Durante il processo di progettazione del Controller, il progettista deve prestare attenzione al corretto dimensionamento del sistema di alimentazione e del sistema di comunicazione. Sensori e convertitori analogico-digitali del Controller misurano il livello delle tensioni di alimentazione e di ogni cella delle batterie, rendendo disponibili le informazioni in forma digitale al Controller per l’elaborazione. Misurando la tensione in ogni cella delle batterie è possibile ottenere in tempo reale informazioni sullo stato di carica della batteria. Per il controllo della velocità di rotazione del motore viene utilizzato un sistema elettronico basato sulla tecnica PWM (Pulse Width Modulation) di modulazione della larghezza di impulso del segnale di controllo. Con questa tecnica, semplicemente variando la larghezza dell’impulso, è possibile ottenere la variazione della tensione media di controllo del motore. La centralina di gestione dei voli deve conoscere in ogni istante la posizione del drone nello spazio, pertanto, il modulo di misura della posizione contenente un giroscopio e un accelerometro, deve comunicare i dati di posizione al Controller. Il giroscopio consente di tracciare il volo del drone e l’accelerometro ne determina il punto di riferimento assoluto mediante il segnale di deriva del modulo. Il controllo del drone viene effettuato variando la velocità dei rispettivi motori. Uno specifico algoritmo di controllo viene utilizzato per stabilizzare in aria il drone. Nelle applicazioni amatoriali e civili, nelle comunicazioni a corto raggio (short range) tra il controller del drone e gli apparati di terra (ad esempio lo smartphone) viene utilizzata la tecnologia radio Bluetooth che consente la trasmissione di dati terra-aria fino a circa 100 metri. Nelle applicazioni per distanze a lungo raggio (long range), le comunicazioni tra il controller del drone e gli apparati di terra vengono effettuate mediante l’impiego di bande di frequenze da 27 MHz a 5 GHz, a differenza dei droni militari che adottano sistemi di comunicazioni a frequenze fino a 18 GHz.

Droni militari vs droni civili.

I droni militari differiscono da quelli civili per dimensioni e sistema di guida. Sono più grandi e sono alimentati da motori a combustione interna.

I Droni civili sono guidati da motori elettrici e generalmente vengono utilizzati per le riprese fotografiche e video. Le batterie con celle ai polimeri di litio possono fornire oltre 5 A/h e un’autonomia di volo continuo di 20/30 minuti, a seconda del carico. Il controllo del volo viene eseguito con un telecomando via radio alle frequenze nella banda fino a 5 GHz. La portata del controllo può essere di qualche centinaio di metri ma può raggiungere anche oltre 1000 metri con l’inserimento di amplificatori di potenza RF. In modalità Wi-Fi, con un telefono o un tablet è possibile modificare da remoto le impostazioni del drone in volo, come la dimensione o la risoluzione del file multimediale registrato, ottenere informazioni sullo stato degli apparati del drone, come lo stato della batteria, la velocità e altitudine. È inoltre possibile anche visualizzare l’anteprima “live” della telecamera, registrare e scaricare video e foto durante il volo. Il software del ricevitore GPS consente di eseguire il ritorno autonomo al punto di partenza del drone in caso di perdita della connessione con il Controller. Il drone riconosce anche le aree in cui sono vietati i voli (ad esempio la prossimità di un aeroporto) e informa il responsabile della missione. In questo tipo di applicazioni di rilevamento aereo, il cuore del drone è una fotocamera ad alta risoluzione. Equipaggiando il drone con una fotocamera e di software appropriato, la telecamera può essere utilizzata per mappare le aree di difficile accesso da terra.

I Droni militari o UCAV (Unmanned Combat Aerial Vehicle) o “Veicolo aereo da combattimento senza pilota”, sono aerei multiruolo con comando remoto terra-aria. Nelle missioni degli UCAV si utilizzano telecamere ad altissima risoluzione, sistemi di termografia e infrarossi. I componenti tipici principali di un drone militare sono i seguenti:

Componenti di bordo

• Motore a quattro cilindri con potenza di oltre 100 cavalli.
• Antenna di comunicazione in banda Ku (frequenze a microonde da 12 a 18 GHz).
• Antenne GPS interne e sistema di navigazione GPS.
• Set di celle a combustibile.
• Set di telecamere ed encoder.
• Trasmettitore, ricevitore e slot per antenna radar.
• Eventuali armamenti.

Componenti di terra

• Stazione di comando terrestre fissa o mobile con antenna di diametro di oltre 5 metri e accessori vari. Consente la comunicazione tra droni e postazione di comando e controllo terrestre.
• Stazione di telemetria ed elaborazione dei dati di volo.
• Impiantistica dei collegamenti degli apparati di terra.

Campi di applicazione dei droni

Le unità aeree senza pilota sono i dispositivi ideali per pattugliare grandi aree, quindi possono essere utilizzati per proteggere la proprietà e per la protezione delle frontiere dello Stato. Possono anche eseguire fotografie aeree utilizzate per geodesia, archeologia, scopi pubblicitari ecc. Con le sue piccole dimensioni ed elevata manovrabilità possono volare tra gli ostacoli e sono anche in grado di volare all’interno di edifici, attraverso i cancelli aperti, finestre e porte. I droni dotati di visione termica e notturna utilizzano telecamere all’infrarosso attivo nelle operazioni di soccorso, pattugliamento di determinate aree urbane e boschive. Le telecamere sono in grado di trasmettere immagine in tempo reale consentendo un immediato intervento dei servizi competenti in caso di emergenza, incidenti o situazioni di crisi. Possono essere usati nei seguenti servizi:

Vigili del fuoco:

• Supporto visivo nelle azioni di prevenzione degli incendi boschivi, negli eventi alluvionali, disastri ferroviari, stradali e aerei.
• Rilevamento termico di immagini delle direzioni di conduzione degli incendi.
• Rilevamento termico di focolai.
• Tracciamento e monitoraggio delle fonti di inquinamento.
• Supporto generale nelle attività di manovra e comando delle operazioni.

Polizia:

• Servizio di comunicazione in caso di disastri.
• Pattugliamento di un’area designata.
• Documentazione visiva sulla congestione del traffico e ingorghi.
• Monitoraggio di eventi popolari di massa.
• Supporto nelle operazioni di inseguimento e perquisizioni.

Guardie di frontiera:

• Monitoraggio delle zone di confine.
• Supporto aereo per il controllo del traffico di frontiera.
• Visualizzazione rapida e mappatura di un’area.
• Rilevazione e monitoraggio di oggetti e sorgenti di inquinamento del terreno e delle acque.
• Tracciamento di soggetti in movimento.

Esercito:

• Ricognizione e sorveglianza di aree.
• Supporto diretto nelle operazioni di combattimento e addestramento.
• Supporto operativo nelle attività di intelligence.
• Tracciamento di un bersaglio in movimento.
• Supporto alle operazioni antiterrorismo.

Industria energetica e chimica:

• Monitoraggio, diagnostica e analisi del livello delle emissioni di gas, fumi e altre sostanze nocive o indesiderabili.
• Rilevamento termico di sorgenti di fuoco.
• Monitoraggio dei processi produttivi, tecnologici e logistici.
• Controllo delle infrastrutture di una determinata area.

Geodesia topografica:

• Visualizzazione e controllo rapido dell’area.
• Mappatura dell’area.

Attività pubblicitarie:

• Registrazione di foto e filmati pubblicitari.
• Volantinaggio aereo di materiale promozionale.
• Consegna rapida delle spedizioni.

Conclusioni

Attualmente, l’uso limitato dei droni è in gran parte correlato al breve tempo di volo a causa del rapido esaurimento della batteria che lo alimenta. Indubbiamente, un altro grosso ostacolo nell’uso dei droni è il rischio di precipitazione accidentale, la tutela della privacy e dei diritti dei cittadini. Sono in corso molti progetti relativi allo sviluppo di sistemi di alimentazione a batteria fra cui il progetto della batteria al grafene. Si distingue per la sua alta velocità di carica, biodegradabilità e leggerezza del materiale. Un altro esempio è l’uso di anodi di litio puro, che possono comportare un aumento della capacità di quattro volte della batteria, mantenendo le stesse dimensioni e peso. Un altro sistema da considerare è di utilizzare motori supplementari a combustione interna o eliche ausiliarie per caricare le batterie durante il volo del drone. Un’alternativa agli accumulatori ai polimeri di litio sono le celle a combustibile in grado di convertire l’energia chimica prodotta direttamente in energia elettrica. Quindi la cella funziona fintanto che viene fornito il carburante (tipicamente idrogeno) e un ossidante (solitamente ossigeno dall’aria). Il sistema delle celle a combustibile pesa 3/4 volte di meno della batteria agli ioni di litio con parametri funzionali simili. Per questi motivi vengono effettuati tentativi di sostituzione degli accumulatori tradizionali (ad esempio ai polimeri di litio) con celle a combustibile, nel tentativo di prolungare quanto più possibile il tempo di volo dei droni.

 

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