Multicopter flying drone: cosa sono ?

E’ stata la guerra in Afghanistan ad aver sdoganato i “droni”, oggetti volanti telecomandanti a distanza che venivano utilizzati per azioni incursive e di ricerca sul territorio.

Mi tornano in mente le immagini che vedevano il pilota, comodamente seduto nella cabina di pilotaggio del “drone”, a migliaia di km di distanza, che lanciava un missile contro una abitazione di legno e fango in Afghanistan, uccidendone gli occupanti. Come in un videogioco, solo che il sangue è reale.

E’ chiaro che non voglio parlare di queste macchine da guerra volanti: lungi da me anche solamente simpatizzare per un atto barbaro come la guerra ! Tuttavia è innegabile che, purtroppo, quando si tratta di combattere l’uomo scatena fuori una creatività fuori dal comune, riuscendo spesso a far compiere passi da gigante all’evoluzione tecnologica : pensiamo alla seconda guerra mondiale ed ai missili V2, il sonar, la fissione nucleare, il Colossus…

Senza “deragliare” troppo dall’argomento iniziale, il fascino del drone è poter comandare un oggetto a distanza. Nulla di nuovo per gli appassionati di aeromodellismo, abituati come sono a comandare i loro modelli volanti da terra, ma la vera innovazione di questi droni è il connubio con l’alta tecnologia installata all’interno degli stessi: veri e propri computer che, dotati di sensori quali giroscopi, accelerometri, barometri, altimetri, gps …stabilizzano e -volendo- pilotano il nostro modello volante !

E’ stato un caso che mi avvicinassi a questo mondo: un amico, nello spogliatoio dopo l’allenamento, me ne ha parlato come una nuova “fissa” di alcuni suoi colleghi che da qualche mese non parlavano di altro, paventando la possibilità di auto costruirsi un quadricottero volante.

Tornato a casa, comodamente spaparanzato sul divano, è bastato digitare su Google “dyi drone” per scoprire un universo fatto di centinaia di appassionati che tra hardware e software costruiscono e sperimentano modelli volanti capaci di azioni incredibili: acrobazie, videosorveglianza, esplorazione, ricerca…

La mia attenzione si è concentrata subito sui multicotteri, oggetti volanti a 4 o più eliche che sono in grado di restare sospesi nell’aria e di muoversi in ogni direzione semplicemente cambiando la velocità di rotazione delle eliche. Il vantaggio costruttivo di questi multicotteri è dato dal fatto che non sono necessarie particolari attenzioni “aerodinamiche” come per gli aerei o complicati escamotages come per gli elicotteri: basta una struttura ad almeno 4 bracci simmetrica e sufficientemente resistente, 4 motori ed un controller di volo…

Un interessante articolo tecnico sui multicotteri, in lingua inglese, lo trovate qui: What is a MultiCopter and How Does it Work

Beh, ma non è proprio tutto qui: in realtà ho semplificato molto, poiché per sollevare strutture del peso di diverse centinaia di grammi servono strutture robuste e motori particolarmente potenti.

E qui si apre un mondo nuovo…

Iniziamo dai motori: si tratta ovviamente di motori elettrici ad altissime prestazioni, brushless (senza spazzole), con consumi di energia fino a diverse decine di Amperé.

Ad esempio, sul sito di Hobbyking (uno dei più famosi rivenditori) si trovano motori da oltre 1200 rpm, in grado di “tirare”, con apposite eliche, fino ad oltre 1 kg di peso…

Questi motori, avendo caratteristiche costruttive simili ai passo-passo, devono essere pilotati da speciali dispositivi chiamati ESC (Electronic Speed Control) che ne gestiscono sia il senso di rotazione che la velocità. Gli ESC devono essere dimensionati sulla potenza (assorbimento) del motore ed oltre a 3 fili di uscita (verso il motore) e 2 fili di entrata (la batteria), hanno ulteriori fili verso la scheda elettronica di controllo:

Elecronic Speed Control

Gli ESC utilizzati per i multicotteri sono dei veri e propri microcomputer con tanto di microprocessore e relativo firmware (il più famoso è il SimonK) di controllo.

A questo punto due parole sulle batterie, che sono anch’esse particolari: la tecnologia utilizzata è la LiPo (Lithium Polimer – Polimeri di Litio), nata da ricerche segrete militari russe degli anni ’60, che permette di avere batterie piccole capaci di erogare potenze molto alte. Per contro, queste batterie sono molto “sensibili” alle correnti di ricarica e si incendiano violentemente se non correttamente collegate:

Ricapitolando, la lista della spesa minima per un drone volante è:

• struttura (frame)
• motori
• ESCs
• eliche (propulsori)
• batteria
• controllore

Fortunatamente, per noi principianti, esistono in commercio kit RTF (Ready-To-Fly) o ARF (Almost-Ready-to-Fly) che semplificano di molto tutte le necessarie considerazioni tecniche per la scelta degli elementi: in questi kit sono già contenuti tutti gli elementi necessari, demandando all’utente solamente la pazienza e la capacità di assemblarli. Un esempio di kit ARF che mi aveva attirato la curiosità è quello della DJI F450 che per una cifra intorno ai 200€ (dipende dal venditore) include:

• Frame da 450 mm di diametro (peso 282g)
• 4  ESC 30 Amp Opto
• 4 motori 2212
• 4 eliche.

Preciso che non ho alcun contratto o accordo commerciale/pubblicitario con la DJI Innovations: semplicemente, a torto o a ragione, considero i loro kit completi e ben fatti.

A questo kit deve essere aggiunta la batteria e tutta l’elettronica necessaria al controllo del drone stesso (controllore di volo, ricevitore e radiocomando). Volendo, con qualche decina di euro in più, potete anche prendervi il kit completo (radiocomando a parte), da assemblare:

L’attenzione verso questi droni è talmente tanto alta che non solo vengono già utilizzati per effettuare riprese anche televisive ma addirittura alcune Amministrazioni Comunali si stanno facendo promotori di corsi per imparare a guidarli, come quella di San Cesario di Lecce: Come fare le riprese video con il drone? Te lo spiega un corso del Comune.

Per concludere, avendo già un Quadricottero della UDI (poco più di un giocattolo) con il quale ho imparato qualche trucco di pilotaggio senza rischiare di “danneggiare troppo il portafoglio“, ho deciso di provare a realizzare qualcosa di più professionale: come sapete ho acquistato, qualche tempo fa, una BeagleBone Black e vorrei utilizzarla come controllore di volo. A tal proposito, sul web ho già trovato alcune esperienze:

• ArduPilot on Beagle Bone Black

Ovviamente la BBB (BeagleBoneBlack) non incorpora i sensori necessari a gestire un volo, come il giroscopio, l’accelerometro, l’altimetro: sfruttando dei moduli esterni (9DOF, ad esempio) ed il bus I2C, è possibile sviluppare un software direttamente in linguaggio di alto livello, come il C, per controllare il volo del drone. A questo ho pensato anche di aggiungere un modulo GPS, nel tentativo estremo di renderlo indipendente dal contatto radio (ricetrasmettitori a 2,4 GHz, sempre su eBay) con la base.

Attualmente il progetto è in fase iniziale, ovvero nulla è stato ancora materialmente realizzato. Non mi assumo pertanto alcuna responsabilità in merito alle informazioni fornite né alla loro effettiva possibilità di realizzazione.

Giusto per la cronaca, si trovano anche schede con già tutti i sensori a bordo (ad es. HK MultiCopter Control Board V3) con tanto di microcontrollore, spesso un ATMEL ATmega, che però deve essere programmato con i relativi firmware. Se da una parte questo semplifica la costruzione, dall’altra le eventuali modifiche devono essere fatte solamente da programmatori esperti capaci di sviluppare in linguaggio Assembler: non proprio banale.

Vi farò sapere come procede il progetto. Nel frattempo sono benvenuti pareri, commenti ed esperienze in merito…