Serata dedicata ai Multirotori

Treviso Arduino User Group
Serata dedicata ai Multirotori
12 dicembre 2012
Cos'è un Multirotore...
Un Multirotore è un mezzo simile ad un elicottero ma invece di un unico grande rotore principale e un piccolo
rotore di coda per mantenere e dare la direzione, ha una serie di motori (3-4-6-8-12) con eliche di dimensioni
più contenute.
Al contrario di un modello di elicottero che necessita di un semplice giroscopio e di alcuni servocomandi per
il movimento del piatto oscillante, il Multirotore per poter volare, necessita di almeno un giroscopio a 3 assi e
di un microcontrollore che ne gestisce l'assetto.
Le varie configurazioni...
IL FRAME...
Il frame è la struttura principale di un multirotore dove vengono fissati i motori e l'elettronica necessaria per
farlo funzionare.
Per essere ottimizzato il multirotore ha bisogno di un frame che dia la possibilità di montare tutti i motori
equidistanti e che il CG (centro di gravità) sia esattamente al centro della struttura.
Il frame deve essere una struttura sufficientemente rigida da non flettere in caso di grosse sollecitazioni.
Per progettare correttamente un frame generalmente si parte con il disegnare un cerchio con il diametro pari
alla distanza diagonale che vogliamo ci sia tra motore e motore. Si fa poi in modo che il centro di ogni
motore cada sopra alla circonferenza del cerchio, distanziando gli stessi in maniera equidistante.
Per esempio:
per un Tricottero distanzieremo i 3 motori di 120° (120x3=360°)
per un Quadricottero, li distanzieremo di 90° (90x4=360°)
per un Esacottero (radiale), li distanzieremo di 60° (60x6=360°)
Lo stesso tipo di calcolo si applica a tutte le altre forme di multirotore.
Esempio di disegno di progettazione
I MOTORI...
I motori giocano un ruolo fondamentale perchè vanno scelti in base al tipo di multirotore, alle dimensioni di
questo e al tipo di volo che si vuole fare.
Nei multirotori, come nel 99% dei modelli radiocomandati, si usano i motori Brushless che, come dice il
termine, sono “senza spazzole”.
Un motore Brushless rispetto al classico motore a spazzole ha i seguenti vantaggi:
- Più silenzioso
- Grazie alla mancanza delle spazzole genera meno rumore elettromagnetico
- A parità di consumo è molto più performante
- Scalda molto meno
- Dura molto di più
- Ingombro limitato rispetto alla potenza generata
- Non genera scintille
I dati che ci permettono di valutare quale motore usare sono i Kv (giri volt) e gli Ampere oltre ai Watt
generati.
Essendo motori trifase, per funzionare, necessitano di un dispositivo elettronico chiamato genericamente
controller ma, nel mondo del modellismo viene chiamato regolatore.
IL REGOLATORE o ESC (Electronic speed control)
PANORAMICA
I regolatori sono dei dispositivi elettronici che ci permettono di far funzionare un motore brushless in base
alla quantità di potenza che impostiamo attraverso il radiocomando o il dispositivo di controllo.
I parametri che ci permettono di scegliere quale regolatore usare sono gli Ampere massimi e il numero di
celle lipo supportate.
Esistono regolatori che hanno anche un'uscita di tensione ausiliaria chiamata BEC (battery eliminator circuit)
la quale generalmente ha una tensione di 5V e una corrente di 2-5A per alimentare l'elettronica di bordo; i
regolatori senza BEC vengono chiamati OPTO.
Il BEC può essere lineare (LBEC) o switching (SBEC).
DESCRIZIONE
Il regolatore ha:
- 2 cavi (negativo/positivo) che lo alimentano e sono generalmente collegati direttamente alla batteria
- 1 cavo a 3 poli composto dalla massa (nero), da un'alimentazione a 5V che arriva dal BEC (rosso) e da un
cavo segnale che riceve gli impulsi dal radiocomando o dalla controller e quindi fa reagire il motore di
conseguenza (bianco o giallo)
- 3 cavi che vanno al motore e portano a rotazione l'impulso che serve a farlo girare
PROGRAMMAZIONE
I regolatori vanno programmati in base all'uso che se ne deve fare.
I parametri che si possono regolare a proprio piacimento sono:
BRAKE=Permette di settare un freno sul motore in modo che, quando si toglie gas, il motore tenda a
fermarsi piuttosto che girare liberamente
BATTERY=Permette di selezionare il tipo di batteria (LiPo/NiMH)
CUT OFF VOLTAGE=Permette di regolare a quale percentuale di scarica della batteria vogliamo che
intervenga la protezione per non mandala sotto la tensione minima
TIMING=Permette di settare con quanto anticipo il regolatore deve dare l'impulso per far girare il motore. Di
solito il valore è “AUTO” e in rarissimi casi serve cambiarlo.
GOVERNOR=Permette di attivare un controllo che tenda a far mantenere costante il numero di giri anche
quando il motore va sotto sforzo. Generalmente si attiva solo per gli elicotteri e non per i multirotori.
STARTUP=Permette di regolare la modalità di avvio del motore. Generalmente per i multirotori e gli aerei si
lascia in “NORMAL” e si mette in “SOFT” per gli elicotteri. Questo serve per evitare che il rotore
dell'elicottero parta troppo aggressivamente, creando un potenziale pericolo per chi gli è vicino e per non far
ribaltare l'elicottero a causa del repentino movimento delle pale.
LOW VOLTAGE CUT OFF TYPE=Permette di settare il tipo di azione vogliamo venga intrapresa quando il
regolatore rileva che la batteria è arrivata al limite impostato su “CUT OFF VOLTAGE”I valori possono
essere: “REDUCE POWER” o “CUT OFF POWER”.
PROGRAMMAZIONE
In alcuni regolatori è possibile settare anche:
- Il voltaggio in uscita dal BEC (4.5/5/5.5V)
- Il senso di rotazione del motore.
La programmazione di un regolatore si può fare in due modi:
- TRAMITE SCHEDINA DI PROGRAMMAZIONE
- TRAMITE UNA SEQUENZA DI MOVIMENTI DEGLI STICK DEL RADIOCOMANDO
PROGRAMMAZIONE PER MULTIROTORI
La configurazione ottimale per i multirotori è:
BRAKE=OFF
BATTERY TYPE=LIPO
CUT OFF VOLTAGE THRESHOLD=LOW
MOTOR TIMING=AUTO
GOVERNOR MODE=OFF
STARTUP=NORMAL
CUT OFF TYPE=SLOW DOWN
ELICHE...
Esistono eliche di vari tipi e materiali: bipala, tripala, quadripala, ripiegabili e fisse, in legno, in ABS, in
carbonio e in ABS rinforzato carbonio.
Vanno scelte e dimensionate in base ai motori e agli amperaggi massimi che possono dare questi ultimi.
Le loro misure sono espresse in pollici (per esempio: se un'elica bipala è 8x4.5 significa che la sua
lunghezza è di 8” e che, se la immaginassimo come il filetto di una vite, facendole fare un giro completo,
questa avanzerebbe di 4.5”).
BATTERIE...
PANORAMICA
Le batterie più usate nel mondo dell'aeromodellismo sono le LiPo (polimeri di litio).
Queste batterie hanno la capacità di erogare altissime correnti senza danneggiarsi e, considerando la
grande quantità di corrente che riescono a fornire, sono relativamente leggere.
Inoltre hanno il vantaggio di poter essere ricaricate in circa un'ora.
La scelta della batteria va effettuata in base al tipo di multirotore ed ai motori e regolatori scelti.
Le batterie LiPo sono composte da uno o più celle (LiPo) che hanno una tensione nominale di 3.7V (a cella).
SCELTA
Per scegliere una batteria dobbiamo sapere quanti V e quanta corrente di scarica massima ci serve.
Questa si ottiene sommando gli Ampere massimi dichiarati dai motori che abbiamo scelto, per il numero di
motori usati.
Per esempio: se abbiamo costruito un quadricottero con motori da 30A di corrente massima, dovremmo
moltiplicare i 30A per i 4 motori ed avremo un totale di 120A.
Fatto questo passiamo a scegliere la batteria che dovrà darci, in questo caso, almeno 120A.
Se prendiamo una batteria da 5000mAh 3S1P 35-70C, significa che la batteria ha 3 celle messe in serie
(3.7Vx3=11,1V) ed ha una scarica nominale di 5A che possiamo portare a 175A continui (5Ax35C=175A) o
350A di picco per circa 10 secondi (5Ax70C=350).
RICARICA E PRECAUZIONI
Generalmente queste batterie vengono caricate a 1C, ciò significa che nel caso della batteria specificata
nell'esempio, possiamo impostare il caricabatterie a 3S 5000mAh.
Alcune batterie possono essere caricate anche a 2-3-4-5C e questo, se il caricabatterie lo permette, accorcia
di molto i tempi di ricarica ma anche la vita stessa della batteria.
Generalmente dopo un volo la batteria sarà tiepida o calda; è buona regola aspettare che si raffreddi prima
di rimetterla in carica.
Inoltre, se non è possibile farlo sempre, è consigliabile almeno ogni 3-4 ricariche eseguire anche il
bilanciamento delle celle.
ELETTRONICA DI CONTROLLO...
Esistono sensori e elettroniche di controllo per i multirotori di svariati tipi.
Arduino o comunque i chip Atmega sono sicuramente tra i più utilizzati in ambito hobbistico.
Per fare qualche nome, esiste la scheda KK che monta un Atmega 328 e 3 giroscopi ad un asse.Il progetto
ArduPilot e ArduPirates che usano tutti e due l'ATMega 2560 ed infine, tra i più conosciuti, il progetto Multiwii
che funziona con Arduino sia classico che mega.
Noi ci concentreremo e lavoreremo sul progetto Multiwii che, tra tutti i progetti Open e che usano Arduino, è
forse quello che sta crescendo più in fretta e che al momento sembra avere la migliore qualità di volo.
Il progetto MultiWii porta questo nome in quanto il suo creatore (Alexander Dubus) ha avuto inizialmente
l'idea di recuperare il giroscopio montato nel Motion Plus della Nintendo Wii.
Poi, vedendo che il progetto era stato ben accolto dalla comunità e che la qualità di volo era buona, ha
deciso di fare un ulteriore passo: smontando il nunchuck della Nintendo Wii, ha recuperato il BMA180 che è
un accelerometro e con l'aggiunta di questo ha implementato nel Multirotore anche la modalità stabile.
Ad oggi il firmware Multiwii è arrivato alla versione 2.1 e supporta un numero molto elevato di sensori tra cui
vari tipi di accelerometri e giroscopi, barometri, magnetometri ed alcuni tipi di GPS (quest'ultimo è ancora in
fase di sviluppo ma sta crescendo molto velocemente).
SENSORI...
GIROSCOPIO
Il giroscopio è il sensore che permette al multirotore di mantenere l'assetto nei 3 assi nonostante eventi
esterni tendano a modificarlo.
ACCELEROMETRO
Grazie all'accelerometro, il multirotore sa sempre qual è l'orizzonte rispetto al suolo ed è quindi in grado di
riposizionarsi in automatico parallelamente al suolo.
Questo evita che rimanga inclinato verso una delle 4 direzioni per poi scivolare verso terra.
BAROMETRO
Il barometro riesce a rilevare le variazioni di pressione dovute al cambio di quota e, grazie a questo, è in
grado di far mantenere al multirotore sempre la stessa altitudine.
MAGNETOMETRO
Il magnetometro è una bussola elettronica che generalmente viene usata in combinazione con il GPS.
Nel caso di MultiWii, viene utilizzata anche senza GPS per aiutare il giroscopio a mantenere la direzione
dell'asse Z.
GPS
Il GPS assieme a tutti gli altri sensori è quel dispositivo che permette (se il software gestisce le dovute
funzioni) di poter classificare il multirotore come “DRONE”.
Questo perchè il multirotore, assieme a tutti i sensori già visti e al GPS, può benissimo essere una macchina
completamente autonoma in grado di effettuare delle missioni programmate preventivamente.
MultiWii ancora non supporta le missioni programmate (waypoint) ma, con molta probabilità, l'arrivo dei
nuovi Arduino con più potenza di calcolo permetteranno di implementare anche questa funzione molto
presto.
Per quanto riguarda il GPS, al momento MultiWii supporta le seguenti funzioni:
- Blocco posizione (GPS HOLD)
- Return to home (RTH)
- Orientamento intelligente (IOC o HEAD FREE)
CONSUMI...
I consumi di questi mezzi non sono da sottovalutare.
Molti chiedono se è possibile mettere un interruttore al posto della spinotto diretto per alimentare il
multirotore.
La risposta è NO, perchè le correnti che scorrono nei cavi sono molto alte e un interruttore non le potrebbe
supportare, oltre al fatto che i multirotori sono macchine che generano vibrazioni e che, con il tempo,
potrebbero compromettere il funzionamento dell'interruttore.
RADIOCOMANDO E RICEVENTE...
Il radiocomando è un trasmettitore radio che invia un treno di impulsi (segnale PWM) di durata di 22ms che
comprende tutti i canali gestiti dallo stesso.
L'impulso per ogni canale va da 920 a 2120µs.La durata di 1520µs è equivalente alla posizione neutra
(centro).
La ricevente riceve questo treno di impulsi e lo scompone assegnando ad ogni pin di canale l'equivalente
valore.
Sta poi alla periferica collegata in quel canale, interpretare la lunghezza del segnale e gestirlo in base allo
scopo per cui è stata creata.
Ad oggi le frequenze più usate sui radiocomandi in Italia è quella dei 2.4GHz con una potenza massima
consentita di 100mW.
I radiocomandi odierni sono dotati di varie funzioni gestite da un microcontrollore tra cui la possibilità di
inserire:
- degli esponenziali per poter addolcire o meno i comandi di un modello
- dei timer che ci avvisano allo scadere del tempo impostato
- mixer dei canali
- memorie per poter gestire più modelli con un solo radiocomando
e molto altro ancora.
Le radio più avanzate implementano anche la telemetria ma, probabilmente a breve, anche le più
economiche saranno dotate di tale funzione.
Esistono 4 configurazioni diverse degli stick del radiocomando ed ogni modellista sceglie il setup che più gli
si adatta:
MODE 1
MODE 2
MODE 3
MODE 3
MODE 4
Come funziona in volo un Multirotore
DIFFERENZE TRA ELICOTTERO E MULTIROTORE
Come già accennato, il multirotore è un mezzo molto simile ad un elicottero e quindi in volo si comporta
come tale con alcune piccole differenze.
Come prima cosa l'elicottero ha il ruotino di coda collegato al giroscopio e questo fa si che in caso di
repentini cambiamenti dell'asse Z dovuti a fattori esterni (per esempio una raffica di vento) il giroscopio
cambiando il passo del ruotino di coda, faccia mantenere o aggiusti la direzione riportandola a quella
precedente.
Il multirotore invece, per mantenere la direzione dell'asse Z, usa in modo alternato eliche che girano in senso
orario e in senso antiorario in modo che una azzeri l'effetto di spinta rotatoria dell'altra.
Nel multirotore il cambiamento di direzione dell'asse Z viene effettuato variando il regime di rotazione di
alcuni dei motori (per esempio: se devo orientare la prua del multirotore verso sinistra, il microcontrollore una
volta recepito il comando dalla radio, procederà ad alzare i giri dei motori che girano in senso orario ed
abbassare leggermente i giri dei motori che girano nel senso antiorario).
IL GAIN DEL GIROSCOPIO
Affinchè il giroscopio funzioni correttamente in un elicottero, bisogna regolare nel migliore dei modi il
guadagno (GAIN).
Un guadagno troppo basso porterà ad una sotto correzione e quindi l'elicottero avrà difficoltà a mantenere la
direzione mentre, un guadagno troppo alto, porterà ad una sovracorrezione e quindi (in gergo si dice che la
coda sbacchetta).
Si vedrà quindi che la coda dell'elicottero inizierà ad andare rapidamente da una parte all'altra senza
fermarsi subito nella posizione in cui dovrebbe.
In caso di correzione molto elevata lo sbacchettamento non terminerà mai, anzi tenderà ad aumentare
sempre di più fino a far perdere il controllo del mezzo.
I multirotori sotto questo punto di vista sono forse un po' più complicati, perchè avendo giroscopi e
accelerometri a 3 assi hanno un GAIN da settare per ogni asse e per ogni sensore.
IL PID
Il settaggio della risposta dei sensori in un multirotore viene effettuato tramite il PID che è un sistema ben
conosciuto, perchè ampiamente impiegato nei sistemi di controllo dei macchinari di vario genere e non solo
nei multirotori.
Per ogni asse ci sono 3 valori da settare:
Il parametro P (Proporzionale) è il GAIN, ovvero la potenza con cui i giroscopi interverranno. Più è alto e più
i giroscopi influiranno sui motori cercando di correggere l'assetto del multirotore.
Il parametro I (Integrale) ha influenza sulla durata e sulla persistenza con cui il multirotore compensa le
variazioni di assetto, cercando di mantenere l'angolo impostato dagli stick.
Il parametro D (Derivativo) ha influenza sulla velocità con il quale i giroscopi interverranno e quindi nei
transitori, sui passaggi dal volato all'hovering, sui cambiamenti di assetto veloci e continuativi.
Dinamiche di volo...
DIFFERENZE TRA AEREO E ELICOTTERO/MULTIROTORE
Contrariamente ad un aereo che aumenta o diminuisce la sua velocità in base alla variazione del comando
del gas, un elicottero o multirotore variando lo stesso comando invece aumenta o diminuisce la velocità di
salita e discesa verticale.
Quindi, mentre un aereo con l'aumentare dei giri del motore va avanti più velocemente, un elicottero o
multirotore invece va verso l'alto.
Il vantaggio di un elicottero o multirotore rispetto ad un aereo è che, mentre l'aereo può andare solo in avanti
cambiando quota e direzione, l'elicottero/multirotore può:
- Restare fermo in un punto
- Spostarsi a destra e sinistra
- Andare avanti e indietro
- Ruotare sul suo asse rimanendo fermo in posizione
IL VOLATO CON UN ELICOTTERO/MULTIROTORE
Il sistema usato sia sugli elicotteri che sui multirotori per spostarsi è il medesimo, bisogna inclinare il mezzo
dalla parte in cui si vuole farlo traslare.
Lo spostamento non sarà immediato; inizierà lentamente per poi prendere sempre più velocità, sta poi al
pilota gestire l'inclinazione in modo che il mezzo non perda quota o non prenda troppa velocità nello
spostamento.
Anche una volta riportato orizzontale rispetto al piano di terra, il multirotore per inerzia tenderà a continuare
la sua corsa in quella direzione.
Per fermarlo nel posto bisogna inclinarlo dalla parte opposta dando un po' di gas finchè si fermerà e
prontamente riportarlo in assetto orizzontale per poi tenerlo livellato e fermo (hovering).
CONSIDERAZIONI SUL PILOTAGGIO DI ELICOTTERI/MULTIROTORI
Generalmente si dice l'elicottero è il modello radiocomandato più difficile da pilotare.
Questo è vero perchè mentre l'aereo plana e ci permette di comandarlo gestendo anche un solo asse alla
volta, negli elicotteri/multirotori il pilota deve avere l'abilità di gestire i 3 assi+il gas contemporaneamente.
Con i multirotori la cosa è un po' più semplice rispetto ad un elicottero ma comunque sempre più complessa
che pilotare un aereo.
Per i piloti meno esperti vengono in aiuto l'accelerometro (modalità stabile) e il GPS (Hold position) nonché il
magnetometro (IOC).
Tutte finezze alle quali conviene non abituarsi se si vuole imparare a pilotare veramente.
Sicurezza...
Generalmente chi non ha molta esperienza con mezzi radiocomandati tende a sottovalutarne la pericolosità.
Di seguito alcune regole base da seguire per evitare spiacevoli conseguenze:
- Quando si effettuano i settaggi al banco farlo SEMPRE senza montare le eliche.
- Fare molta attenzione a non mettere in corto la batteria; le LiPo infatti sono batterie che se messe
in corto possono esplodere.
Con le nuove generazioni di batterie la cosa capita molto più difficilmente.
- MAI volare su centri abitati o sopra alle persone.
Questa regola va osservata soprattutto in caso usiate elettronica/motori/regolatori economici.
- Se avete persone attorno, fate in modo che si mettano dietro di voi.
- E' buona regola avere un'assicurazione che copra gli eventuali danni causati da modelli
radiocomandati.
Riferimenti...
Approfondimenti su quanto è stato discusso li potete trovare qui:
www.multiwii.it
www.multiwii.com
www.wikipedia.it
Per informazioni potete contattarmi su [email protected] (Dallan Stefano)