Flight Controller. CPU (Central Processing Unit) Uscite PWM Entrate PWM PPM SBUS IMU (Inertial Measurement Unit) Software di gestione o Trimmer

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Gianpiero Gigli
8 anni fa
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1 Flight Controller FLIGHT CONTROLLER OpenPilot CC3D I Flight Controller o Flight Control System sono il cervello di ogni Drone. Un drone senza FC non può auto-stabilizzarsi in volo ne percepire la propria posizione e i propri spostamenti nello spazio. Si può dire che il FC è il Drone stesso. Il FC deve necessariamente avere i seguenti componenti: CPU (Central Processing Unit) Uscite PWM Entrate PWM PPM SBUS IMU (Inertial Measurement Unit) Software di gestione o Trimmer

Un drone senza FC non può auto-stabilizzarsi in volo ne percepire la propria posizione e i propri spostamenti nello

2 Inoltre può avere componenti aggiuntivi come: Entrata i²c (SDA, SCL) Entrate Seriali (GND, VCC, TX, RX) Impostazione del sistema FailSafe Telemetria di bordo Trasmissione Dati Trasmissione Video GPS (Global Positioning System) Compass o Magnetometro Sensori aggiuntivi (barometro, Optical Flow, Sonar...) BEC (Battery Elimintaion Circuit) CPU ATMEL ARM

Dati Trasmissione Video GPS (Global Positioning System) Compass o Magnetometro Sensori

3 La CPU è il cuore del FC. Ha la capacità di eseguire un numero di operazioni al secondo che determina la frequenza di clock. Aumentando questa frequenza si avrà un drone con capacità di reazione alle forze fisiche migliore. SCHEMA ENTRATE / USCITE PWM Le entrate/uscite PWM sono le porte di comunicazione del FC. Usano un tipo di modulazione che serve a far comunicare il FC con i regolatori di velocità dei motori (ESC) e con la ricevente Radio. In particolare la ricevente legge i segnali dal Radio Comando (RC principalmente 2.4Ghz) e li invia al FC. Le uscite PWM servono al FC per inviare il comando di velocità ai regolatori di velocità dei motori (ESC).

SCHEMA ENTRATE / USCITE PWM Le entrate/uscite PWM sono le porte di comunicazione del FC.

4 IMU (Inertial Measurement Unit) L'IMU è l'unità dei sensori principali, senza di esso il drone non potrebbe volare in quanto non saprebbe percepire il p r o p r i o m ov i m e n t o n e l l o s p a z i o. L' I M U ( I t e r t i a l Measurement Unit) contiene 3 giroscopi e 3 accelerometri per gli assi XYZ. Sono di tipo MEMS (Micro-Electro -Mechanical Systems). I giroscopi permettono di misurare la rotazione del FC su ogni asse XYZ, mentre gli accelerometri permettono di misurare l'accelerazione su ogni asse XYZ. Utilizzando i dati dell'imu, il processore centrale o CPU, elabora dei valori che saranno poi inviati tramite PWM ai motori attraverso i regolatori di velocità dei motori. L'elaborazione di questi valori di solito viene calcolata usando il controllo matematico Proporzionale Integrale Derivativo. Senza entrare nel dettaglio, modificando questi 3 valori è possibile stabilizzare un drone multi-rotore in modo perfetto, facendolo reagire alle forze fisiche a seconda del tipo di utilizzo di cui necessitiamo.

I giroscopi permettono di misurare la rotazione del FC su ogni asse XYZ, mentre gli accelerometri permettono di misurare l'accelerazione su ogni asse XYZ.

5 Software di gestione FC Sezione regolazione PID Indicativamente modificando il valore Proporzionale andremo ad correggere la forza necessaria a riportare il multi-rotore in posizione orizzontale. Un valore troppo alto di P farebbe superare l'orizzonte e rischiare di ribaltare il drone. Il valore Integrale ci permette di regolare la quantità variabile di forza correttiva sulla base dell'angolo di errore dalla posizione desiderata. Maggiore è il tempo in cui il multi-rotore non è orizzontale, maggiore sarà la correzione che sarà applicata. Il valore Derivativo regola la velocità con la quale i valori precedenti sono applicati e quindi la velocità con la quale il multi-rotore deve tornare in orizzontale. Questo tipo di regolazione viene impostata dal Software del FC. Non sempre è necessario un computer. A volte è possibile trovare FC con display integrato o anche software gestibili solo tramite dispositivi android o ios. Il Software del FC si occupa quindi delle seguenti regolazioni: Tipo di multi-rotore

Il valore Integrale ci permette di regolare la quantità variabile di forza correttiva sulla base dell'angolo di errore dalla posizione desiderata.

6 Tipo di motori (KV, Curva di Thrust) Tipo di modulazione della ricevente RC (PWM, PPM, SBUS) Regolazione valori di stabilizzazione (PID) Calibrazione dei regolatori di velocità (ESC) Calibrazione della ricevente RC Impostazione modello e Calibrazione IMU Software di gestione FC Selezione del tipo di Multi-Rotore I multi-rotori possono avere forme diverse. Il FC ha la necessità di conoscere il tipo di forma scelta, il numero di motori usato, il tipo di assorbimento per motore e il modello di elica utilizzato. La forma del frame può essere catalogata generalmente in base al numero di motori usati (3, 4, 6, 8). E' possibile anche arrivare ad un massimo di

7 16 motori mettendo in parallelo lo stesso segnale PWM ma invertendo le fasi del motore sullo stesso asse in modo da avere 2 motori sovrapposti che ruotano ognuno nella direzione opposta. Ogni FC ha la il proprio sistema per gestire l'assetto orizzontale e mantenere la stabilità, per questo motivo è necessario seguire le istruzioni di regolazione della direzione di ogni singolo motore. I multirotori se avessero i motori rotanti nella stessa direzione, ad esempio in senso antiorario, poiché utilizzano delle eliche a passo fisso (non come negli elicotteri che hanno il passo variabile), non potrebbero rimanere fermi sull'asse perpendicolare al suolo (asse Z) per lo stesso principio per il quale un elicottero senza rotore di coda inizierebbe a ruotare su se stesso, ovvero per il terzo principio della dinamica che afferma che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Pertanto il numero di motori che ruotano in senso anti-orario deve essere lo stesso numero di motori che ruotano in senso orario, ad eccezione del multi-rotore a 3 motori che usa un motore di dimensioni maggiori e con un elica di dimensioni maggiori per contrastare la rotazione degli altri due più piccoli. Il passo successivo è quello di definire il tipo di motori. Questi possono avere diverse caratteristiche, ma le principali sono il numero di giri al minuto (RPM), numero costante di giri per volt (KV), Curva di Thrust (spinta in gr.), peso, frequenza di aggiornamento (Hz riferito agli ESC), dimensione e passo di elica supportata. A seconda del voltaggio della batteria dovremmo applicare un certo tipo di elica. Generalmente aumentando i Volts e quindi aumentando i giri al minuto dei motori, la dimensione dell'elica sarà minore, viceversa riducendo i Volts d ov r e m m o u s ar e e li c h e d i d i m e n s i on i m ag g i or i, mantenendo ovviamente lo stesso peso totale del mezzo.

I multirotori se avessero i motori rotanti nella stessa direzione, ad esempio in senso antiorario, poiché utilizzano delle eliche a passo fisso (non come negli elicotteri che hanno il passo

8 Software di gestione FC Calibrazione Radio Comando Definiti tipo di mezzo e motori andiamo avanti nella scelta della ricevente usata. In questa sezione di solito abbiamo 3 modulazioni, PWM, PPM, SBUS. In breve il segnale PWM permette la trasmissione di un solo comando o canale (imbardata, rollio, beccheggio, gas...). Se quindi, ad esempio, dobbiamo impostare una ricevente a 7 canali, dovremmo collegare fisicamente al FC 7 cavi PWM. Il PPM e il SBUS sono invece delle modulazioni che consentono di inviare 8, 12 o 16 canali sullo stesso segnale utilizzando un solo cavo. La differenza dei due sta nella modalità di trasmissione. Subito dopo la selezione del tipo di ricevente e il collegamento della stessa al FC è necessario impostare la direzione corretta e i valori massimi e minimi del segnale inviato dal Radio Comando effettuando la calibrazione della ricevente.

Se quindi, ad esempio, dobbiamo impostare una ricevente a 7 canali, dovremmo collegare fisicamente al FC 7 cavi PWM.

9 Software di gestione FC Calibrazione IMU La calibrazione successiva è quella riferita all'imu. Per quanto possa essere montata fisicamente parallela all'orizzontale la FC non potrà mai avvicinarsi alla precisione che può darci un giroscopio a 3 assi. In tal caso è necessario posizionare il multi-rotore e quindi il FC più orizzontale possibile (aiutandosi con una livella a bolla toroidale) ed effettuare la calibrazione dell'imu. La fase finale della regolazione di un FC è l'impostazione dei valori di stabilizzazione PID. Di solito per evitare che il multi-rotore venga distrutto al primo decollo si impostano dei valori di default che la casa produttrice consiglia per iniziare. Da questo punto si modificano i valori singolarmente fino a raggiungere la prestazione di volo necessaria al tipo di lavoro richiesto. Non esiste simulatore s oftwar e c he p os s a s i m ul ar e tanto ab i l m e nte i l comportamento di un multi-rotore nella realtà, perciò ogni volta si modifica un valore bisogna testare il mezzo in volo simulando le forze esterne tramite il Radio Comando. Il tutto effettuato in ambiente chiuso e al riparo da possibili movimenti del multi-rotore non controllabili o calcolati.

In tal caso è necessario posizionare il multi-rotore e quindi il FC più orizzontale possibile (aiutandosi con una livella a bolla toroidale) ed effettuare la calibrazione dell'imu.

10 Software di gestione FC Calibrazione IMU Ultimamente i FC stanno applicando come funzione necessaria anche il sistema Fail-Safe. Questo sistema viene attivato nel momento in cui il FC non riceve più segnali dal Radio Comando e quindi è lasciato a se. A seconda del tipo di FC il multi-rotore ha la possibilità di eseguire operazioni pre-impostate per permettere un atterraggio in completa sicurezza. I tipi più comuni di Fail-Safe utilizzati sono l'atterraggio in posizione attuale (landing), l'atterraggio al punto di decollo (Return to Home o Return to Launch), lo spegnimento dei motori (Cut-off), lo spegnimento dei motori e apertura del paracadute (Safe-Guard). Ovviamente per alcuni tipi di Fail-Safe sono necessari dei sensori aggiuntivi come il barometro per la percezione della pressione e quindi dell'altezza in cui si trova il mezzo, e il GPS che permette al mezzo di conoscere la posizione attuale sulla Terra fornendo latitudine, longitudine e altezza.

A seconda del tipo di FC il multi-rotore ha la possibilità di eseguire operazioni pre-impostate per permettere un atterraggio in completa sicurezza.

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