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Idee preliminari

Il draganflyer

L'idea di questo progetto è nata dal draganflyer della draganfly. Il movimento di questo elicottero a 4 rotori si ottiene modulando la spinta prodotta da ciascuno di essi, e non è quindi richiesto alcun meccanismo complesso come la testa rotore di un elicottero convenzionale. Inoltre due eliche ruotano in senso opposto alle altre annullando così la coppia che tenderebbe a far ruotare l'elicottero su se stesso (non serve un rotore anticoppia di coda).

Fondamentalmente i comandi sono 4, il gas (throttle) che agisce in maniera uguale su tutti i rotori e consente di aumentare o diminuire la spinta verso l'alto. Il pitch (beccheggio), che agisce in modo differenziale sui rotori frontale e posteriore, permette di cabrare o picchiare. Il roll (rollio), anch'esso agisce in modo differenziale però sui due rotori laterali, permette il volo traslato a destra o a sinistra. Lo yaw (imbardata) permette infine di far ruotare l'elicottero su se stesso, comandando in modo differenziale le due coppie di rotori controrotanti, in modo da creare uno squilibrio tra la coppia destrogira e quella sinistrogira.

Il draganflyer è autostabilizzante grazie alla presenza di tre giroscopi piezoelettrici che controllano la rotazione attorno ai 3 assi del velivolo, inoltre la presenza di 4 rotori lo rende in ogni caso più stabile rispetto ad un elicottero monorotore. Ciò lo rende intrinsecamente più sicuro, adatto anche per il volo indoor, e potenzialmente trasformabile in uno UAV, velivolo autonomo dotato di funzionalità automatiche o semi automatiche.

Il quadricottero

In cosa si differenzia il progetto 4copter? Fondamentalmente per la probabile presenza di un rotore di coda come in un elicottero tradizionale, e questo per la difficoltà a trovare eliche commerciali con il passo invertito (che girando al contrario spingano nella stessa direzione), leggere, con grande diametro... e possibilmente economiche.

La configurazione al momento più gettonata (per lo meno per le prove) è usare motori della GWS (tabelle), particolarmente leggeri e con un consumo più ridotto rispetto ai comuni speed classe 300 o 400. In particolare sembra buono il seguente "setup":

4 motori GWS EPS 300 C 2BB con riduttore 6,6:1
4 eliche slow flyer GWS EP1260 (12x6 pollici, 30,5 cm di diametro)
Peso complessivo motori+eliche circa 300 grammi
Spinta statica complessiva circa 1,2kg (con 6V 18A complessivi di alimentazione)
Spinta utile netta circa 900 grammi

In quei 900 grammi, se possibile in molto meno, dovranno starci le batterie (per forza di cose di tipo Litio Polimeri), la struttura portante (in balsa), la ricevente, il giroscopio l'elettronica di controllo... e il rotore di coda. Per quest'ultimo non so ancora valutare l'entità della spinta necessaria, ma ad occhio potrebbe andare bene un motore GWS serie IPS, del peso di soli 43 grammi. Se fosse possibile sarebbe bello avere un certo margine per un piccolo "payload"... per esempio per una macchinetta fotografica, o per altri sensori in grado di avvicinare il velivolo ad uno UAV aumentandone di molto la sicurezza.

Uno schema preliminare per la struttura di controllo può essere il seguente:



In basso a sinistra c'è la ricevente a 4 canali che invia i valori ricevuti (in codifica PPM) verso 3 microcontroller. La funzione dei micro è quella di decodificare il valore PPM, mixare adeguatamente i diversi segnali in modo da ripartirli correttamente sui diversi motori (eventualmente applicando qualche funzione di trasferimento non lineare), generare il segnale di comando PWM per il controllo dei singoli motori, e variare la potenza applicata ai motori in modo da correggere la posizione del velivolo in base ai segnali provenienti dai sensori (giroscopio/inclinometri). Nello schema ho segnato due sensori di inclinazione al posto dei due giroscopi del draganflyer originale, non so ancora se è una soluzione valida.

I micro poi prevedono anche altre funzioni, per esempio il segnale di "frequenza libera", che permette di verificare se la frequenza radio è già in uso prima di accendere il proprio trasmettitore. O ancora permetterebbe al velivolo di porsi in modalità "fail safe" qualora il segnale radio venisse perso. Il segnale "Motor ON" servirebbe per l'accensione e spegnimento dei motori, e verrebbe generato dal "pitch processor" solo alla ricezione di un particolare codice inviato con gli stick del radiocomando, in modo da evitare partenze accidentali. Per finire è previsto un allarme batteria quasi scarica (presumibilmente ottico), non penso di mettere alcun sistema di cut-off dei motori... perchè tanto anche se questi si spegnessero per salvare le batterie il modello verrebbe giù come una pera... e difficilmente sopravviverebbe qualcosa... non avremmo ne la possibilità di entrare in vite lenta come con un aeromodello, ne di sfruttare l'autorotazione... l'unica sarebbe un bel paracadute;)

Comunque, per quanto riguarda la sicurezza, sarebbe necessario un quinto canale sulla ricevente, su cui inviare continuamente dei dati codificati a bassa velocità, questo permetterebbe di inviare dei comandi all'elicottero, e l'elicottero stesso sarebbe in grado di distinguere il segnale prodotto dal "suo" radiocomando rispetto a quello di qualcun altro. Questa è una cosa che implementerò sicuramente se il prototipo base risulterà funzionante.