Un drone è un aeromobile senza pilota a bordo, controllato tramite un radiocomando.
Ce ne sono due grandi categorie:
- aerostati (più leggeri dell’aria)
- dirigibili
- aerodine (più pesanti dell’aria)
- ad ala fissa (aerei)
- ad ala rotante (elicotteri, multicotteri)
I droni sono nati in ambito di guerra, inizialmente come bersagli. L’evoluzione della tecnologia ne ha cambiato il ruolo, che dal 1982 è divantato strategico: nella guerra contro la Siria, Israele li ha utilizzati come esche, radio jammer, armi da attacco, strumenti di valutazione e ricognizione delle aree di battaglia.
Droni civili
Ebbene no. Nonostante qualche furbacchione la pensi diversamente, i droni che spesso si vedono volare non sono di derivazione militare, ma sono l’evoluzione di un hobby databile 1945: l’aeromodellismo dinamico, ovvero l’hobby di costruire e far volare aeromobili telecomandati in scala ridotta.
Cenni sul funzionamento
I droni volano grazie a uno o più motori elettrici o termici (motori a scoppio).
I più comuni sono quadricotteri, ovvero elicotteri con quattro eliche a passo fisso poste sui vertici di un telaio a forma di X, ognuna azionata da un motore elettico.
La configurazione a 4 eliche è molto utilizzata perchè estremamente stabile e di semplice costruzione: quando le eliche girano tutte alla stessa velocità, l’aeromobile resta in posizione livellata.
Le eliche sulla diagonale della X girano nello stesso verso, ed in verso opposto a quelle sull’altra diagonale. In sostanza ogni singola elica gira in verso opposto rispetto a quella a fianco.
La controrotazione è essenziale per l’equilibrio sull’asse dell’imbardata . Ogni elica, infatti, genera sul telaio del drone un momento meccanico, ovvero l’attitudine di una forza a imprimere una rotazione a un corpo rigido attorno a un punto, inverso al proprio verso di rotazione.
In sostanza attaccando un’elica ad un motore non vincolato a nulla, l’elica girerà da una parte, il motore dalla parte opposta.
La gestione della velocità delle eliche permette di controllare l’imbardata del drone: accelerando le eliche su una diagonale, e rallentando le altre per avere la stessa portanza complessiva (nel caso di un quadricottero la portanza complessiva è la spinta verso l’alto fornita dalle quattro eliche) il drone inizierà a ruotare su se stesso, senza variare la quota.
Aumentando la velocità di rotazione delle eliche a coppie adiacenti (su un lato della X) il drone si inclinerà da una parte, ed iniziarà un moto traslato.
I droni in configurazione X4 si possono muovere nello spazio semplicemente variando la velocità delle eliche: variandone la velocità complessiva, ottiene movimenti verticali; variandone la velocità a coppie contigue, ottiene movimenti di traslazione; variandone la velocità a coppie sulla diagonale ottiene rotazioni sull’asse di imbardata.
Come fa un drone a volare? Leggi questo articolo.
Componentistica
Il drone è controllato tramite due radio digitali ricetrasmittenti: la stazione di terra invia i comandi e riceve telemetria, la stazione a bordo riceve i comandi e invia telemetria. La stazione di terra si interfaccia con un tablet, per la visualizzazione dei dati di telemetria ed eventualmente del feed video.
Sia radiocomando che aeromobile sono alimentati con batterie al litio. Questo limita il volo a 15 / 25 minuti, prima di dover atterrare per una ricarica.
I motori delle eliche sono gestiti da componenti chiamati ESC, Elettronic Speed Controller. Questi circuiti sono in grado di impostare con precisione la velocità di rotazione del motore; sono anche in grado di frenarla, rendendo estremamente rapide le variazioni del regime rotatorio.
Gli ESC sono controllati dalla centralina, che può essere semplicemente il ricevitore della radio, oppure un piccolo computer di bordo, in grado di elaborare i segnali forniti dal ricevitore della radio.
Un drone gestito solamente dalla radio è piuttosto difficile da pilotare, perchè ogni movimento o correzione deve essere effettuato dal pilota.
Per questo i droni hanno sempre un computer di bordo, che fa uso di parecchi sensori per mantenerlo stabile senza interventi del pilota. Questo è fondamentalmente il motivo della grande popolarità dei droni: la facilità di controllo.
Il computer di bordo uttilizza vari sensori:
- bussola, per capire l’orientamento;
- barometro, per capire gli spostamenti verticali;
- giroscopi, per capire i movimenti di rotazione su qualsiasi asse;
- accelerometri, per capire i movimenti di traslazione.
Con a questa strumentazione (chiamata IMU, Inertial Measurement Unit, o piattaforma inerziale) il drone può mantenere assetto e quota stabili, e approssimativamente la stessa posizione.
In realtà esiste ancora uno strumento di bordo atto alla gestione della posizione precisa: il sistema di posizionamento satellitare (GPS o GLONASS).
Grazie al sistema di posizionamento satellitare, il drone può mantenere con precisione la posizione su un punto, anche in caso di vento; è anche in grado di seguire percorsi definiti da più punti nello spazio (i sistemi satellitari forniscono coordinate tridimensionali).
Computer di bordo e sistemi satellitari rendono i droni capaci di di effettuare voli autonomi.
I droni più recenti sono anche dotati di un sistema anti collisione: lo fermano se qualsiasi oggetto entra in una ‘bolla virtuale’ attorno ad esso, monitorata da una serie di sensori.
Per i voli entro qualche metro di altezza, alcuni droni hanno sul ventre un piccolo sonar e una telecamera, in grado di stabilizzarli in ambienti chiusi o in assenza di segnale satellitare.
Equipaggiamento (payload)
In gergo tecnico, qualsiasi equipaggiamento si monti su un drone viene definito payload, ovvero carico utile.
La maggior parte dei droni civili, sia hobbistici sia professionali è equipaggiato con una fotocamera ad alta risoluzione.
E’ possibile equipaggiarli con svariati tipi di sensori, quali termocamere (FLIR), lidar (che permettono di effettuare rilevamenti tridimensionali), sensori chimici o anche vani per trasporto di piccoli oggetti.
Per riprese cinematografiche vengono utilizzati droni in grado di portare e gestire telecamere professionali, che possono pesare qualche chilogrammo.
Le fotocamere sono vincolate al drone tramite un sistema cardanico snodato su tre assi, ognuno collegato ad un motore elettrico, e mantenuto stabile da una propria IMU: il gimbal; grazie ad esso qualsiasi inclinazione del drone (entro certi limiti) non influisce sulla telecamera, che resta incredibilmente stabile.
Normativa
Lo spazio aereo italiano è gestito da ENAC, che regolamenta anche il volo dei droni, siano essi per uso hobbistico o professionale.
L’uso professionale richiede il conseguimento dell’attestato di pilota di SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto)