Droni: il viaggio continua

8th July 2019
Posted By : Alex Lynn
Droni: il viaggio continua

Sviluppati in origine nel settore militare per utilizzi in questo ambito specifico, i droni a poco a poco hanno ampliato il loro raggio di azione e ora trovano impiego in una pluralità di applicazioni, che spaziano dai campi petroliferi alle fattorie private.

Di Mark Patrick, Mouser Electronics

Essi sono utilizzati per espletare compiti quali la consegna di pacchi, l'ispezione di terreni e l'assistenza in caso di catastrofi. I loro campi d'applicazione si vanno sempre più diversificando e le loro funzionalità divenendo sempre più sofisticate.

L'elemento chiave che sta alla base dell'incremento del numero di applicazioni dei droni è senza dubbio l'integrazione a bordo di sistemi elettronici sempre più evoluti. I sensori miniaturizzati utilizzati negli odierni droni consentono di realizzare "oggetti volanti" sempre più piccoli, leggeri e vantaggiosi in termini di costi, mentre i miglioramenti apportati nel campo della visione artificiale (grazie all'uso di una nuova generazione di avanzati sistemi di controllo del volo) consentono di aumentare l'autonomia di navigazione e migliorare la capacità di evitare gli ostacoli e di effettuare analisi più dettagliate in real time.

Lo sviluppo di droni è sempre stato un processo tradizionalmente lungo, difficile e costoso ma negli ultimi tempi la disponibilità di piattaforme di sviluppo "ad hoc" ha contribuito a mutare radicalmente questo scenario. L'introduzione di nuove piattaforme realizzate da Intel, Infineon e Parallax ha contribuito a semplificare e accelerare l'implementazione di applicazioni che prevedono l'uso di droni.

Origini militari

Fin da quando per la prima volta gli esseri umani hanno iniziato la conquista del cielo, l'idea di un veicolo aereo senza pilota è sempre stata estremamente avvincente. Gli aeromobili hanno permesso al genere umano di spostarsi velocemente, avere una visuale dall'alto del mondo circonstante e muoversi liberamente superando gli ostacoli naturali presenti sulla Terra.

Ma, paradossalmente, uno dei maggiori ostacoli per gli aerei è rappresentato proprio dagli esseri umani. Al volo è inevitabilmente associata l'idea di leggerezza ma, poichè gli aerei devono trasportare persone nel modo più confortevole possibile, il loro peso e le loro dimensioni sono decisamente in antitesi rispetto a questo concetto. Ciò significa maggiore complessità, costi più elevati e minore autonomia, in quanto il maggior peso ha ovviamente ripercussioni sfavorevoli sui consumi di carburante.

I droni, dal canto loro, permettono di risolvere tutti questi problemi. Poichè non è richiesta la presenza del pilota, essi sono più leggeri, piccoli ed anche economici, in quanto non sono richiesti dispositivi di sopravvivenza. Nella progettazione di droni, l'obiettivo è realizzare velivoli sempre più leggeri, manovrabili in grado di garantire la maggiore autonomia possibile.

Senza dimenticare che, poichè non esiste il rischio di perdite di vite umane, i droni possono essere utilizzare per svolgere compiti più pericolosi rispetto a quelli cui sono destinati i veicoli con equipaggio. Di conseguenza non può certamente stupire il fatto che lo sviluppo dei droni abbia avuto origine proprio nel settore militare.

I primi UAV (Unmanned Aerial Vehicle) hanno fatto la loro comparsa negli anni '30. I progenitori dei droni erano palloni progettati per sganciare bombe a orologeria contro le linee nemiche e velivoli senza pilota con a bordo dell'esplosivo che dovevano schiantarsi dopo un certo numero di giri del motore. L'avvento della tecnologia radio ha contribuito a migliorare notevolmente la navigazione.

Uno dei primi droni radio-comandati (RC - Radio Controlled) fu utilizzato nel corso della Seconda Guerra Mondiale per addestrare i cannonieri antiaerei ad abbattere bersagli mobili che si muovevano in modo realistico. Da quel momento in poi lo sviluppo dei droni è proseguito rapidamente e questi velivoli sono stati usati in misura sempre maggiore in scenari di combattimento reali. A partire dagli anni '70 i droni sono stati utilizzati nei principali conflitti in tutto il mondo.

Una rivoluzione in miniatura

Mentre i droni sono utilizzati in ambito militare ormai da molto tempo, solo nell'ultimo decennio il loro prezzo è sceso al punto da rendere questi velivoli accessibili anche a una clientela consumer. Lo sviluppo di droni personali è stato reso possibile dai progressi fatti registrare nel campo della tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical System), originati dalla necessità di soddisfare i requisiti imposti dal settore degli smartphone.

La navigazione aerea richiede la presenza di sensori sofisticati per il monitoraggio dell'orientamento fisico e dell'accelerazione lungo 3 assi differenti. In passato ciò richiedeva l'uso di unità di misura inerziali (IMU - Inertial Measurement Unit) relativamente grandi e costose che erano formate da accelerometri, giroscopi e magnetometri. Poichè di trattava di unità di grandi dimensioni, pesanti e molto costose, il loro uso era necessariamente limitato ad applicazioni professionali nei settori aerospaziale, navale e della difesa.

Adottando le stesse tecniche impiegate per la produzione di dispositivi a semiconduttore, è stato possibile realizzare dispositivi - accelerometri, giroscopi e magnetometri - in tecnologia MEMS sempre più piccoli, economici e affidabili. Al giorno d'oggi con un sensore a nove assi come il mod.

BNO055 di Bosch è possibile misurare l'orientamento della bussola, l'orientamento fisico e l'accelerazione su 3 assi utilizzando un dispositivo di silicio di dimensioni inferiori a quelle di un'unghia. La consistente riduzione in termini di peso e di dimensioni delle IMU basate su MEMS consente a questi dispositivi di pilotare i droni, mentre l'abbattimento dei costi ha reso accessibile i droni a una platea molto più vasta, formata da consumatori e piccole imprese.

Vista la grande diffusione dei droni a livello sia di consumatori sia di imprese, è venuta l'ora di escogitare idee di utilizzo nuove e creative. Oggigiorno i droni vengono impiegati nelle più disparate operazioni, dalla logistica alle operazioni di soccorso.

Nel campo della logistica, i droni sono stati utilizzati per consegnare pacchi in maniera più rapida ed efficiente. La possibilità di volare consente loro di non rimanere imbottigliati nel traffico e di superare senza problemi gli ostacoli che si trovano sul percorso. I droni non solo possono effettuare le consegne in modo più rapido ed efficiente degli esseri umani, ma sono anche in grado di recapitare la merce in aree o luoghi preclusi a questi ultimi.

Se una persona abita al 15° piano di un edificio, un drone può recapitare un pacco direttamente sul balcone dell'abitazione. Nel caso invece di un estemporaneo picnic in un parco, un drone potrebbe consegnare una pizza nel luogo indicato dal GPS dello smartphone della persona che ha eseguito l'ordinazione.

La capacità dei droni di eseguire una mappatura rapida e accurata in 3D di aree di grandi dimensioni non solo ha prodotto una radicale trasformazione nel settore del rilevamento, ma ha anche tutte le potenzialità per modificare profondamente altri settori come ad esempio quello del turismo. Un drone a controllo remoto equipaggiato con un sistema GPS estremamente preciso è in grado di effettuare foto dettagliate di aree di grandio dimensioni nel volgere di poche ore, o addirittura di qualche minuto.

Queste immagini a elevata risoluzione possono quindi essere assemblate mediante un software fotogrammetrico per realizzare mappe tridimensionali del territorio estremamente accurate. Grazie ai droni, rilevamenti che un tempo richiedevano l'impiego di un gruppo di esperti e di topografi per parecchie settimane possono essere effettuati nel volgere di pochi giorni.

I droni hanno avuto un impatto notevole sul settore del "disaster recovery" (ovvero il ripristino nel caso di emergenze/calamità naturali) e modificato le modalità con cui avvengono le operazioni di ricerca e salvataggio. A seguito di un disastro naturale le infrastrutture chiave come le strade e gli impianti di distribuzione dell'elettricità possono risultare seriamente danneggiate, impedendo alle squadre di soccorso di arrivare sul luogo in tempi brevi e operare in modo efficace.

In scenari di questo tipo i droni possono effettuare la sorveglianza aerea di un'area per individuare luogo ed entità del disastro o effettuare la ricerca di eventuali feriti. I droni possono anche svolgere il ruolo di primi soccorritori, consegnando beni di prima necessità come viveri e medicine alle vittime che si trovano in località remote.

La tecnologia dei droni

Veicoli aerei miniaturizzati e controllati in modalità wireless, i droni si possono considerare come un vero e proprio "gioiellino" in quanto integrano alcune delle più recenti tecnologie sviluppate nei settori della navigazione, dell'elaborazione e aeronautico. Un drone risulta formato da un telaio, rotori, motori, regolatori elettronici di velocità (ESC - Electronic Speed Controller), una batteria e un controllore di volo (FC - Flight Controller).

Mentre i parametri di natura meccanica come rotori, modello di chassis e motori determinano le caratteristiche di volo e le capacità di carico, i sistemi elettronici ospitati a bordo rappresentano l'elemento distintivo dei moderni droni rispetto agli elicotteri e velivoli radiocomandati del passato.

Ogni rotore (e il corrispondente motore) dispone di un regolatore elettronico di velocità (ESC) che controlla la velocità del motore. L'ESC è un circuito a segnali misti (mixed signal) che fornisce la potenza AC trifase necessaria per pilotare un motore brushless (senza spazzole) sulla base di un segnale di controllo. Collegati a un motore e alla batteria, gli ESC sono dimensionati in base alla quantità di corrente che sono in grado di pilotare.

Insieme all'ESC, il controllore di volo è l'altro sistema elettronico essenziale che deve essere presente a bordo di un drone. Al contrario di quanto accadeva per gli elicotteri e i velivoli radiocomandati, dove gli operatori controllavano direttamente la velocità del motore, i moderni droni dispongono di molteplici rotori e la complessità del coordinamento della velocità dei rotori stessi impone la presenza di un sistema automatizzato.

Il controllore di volo utilizza una vasta gamma di sensori come GPS, giroscopio, accelerometro, bussola e barometro per consentire la stabilizzazione e la navigazione del drone attraverso la regolazione delle velocità dei rotori.

I moderni controllori di volo sono un grado di fornire una molteplicità di funzioni: dal semplice controllo di stabilità alla navigazione completamente autonoma con evitamento degli ostacoli, funzionalità quest'ultima che può essere implementata utilizzando piattaforme avanzate come ad esempio la scheda di elaborazione Aero di Intel.

Soluzioni per lo sviluppo di droni

Anche se realizzare un drone a partire da zero è motivo di grande soddisfazione, non bisogna dimenticare che si tratta di un lavoro lungo che richiede molti sforzi e una buona dose di perseveranza. Fortunatamente oggigiorno sono disponibili piattaforme UAV "pre-fabbricate" che permettono al consumatore di scegliere il livello a partire dal quale iniziare a sviluppare un drone. Probabilmente la soluzione più completa ma nel contempo flessibile introdotta sul mercato è Aero di Intel.

Essa viene proposta come scheda di elaborazione, per il controllo del volo oppure come piattaforma per lo sviluppo di droni pronti a "prendere il volo". In quest'ultima opzione il drone Aero di Intel è un quadricottero completamente assemblato con processore di tipo SoC della linea Atom multi-core che fa girare una versione del sistema operativo Linux. Il software per il controllore di volo è già installato in modo tale da consentire agli utenti di far volare il drone senza ricorrere ad alcuna programmazione.

La piattaforma Aero "ready-to-fly" consente agli utilizzatori di focalizzare la loro attenzione sullo sviluppo immediato di applicazioni sofisticate per i droni, evitando di perdere tempo sui dettagli relativi ai meccanismi del controllo del volo.

Il drone Aero di Intel dispone inoltre di più telecamere, compresa una telecamera frontale R200 che utilizza la tecnologia RealSense™ sviluppata dalla medesima società. R200 è in realtà un sistema di telecamere per il rilevamento di profondità che include due telecamere tradizionali, una telecamera a infrarossi e un proiettore laser a infrarossi.

La visione stereoscopica e i componenti a infrarossi supportano funzionalità quali la formazione di immagini (imaging) 3D e il rilevamento di profondità. Tali caratteristiche possono essere sfruttate in un gran numero di applicazioni tra cui evitamento di collisioni, rilevamento, mappatura tridimensionale, sorveglianza e molte altre ancora. Oltre che sotto forma di piattaforma "ready-to-fly" completa, Aero è disponibile come scheda di elaborazione con contenitore opzionale e telecamera RealSense: in questo modo l'utilizzatore può integrare funzionalità di elaborazione e di visione artificiale su altri telai di droni con più rotori.

Da semplice giocattoli per hobbisti, i droni hanno trovato impiego in un numero di mercati in costante aumento. Ma non bisogna dimenticare che lo sviluppo di applicazioni per i droni non è un compito semplice.

Per tutti coloro che vogliono sviluppare immediatamente soluzioni avanzate per droni, la piattaforma Aero di Intel mette a disposizione una soluzione già "pronta a volare", mentre per chi volesse partire da un livello inferiore, i componenti integrati sviluppati da aziende come Infineon e Cypress (da poco entrata nell'orbita del colosso tedesco) possono contribuire a ridurre costi e tempi di sviluppo in modo significativo.


È necessario aver eseguito l’accesso per commentare

Lascia un commento

Nessun commento




Sign up to view our publications

Sign up

Sign up to view our downloads

Sign up

Hotspots Specials 2019
24th October 2019
Germany Böblingen, Germany
IoT Solutions World Congress 2019
29th October 2019
Spain Barcelona
Maintec 2019
30th October 2019
United Kingdom NEC, Birmingham
NOAH Conference 2019
30th October 2019
United Kingdom Old Billingsgate, London
productronica 2019
12th November 2019
Germany Messe München