Flight Controller

FLIGHT CONTROLLER – OpenPilot CC3D

I Flight Controller o Flight Control System sono il cervello diogni Drone. Un drone senza FC non può auto-stabilizzarsiin volo ne percepire la propria posizione e i proprispostamenti nello spazio. Si può dire che il FC è il Dronestesso. Il FC deve necessariamente avere i seguenticomponenti:

• CPU (Central Processing Unit)

• Uscite PWM

• Entrate PWM PPM SBUS

• IMU (Inertial Measurement Unit)• Software di gestione o Trimmer

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

La CPU è il cuore del FC. Ha la capacità di eseguire unnumero di operazioni al secondo che determina lafrequenza di clock. Aumentando questa frequenza si avràun drone con capacità di reazione alle forze fisichemigliore.

SCHEMA ENTRATE / USCITE PWM

Le entrate/uscite PWM sono le porte di comunicazionedel FC. Usano un tipo di modulazione che serve a farcomunicare il FC con i regolatori di velocità dei motori(ESC) e con la ricevente Radio. In particolare la riceventelegge i segnali dal Radio Comando (RC principalmente2.4Ghz) e li invia al FC. Le uscite PWM servono al FC perinviare il comando di velocità ai regolatori di velocità deimotori (ESC).

IMU (Inertial Measurement Unit)

L'IMU è l'unità dei sensori principali, senza di esso il dronenon potrebbe volare in quanto non saprebbe percepire ilproprio movimento nel lo spazio. L'IMU (ItertialMeasurement Unit) contiene 3 giroscopi e 3 accelerometriper gli assi XYZ. Sono di tipo MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). I giroscopi permettono di misurarela rotazione del FC su ogni asse XYZ, mentre gliaccelerometri permettono di misurare l'accelerazione suogni asse XYZ.Utilizzando i dati dell'IMU, il processore centrale o CPU,elabora dei valori che saranno poi inviati tramite PWM aimotori attraverso i regolatori di velocità dei motori.L'elaborazione di questi valori di solito viene calcolatausando il controllo matematico Proporzionale IntegraleDerivativo. Senza entrare nel dettaglio, modificandoquesti 3 valori è possibile stabilizzare un drone multi-rotorein modo perfetto, facendolo reagire alle forze fisiche aseconda del tipo di utilizzo di cui necessitiamo.

Software di gestione FC – Sezione regolazione PID

Indicativamente modificando il valore Proporzionaleandremo ad correggere la forza necessaria a riportare ilmulti-rotore in posizione orizzontale. Un valore troppo altodi P farebbe superare l'orizzonte e rischiare di ribaltare ildrone.Il valore Integrale ci permette di regolare la quantitàvariabile di forza correttiva sulla base dell'angolo di erroredalla posizione desiderata. Maggiore è il tempo in cui ilmulti-rotore non è orizzontale, maggiore sarà la correzioneche sarà applicata.Il valore Derivativo regola la velocità con la quale i valoriprecedenti sono applicati e quindi la velocità con la quale ilmulti-rotore deve tornare in orizzontale.Questo tipo di regolazione viene impostata dal Software delFC. Non sempre è necessario un computer. A volte èpossibile trovare FC con display integrato o anche softwaregestibili solo tramite dispositivi android o ios.Il Software del FC si occupa quindi delle seguentiregolazioni:

• Tipo di multi-rotore

• 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 lanecessità di conoscere il tipo di forma scelta, il numero dimotori usato, il tipo di assorbimento per motore e ilmodello di elica utilizzato. La forma del frame può esserecatalogata generalmente in base al numero di motori usati(3, 4, 6, 8). E' possibile anche arrivare ad un massimo di

16 motori mettendo in parallelo lo stesso segnale PWM mainvertendo le fasi del motore sullo stesso asse in modo daavere 2 motori sovrapposti che ruotano ognuno nelladirezione opposta. Ogni FC ha la il proprio sistema pergestire l'assetto orizzontale e mantenere la stabilità, perquesto motivo è necessario seguire le istruzioni diregolazione della direzione di ogni singolo motore. I multi-rotori se avessero i motori rotanti nella stessa direzione, adesempio in senso antiorario, poiché utilizzano delle eliche apasso fisso (non come negli elicotteri che hanno il passovariabile), non potrebbero rimanere fermi sull'asseperpendicolare al suolo (asse Z) per lo stesso principio peril quale un elicottero senza rotore di coda inizierebbe aruotare su se stesso, ovvero per il terzo principio delladinamica che afferma che “ad ogni azione corrisponde unareazione uguale e contraria”. Pertanto il numero di motoriche ruotano in senso anti-orario deve essere lo stessonumero di motori che ruotano in senso orario, ad eccezionedel multi-rotore a 3 motori che usa un motore didimensioni maggiori e con un elica di dimensioni maggioriper 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 leprincipali sono il numero di giri al minuto (RPM), numerocostante di giri per volt (KV), Curva di Thrust (spinta ingr.), peso, frequenza di aggiornamento (Hz riferito agliESC), dimensione e passo di elica supportata. A secondadel voltaggio della batteria dovremmo applicare un certotipo di elica. Generalmente aumentando i Volts e quindiaumentando i giri al minuto dei motori, la dimensionedell'elica sarà minore, viceversa riducendo i Voltsdovremmo usare eliche di dimensioni maggiori,mantenendo ovviamente lo stesso peso totale del mezzo.

Software di gestione FC – Calibrazione Radio Comando

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

Software di gestione FC – Calibrazione IMU

La calibrazione successiva è quella riferita all'IMU. Perquanto possa essere montata fisicamente parallelaall'orizzontale la FC non potrà mai avvicinarsi allaprecisione che può darci un giroscopio a 3 assi. In tal casoè necessario posizionare il multi-rotore e quindi il FC piùorizzontale possibile (aiutandosi con una livella a bollatoroidale) ed effettuare la calibrazione dell'IMU.La fase finale della regolazione di un FC è l'impostazionedei valori di stabilizzazione PID. Di solito per evitare che ilmulti-rotore venga distrutto al primo decollo si impostanodei valori di default che la casa produttrice consiglia periniziare. Da questo punto si modificano i valorisingolarmente fino a raggiungere la prestazione di volonecessaria al tipo di lavoro richiesto. Non esiste simulatoresoftware che possa simulare tanto abilmente i lcomportamento di un multi-rotore nella realtà, perciò ognivolta si modifica un valore bisogna testare il mezzo in volosimulando le forze esterne tramite il Radio Comando. Iltutto effettuato in ambiente chiuso e al riparo da possibilimovimenti del multi-rotore non controllabili o calcolati.

Software di gestione FC – Calibrazione IMU

Ultimamente i FC stanno applicando come funzionenecessaria anche il sistema Fail-Safe. Questo sistema vieneattivato nel momento in cui il FC non riceve più segnali dalRadio Comando e quindi è lasciato a se. A seconda del tipodi FC il multi-rotore ha la possibilità di eseguire operazionipre-impostate per permettere un atterraggio in completasicurezza. I tipi più comuni di Fail-Safe utilizzati sonol'atterraggio in posizione attuale (landing), l'atterraggio alpunto di decollo (Return to Home o Return to Launch), lospegnimento dei motori (Cut-off), lo spegnimento deimotori e apertura del paracadute (Safe-Guard).Ovviamente per alcuni tipi di Fail-Safe sono necessari deisensori aggiuntivi come il barometro per la percezione dellapressione e quindi dell'altezza in cui si trova il mezzo, e ilGPS che permette al mezzo di conoscere la posizioneattuale sulla Terra fornendo latitudine, longitudine ealtezza.