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Introduzione alla configurazione del software di bordo di un multicottero  (1)
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  • 1. www.virtualrobotix.com presenta : Introduzione allaconfigurazione di bordo del multicottero di Emile Castelnuovo
  • 2. Introduzione : il multirotoreCosè un multirotorePrincipio di funzionamentoEsempi di configurazioni
  • 3. Introduzione : cosè unmultirotoreUn multirotore si differenzia dagli elicotteristandard per la presenza di 3 o più eliche apasso fisso.Necessita di una centralina dedicata per ilcontrollo del volo e della stabilizzazione.E un velivolo di semplice costruzionemeccanica, ma di complessa gestione dinamica.
  • 4. Introduzione : principio difunzionamentoIl multirotore si stabilizza agendo solo sullavelocità dei suoi motori-eliche, quindi nessunaparte meccanica in movimento (ad esclusionedel motore stesso).Eccezione: il Tricottero che richiede un servoper il movimento del motore di coda.Nel multirotore esistono due tipi di eliche:Destre e Sinistre o più comunemente Rotanti(spingenti) e controrotanti (traenti).
  • 5. Introduzione : principio difunzionamento 2 Verde Rotanti (pusher) - Blu Controrotanti (standard)
  • 6. Introduzione : principio difunzionamento 3La stabilizzazione avviene su tre assiGli assi X e Y sono controlati variando lavelocità di motori con rotazioni opposte.Asse Z controllato variando la velocita di motoricon la stessa rotazione.
  • 7. Introduzione : principio difunzionamento 3Ogni accoppiata motore-elica produce duecomponenti di forza utili agovernare il multirotore:SPINTA e MOMENTOTORCENTE (coppia)Regolando queste dueforze si può spostare ilmulti in qualsiasidirezione nello spazio
  • 8. Introduzione : principio difunzionamento 4Per mantenersi inequilibrio sullasse Z(YAW o IMBARDATA) lecoppie di motori 1-3 e 2-4devono avere velocitàangolari uguali.Per i rimanenti assi X e Y(ROLL e PITCH o Rollio eBeccheggio) la sommadelle spinte sui 4 motorideve essere uguale.
  • 9. Introduzione : principio difunzionamento 5Per il movimento si mantiene unangolo di ROLL o PITCH diversoda 0Nell esempio controllando lavelocità dei motori 1-3(aumentando 3 e diminuendo 1) ilmomento rimane costante macambia linclinazione facendomuovere il Quad verso la YPer la rotazione si modificano levelocità delle due coppie in modoche la differenza di momentotorcente faccia ruotare il quad. Lasomma delle forze però deverimanere costante quindi si agisceaumentando la velocità di unacoppia e diminuendo laltra
  • 10. Introduzione : principio difunzionamento 5La Matrix TableMatrice che identifica la percentuale
  • 11. Introduzione: Esempi tipicidi configurazione 1QUAD:
  • 12. Introduzione: Esempi tipicidi configurazione 1X8 OCTA QUAD:
  • 13. Introduzione: Esempi tipicidi configurazione 1HEXA:
  • 14. Introduzione: Esempi tipicidi configurazione 1OCTA:
  • 15. Introduzione: Esempi tipicidi configurazione 1OCTA V: Y6:
  • 16. Introduzione: Esempi tipicidi configurazione 1TRICOPTER:
  • 17. La centralina di controllo 1Per funzionare un multirotore DEVEnecessariamente disporre di una centralina dicontrollo con microcontrollore (MCU).La VRBRAIN usa un ARM a 32bit della ST.Molto popolari son gli Arduino a 8 bit (es.Arducopter)La centralina si occupa di variare la velocità deimotori ad alta velocità (250Hz per VRBRAIN,100Hz per Arduino)Operare un multirotore senza centralina èimpossibile
  • 18. La centralina di controllo 2Le MCU devono disporre di almeno 4 ingressi e 4uscite PWM per poter controllare un QuadricotteroI 4 ingressi base sono Roll, Pitch, Throttle, Yaw(Rollio, Beccheggio, Gas, Imbardata)I rimanenti ingressi servono per le modalità di voloLe uscite sono 1:1 con i motori/eliche.Le uscite generano degli impulsi (PWM) checomandano gli ESC
  • 19. Gli ESC 1Altro elemento molto importante per una buonastabilità di volo è l ESC-E una scheda per il controllo di motori brushless(quelli tipicamente usati nei multirotori)Un buon ESC deve poter modificare la velocitàdel motore ad una frequenza elevata (~400Hz)e non deve in nessun modo filtrare linput perevitare ritardi nelle correzioni motore.
  • 20. Gli ESC 2Questo è un esempio di cosa può fare un buonfirmware per ESC
  • 21. La radioPer controllare un Multirotore serve una radiotipo RC.Con alcuni sitemi si può usare un Joystick (FlyBy Wire) o addirittura un PC.Le comuni radio RC generano un segnale PPMo PWMLe più comuni generano segnali PWM (un cavoper canale) mentre quelle di fascia medio altasolitamente generano segnali PPM (un cavo pern-canali)
  • 22. I sensori di bordoEsistono 4 tipi di sensori che sono alla base delvolo autonomo di un multirotore:■ Giroscopio (essenziale)■ Accelerometro (opzionale)■ Bussola (opzionale)■ GPS (opzionale)Grazie alla tecnologia MEMS quasi tutti isensori possono essere inseriti in un unico chip
  • 23. I sensori di bordo 2I sensori combinati su di una schedacompongono quella che in inglese vienechiamata IMU (Inertial Measurement Unit)VRBRAIN:MPU6000 (6 assi di misurazione) combina unaccelerometro a 3 assi e un giroscopio a 3 assiHMC5883 bussola digitale su 3 assiGPS (Mediatek o UBLOX)
  • 24. I sensori di bordo 3I giroscopi misurano la velocità angolare su 3assi. Unità di misura gradi/sGli accelerometri misurano la forza di gravitàsu 3 assi. Unità di misura 1G (9.8 m/s2)La bussola digitale misura il nord magnetico suitre assi (°)
  • 25. I sensori di bordo 4Con una board appoggiata al tavolo i sensoridovranno fornire (assi x,y,z):Giroscopi : 0,0,0Accel.: 0,0,1GCon il muso verso lalto i sensori fornirannocome output:Giroscopio: 0,0,0Accel.: 1G,0,0
  • 26. I sensori di bordo 5Gli accelerometri sono rumorosi, matendenzialmente resistenti agli sbalzi di caloreI Giroscopi sono molto precisi, ma sensibili allevibrazioni e ai cambi repentini di temperaturaLe bussole sono molto sensibili ai campimagnetici e oggetti metallici in genere.
  • 27. La calibrazione dei sensori 1Tutti i chip escono dalla fabbrica con un offsetleggermente differente.In ogni sistema di navigazione inerziale èfondamentale procedere con una correttacalibrazione per registrare lo zero.Il codice della VBRAIN procede allacalibrazione dei GYRO e degli ACC. in fase distartup.La calibrazione della bussola deve essere fattaalmeno una volta.
  • 28. La calibrazione dei sensori 2Dato che i giroscopi sono sensibili ai cambi ditemperatura, lideale prima di volare è dilasciare che i chip si adeguino alla temperaturaesterna soprattutto in inverno.In alternativa si dovrebbe comprendere nelsoftware un sistema per la calibrazionedinamica in base alla temperatura.Pro: nessuna calibrazione ulterioreContro: lungo processo di messa punto ecomplessità di gestione.
  • 29. La calibrazione dei sensori:Accelerometri (livellamento)Il level (o livellamento) è quella procedura cheserve per registrare loffset degli accelerometrisullasse orrizzontale.Molto importante per avere un multirotore"fermo".Esempio da planner.
  • 30. La calibrazione dei sensori: igiroscopiLa calibrazione dei giroscopi deve essereeffettuata con il sensore più fermo possibileServe ad ottenere loffset rispetto allo zero difabbrica.E essenziale per avere un volo fluido e senzasobbalzi.
  • 31. La calibrazione dei sensori: labussolaLa calibrazione dellabussola è fondamentaleper le funzioni dinavigazione automatica.Non è fondamentale per ilvolo stabilizzato manuale.
  • 32. La calibrazione dei sensori: labussolaUna perfetta calibrazione permette di eliminarele interferenze magnetiche generate dai motorie da apparecchiature elettriche.
  • 33. Lorientamento del corponello spazioDCM (Direction Cosine Matrix)Usa le rotazioni di matrice per calcolare laposizione delloggetto relativa ad un sistema diriferimento fissoEs. il multirotore in riferimento alla terraQUATERNIONSSono unestensione dei numeri complessi eservono per poter descrivere le rotazioni in unospazio a dimensione 4
  • 34. Lorientamento del corponello spazioIl risultato dei dueprecedenti sistemi vienepoi trasformato in"angoli di eulero"Gli angoli di Eulero sonoutili per comprendere linclinazione del corporispetto ad un sistemafisso utile nelle funzioniautomatiche dinavigazione
  • 35. PIDProporzionale Integrale Derivativosistema di controllo in retroazione negativa.(control loop feedback)Molto usato in sistemi di controllo.
  • 36. PID di stabilizzazione inAC32
  • 37. GCS Ground Control Station
  • 38. GCS Ground Control StationVisualizzazionein tempo realedei parametri divolo.
  • 39. GCS Ground Control StationCreazione e gestione di missioni con waypoint.
  • 40. GCS Ground Control StationGestione dei parametri di volo e di stabilizzazione.
  • 41. GCS Ground Control StationGestione dei parametri di volo e di stabilizzazione.
  • 42. Join US at :www.virtualrobotix.com

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