Costruire un quadricottero, i componenti principali

Nel precedente articolo abbiamo appreso le nozioni base che riguardano il volo di un quadricottero. In questo andiamo a vedere nel dettaglio quali sono i componenti principali che costituiscono il nostro aeromodello.
Partiamo subito da un elenco delle parti per poi analizzare in dettaglio gli elementi

Premessa

La descrizione e la scelta degli elementi viene affrontata in modo pratico, basato sulla mia piccola esperienza, non vengono analizzati tutti gli aspetti tecnici legati alle leggi fisiche e ai calcoli matematici che portano la scelta e l’abbinamento delle varie parti. Come anticipato nello scorso articolo questa è solo una guida molto basilare, con lo scopo di introdurre semplici nozioni che dovranno necessariamente essere approfondite per avere nozioni complete sulla costruzione e sul volo dei quadricotteri.

Eliche (Propellers)

Le eliche che vengono montate sui motori sono 4 e hanno forme e dimensioni diverse. Le due misure principali, che attualmente ci interessano, sono la lunghezza e il valore di inclinazione delle pale (passo).
Le eliche vengono realizzate impiegando diversi tipi di materiali, si va dalle più economiche in plastica a quelle costose in fibra di carbonio molto leggere e robuste.
Quelle che utilizzeremo sono in plastica, perché hanno un costo molto contenuto e nei primi voli vi assicuro che ne danneggerete diverse, dovrete averne una buona scorta!
Quando si diventa più pratici nella gestione del volo del quadricottero si pò iniziare a pensare di passare a quelle più bilanciate e costose come il legno o il carbonio.

Con l’esperienza imparerete a scegliere l’elica giusta. Quella che useremmo per il quadricottero del tutorial è una elica lunga 10 pollici con pitch di 4.5 (10×4.5), in plastica.
Abbiamo visto che i motori del quadricottero girano due in senso antiorario e due in senso orario. Anche le eliche dovranno avere l’inclinazione dell’ala orientata nel verso di rotazione. Quindi serviranno due eliche CW(Orarie) e 2 CCW (Antiorarie).

Eliche CW e CCW Orarie e antiorarie

Motori

Una parte importante del nostro quadricottero sono i motori che devono essere capaci di generare l’energia necessaria per sollevare e far muovere il modello. Questi sono tipicamente brushless (privi di contatti striscianti) e  caratterizzati dalla cassa rotante, dove appunto la parte che ruota è l’involucro metallico esterno, l’avvolgimento elettrico invece rimane nella parte interna, collegato tramite dei cuscinetti a sfera al mozzo dell’elica e tramite un supporto fisso all’asse del quadricottero.
I parametri che ci interessano nella scelta di un motore sono il valore di Kv, il massimo assorbimento e la potenza totale. Assorbimento e potenza sono relativi al voltaggio di alimentazione.

Il Kv rappresenta il numero di giri in funzione ai volt di alimentazione, ad esempio se il valore di Kv è 900 rpm/V significa che se lo alimentiamo con una cella LiPo da 3.7V il motore effettuerà 3330 rotazioni al minuto (900 x 3.7).
Nel caso in cui lo alimentiamo con una batteria LiPo a 2 celle (7.2V) il motore eseguirà 64800 giri al minuto.
Nella realtà il numero di giri sarà inferiore perché sul motore sarà montata un elica che opporrà una certa resistenza al moto rotatorio.

Un altro parametro è la corrente massima che può essere assorbita dal motore. Questo valore è fondamentale perché in base a questo dato dovremmo dimensionare l’ESC e la batteria.

Nella scheda tecnica del motore viene riportato l’assorbimento, calcolato utilizzando una elica di test, e la relativa spinta generata.
Ad esempio potremmo trovare delle tabelle come la seguente:

Elica TestTensione di AlimentazioneAmper AssorbitiPotenza ProdottaSpinta
8×422.2V (6S)13.9A310W1.11Kg
10×518.5V (5S)17.3A315W1.27Kg

Senza eseguire troppi calcoli potremmo osservare che montando un’elica 10×5 (10 pollici di lunghezza con pitch da 5) e alimentandolo con una tensione di 22.2V (6S) il motore assorbirà 17.3A generando una spinta di ben 1.27Kg.
Quindi ammettendo di far assorbire la metà della corrente (Condizione tipica del volo) potremmo dedurre che la spinta sia, teoricamente di 635g.
Ora sapendo che ci sono quattro motori, la spinta totale, considerando una potenza al 50%, sarà di circa 2.6Kg.

Secondo la mia esperienza è importante controllare quale sia la spinta in Kg totale, considerando un assorbimento al 50%, per avere un riferimento che indichi se in base al peso totale di tutto il quadricottero, questo potrà volare  e restare in volo con una cera autonomia.

Struttura Motore Brushless per Quadricottero

Esc (Electronic Speed Controller)

Questo componente permette di fornire energia al motore, di poterne modulare l’entità al fine di variare la velocità di rotazione. I motori brushless, non avendo contatti striscianti, devono essere gestiti elettronicamente tramite un Esc. L’alimentazione dei motori avviene tramite tre fili, l’Esc ha il compito di fornire alimentare alternativamente ad ognuno di questi fili.

Ogni motore possiede un Esc dedicato, quindi nel quadricottero ci sono 4 Esc. Anche se è possibile installare Esc diversi tra loro, il consiglio è sempre quello di installare Esc della stessa marca e stesso modello.

La caratteristica principale di un Esc è la quantità di corrente che riesce ad erogare. La scelta viene effettuata considerando il massimo assorbimento del motore. Se questo assorbimento è ad esempio di 15A dovremmo scegliere un Esc che eroghi qualche Ampere in più di quelli massimi del motore, quindi un Esc da 20A è l’ideale.
Anche se non ci sono problemi nel mettere un Esc con Amperaggi molto maggiori ad esempio uno da 30A, conviene sceglierne un modello che fornisca una corrente leggermente superiore a quella massima del motore, questo per risparmiare peso totale installato e soldi. Ogni grammo aggiunto al quadricottero si traduce in una diminuzione dell’autonomia della batteria, e quindi meno tempo di volo.

Un altra caratteristica è la presenza di un alimentatore che fornisce energia all’elettronica di bordo, Esc con Bec. Il Bec (battery eliminator circuit) eroga una tensione di 5V con un amperaggio che cambia a seconda del modello di Esc. Esistono anche Esc senza Bec, chiamati Opto; se scegliete questo modello dovrete procurarvi un Bec esterno oppure costruirne uno voi, basta un 7805 con qualche condensatore (sempre che l’elettronica di bordo non assorba parecchio).

ESC electronics speed controller

FC (Fligh Controller)

Il cuore di un quadricottero è il sistema di controllo che ne permette e governa il volo. Questa scheda basata su un microcontrollore acquisisce dati dai sensori, (a seconda del modello possiamo trovare giroscopio, accelerometro, magnetometro, barometro e gps) e le elabora continuamente e velocemente secondo un algoritmo matematico, per poi intervenire sugli Esc che variano la velocità di rotazione dei motori.
Oltre alla gestione dei sensori e dei motori, la centralina di volo acquisisce anche i segnali provenienti dal ricevitore del telecomando, questi segnali permettono di eseguire delle azioni di volo (Roll, Pitch, Yaw e Throttle) ma anche dei comandi che eseguono calibrazioni della scheda.

Esistono diverse tipologie di schede di controllo da quelle molto semplici dal costo irrisorio e quelle professionali da diverse centinaia di euro.

Il quadricottero che andremmo a realizzare verrà gestito da una scheda Arduino, anche se sono consapevole che non sia la scheda principe per governare un quadricottero credo che comunque sia la scelta migliore per andare ad imparare e capire tutti i meccanismi che governano il volo di un multirottore. Iil costo molto contenuto permette anche a chi a poche disponibilità finanziarie di costruirsi il suo aeromodello.

Anche per la parte software andremmo ad utilizzare il famoso MultiWii che ha raggiunto una certa maturità e semplicità nella configurazione e installazione. Essendo un progetto open potremmo anche andare a vedere tutti gli algoritmi che gestiscono il sistema.

Arduino non ha a bordo i sensori che servono per gestire il volo quindi abbineremmo alla scheda una piattaforma inerziale (IMU). Ne esistono diverse a seconda dei sensori montati a bordo e naturalmente più sensori e più assi gestiscono (x, y, z) più sono costose.

IMU GY80

Frame (telaio del quadricottero)

Il telaio è la parte dove andremo a montare tutti i componenti. Deve essere molto leggero e allo stesso tempo resistente. I materiali del frame spaziano dalla plastica al carbonio, con pregi e difetti. Il carbonio è molto resistente e leggero, forse il materiale ideale, ma costa molto di più rispetto a un frame in plastica o fibra di vetro. Per chi è alle prime esperienze consiglio un frame abbastanza semplice da assemblare e che abbia la disponibilità di parti di ricambio o comunque sia semplice da riparare e dal basso costo.

Possiamo realizzare un nostro telaio utilizzando delle stecche di legno o dei quadrelli in alluminio. Visto il basso costo di telai in kit probabilmente è la scelta più veloce ed economica, comunque questo non vieta di realizzare il proprio modello fai da te!

Un altro parametro da considerare è la lunghezza degli assi, che determinano la dimensione del quadricottero. Più è grande il telaio più diventa pesante, quindi per stare in una fascia di peso ‘ideale’, sceglieremo un telaio che va da 450mm a 550mm con peso intorno ai 500g.

Batteria LiPo

La scelta di questo elemento è molto importante perché oltre ad alimentare tutti i componenti, determina anche l’autonomia del volo e la potenza massima sviluppata dai motori.  E’ da considerare anche il peso, visto che batterie con tensioni ed amperaggi maggiori sono anche più pesanti, la scelta deve ricadere in un modello che abbia una buona autonomi ed un peso moderato.

Le LiPo (Polimeri di litio) vengono impiegate perché hanno la capacità di fornire elevati amperaggi in breve tempo, questo valore viene espresso sul pacco batteria dalla dicitura C (costante di scarica), più è alto questo valore più corrente possiamo prelevare in un certo tempo.
Ad esempio una batteria con 4000 mA/h è capace di fornire, teoricamente, 4A per un’ora intera dopodiché sarà scarica, in questo caso la capacita di scarica corrisponde al valore di 1C.
Se sulla batteria viene indicata la capacita di scarica di 30C, significa che potremmo assorbire dalla batteria per un tempo pari a 1/30 di ora, ovvero 2 minuti (60/30), una corrente di 120A (4000mA x 30C = 120 A).

Le LiPo sono molto preformanti ma anche molto delicate e per evitare spiacevoli incidenti si consiglia sempre di:

  • Non forare o tentare di aprire la batteria
  • Non lasciare incustodite le batterie nelle fasi di carica
  • Usare solo caricabatterie idonei alla carica delle LiPo
  • Utilizzare un sacchetto LiPo Saver quando carichiamo le batterie e quando le conserviamo
  • Conservare le batterie in un contenitore metallico provvisto di chiusure di sicurezza
  • Nella fase di carica scegliere un valore di corrente uguale o inferiore al valore di corrente fornito dalla batteria
  • Ricaricare in un luogo ventilato lontano da materiali infiammabili

Queste sono alcune raccomandazioni base, dovete comunque approfondire l’argomento per la vostra sicurezza e per evitare danni a cose o persone.

Nelle batterie è inoltre indicato il numero di celle e il loro tipo di collegamento. Una cella possiede una tensione di 3.7V, se sul pacco della batteria è indicata la dicitura 2S, significa che sono presenti due celle in serie e la tensione risultante sarà di 7.2V (3.7vx2= 7.2V)

Radiocomando

L’ultimo componente indispensabile per far volare un quadricottero è il telecomando con il suo ricevitore.
Questo componente permette di inviare dei comandi alla centralina di controllo montata sul quadricottero che si traducono in azioni di volo. Per comandare il quadricottero servono 4 canali, Roll, Pitch, Yaw e Throttle, ma se vogliamo attivare alcuni controlli aggiuntivi sarebbe consigliato avere almeno un 6 canali. La differenza tra un 4 canali o un sei, in termini monetari, è di poco conto, inoltre il telecomando può essere usato per tutti i nostri aeromodelli, quindi è da considerare come un investimento e conviene spendere qualche decina di euro in più per un modello con più canali e più funzioni.

La frequenza del telecomando è tipicamente da 2.4GHz, questo garantisce una portata di qualche chilometro, in campo aperto, e permette di avere un collegamento sicuro con la ricevente montata sul quadricottero.

Un altra caratteristica da valutare prima di acquistare il radiocomando è il tipo di modo con cui sono posizionati gli stick. I più diffusi sono il modo 1 dove il commando dell’acceleratore (Throttle) è posizionato a destra e i comandi Pitch e Roll a sinistra, mentre nel modo 2 è al contrario, l’acceleratore è a sinistra mentre i controlli Picth e Roll a destra. La scelta del modo del telecomando dipende solamente dalle nostre preferenze, io ad esempio uso il modo 1. Se ad esempio avete degli amici o andate a volare in un campo volo dove per esempio tutti usano il modo 2 allora potreste scegliere anche voi il modo 2 in modo da poter usufruire dell’esperienza delle altre persone.