I droni multirotore sono ormai comuni e abbastanza avanzati da poter essere pilotati da chiunque, ma la maggior parte delle persone probabilmente non capisce come fanno a rimanere in aria. Comprendere la fisica di base del volo dei droni può trasformarti in un pilota di droni migliore. È semplice!
Come volano gli elicotteri
Foto SS/Shutterstock.com< /figure>
Inizieremo con qualcosa di completamente diverso: gli elicotteri. Potrebbe sembrare una strana deviazione, ma sapere un po' come volano gli elicotteri renderà molto più facile capire il volo dei droni.
Un tipico elicottero ha un rotore principale e un rotore di coda. Esistono altri progetti, ma funzionano tutti per controllare le stesse forze. Questa è una spiegazione molto semplice di come volano gli elicotteri, ma adeguata al nostro obiettivo quando si tratta di comprendere il volo dei droni.
L'elicottero ha un rotore principale che genera una spinta verso il basso, sollevando il velivolo nel aria. Il problema è che quando il rotore gira in una direzione, esercita una forza sul corpo dell'elicottero (grazie Newton!) e quindi sia il rotore che il corpo dell'elicottero girerebbero, proprio in direzioni opposte.
Questo ovviamente non è un ottimo modo per volare, motivo per cui gli elicotteri hanno rotori di coda. Questo rotore emette una spinta orizzontale per contrastare la coppia del rotore principale.
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Ci sono elicotteri senza coda con altri sistemi anti-coppia, come il russo Kamov Ka-52, che utilizza due rotori principali che ruotano in direzioni opposte, nota come disposizione coassiale.
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Probabilmente conosci anche il CH-47 Chinook dell'esercito americano, che ha due enormi rotori principali controrotanti che neutralizzano la coppia dell'altro fornendo allo stesso tempo un'enorme capacità di sollevamento.
SpaceKris/Shutterstock.comCosa ha a che fare con il tuo quadricottero? Tutto!
Droni multirotore e il problema della coppia
Se osserviamo il layout di base del quadricottero, noterai che i quattro rotori sono disposti a X. Due eliche ruotano in senso orario e le altre due in senso antiorario. Nello specifico, le eliche anteriori girano in direzioni opposte tra loro e lo stesso vale per le eliche posteriori. Pertanto, le eliche che si trovano l'una di fronte all'altra in diagonale ruotano nella stessa direzione.
Il risultato finale di questa disposizione è che se tutte le eliche ruotano alla stessa velocità, il drone dovrebbe rimanere perfettamente fermo con il muso fisso in posizione.
Uso di coppia e spinta per manovrare
Se non vuoi mantenere il muso del drone fisso in una posizione, puoi utilizzare questo principio di annullamento della coppia per manovrare. Se rallentassi intenzionalmente alcuni motori e ne accelerassi altri, lo squilibrio farebbe girare l'intero velivolo.
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Allo stesso modo, se acceleri i due motori posteriori, il retro del drone sollevare inclinando l'intera imbarcazione in avanti. Questo è vero per una coppia di rotori, quindi puoi inclinare il velivolo in qualsiasi direzione cardinale.
Ci sono problemi con questo approccio! Ad esempio, se rallenti un rotore, riduci anche la sua spinta e un altro rotore deve accelerare per compensarlo. In caso contrario, la spinta totale diminuirebbe e il drone perderebbe quota. Tuttavia, se aumenti la spinta di un rotore, il drone si inclina maggiormente, causando movimenti indesiderati.
L'unico motivo per cui un quadricottero o un altro velivolo multirotore può volare è grazie alla complessa risoluzione dei problemi in tempo reale eseguita dall'hardware che lo controlla. In altre parole, quando dici al drone di muoversi in una particolare direzione nello spazio 3D, i sistemi di controllo di volo a bordo stabiliscono esattamente quale velocità ogni motore dovrebbe far girare i rotori per raggiungerla.
Harry Powell/Shutterstock.comDal punto di vista del pilota, gli ingressi di controllo sono gli stessi di qualsiasi aereo. Innanzitutto, abbiamo l'imbardata, in cui il drone ruota attorno al suo asse verticale. In secondo luogo, abbiamo il tono, in cui il naso del drone si alza o si abbassa, facendolo volare in avanti o indietro. Infine, abbiamo roll, dove il drone si muove da un lato all'altro. Ovviamente hai anche il controllo sulla quantità di spinta, che cambia l'altitudine del drone.
Tutti i movimenti del drone sono una combinazione di questi movimenti. Ad esempio, volare in diagonale è un misto di beccheggio e rollio sui controlli. Il controllore di volo di bordo fa tutto il complicato lavoro di capire come tradurre un comando, ad esempio. abbassa il muso su specifiche velocità del motore.
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Rotori collettivi e rotori a passo fisso
C'è un ultimo aspetto importante di come volano i droni multirotore, e questo ha a che fare con i rotori stessi. Quasi tutti i droni che puoi acquistare oggi utilizzano il “passo fisso” rotori. Ciò significa che l'angolo con cui la pala del rotore taglia l'aria non cambia mai.
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Tornando per un momento agli elicotteri, il rotore principale è tipicamente un “collettivo” design. Qui, un insieme complesso di collegamenti può alterare l'angolo con cui i rotori attaccano.
Anupong Nantha/Shutterstock.comSe il passo è zero (le pale del rotore sono piatte), non viene generata alcuna spinta, indipendentemente dalla velocità di rotazione del rotore. All'aumentare del beccheggio positivo (spinta verso il basso), l'elicottero inizia a sollevarsi. Ancora più importante, i rotori possono essere spostati in una posizione di inclinazione negativa. Qui, il rotore sta spingendo verso l'alto, quindi l'imbarcazione può scendere più velocemente della semplice attrazione di gravità.
Il passo negativo significa che, in teoria, l'elicottero può volare a testa in giù, ma la maggior parte degli elicotteri a grandezza naturale sono troppo grandi e pesanti per farlo praticamente. Gli elicotteri modello in scala non hanno tale limitazione. Ciò ha portato alla nascita di “3D” Volo in elicottero RC e prestazioni strabilianti da parte di piloti esperti.
Con un rotore a passo fisso, l'unico modo per aumentare la spinta è aumentare la velocità del rotore, a differenza di un elicottero in cui la velocità del rotore può rimanere costante mentre il beccheggio varia. Ciò significa che il drone deve accelerare o rallentare costantemente i suoi rotori, non può volare in qualsiasi assetto all'interno dello spazio 3D e non può scendere più velocemente della caduta libera.
Perché non abbiamo droni a passo collettivo? Ci sono stati tentativi come il Quadricottero 3D Stingray 500, ma la complessità e il costo di un tale progetto lo limitano ad applicazioni specialistiche.
Easy To Fly, Non vola facilmente
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