Cos'è un drone e come funziona: componenti e tecnologia
Un drone è molto più di una telecamera con eliche. Per rimanere in aria, deve coordinare motori, sensori, sistemi di posizionamento, comunicazioni wireless e software in grado di apportare correzioni costanti durante il volo.
Quando il pilota muove una leva sul comando, il comando viene trasmesso al drone, il controllore calcola come deve rispondere e i motori modificano la loro velocità. Allo stesso tempo, i sensori controllano l'inclinazione, l'altezza, l'orientamento e la posizione per mantenere stabile l'aereo.
In questa guida imparerai cos'è un drone, quali parti lo compongono e come funzionano insieme i suoi motori, eliche, sensori, GPS, controller di volo e sistemi di sicurezza.
Per una visione più ampia dei suoi usi, categorie, regolamenti e criteri di selezione, puoi consultare il nostro guida completa ai droni.
Cos'è un drone e cosa significano UAV e UAS
Un drone o drone è un velivolo che può volare senza avere un pilota a bordo. Può essere controllato a distanza, eseguire manovre assistite o seguire determinate istruzioni programmate utilizzando il suo sistema di volo.
Sebbene spesso usati come sinonimi, i termini drone, UAV e UAS non significano esattamente la stessa cosa:
- Drone o drone: termine comune utilizzato per riferirsi a un velivolo senza pilota.
- UAV: acronimo di Veicolo aereo senza pilota. Si riferisce principalmente all'aereo.
- UAS: acronimo di Sistema aereo senza pilota. Comprende l'aeromobile, la stazione di comando o controllo, i collegamenti di comunicazione e altri elementi necessari per operare.
Non tutti i droni hanno nemmeno quattro eliche. Esistono multirotori, modelli ad ala fissa e configurazioni ibride. Queste differenze sono sviluppate nella nostra guida sul diversi tipi di droni.
In questo articolo ci concentreremo principalmente sul funzionamento dei droni multirotore, che sono i più comuni tra i singoli utenti.
Perché un drone può volare
Un multirotore vola grazie alla spinta generata dalle sue eliche.
I motori fanno ruotare le eliche ad alta velocità e spostano l'aria verso il basso. In risposta, viene generata una controforza che spinge l'aereo verso l'alto.
Supporto, spinta e peso
Per decollare, la spinta combinata delle eliche deve superare il peso del drone.
Quando spinta e peso sono bilanciati, l'aereo può essere mantenuto approssimativamente alla stessa altezza. Se la spinta aumenta, sale; se diminuisce, cade.
In un quadricottero, due eliche solitamente ruotano in una direzione e le altre due nella direzione opposta. Questa configurazione aiuta a compensare la coppia e consente il controllo dell'orientamento dell'aereo.
Le quattro mosse: acceleratore, beccheggio, rollio e imbardata
Il movimento di un drone è controllato da quattro comandi fondamentali:
- Acceleratore o potenza: regola la spinta articolare e consente la salita o la discesa.
- Tono o tono: inclinare l'aereo in avanti o indietro.
- Rotolamento o deformazione: inclinalo a sinistra o a destra.
- Imbardata o imbardata: lo fa ruotare sul suo asse verticale.
Per andare avanti, ad esempio, il controller riduce e aumenta leggermente la potenza di alcuni motori. Il drone si inclina in avanti e parte della spinta inizia a spostarlo orizzontalmente.
La stabilità dipende dal fatto che queste variazioni siano rapide, coordinate e proporzionali ai comandi del pilota.
Parti principali di un drone
Sebbene la configurazione cambi a seconda del modello, la maggior parte dei multirotori condivide i seguenti componenti:
| Componente | Funzione principale |
|---|---|
| Telaio o struttura | Supporta e protegge i componenti |
| Motori | Trasformano l'energia elettrica in movimento |
| Eliche | Generano la spinta necessaria per volare |
| ESC | Regolano la velocità di ogni motore |
| Batteria | Fornisce energia a motori ed elettronica |
| Controllore di volo | Elabora gli ordini e stabilizza l'aereo |
| IMU | Misura l'accelerazione e la velocità di rotazione |
| Barometro | Aiuta a stimare e mantenere l'altezza |
| Magnetometro | Fornisce un riferimento guida |
| GPS o GNSS | Aiuta a calcolare la posizione |
| Ricevitore e antenne | Ricevono ordini dal comando |
| Sistema di trasmissione | Invia telemetria e immagine al pilota |
| Fotocamera | Cattura foto o video |
| Giunto cardanico | Stabilizza e orienta la fotocamera |
| Firmware | Gestisce il funzionamento elettronico |
Telai
Il telaio è la struttura su cui sono montati i motori, la batteria e i componenti elettronici.
Deve essere sufficientemente rigido da mantenere la geometria del drone e, allo stesso tempo, leggero in modo da non aumentare inutilmente il consumo energetico.
Motori ed eliche
I motori convertono l'energia elettrica in moto rotatorio. Le eliche trasformano quel movimento in spinta.
Le dimensioni, la forma e l'inclinazione delle eliche influiscono sull'efficienza, sul rumore, sulla velocità e sulla capacità di carico.
Regolatori elettronici di velocità
Gli ESC, o regolatori elettronici di velocità, controllano la potenza inviata a ciascun motore.
Il controller trasmette continuamente istruzioni agli ESC per accelerare o ridurre la velocità dei motori. Senza questa regolamentazione indipendente, il drone non sarebbe in grado di stabilizzarsi o cambiare direzione con precisione.
Batteria
La maggior parte dei droni utilizza batterie al litio, principalmente LiPo o agli ioni di litio.
La vera autonomia dipende da fattori quali:
- Capacità della batteria.
- Peso dell'aereo.
- Velocità.
- Temperatura.
- Vento.
- Manovre eseguite.
- Accessori installati.
- Condizioni ed età della batteria.
Il tempo pubblicizzato dai produttori viene solitamente ottenuto in condizioni favorevoli, quindi la durata effettiva potrebbe essere più breve.
Controllore di volo
Il controllore è il sistema centrale che coordina il volo.
Riceve comandi dal pilota, consulta i sensori, calcola la risposta necessaria e determina quanta potenza ciascun ESC deve inviare al proprio motore.
Gestisce inoltre funzioni quali:
- Stabilizzazione.
- Modalità di volo.
- Posizionamento.
- Ritorno al punto di origine.
- Limitazioni di altezza o distanza.
- Avvisi sulle batterie.
- Risposta alla perdita del segnale.
Come funziona un drone passo dopo passo
Il funzionamento può essere inteso come un circuito continuo tra pilota, controller, motori e sensori.
1. Inizializzazione dei sistemi
Quando si accende il drone, il controller controlla lo stato della batteria, dei sensori, dei motori, delle comunicazioni e del sistema di posizionamento.
Durante questa fase è possibile stabilire il punto di origine ed eseguire controlli dell'IMU, della bussola o del sistema visivo.
Il pilota non deve decollare finché l'applicazione non conferma che sono disponibili i sistemi necessari.
2. Invio dell'ordine
Il pilota muove una leva, preme un pulsante o seleziona una funzione automatica.
Il controller converte tale azione in un segnale digitale e lo trasmette tramite il collegamento di controllo.
3. Elaborazione del controller
Il controllore riceve il comando e lo confronta con lo stato attuale dell'aereo.
Per eseguire il calcolo, utilizzare informazioni quali:
- Inclinare.
- Velocità di rotazione.
- Altezza stimata.
- Orientamento.
- Posizione.
- Velocità di viaggio.
- Stato della batteria.
4. Regolazione del motore
Dopo aver calcolato la manovra, il controllore invia un'istruzione a ciascun ESC.
I regolatori modificano la potenza dei motori. Le differenze di velocità tra loro fanno sì che il drone salga, scenda, si inclini o ruoti.
5. Correzione tramite sensori
I sensori verificano se il movimento effettivo corrisponde a quello richiesto.
Quando rilevano una deviazione, il controller regola nuovamente i motori. Questo processo viene ripetuto continuamente durante il volo e forma un sistema di controllo a circuito chiuso.
Grazie a queste correzioni, un drone assistito può livellarsi, mantenere l'altezza o mantenere una posizione nonostante piccoli disturbi.
6. Invio di telemetria e video
Durante il volo, l'aereo invia informazioni al controllore o all'applicazione.
Questa telemetria può includere:
- Livello della batteria.
- Altezza.
- Distanza.
- Velocità.
- Qualità del segnale.
- Numero di satelliti.
- Stato del sensore.
- Avvisi di sicurezza.
Quando esiste una telecamera, il video può essere trasmesso anche in tempo reale.
Quali sensori utilizza un drone
I sensori consentono al controllore di conoscere lo stato approssimativo dell'aeromobile.
Non tutti i modelli includono gli stessi sistemi e il loro comportamento può cambiare a seconda dell'ambiente.
IMU: giroscopio e accelerometro
L'IMU o unità di misura inerziale integra solitamente, tra gli altri elementi, un giroscopio e un accelerometro.
Il giroscopio misura la velocità di rotazione sui diversi assi. L'accelerometro rileva le accelerazioni e aiuta a stimare l'orientamento e i movimenti.
Il controller combina questi dati per determinare se il drone si sta inclinando o ruotando e applicare le correzioni necessarie.
Barometro
Il barometro misura le variazioni della pressione atmosferica e aiuta a stimare le variazioni di altezza.
È particolarmente utile per mantenere un'altitudine relativamente stabile, anche se la pressione può cambiare a causa delle condizioni meteorologiche e di altri fattori.
Magnetometro o bussola
Il magnetometro fornisce un riferimento di orientamento rispetto al campo magnetico terrestre.
Può essere influenzato da:
- Strutture metalliche.
- Veicoli.
- Linee elettriche.
- Altoparlanti.
- Magneti.
- Interferenza elettromagnetica.
Ecco perché non è consigliabile staccarsi dalle superfici metalliche o ignorare gli avvisi della bussola dell'applicazione.
GPS e altri sistemi GNSS
Il ricevitore GNSS utilizza i segnali provenienti dalle costellazioni satellitari per stimare la posizione dell'aereo.
A seconda del modello, è possibile combinare:
- GPS.
- Galileo.
- GLONASS.
- BeiDou.
Queste informazioni ti consentono di mantenere la tua posizione, registrare percorsi e utilizzare funzioni automatiche.
Sensori visivi e rilevamento degli ostacoli
Alcuni droni incorporano telecamere, sensori a infrarossi, ultrasuoni, sistemi a tempo di volo o altre tecnologie per osservare l'ambiente.
Possono essere utilizzati per:
- Mantenere la posizione vicina al suolo.
- Stimare la distanza da una superficie.
- Rileva gli ostacoli.
- Freno.
- Circondare determinati oggetti.
- Assistenza durante l'atterraggio.
Il suo funzionamento può peggiorare in condizioni di scarsa illuminazione, superfici uniformi, oggetti trasparenti, rami sottili, cavi, acqua o movimenti rapidi.
Pertanto, il rilevamento degli ostacoli non deve essere interpretato come una garanzia contro le collisioni.
Come funziona il GPS o il GNSS di un drone
Sebbene se ne parli comunemente “GPS”, molti droni utilizzano in realtà un ricevitore GNSS compatibile con più costellazioni.
Il ricevitore calcola una stima della posizione a partire dai segnali ricevuti. Il controller combina questo risultato con l'IMU, il barometro, la bussola e, quando disponibili, i sensori visivi.
Questa combinazione è nota come fusione dei sensori.
Grazie al posizionamento, il drone può:
- Mantenere una posizione.
- Misurare la distanza dal punto di origine.
- Registra il percorso.
- Eseguire missioni programmate.
- Attivare determinate funzioni di ritorno.
- Mostra la tua posizione sulla mappa.
Tuttavia, la precisione può essere ridotta in prossimità di edifici alti, strutture metalliche, montagne, aree con interferenze o luoghi con scarsa visibilità del cielo.
Un drone può volare anche senza GPS, ma potrebbe non mantenere la sua posizione orizzontale allo stesso modo. Il suo comportamento dipenderà dalla modalità di volo e da altri sensori disponibili.
Come il controller comunica con il drone
La comunicazione non riguarda solo l'invio di ordini. Molti computer hanno diversi flussi di informazioni simultanei.
Collegamento di controllo
Ordini di trasporto dal comando all'aereo:
- Energia.
- Indirizzo.
- Orientamento.
- Movimenti della telecamera.
- Attivazione delle funzioni.
La sua stabilità dipende dal sistema utilizzato, dalle antenne, dalla distanza, dagli ostacoli e dalle interferenze.
Telemetria
La telemetria invia informazioni dal drone al pilota.
Permette di monitorare le condizioni dell'aeromobile e di ricevere avvisi durante il volo.
Streaming video
I droni dotati di telecamere possono inviare un'immagine in tempo reale al controller, al telefono o agli occhiali.
La qualità e la latenza di tale trasmissione dipendono dal sistema utilizzato. Nel volo immersivo, la bassa latenza assume particolare importanza; questa operazione è sviluppata nella nostra guida su come funzionano i droni FPV.
Sistemi di sicurezza e risposta ai guasti
I sistemi di sicurezza riducono i rischi, ma non eliminano la responsabilità del pilota né garantiscono che il drone possa riprendersi da qualsiasi problema.
Ritorno al punto di origine
La funzione Ritorno a casa o RTH tenta di indirizzare l'aereo verso un punto salvato in precedenza.
Può essere attivato manualmente oppure, a seconda del modello e della configurazione, in situazioni quali:
- Perdita prolungata del segnale.
- Determinato il livello della batteria.
- Ordine del pilota.
Per funzionare correttamente, deve avere una posizione valida e energia sufficiente.
È inoltre necessario impostare un'altezza adeguata. Un drone senza sensori anteriori potrebbe iniziare il viaggio di ritorno e incontrare un ostacolo durante il viaggio.
Perdita del segnale
In alcuni modelli il comportamento può essere configurato come segue:
- Ritorno.
- Rimani sospeso.
- Terra.
La risposta dipende dall'aeromobile, dalla modalità di volo, dal posizionamento disponibile e dalla configurazione selezionata.
Batteria scarica
Il sistema può emettere avvisi, limitare determinate funzioni, consigliare il ritorno o avviare un atterraggio.
Aspettare che la batteria sia praticamente scarica aumenta il rischio perché il vento o la distanza possono impedire un ritorno sicuro.
Rilevamento degli ostacoli
I sensori possono aiutare a frenare o modificare la traiettoria, ma hanno limiti di distanza, angolazione, velocità e illuminazione.
Alcune modalità di volo possono ridurre o disabilitare determinate funzioni di rilevamento.
Perdita o interferenza GPS
Quando il posizionamento peggiora, il drone può dipendere dall'IMU, dal barometro o dal sistema visivo.
Ciò può fargli smettere di mantenere la sua posizione orizzontale e iniziare a muoversi con il vento.
Gli avvisi relativi a GPS, bussola o interferenze non devono essere ignorati.
Anche la tecnologia di sicurezza non sostituisce la conformità con il normative per i droni in Spagna.
Funzioni automatiche, volo autonomo e intelligenza artificiale
Non tutte le funzioni automatizzate utilizzano l'intelligenza artificiale.
Un drone può seguire un percorso programmato, mantenere un'altezza o tornare al punto di origine utilizzando regole, sensori e algoritmi convenzionali.
Tra le funzioni automatiche troviamo:
- Decollo e atterraggio assistiti.
- Mantenimento della posizione.
- Percorsi attraverso i punti di attraversamento.
- Ritorno al punto di origine.
- Orbite attorno a un punto.
- Tracciare una traiettoria.
L'intelligenza artificiale e la visione artificiale possono essere utilizzate per compiti più complessi, come:
- Riconoscere persone o oggetti.
- Segui un argomento.
- Interpretare le immagini.
- Seleziona una traiettoria.
- Analizzare i dati raccolti durante una missione.
Tuttavia, il grado di automazione varia notevolmente tra i modelli. Non si deve presumere che un drone possa prendere decisioni sicure da solo in qualsiasi ambiente.
Conclusione
Un drone rimane in aria grazie al coordinamento tra i suoi motori, eliche, ESC, controller e sensori.
Il controller riceve comandi dal pilota, calcola come dovrebbe rispondere ciascun motore e utilizza le informazioni provenienti dall'IMU, dal barometro, dalla bussola, dal GNSS e dai sensori visivi per correggere il movimento.
Comprendere questa catena di operazioni aiuta a interpretare gli avvisi delle applicazioni, a utilizzare correttamente le funzioni automatiche e a reagire meglio ai cambiamenti di segnale, batteria o posizionamento.
Il prossimo passo è imparare come pilotare un drone per la prima volta e applicare queste conoscenze in un ambiente sicuro.
Domande frequenti su come funzionano i droni
Drone è il termine comune. Il termine UAV si riferisce principalmente ai velivoli senza pilota, mentre UAS comprende l'insieme completo: velivoli, controllo, comunicazioni e altri elementi necessari al funzionamento.
Il controller utilizza i dati provenienti dall'IMU e da altri sensori per rilevare deviazioni e modificare continuamente la velocità dei motori.
Sì, ma il suo comportamento dipenderà dalla modalità di volo e dai sensori disponibili. Senza posizionamento, potrebbe non mantenere automaticamente una posizione orizzontale.
È possibile stimarlo combinando i dati del barometro, del GNSS, dei sensori visivi, dei sistemi a infrarossi o di altre tecnologie, a seconda del modello.
NO.
La rotazione opposta aiuta a compensare la coppia generata dai motori e consente di controllare la rotazione dell'aereo attorno al suo asse verticale.
Dipende dal modello e dalla configurazione. Può ritornare, rimanere sospeso o atterrare. Queste opzioni devono essere verificate prima del volo.
NO. Alcuni non sono dotati di sensori anticollisione, mentre altri rilevano gli ostacoli solo in determinate direzioni o condizioni.
NO. Dipende dalla posizione memorizzata, dalla batteria, dal segnale, dai sensori, dalla configurazione e dagli ostacoli presenti sul percorso.
NO. Il controllore coordina l'aereo. Il ricevitore GPS o GNSS è uno dei sistemi che ti fornisce informazioni sulla posizione.
NO. Molte funzioni automatiche utilizzano algoritmi convenzionali. L'intelligenza artificiale è solitamente riservata al riconoscimento, al tracciamento, all'analisi delle immagini o alla pianificazione avanzata.