OPEN SOURCE - Store By Futura Group srl primi velivoli droni con l’insetto. La rela-tiva...

Multirotore ad elevate prestazioni realizzabile con una base già pronta e una scheda basata su Arduino Mega, che può ricevere i comandi da un radiocomando per aeromodelli e supporta la telemetria tramite smartphone. Prima puntata.

dell’Ing. MIRCO SEGATELLO

70 Maggio 2016 ~ Elettronica In

Elettronica In ~ Maggio 2016 71

ggigiorno si fa un gran parlare

di droni, utilizzando questo termine nel modo in cui è stato assimilato dal grosso pubblico, un po’ come quarant’anni fa la sigla TIR venne associata ad autotreni e autoartico-lati: per tanti, il drone è in realtà il multicot-tero, “incarnato” nella forma più comune che è il quadricottero. Un drone è genericamente un robot, ma le notizie dai più recenti scenari di guerra ci hanno abi-tuati a chiamare così i

O

QUADRICOTTEROOPEN SOURCE



Top Project

velivoli capaci di volare senza pilota o di volo autonomo. Il termine drone è inglese e tradot-to in italiano significa fuco, ovvero il maschio delle api, coniato per via della somiglianza dei primi velivoli droni con l’insetto. La rela-tiva tecnologia è nata, come tante, per scopi militari, ma è diventata disponibile a tutti ed è finita per diventare un fatto commercia-le, passando sotto il termine più generico di UAV(Unmanned Aerial Vehicle = velivoli senza

pilota). Come tutti i fenomeni commerciali è scivolata nel consumer, con i “giocattoli” che hanno invaso gli store di tutto il mondo. Le applicazioni per impie-ghi civili sono oggi-giorno molteplici: dalla videosorveglianza, alle riprese video in zone non accessibili all’uomo, sino all’analisi delle col-ture agricole per mezzo di speciali videocamere. Adesso è anche pos-sibile fare rilevi in 3D di un intero territorio ed è diventato un utile strumento anche per la

protezione civile. L’interesse verso questi velivoli e soprattutto i radiomodelli del genere, ci ha spinti a proporre non una recensione di un prodotto com-merciale, ma un pro-getto vero e proprio di quadricottero, ossia un radiomodello dotato di quattro eliche disposte ai vertici di una croce, azionate ognuna da un motore elettrico, il tutto governato da un’elet-tronica di cui in queste pagine vi descriveremo lo schema elettrico e la costruzione.

COME VOLA IL QUADRICOTTERONel corso dell’articolo faremo riferimento a termini specifici e a concetti propri del volo dei quadricotteri, quin-di prima di analizzare l’hardware vi introdu-ciamo ai principi basi-lari di tale affascinante tecnica. Partiamo dalla teoria degli elicotteri, dove c’è un rotore per l’elevazione e l’avanza-mento; per bilanciare la spinta contro-rotante del rotore si usa un ro-tore di coda, il cui scopo è evitare che l’elicottero



ruoti su se stesso. Esistono poi gli elicotteri militari a due rotori (il Chinook) in cui la spinta contro-rotante delle due pale si annulla a vicenda perché una gira in senso orario e una in senso antiorario. In questi esempi lo spostamento in verticale del velivolo avviene variando il passo dell’elica; quel-lo sul piano orizzontale si ottiene inclinandolo nella direzione in cui si vuole che l’elicottero vada. Alcuni anni addietro andavano di moda alcuni elicotteri giocattolo che avevano due eliche principali coassiali e contro-rotanti, molto stabili proprio grazie al bilancia-mento delle spinte di rotazione

delle due pale. Il baricentro molto più in basso delle eliche permetteva un’intrinseca stabilità di volo, senza utilizzare comples-se elettroniche.Poi sono arrivati i multirotori, i quali, grazie ad un sofisticato controllo elettronico, hanno ridotto enormemente la comples-sità meccanica degli elicotteri, ottenendo anche prestazioni migliori in fatto di volo. Con l’avvento di moduli inerzia-li (IMU) sempre più sofisticati (ma economici) è stata possibile anche a semplici hobbisti la realizzazione di quadricotteri, dando il via ad un fenomeno

che ha portato all’invasione del mercato da parte di tanti prodotti da autocostruire o già pronti al volo. È stata proprio la prolifera-zione incontrollata a richiedere l’emenazione di una normativa che regolamenti l’utilizzo dei multirotori.Nel nostro quadricottero, due eliche ruotano in senso orario e due in senso antiorario, in modo da bilanciare il moto di contro-rotazione; i sensori a bordo della scheda di controllo forniranno informazioni sull’assetto di volo, permettendo di comandare la po-tenza di ogni singolo motore, in modo da farlo rimanere perfetta-mente stabile. Fornendo maggio-re potenza ai motori di destra il quadricottero andrà a sinistra e viceversa spingendo maggior-mente i motori di sinistra, il che permette di traslare il multirotore in qualsiasi direzione. Se fornia-mo maggiore potenza alle eliche che ruotano in senso orario e contemporaneamente togliamo potenza ai motori di quelli delle eliche che ruotano in senso an-tiorario, facciamo in modo che il quadricottero non vari di altezza ma ruoti su sè stesso.

LA SCHEDA DI CONTROLLOPer gestire i motori del quadri-cottero abbiamo realizzato una scheda di controllo generica per multirotori (e modelli RC in generale) che abbiamo chiamato Fly Control Board e che suppor-ta software di comando come MultiWii e MegaPirateNG. Le caratteristiche della nostra sche-da sono:• microcontrollore ATMega

2560;• supporto per firmware Mega-

PirateNG e MultiWii;• fino a otto uscite per motori;• 8 ingressi per ricevitori RC

standard e compatibile con ricevitori PPM;

Terminologia del volo

PITCH: rappresenta il beccheggio, ovvero l’oscillazione sull’asse trasversale.ROLL: detto anche rollio, è il termine usato per definire la rotazione del modello sul proprio asse longitudinale.YAW: rotazione di coda, cioè la rotazione del modello sul proprio asse verticale.PASSO: indica l’inclinazione della pala dell’elica rispetto il piano di rotazione.CLASSE: indica la categoria a cui appartiene il quadricottero, identificata dalla distanza in diagonale tra due motori in millimetri.ESC: acronimo di electronic speed controller ovvero il driver di potenza per i motori brushless.BEC: acronimo di battery eliminator circuit indica che l’ESC è fornito di regolatore di tensione interna.PDB: acronimo di power distribution board ovvero lo stampato usato per portare l’alimentazione della batteria a tutti gli ESC.MODE2: modalità di utilizzo del telecomando con gas e yaw a sinistra ed il controllo pitch e roll sulla destra.MODE1: modalità di utilizzo del telecomando con gas e yaw a destra e pitch e roll sulla sinistra.BIND: indica l’associazione tra il telecomando ed il ricevitore in apparati radio RC.PID: indica la terna dei parametri proporzionale, integrativo e derivativo di un controllo.



• quattro porte seriali per de-bug/Bluetooth Module/OSD/GPS/telemetria;

• tre uscite servo per il controllo di un sistema gimbal (pitch, roll, trigger);

• I²C-Bus per aggiungere sensori o dispositivi;

• connettore per modulo GPS;• compatibile con moduli IMU

GY-521, GY-86 ed esterni;• connettore per convertitore

USB/seriale FTDI.

Lo schema elettrico è assai semplice, in quanto la scheda è semplicemente un collettore per tutti gli elementi che dovranno fare capo al microcontrollore ATmega adibito alla loro gestio-ne. Il cuore principale è l’Atmega 2560, lo stesso presente nelle schede Arduino Mega; è poi pre-sente uno stadio di alimentazione a 3,3V per eventuali dispositivi aggiuntivi. Il resto dell’hardware è un insieme di connettori e LED di segnalazione. Oltre al micro-controllore, l’altro elemento di fondamentale importanza è il modulo IMU (Inertial Measure-ment Unit, ovvero la piattaforma che rileva accelerazione, movi-menti sui tre assi ecc.) che abbia-mo preferito non implementare direttamente sulla scheda, ma fornire un apposito connettore sul quale inserire il modello desiderato; questo vi permetterà di utilizzare anche moduli IMU più recenti rispetto a quello qui presentato. Sia la scheda che il software supportano diverse con-figurazioni di volo: da semplici aeromodelli a multirotori.

IL SOFTWARE DI VOLONon appena si sono presentate le condizioni, molti appassionati hanno proposto diverse soluzioni per il software di volo, svilup-patosi successivamente anche grazie al contributo della comu-

nità internet; vediamo breve-mente la storia di questi software, partita ormai alcuni anni addie-tro. All’inizio vi fu Ardupilot per ATmega328P evolutosi in Ardupilotmega per ATmega2560 (abbreviato APM) e da noi impie-gato in un progetto di velivolo a volo autonomo nel marzo 2011. All’inizio erano poco più che shield basati su Arduino, cui si aggiungeva l’IMU, ma poi di-ventarono schede complete (AIO all in one) del tutto indipendenti dalle Arduino board. Il progetto è ora commerciale e confluito in un unico sito web che è www.ardupilot.com, suppor-tato da un apposito store on-line (http://store.3drobotics.com/t/ready-to-fly). Il progetto prevede diversi software e hardware a seconda che si voglia controllare multicot-teri, aerei e auto; anche il proget-

to Arducopter, iniziato all’incirca nello stesso periodo, inizialmente disponibile all’indirizzo https://code.google.com/p/arducopter/, è stato inglobato dal 2013 nell’Ar-dupilot. Malgrado le evoluzioni, specie sul piano commerciale, si tratta ancora di un progetto open source (ma con limitazio-ni) e quindi sono disponibili sia gli schemi dell’hardware che i sorgenti del software; inoltre è disponibile il software da carica-re sulla board e il software per la pianificazione della navigazione Mission Planner Software. Il firmware per la board è comples-so da installare, perché consta di molte librerie aggiuntive per cui si scarica l’intero IDE Arduino (modificato) con le varie dipen-denze per un totale di 90 MB.Sullo store è disponibile qualsiasi tipo di periferica si possa ipotiz-

Fig. 1 Configurazione

di volo per multicotteri.



zare ed è in corso lo sviluppo di un’apposita APP per la gestione via smartphone, la quale utilizza il protocollo di comunicazione standardizzato mavlink.MegapirateNG (http://www.mega-pirateng.com) è una “costola” del progetto APN ed è stato pensato per girare su più piattaforme: è completamente OpenSource e compatibile con APM.Il firmware che gira all’interno della scheda non è dei più sem-plici: oltre alla stabilizzazione del volo c’è da gestire gli allarmi, la telemetria, la posizione e tanto altro, per questo abbiamo pre-ferito utilizzare un software già esistente, completamente open source e sviluppato negli ultimi anni anche col contributo degli appassionati in rete, denomina-to MultiWii. Esso permette di controllare multicotteri, elicotteri ed aerei; il sito di riferimento è www.multiwii.com (la versione italiana è www.multiwii.it). Il progetto è nato utilizzando il giroscopio di un Nintendo Wii Motion Plus (il più economico e facile da reperire all’epoca) e una scheda Arduino mini pro, ma ora supporta un gran numero di sensori e schede. Il firmware è molto leggero e può girare su un piccolo Atmega 328, ma con tutte le funzioni attivate (navigazione e GPS) è necessario utilizzare un Atmega 2560. Il software viene gestito nel repository https://code.google.com/p/multiwii/. Scaricando il pacchetto software si dispone del software per Ardu-ino e la GUI, scritta in Processing, da far girare sul PC per gestire le impostazioni e la telemetria. Il software per Arduino usa solo librerie di sistema e quindi il suo utilizzo è immediato disponen-do del solo IDE di Arduino. Per configurare la board e usare la telemetria e la pianificazione mis-sioni, è disponibile anche il sof-

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tware WinGui e una applicazione per smartphone Android. Oltre al forum in lingua inglese segna-liamo due discussioni in italiano sul forum www.baronerosso.it con topic: MultiWii Quad! Alternativa ad Aeroquad/Baronpilot con sensori wii e Nuova MultiWii/Megapirate ALL IN ONE PRO v1.0.Essendo il progetto MultiWii completamente open source, sono facilmente disponibili gli schemi elettrici della scheda di controllo e tutte le informazioni inerenti al suo utilizzo. La piena configurabilità del software permette di adattarlo a numerose schede già assemblate pronte all’uso proposte da soggetti terzi. In questo articolo presentiamo la nostra esperienza nel realiz-zare un quadricottero classe 450 (distanza da motore a motore di 45 cm) descrivendo tutte le fasi di realizzazione e di messa in funzione nel modo più semplice e chiaro possibile, malgrado il progetto sia di per sé complicato perché coinvolge diversi aspetti della meccanica, dell’elettronica e dell’informatica.

L’HARDWARE OCCORRENTEQuando si costruisce un quadri-cottero partendo da zero, la scelta del materiale diventa un punto fondamentale, sul quale porre la massima attenzione: ogni com-ponente deve interagire con tutti gli altri alla perfezione e nulla deve essere lasciato al caso. Ci siamo orientati su componenti comuni, non eccessivamente costosi, distribuiti dallo store on-line www.futurashop.it: l’elenco è nella Tabella 1. In alternativa al converter FTDI potete utilizzare il cavo convertitore USB-Seriale FTDI 5V contraddistinto dal codi-ce 6168-FTDICABLE5V, sempre commercializzato dalla Futura Elettronica. Le eliche utilizzate per la pro-

pulsione del nostro multicottero sono del tipo in plastica semplice: le più economiche; la loro leggera flessibilità gli permette di assor-bire gli urti più lievi a discapito di una minore efficienza. Le eli-che in plastica caricata (come ad esempio le APC) sono più rigide ed offrono migliori prestazioni; quelle in carbonio, molto leggere e rigide, sono però assai delicate perché anche un semplice urto le può spezzare. Ricordiamo che non bisogna assolutamente far volare il qua-dricottero con un’elica incrinata o scheggiata e comunque che non si deve mai cercare di riparare un’elica danneggiata, perché una parte potrebbe staccarsi e investi-re qualcuno, con le conseguenze

del caso, che a volte possono essere anche serie.

CARICAMENTO DEL BOOTLOADERE TEST DELLA SCHEDASe il microcontrollore della scheda è sprovvisto di bootlo-ader è necessario caricarlo; allo scopo potete usare un apposito programmatore o più sempli-cemente una scheda Arduino facente funzioni di programma-tore. In quest’ultimo caso consul-tate la Tabella 2 per conoscere le connessioni da effettuare tra la scheda programmatore e la nostra. Poi aprite l’IDE di Arduino e caricate lo sketch di esempio denominato ArduinoISP.ino sulla Arduino usata come programmatore, quindi acce-

Arduino (programmatore) Fly Control Board (da programmare)

Arduino pin D12/MISO ICSP pin 1

Arduino pin +5V ICSP pin 2

Arduino pin D13/SCK ICSP pin 3

Arduino pin D11/MOSI ICSP pin 4

Arduino pin D10/RESET ICSP pin 5

Arduino pin GND ICSP pin 6

Tabella 2 - Collegamenti per caricare il bootloader usando una scheda Arduino come programmatore.

Descrizione Codice

1 FTDI convertitore USB-seriale - 3,3V e 5V 7300 - FTDI5V

1 GY-86 Modulo sensori controllo di volo per multicotteri 2846-GY-86

1 2.4G CT6B 6-Channel Transmitter+Receiver 2846-RADIOCOM6CH

1 Buzzer con elettronica 6168-BUZZER5V

1 Caricabatteria per LIPO e ioni di litio 2510-LK1008D

3 Prolunga cavo per servo - 150 mm 7300-SERVOEXT150

1 Frame per quadricottero V1-F450 3903-QUADRIFRAME

4 Controller di velocità da 20A per motori brushless (firmware SimonK) 7300-ESC20SIMONK

4 Motore Brushless 935kv per multirotori con eliche 10x4,5 CC+CCW 2846-EMAXMT2213

1 CRIUS MultiCopter Power Distribution Board w/ T-Plug and Cable 2846-CRIUS

1* DAGU modulo Bluetooth controller oppure Modulo bluetooth HC-05

2586-DG010 oppure2846-HC05

Tabella 1 - Materiale utilizzato nel progetto.

* Facoltativo per telemetria wireless



dendo al menu Strumenti>tipo di Arduino impostate come scheda target “Arduino Mega 2560 or Mega ADK”; fatto ciò impostate Arduino come programmatore (Strumenti>Programmatore> Arduino as ISP) quindi avviate la programmazione con il comando Strumenti>Scrivi il Bootloader. A procedura completata (sono richiesti alcuni minuti) sconnet-tete il programmatore ed inter-facciate la scheda al PC tramite l’ausilio di un convertitore USB/Seriale connesso al connettore FDTI; la vostra scheda sarà vista dall’IDE di Arduino come una scheda Arduino Mega. Potrebbe succede che a fine procedura compaia l’errore “avrdude: ve-rification error, first mismatch at byte 0x1e000” accorso durante la rilettura dei fuses scritti, anche se la procedura di scrittura è andata buon fine.

CONFIGURAZIONE DI MULTIWIIAnche se la nostra scheda sup-porta sia Multiwii che MegaPira-

teNG, in questo articolo descri-veremo in dettaglio solo il primo dei due; essendo Multiwii per uso generico, è necessario venga configurato prima di caricarlo sulla scheda. Allo scopo scaricate l’ultima versione di Multiwii dal sito https://code.google.com/p/mul-tiwii/ (nel nostro caso, la versione 2.4) e dopo aver scompattato il pacchetto aprite il file MultiWii.ino. Andate nella sezione config (Fig. 2) e cercate la linea di codice #define QUADX e togliete i due caratteri di commento “//”, poi fate la stessa cosa con la riga #define GY_86 oppure #define GY_521 a seconda del modulo IMU che intendete usare. Fatto ciò procedete con le suc-cessive configurazioni: il failsafe monitor di Multiwii è una forma di protezione che se viene perso il contatto con la ricevente im-pedisce l’avazamento del qua-dricottero. La funzione verifica ciclicamente presenza e integrità del segnale proveniente dalla ricevente del radiocomando e se

il valore eccede i limiti estremi di 1.000 e 2.000 abilita il failsa-fe. Non appena viene rilevato un failsafe, il software cerca di evitare il crash mantenendo stabilizzato il quadricottero tra-mite i sensori interni e togliendo gradatamente potenza ai motori per l’atterraggio. Il failsafe può essere abilitato togliendo i segni di commento nella riga #defi-ne FAILSAFE. Appena sarete operativi, potrete fare una prova spegnendo la radio e verificando il comportamento del quadricot-tero. È possibile abilitare un cica-lino che segnali acusticamente lo stato di funzionamento; serve un cicalino con elettronica compa-tibile con un’alimentazione a 5V da collegare alla scheda nei contatti siglati buzzer, badando di rispettare la polarità.Per attivare questa funzione cancellate i caratteri di commen-to dalla riga #define BUZZER del file config.h.Gli avvisi sonori consistono in una sequenza di tre beep di dura-

Fig. 2Configurazione Multiwii.

Fig. 3Multiwii:

configurazione seriale.

Fig. 4Multiwii: orientamento scheda



ta variabile a seconda dello stato di funzionamento. La durata dei beep e la pausa sono definiti come segue:• N = None (0 ms);• S = Short (50 ms);• L = Long (200 ms);• D = Double (2.000 ms).

Ogni avviso ha priorità differen-te: i primi hanno priorità maggio-re e sono:1. Failsafe find me signal:

LNN,D (repeat);2. Failsafe landing active: SLL,S

(repeat);3. GPS RTH/ PH activated wi-

thout fix: SSN,S (repeat);4. Beeper: SSS,S (repeat);

[piano di MONTAGGIO]

R1: 10 kohm (0805)R2: 1 kohm (0805)R3: 10 kohm (0805)R4÷R6: 1 kohm (0805)R7, R8: 10 kohm (0805)R9: 33 kohm (0805)R10, R12: 10 kohm (0805)R11: 1 kohm (0805)C1: 100 nF multistrato (0805)C2, C3: 22 pF ceramico (0805)

Elenco Componenti:

C4: 100 nF multistrato (0805)C5: 100 nF multistrato (0805)C6: 100 nF multistrato (0805)C7: 10 µF 16 VL elettrolitico (Ø 4mm)C8: 10 µF 16 VL elettrolitico (Ø 4mm) C9: 10 µF 16 VL elettrolitico (Ø 4mm)C10: 100 nF multistrato (0805)D1: GF1M-E3

U1: ATMEGA2560-16AUU2: TC1262-3.3 (SOT-223)U3: HC-05 oppure HC-06P1: MicroswitchX1: Quarzo 16 MHz (C7S)Q1, Q2: BSS138LD1, LD2: LED verde (0805)LD3÷LD5: LED rosso (0805)

Varie:- Modulo GY-86- Morsetto 2 poli

- Strip maschio 2 vie (2 pz.)- Strip maschio 3 vie (7 pz.)- Strip maschio 4 vie (6 pz.)- Strip maschio 5 vie (1 pz.)- Strip maschio 6 vie (2 pz.)- Strip maschio 8 vie (3 pz.)- Strip maschio 10 vie (3 pz.)- Strip femmina 8 vie (2 pz.)- Jumper (4 pz.)- Circuito stampato S1171

5. Runtime Warning: SSS,N (repeat) (#define ARMEDTI-MEWARNING);

6. Battery voltage warning level 3: SLL,D (repeat);

7. Battery voltage warning level 2: SSL,D (repeat);

8. Battery voltage warning level 1: SLN,D (repeat);

9. RCoptions Toggle: S (#define RCOPTIONSBEEP).

Sono previsti anche avvisi sonori aggiuntivi, ossia:• Inflight ACC calibration acti-

vated: SS (#define INFLIGHT_ACC_CALIBRATION);

• Inflight ACC calibration deac-tivated: SSS;

• Gyro calibration done: SSS;• ACC calibration done: L;• LCD Configuration step: S;

La scheda prevede l’ingresso A0VB per la lettura della tensione sulla batteria; tramite un partito-re di tensione, la tensione viene adattata alla tensione di alimen-tazione del microcontrollore. Per utilizzare questa funzione dovete cancellare i caratteri di commento sulla riga #define VBAT del file config.h e modifica-re la riga seguente così:

#define VBATSCALE 102

Dal polo positivo della batteria



prevedete un collegamento verso un connettore femmina da connet-tere all’ingresso A0V della scheda; per il filo di massa verrà usato il GND degli ESC.Il giroscopio è il sensore principale e l’unico indispensabile: grazie ad esso è possibile compensare even-tuali rotazioni rispetto ai tre assi e quindi impedire che il quadricot-tero giri su sè stesso oppure che si cappotti. Il giroscopio soffre di una deriva nel tempo che impedi-sce di conoscere l’angolo assoluto del mezzo; per questo motivo il solo giroscopio non permette

di far rimanere il quadricottero perfettamente livellato al terre-no. L’accelerometro sopperisce a questa mancanza, fornendo un angolo assoluto per l’orientamento e garantendo che il quadricottero rimanga orizzontale, evitando che possa scivolare in qualche direzione. Purtroppo il girosco-pio ed ancor più l’accelerometro che utilizziamo (sono dei MEMS) sono influenzati dalle vibrazioni (rimandiamo chi volesse appro-

fondire la materia all’articolo sugli accelerometri pubblicato nel fascicolo 204 di aprile di quest’an-no...) e, come vedremo, dovremo tenerne conto. Per migliorare la stabilità è possibile filtrare i valori acquisiti dal modulo IMU, soprat-tutto se sono presenti ancora delle vibrazioni nonostante tutti gli accorgimenti posti nella costruzio-ne meccanica; la riga su cui agire è la seguente:

#define GYRO_LPF_98HZ

del solito config.h. Abbassando ul-teriormente la frequenza di taglio del filtro software si ottengono delle letture ancora più pulite, ma non sufficientemente veloci per chi vuole un volo acrobatico.Il magnetometro misura il debole campo magnetico terrestre per determinare il nord geografico, misura che permette di mantenere il quadricottero orientato sempre

Fig. 5 - Fissaggio modulo IMU alla scheda di controllo.

Fig. 6MultiWii: lettura del valore dei sensori.

Fig. 7 - Il radiocomando Radio FS-CT6B.

Fig. 8 - MultiWii lettura segnali dalla ricevente.

Fig. 9 Finestra di dialogo del software di

configurazione della radio.

Fig. 10Impostazione sub trim della radio.



nella stessa direzione e funzione fondamentale per la navigazione con il GPS. Il magnetometro, però, determina la direzione del nord magnetico, il quale differisce dal nord geografico a causa della de-clinazione magnetica; a complicare le cose c’è il fatto che quest’ultima varia nel tempo. La declinazione magnetica è quindi l’angolo tra la direzione del nord magnetico e quello geografico; per conoscere il suo valore nel punto in cui vi trovate potete utilizzare il servizio offerto nel sito web http://magnetic-declination.com. Una volta che ave-te impostato la vostra posizione, il sito vi fornisce la declinazione magnetica corrispondente espres-sa in gradi e minuti (con segno) che dovrete convertire in gradi con la formula:

gradi+(minuti/60)

Quando avrete fatto ciò, andate nel file config.h di MultiWii e mo-dificate la riga #define MAG_DE-CLINATION 4.02f inserendo il valore appena ottenuto; se la declinazione è negativa è necessa-rio aggiungere un “-” davanti al numero. Lasciate comunque la “f” dopo di esso. Il magnetometro è molto sensibile ai campi magnetici ed è influenzato anche dai cavi percorsi da elevate correnti come quelli utilizzati per alimentare gli ESC; quindi se azionando il gas dei motori notate che la misura dell’angolo del quadricottero dovesse variare eccessivamente, dovete intervenire allontanando quanto più possibile i cavi dell’a-limentazione dal modulo IMU, ovvero avvolgerli con della sta-gnola. Ricordate che prima di ogni misura dovete calibrare il sensore. Il modulo IMU GY-86 (usato in questo progetto) dispone oltre che di giroscopio, accelerometro e magnetometro, anche di un barometro idoneo alla misura

della pressione atmosferica. Dalla misura della pressione al suolo ed in quota è possibile determi-nare l’altezza dei velivolo (https://it.wikipedia.org/wiki/Formula_ipso-metrica) la quale è però influen-zata dalla temperatura e da ogni variazione di pressione (condizio-ni meteo) che si verifica dopo la taratura del sensore. Nel caso del quadricottero, il sensore viene usato per mantenere una quota prestabilita in modo automatico; infatti per mantenere una quota costante è necessario agire continuamente sul gas dei motori e compensare in conti-nuazione il calo di potenza della batteria. Affidare ciò a una una funzione automatica agevola non poco e diventa fondamentale per il volo con il GPS. Dato che il sensore è fortemente influenzato dalle turbolenze d’aria create dalle eliche, è fondamentale prevedere una copertura che lo metta al riparo; allo scopo potete utilizzare le spugne usate per ri-durre l’influenza del vento nei mi-crofoni (si comperano come ricam-bi). Anche in questo caso potete fare una semplice prova grazie ai dati di telemetria: se azionando il gas la lettura dell’altimetro subisce troppi disturbi, è il caso di operare una schermatura. Per avere delle letture pulite dovete allontanare la scheda di distribuzione (PDB) il più possibile dal modulo IMU e tenere i cavi di alimentazione degli ESC molto corti ed intrecciati tra loro, per fare in modo che il cam-po magnetico creato dalla corrente sul filo positivo sia annullato da quello del filo negativo. Spesso in alcuni quadricotteri ve-dete utilizzare un GPS con bussola integrata installato su un albero alto e lontano da tutta la circuita-zione elettrica: non è un caso. Il barometro viene usato per deter-minare l’altezza da terra basandosi sulla pressione atmosferica, la

quale varia in base all’altitudine; i fattori che influiscono o che in qualche modo fanno variare la pressione sono parecchi (primo fra tutti la condizione meteorologica), impedendo di determinare con esattezza l’altezza assoluta. Tale problema è poco rilevante se ci si trova in volo ad alta quota, ma determinante se il multicot-tero è vicino al suolo: a 50 metri d’altezza sbagliare di qualche decimetro non è un dramma, però a un metro da terra fa la differenza tra un atterraggio morbido e un crash. Per ottenere un’indicazione pre-cisa nell’avvicinamento al terreno potete utilizzare un modulo SO-NAR (a ultrasuoni) ma al mo-mento in cui scriviamo il software (V2.4) supporta la misura dell’al-tezza con il sonar solo a scopo informativo, non per integrarla nel controllo. Dovreste quindi modifi-care il firmware da voi.

INSTALLAZIONE IMUE VERIFICA DI FUNZIONAMENTOIl modulo IMU scelto per questo progetto è a 10DOF (10 gradi di libertà) molto completo ed equipaggiato con sensori di ultima generazione di tipo digitale ad alta precisione e basso rumore. Come accennato, comprende un girosco-pio, un accelerometro ed un ma-gnetometro (tutti a tre assi) più un

Fig. 11 - Impostazione fondo scala della radio.



barometro ad alta sensibilità. Per montarlo saldate lo strip maschio nel modulo IMU con l’accortezza di fare in modo che i componenti dello stampato risultino rivolti verso l’alto una volta installati nella scheda. Inserite il modulo IMU nell’apposito connettore ed accertatevi che il collegamento sia ottimale. Per essere sicuri che il modulo IMU non subisca vibrazioni o pos-sa spostarsi, è opportuno venga fissato allo stampato; non utiliz-zate elementi metallici ma prefe-rite elementi in plastica, come ad esempio delle piccole viti in nylon. Essendo il cuore della stabilizza-zione, è di fondamentale impor-tanza che il modulo IMU sia per-fettamente funzionante e calibrato, altrimenti in vostro quadricottero non potrà volare o comunque non lo farà secondo le aspettative.Tra i file del progetto MultiWii, trovate anche il software di ge-stione fondamentale per la messa

a punto del quadricottero; andate nella cartella MultiWiiConf ed avvitate il file MultiWiiconf.exe, scegliendo quello compatibile con il vostro sistema operativo, prima di avviarlo assicuratevi che la scheda sia connessa al PC con il relativo convertitore USB/Seriale. Ad una prima impressione può risultare caotico e complicato, ma vedrete che in breve prenderete dimestichezza con le sue varie funzionalità. In alto a sinistra trovate i comandi per la gestione della seriale e i pulsanti che vi permettono di salvare o caricare una serie di setup. A destra trove-rete evidenziati i sensori rilevati sulla scheda e l’orientamento della scheda tramite delle animazioni grafiche: risultano presenti l’ac-celerometro (ACC), il barometro (BARO), il magnetometro (MAG) oltre, ovviamente, al giroscopio, che è l’unico sensore assolutamen-te necessario. Come vedete, il software supporta

Fig. 12 - Comandi via radio.

anche un GPS, un sonar ed un sensore ottico. In basso a sinistra trovate il valore istantaneo dei sensori e più a destra un grafico dell’andamento temporale degli stessi. Calibrate l’accelerometro (CALIB_ACC) assicurandovi che la scheda sia ferma immobile in posizione perfettamente orizzonta-le. Calibrate il magnetometro (CA-LIB_MAG) ruotando la scheda di 360° in ogni direzione per almeno 30 secondi. Mantenete la scheda di fronte a voi con la freccia rivolta in avanti; ruotandola verso destra e verso sinistra, l’indicatore ROLL varierà di conseguenza. Inclinan-do verso l’alto e verso il basso la scheda l’indicatore PITCH varierà di conseguenza.In fase di inizializzazione, un lam-peggio breve del LED STATUS si-gnifica che non è collegato nessun tipo di IMU, un lampeggio lungo, significa che è stato rilevato l’IMU. Dopo l’inizializzazione, il LED STATUS risulterà acceso quando



i motori saranno armati e spento a motori disarmati. Il LED ALARM lampeggerà nel caso sia rilevata una condizione di allarme.

MESSA IN SERVIZIO DEL TELECOMANDOPer questo progetto abbiamo uti-lizzato un economico, ma comun-que completo, telecomando a sei canali con sigla FS-CT6B. Si tratta di un telecomando operante sulla frequenza dei 2,4 GHz, nel quale la programmazione di tutte le fun-zioni non avviene tramite un’in-terfaccia utente sul telecomando stesso, bensì tramite un apposito software per PC; il tutto va a van-taggio dell’economia e semplicità costruttiva (che tradotto significa un bel risparmio sul prezzo di acquisto) in quanto sul telecoman-do non sono presenti pulsanti o display, ma semplicemente un LED multicolore a segnalare lo stato di carica della batteria. Prima di utilizzarlo, dovete mo-dificare il radiocomando rimuo-vendo il potenziometro a sinistra dell’antenna (Fig. 14) e montando al suo posto un deviatore uni-polare a tre posizioni, al quale connetterete, tra il centrale e gli estremi, due resistori da 2,7 kohm 1/4 di watt che simuleranno il potenziometro con cursore a metà, bypassabile in parte dal deviatore stesso (Fig. 15). I fili che andavano agli estremi del potenziometro rimosso collegateli agli estremi del deviatore e quello del cursore connettetelo al capo centrale dello stesso. Così avete completato la modifica, che, lo vedremo nella seconda puntata, serve a imposta-re tre modalità di funzionamento del quadricottero.Il radiocomando viene fornito con il setup all’americana in MODE2, ovvero con il “gas” (ossia l’accele-ratore) a sinistra; è possibile varia-re questa configurazione agendo a livello di impostazioni software e

modificando fisicamente le impo-stazioni degli stick.La MODE2 è anche la modalità utilizzata sui giocattoli, ed è quin-di quella più familiare in questo genere di applicazioni. Nella confezione sono compresi il trasmettitore, la ricevente, il cavo per il collegamento al PC ed il software per Windows; non sono comprese le batterie. Essendo i telecomandi a 2,4 GHz del tipo multicanale è necessario associare ciascuna ricevente con la propria trasmittente, operazione che in gergo tecnico si dice bind. Assicu-ratevi che il trasmettitore sia spen-to, quindi inserite nel vano batterie 8 pile stilo (formato AA) meglio se di tipo ricaricabile. Nella ricevente inserite il jumper (bind plug) sul connettore BAT; con due jumper portate l’alimentazione dei 5V dalla scheda del quadricottero alla ricevente (pin + e - di un qualsiasi canale). Se avete fatto tutto cor-rettamente, il LED della ricevente inizia a lampeggiare, ad indicare che è pronta all’associazione.Premete e mantenete premuto il pulsante BIND della trasmitten-te ed accendetela; attendete che il LED della ricevente rimanga acceso a luce fissa: questo indica che l’associazione è stata eseguita

correttamente, quindi togliete il dito dal pulsante BIND.Spegnete la ricevente, rimuovete il jumper e collegatevi un servo di prova in uno dei canali e verifi-cate con il telecomando che tutto funzioni correttamente. La corretta procedura per avviare il sistema consiste sempre nell’ac-cendere prima la trasmittente e poi la ricevente (in questo caso

Fig. 13Impostazione modi di volo.

Fig. 14 Il potenziometro da sostituire nel CT6.

Fig. 15 - Deviatore montato al posto del potenziometro nel CT6.


Elettronica In ~ Maggio 2016 TM

il quadricottero), viceversa per spegnere il sistema partite dalla ricevente e per ultima spegnete la trasmittente. Questo impedisce possibili mal-funzionamenti dovuti ad eventuali segnali di disturbo che la ricevente potrebbe captare in assenza del se-gnale della trasmittente. Collegate la ricevente alla scheda utilizzan-do otto cavetti terminati femmina-femmina secondo le indicazioni della Tabella 3.A questo punto potete rendere operativo il trasmettitore e la scheda ed analizzare i dati ricevuti. Il software Multiwii funziona cor-rettamente se i segnali della radio di ciascun canale hanno un’e-scursione che va da un minimo di 1.000 ad un massimo di 2.000, con il valore centrale a 1.500. Per ottenere questa configurazione è necessario programmare oppor-tunamente la trasmittente, quindi useremo l’apposito cavo (fornito in dotazione) per connetterla al PC. Il dischetto fornito in dotazione contiene sia i driver che il software, che andrà installato secondo le normali procedure. Il cavo fornito contiene al suo interno un conver-titore USB/Seriale simile a quelli generalmente usati con Arduino, quindi una volta inserito nella USB del PC i driver forniranno una seriale virtuale con la quale poter dialogare con la trasmittente.Dovete agire sui trimmer fisici della radio e sui campi Sutrim del software per centrare il segnale

sui 1500 ms e sul campo Endpoint per regolare il fondo scala dei vari canali. È fondamentale che ciascun canale scenda sotto i 1.100 e salga sopra i 1.900, perché molte funzioni del software MultiWii vengono implementate solo se i canali eccedono questi limiti. Con la radio in nostro possesso non è stato possibile raggiungere questo obiettivo alla perfezione, pertanto è stato necessario riconfigurare il software MultiWii modificando i valori di fondo scala della radio #define MINCHECK 1100 e #defi-ne MAXCHECK 1900 presenti nel file MultiWii.h.I nuovi valori sono #define MINCHECK 1150 e #define MAXCHECK 1850, mentre la radio è stata configurata per un’e-scursione da 1100 a 1900 lasciando un margine pari a 50.Ricordate che i valori riportati nel software MultiWii relativi ai canali della radio aumentano quando gli stick sono portati in avanti o spo-stati a destra; se così non dovesse essere, agite sul comando REVER-SE del canale invertito nella vostra radio.

CONCLUSIONIBene, per ora ci fermiamo qui: nel-la prossima puntata concluderemo il discorso spiegando i comandi e il completamento dell’hardware del quadricottero, oltre ad affron-tare il collaudo e il volo inaugurale. Termineremo con la modalità di gestione da smartphone.

Fig. 16MultiWii controllo uscite PWM.

canale nome funzione pin scheda

CH1 roll controllo spostamento sinistra/destra A9

CH2 pitch controllo spostamento avanti/indietro A10

CH3 Throttle sale o scende A8

CH4 yaw gira su se stesso A11

CH5 AUX1 comando ausiliario A12

CH6 AUX1 comando ausiliario A13

BAT+ alimentazione RX +

BAT- alimentazione RX -

Tabella 3 - Collegamento della ricevente alla scheda.

Tutto il materiale utilizzato in questo progetto è disponibile presso Futura Elettronica. La scheda Open Source premontata per quadricottero (cod. FT1171) costa Euro 35,00. Nel progetto sono stati utilizzati anche:- Il convertitore USB-seriale 3,3-5 V (cod. FTDI5V) Euro 19,00.

- Il modulo sensori controllo di volo per multicotteri (cod. GY-86) Euro 30,00.

- Il radiocomando 6 CH + ricevitore (cod. RADIOCOM6CH) Euro 65,00.

- Il buzzer con elettronica 5V (cod. BUZZER5V) Euro 1,90.

- Il caricabatteria lipo/ioni di litio (cod. LK1008D) Euro 12,00.

- La prolunga cavo per servo, da 150 mm (cod. SERVOEXT150) Euro 1,30.

- Il frame per quadricottero (cod. QUADRIFRAME) euro 25,00.

- Il controller di velocità da 20A per motori brushless (cod. ESC20SI-MONK) euro 24,00.

- Il motore brushless per multiroto-ri con eliche (cod. EMAXMT2213) Euro 32,00.

- La scheda per la distribuzione dell’ali-mentazione (cod. CRIUS) Euro 2,90.

- Il modulo Bluetooth Transceiver (cod. HC05) Euro 9,00. Tutti i prezzi si intendono IVA compresa.

Il materiale va richiesto a:Futura Elettronica, Via Adige 11,

21013 Gallarate (VA)Tel: 0331-799775 • Fax: 0331-792287

http://www.futurashop.it

per il MATERIALE

g

dell’Ing. MIRCO SEGATELLO

Completiamo la costruzione e collaudiamo il nostro velivolo.

Seconda e ultima puntata.

TM Maggio 2016 ~ Elettronica In

Elettronica In ~ Giugno 2016 93

Top Project

ra che avete realizzato fi-sicamente il quadricottero,

secondo le indicazioni fornite nella prima puntata di questo articolo (pubblicata nel fasci-colo di maggio) potete passare alle fasi operative, vedendo per primi i comandi disponibili per il nostro radiomodello e le impostazioni personalizzate nel radiocomando.

COMANDI VIA RADIO E CALIBRAZIONIAvete a disposizione diversi

O comandi che possono essere im-partiti direttamente dalla radio senza la necessità di usare la telemetria. Appena alimentate il quadricottero, le eliche riman-gono ferme e i motori non sono alimentati; sono quindi “disar-mati”. Per impartire i comandi ed effettuare le calibrazioni dovete “armare” il quadricotte-ro; ciò significa portare le eliche alla minima velocità di rota-zione in attesa del comando di salita. Vediamo qui di seguito i comandi impartibili.

QUADRICOTTEROOPEN SOURCE

94 Giugno 2016 ~ Elettronica In


Modalità di volo Gyroscope Accelerometer Barometer Compass GPS

Acro / Gyro only X

Stable / Level / Acc / Angle X X

Horizon X X

HeadFree (CareFree) X X X

Altitude Hold X X X

GPS Return to Home X X X X

GPS Waypoint X X X X

GPS Position Hold X X X X

Failsafe X

Tabella 4 - Hardware richiesto in base alla modalità di volo.

• Armare il quadricottero: si impartisce con stick destro al centro + stick sinistro in basso a destra; le eliche girano al minimo. Se i motori non par-tono e il LED rimane spento, c’è un problema relativo alla configurazione della ricevente. Se il LED si accende dopo la procedura di avvio motori e questi non partono, allora il problema è da attribuire ad un ESC.

• Disarmare il quadricottero: il co-mando corrispondente è stick destro al centro + stick sinistro in basso a sinistra; le eliche si fermano.

• Calibrazione giroscopio: si impartisce con stick destro in basso e stick sinistro in basso a sinistra; il LED di stato si accende e il cicalino emette tre beep.

• Calibrazione accelerometro: si ot-tiene con stick destro in basso e stick sinistro in alto a sini-stra; il LED di stato si accende e il cicalino emette un beep.

• Calibrazione magnetometro: si impartisce con stick destro in basso e stick sinistro in alto a sinistra, il LED di STATUS lampeggia velocemente; avete circa 30 secondi per far ruotare il quadricottero di almeno 360° lungo tutti e tre gli assi. Partite con l’asse Z, quad orizzontale e rotazione di 360°, poi ruotate sull’asse di marcia, sempre con rotazione di 360° e, per finire,

effettuate la rotazione lungo l’asse trasversale. Quando il LED smette di lampeggiare (e il cicalino emette un beep) la calibrazione è terminata e i dati corrispondenti ven-gono salvati in EEPROM. La calibrazione va eseguita con il quadricottero lontano da ogni elemento metallico e compo-nente elettrico in funzione, me-glio di tutto in campo aperto. Se usate la telemetria, è meglio quella wireless, altrimenti il cavo USB si attorciglierebbe.

• Calibrazione barometro: questa in realtà non è necessaria, per-ché il valore di riferimento per l’altezza è memorizzato nel momento in cui viene attivata la funzione BARO.

• Regolazione offset accelerometro (trimmer): si impartisce con lo stick sinistro in alto; con lo stick destro si regola (alto, basso, destra, sinistra). Il LED di STA-TUS lampeggia ad ogni step.

MODI DI FUNZIONAMENTOIl quadricottero supporta diverse modalità di volo a seconda di quali sensori vengono usati nella stabilizzazione. Le descriviamo di seguito.• Arm (Acro Mode); questa è

la modalità base disponibile con il solo giroscopio. Nes-sun altro sensore aiuta nella stabilizzazione e quindi il controllo tramite radiocoman-do è essenziale. Sono possibili

manovre brusche e voli rapidi, ma il quadricottero è sensibile ad ogni imperfezione elettro-meccanica e non ci sono sensori a compensare l’assetto di volo. Questa è la modalità predefinita quando le moda-lità HORIZON e ANGLE non sono attivate.

• Angle (Self Level Mode); è nota anche come modalità STABLE e si avvale dell’acce-lerometro per mantenere livel-lato il quadricottero, ovvero viene compensata la tendenza a scivolare in qualsiasi direzio-ne. Il quadricottero è stabile se i valori del PID sono corretti e il giroscopio (sempre usato) e l’accelerometro sono calibrati.

• Horizon; questa modalità usa l’accelerometro ed il girosco-pio per mantenere livellato il quadricottero quando si rilasciano gli stick (volo sta-bile) ma lascia la possibilità di eseguire manovre brusche quando invece si manovrano gli stessi.

• Baro; quando viene attivata questa modalità, tramite la lettura del sensore barometri-co, il quadricottero mantiene inalterata la sua quota. Alla stabilizzazione contribuisce anche l’asse Z dell’accelerome-tro che aiuta a sentire variazio-ni di livello.

• Mag; il magnetometro è utilizzato per mantenere una precisa direzione, compen-sando l’inevitabile drift del quadricottero che lo porta a girare su se stesso. Agendo sul comando YAW è possibile comandare la direzione del quadricottero, ma rilasciando lo stick esso si riporterà sem-pre nella direzione iniziale.

• Headfree (CareFree); questa modalità è pensata per i prin-cipianti, che non sono abituati a ”pensare” come il quadri-



cottero. Questa funzione usa la bussola e l’ultima posizione nota per comandare il quadri-cottero secondo il movimento dello stick, indipendentemente dalla direzione del quadri-cottero stesso. Per la maggior parte dei piloti principianti è infatti difficile dirigere il qua-dricottero se esso non si trova perfettamente in asse con la te-sta e di fronte. Se, ad esempio, il quadricottero viene verso il pilota e questo sposta lo stick a destra in realtà esso andrà a sinistra perché orientato di 180° rispetto il pilota. Questa modalità è indipendente dal controllo YAW ed il relativo stick può non essere azionato.

• GPS Home; in questa mo-dalità viene usato il GPS per riportare il quadricottero nella posizione iniziale. È bene attivare questa funzione insieme alle altre modalità di stabilizzazione, soprattutto per mantenere un’altezza prefis-sata in quando il GPS non è molto accurato.

• GPS Hold; il quadricottero mantiene le coordinate del punto in cui la funzione viene attivata e grazie all’altimetro mantiene l’altezza.

Nella Tabella 1 trovate riassunte le varie modalità di volo e i sen-sori necessari a implementarle.Tramite i canali ausiliari della radio è possibile selezionare il modo di volo desiderato; ciò viene fatto con una routine del firmware che associa a un deter-minato range di valori del segna-le PWM una determinata moda-lità. Nella trasmittente radio CT6, da noi utilizzata per comandare il quadricottero, i canali ausiliari sono gestiti tramite un potenzio-metro ciascuno, il che renderebbe molto scomodo impostare delle modalità di funzionamento con

essi; per questo nella prima pun-tata vi abbiamo detto di sosti-tuire un potenziometro (meglio entrambi) con un deviatore a tre posizioni del tipo ON-OFF-ON, che garantisce la sicura corri-spondenza tra la posizione della levetta e la modalità desiderata.Con la modifica fatta, la selezio-ne dei modi di funzionamento è la seguente:• deviatore AUX2 con la levetta

in basso = modo ACRO;• deviatore AUX2 con la levetta

in centro = modo ANGLE;• deviatore AUX2 con la

levetta in alto = modo ANGLE+BARO+MAG.

La definizione di queste funzioni avviene utilizzando MultiWii-Conf e cliccando sui quadratini in corrispondenza della funzione che si vuole attivare.

TEST DELLE USCITE PWMOccupiamoci ora di verificare se le uscite per il comando dei motori funzionano correttamen-te: attiviamo le uscite portando lo stick di sinistra in basso a destra, le uscite si portano dal valore 1.000 al valore 1.150 ed il LED si STATUS si accende, ad indicare che il quadricottero è armato. Successivamente dovremo essere sicuri che con un segnale pari a 1.000 i motori non girino e con il valore 1.150 i motori girino al minimo. Inclinate la scheda a destra e verificate che il segnale di destra aumenti mentre quello di sinistra diminuisca. Inclinando la scheda verso l’alto sarà il se-gnale di fronte a diminuire ed il segnale posteriore ad aumentare; questo è l’effetto della stabilizza-zione indotta dall’accelerometro (modo ANGLE attivato). Se attivate il modo MAG potrete ve-rificare la stabilizzazione dell’as-se YAW: se provate a ruotare la scheda (rimanendo nel piano)

Fig. 1Telaio del quadricottero.

Fig. 2 - Cablaggio dell’alimentazione degli ESC dei motori mediante l’apposita basetta

sul fondo del telaio.

Fig. 3Collegamentodella riceventealla scheda



connettere tutte le uscite senza modifiche. Se il BEC è di tipo switching è importante che uno solo degli ESC porti alimenta-zione alla scheda. In questo caso rimuovete il filo rosso del cavetto di ciascun ESC, tranne quello che alimenterà la scheda. Adesso avete tutta la meccanica e l’elettronica assemblata; manca-no solo da montare le eliche, le quali al momento è meglio non siano applicate ai motori perché la loro presenza al momento potrebbe creare una situazione di pericolo. Collegate il jumper del monitor batteria all’ingresso A0V, quindi procedete alla prima accensione del sistema, collegan-do la batteria al connettore che porta alla scheda di distribuzio-ne: udrete dei beep provenienti

Fig. 5MultiWiiConf con sezione SETTING.

Fig. 6 - MultiWiiConf con sezione MOTORS.

Fig. 7Esempio di

bilanciatura di motore ed elica.

Fig. 4Scheda di volo

installata.

vedrete che i segnali DX-SX e FRONTE-REAR compenseranno il movimento.

ASSEMBLAGGIO MECCANICACon la scheda di comando col-laudata e funzionante possiamo occuparci della meccanica. Il telaio del quadricottero (frame, in inglese) va assemblato se-guendo le istruzioni incluse nella confezione (Fig. 1); è importante che l’assemblaggio sia accurato e preciso, serrate attentamente ogni vite. Bloccate quindi i moto-ri con le apposite viti e i relativi ESC, mediante alcune fascette, alla parte inferiore dei bracci del telaio, come mostrato nella Fig. 2. Utilizzate la Power Distribution Board per connettere l’alimenta-zione di tutti gli ESC al cavetto per la batteria; si tratta di una scheda composta da sole piste per distribuire l’alimentazione su piazzole laterali. Non dimentica-te il piccolo jumper che porterà il segnale positivo della batteria alla scheda per la misura del livello di carica. Sopra a tutto fissate la scheda di controllo, utilizzando preferi-bilmente viti in plastica, sia per evitare accidentali cortocircuiti, sia per evitare di interferire con il modulo IMU; ricordiamo, infatti, che il magnetometro è sensibile alla presenza di metallo (Fig. 4).A lavoro ultimato, il quadricot-

tero compreso di batteria della capacità prevista pesa intorno a 950 grammi: un peso nettamente inferiore a quello che i quattro motori con relative eliche sono in grado di sollevare. Ciò permette di sfruttare la “riserva” di carico per montare a bordo una piccola videocamera con cui effettuare riprese aeree.

COLLEGAMENTO DEI MOTORIIl quadricottero è assemblato in modalità QUADX e gli ESC vanno collegati alla scheda nel seguente modo:

• motore anteriore SX al pin D2;• motore posteriore DX al pin D3;• motore anteriore DX al pin D5;• motore posteriore SX pin D6.Se l’ESC usa un BEC di tipo LDO, come nel nostro caso, è possibile



corrispondenti alle loro letture siano esenti da alterazioni e falsi dovuti al rumore, soprattutto quello indotto dalle vibrazioni meccaniche, pena l’impossibi-lità di stabilizzare il volo; se ci sono troppe vibrazioni, queste vengono trasmesse al giroscopio, il quale non fornisce più una mi-sura attendibile. Non è possibile minimizzare il problema delle vibrazioni, quindi è necessario affrontare il problema ancora prima di ogni prova di volo.La soluzione per ridurre le vibrazioni è avere una struttura molto rigida: telai in alluminio, vetroresina e fibra di carbonio sono generalmente molto meno inclini a vibrazioni di quelli in plastica stampati o in Lexan (que-sto materiale è un policarbonato).

L’accoppiamento della scheda al telaio è molto importante e deve essere realizzato affinché il giroscopio sia in grado di perce-pire piccoli movimenti del telaio; non deve, però, essere troppo rigido, perché altrimenti le vibra-zioni create dai motori vengono trasmesse al giroscopio in tutta la loro intensità.Nel costruire il nostro prototipo abbiamo optato per l’utilizzo di viti in nylon con rondelle in gom-ma per fissare la scheda al telaio; inoltre una calotta è stata posta al di sopra per impedire che la turbolenza dell’aria indotta dalle eliche possa indurre ulteriori vibrazioni sulla scheda.Le vibrazioni sono essenzial-mente dovute ad imprecisioni meccaniche, ovvero alla cattiva

Fig. 8 - Connessioni della scheda di controllo.

dagli ESC e dovranno accendersi i due LED di alimentazione della scheda, più il LED di alimenta-zione del modulo IMU.

CALIBRAZIONE DEGLI ESCA questo punto dovete provede-re alla calibrazione, operazione che è molto importante perché imposta tutti gli ESC affinché funzionino allo stesso modo. La calibrazione può essere fatta, molto semplicemente, tramite il software MultiWii (Fig. 5). Le operazioni da compiere sono:1. nel software Multiwii atti-

vate la funzione ESC_CA-LIB_CANNOT_FLY togliendo i caratteri di commento nella riga #define ESC_CALIB_CANNOT_FLY del file;

2. verificate di non aver montato le eliche sui motori e in caso l’abbiate fatto, rimuovetele (sempre a batteria staccata!);

3. alimentate il quadricottero con gli ESC e i motori connes-si ad essi;

4. quando siete pronti ad inizia-re la calibrazione, caricate lo sketch nella scheda di control-lo del quadricottero;

5. a sketch avviato, inizia la cali-brazione, il cui termine verrà segnalato dall’accensione del LED STATUS;

6. commentate la riga #define ESC_CALIB_CANNOT_FLY e ricaricate lo sketch;

7. la calibrazione è conclusa e gli ESC sono pronti.

Notate che, se necessario, i valori massimi e minimi di calibrazione possono essere modificati inter-venendo sulle righe ESC_CALIB_LOW e ESC_CALIB_HIGH.

TEST VIBRAZIONIIl giroscopio e l’accelerometro sono molto sensibili alle vibra-zioni, ma per la nostra appli-cazione è necessario che i dati



bilanciatura delle eliche e dei motori; in questo caso, utilizzare prodotti di qualità fa la differen-za. Per verificare lo stato delle vi-brazioni è possibile attivare una particolare sezione del software MultiWii: nel solito file config.h togliete i commenti alla riga

#define DYNBALANCE e cari-cate lo sketch sulla scheda; nel software MultiWiiConf, in alto, cliccando su MOTORS si aprirà una nuova sezione che permette di controllare individualmente ciascun motore, tramite un curso-re azionato con il mouse (Fig. 6).

Potete fare le prime prove senza le eliche e verificare la presenza di eventuali vibrazioni dovute a giunti allentati o a motori sbi-lanciati. Sul pannello principale selezionate la visualizzazione dei soli dati dell’accelerometro, per avere un grafico più leggibi-

Volare in regola con la leggeL’autorità che determina le regole del volo civile in Italia si chiama ENAC (Ente Nazio-nale Aviazione Civile) ed è intervenuta a regolamentare il settore degli aeromodelli quando i quadricotteri gio-cattolo sono diventati troppi e soprattutto manovrati da chi li faceva volare ovunque, dimostrando poco senno. La recente norma sui mezzi aerei a pilotaggio remoto (SAPR, ossia Sistemi Aero-mobili a Pilotaggio Remoto) o più semplicemente APR, con-sultabile sul web alla pagina www.enac.gov.it/La_Normati-va/Normativa_Enac/Regola-menti/Regolamenti_ad_hoc/info-122671512.html, ha messo in chiaro condizioni e limiti di utilizzo. La normati-va definisce con precisione cos’è un Aeromobile a Pilotaggio Remoto (APR): un mezzo aereo a pilotaggio remoto senza persone a bordo, non utilizzato per fini ricreativi e sportivi. Quindi se il vostro utilizzo è puramente ricreativo il mezzo è automa-ticamente un aeromodello e ad esso si applica quanto scritto nel capitolo VII, di cui riportiamo il testo.

1. L’aeromodellista ai coman-di dell’aeromodello ha la responsabilità di utilizzare il mezzo in modo da rispettare le regole dell’a-ria, non arrecare rischi a persone o beni a terra e ad altri utilizzatori dello spazio aereo, mantenere la separazione da ostacoli, evitare collisioni in volo e dare precedenza a tutti.

2. L’aeromodellista è responsabile di ottempe-

rare agli obblighi relativi e a ottenere le eventuali autorizzazioni per l’utilizzo dello spettro elettroma-gnetico impegnato dal radiocomando.

3. Non è richiesta riserva di spazio aereo se:a) gli aeromodelli hanno:- massa operativa al

decollo minore di 25 kg;

- massima superficie alare di 500 dm²;

- massimo carico alare di 250 g/dm²;

- massima cilindrata totale dei motori a pi-stoni di 250 cm³, mas-sima potenza totale dei motori elettrici 15 kW o massima spinta totale dei motori a turbina di 25 kg (250 N) ovvero massima potenza totale motori turboelica 15 kW;

b) gli aeromodelli sono a volo libero o a volo circolare vincolato, oppure aerostati ad aria calda con peso totale del contenitore di gas trasportato per i bruciatori non superio-re a 5 kg.

c) e se l’attività rispetta i seguenti requisiti:

- sia effettuata di giorno e l’aeromodellista mantenga un continuo contatto visivo con l’aeromodello, senza aiuto di dispositivi ottici e/o elettronici;

- sia effettuata in aree opportunamente selezionate dall’aero-modellista, di raggio massimo di 200 m e di altezza non superiore

a 70 m, non popolate, sufficiente lontane da edifici, infrastrutture e istallazioni, all’esterno delle ATZ (Aerodrome Traffic Zone ) istituite o ad una distanza di almeno 5 km dal peri-metro di un aerodromo privo di ATZ.

Non è consentito il sor-volo delle aree proibite o regolamentate. È consen-tita l’attività di volo fino ad un’altezza massima di 150 m purché l’aeromo-dellista sia titolare di un Attestato di aeromodel-lista con abilitazione al pilotaggio di aeromodelli rilasciato dall’Aero Club d’Italia.

In caso di traffico interfe-rente di altro utilizzatore dello spazio aereo, l’aero-modello non ha diritto di precedenza e deve essere portato ad una altezza di sicurezza tale da non interferire con l’altro aeromobile.

4. Nel caso non siano soddisfatte una o più condizioni del paragrafo 3, l’attività di volo deve essere effettuata in aree istituite dal’ENAC per attività aeromodellistiche o, in alternativa, in spazi aerei riservati a fronte di specifica richiesta.

Nel caso non siano sod-disfatte le limitazioni sul peso o sulla potenza di propulsione, l’aeromodel-lista deve avere almeno 18 anni e deve essere titolare dell’Attestato di aeromodellista di cui al comma precedente.

5. L’aeromodellista deve rispettate le eventuali disposizioni emesse dalle amministrazioni locali competenti.

6. Su un aeromodello utiliz-zato in un luogo aperto al pubblico non possono essere istallati dispositivi o strumenti che ne confi-gurino l’uso in operazioni specializzate,

7. Le manifestazioni aero-modellistiche e l’esercizio degli aeromodelli nel corso delle manifestazioni aeromodellistiche devono essere effettuati in ottem-peranza alle disposizioni emesse dall’Aero Club d’Italia.

8. Per le operazioni di ae-romodelli spaziali (razzo modelli) non dotati di sistemi che ne permet-tano il controllo da parte dell’aeromodellista deve essere richiesto riserva di spazio aereo all’ENAC.

9. Gli aeromodelli a volo libero classe FAI F1 con massa minore a 1,5 kg, quelli a volo vincolato circolare e quelli utilizzati in luoghi chiusi, “spazio indoor”, non rientrano nelle previsioni del pre-sente regolamento.

La normativa lascia quindi margine per trovare un luogo dove far volare i quadricot-teri però il punto 6 “Su un aeromodello utilizzato in un luogo aperto al pubblico non possono essere istallati dispositivi o strumenti che ne configurino l’uso in



le. Per la bilanciatura abbiamo trovato valido l’utilizzo di piccoli pezzettini di nastro isolante, che sono leggermente più spessi del classico nastro adesivo da ufficio; il nastro isolante va applicato sulla parte esterna del rotore (Fig. 7). Provate ad applicarlo in varie

posizioni (tanto si rimuove fa-cilmente) fino a trovare il punto in cui le vibrazioni sono minime e poi lavorate sulla quantità per eliminarle. Una volta trovato il miglior bilanciamento possibile, potete verificare la corretta rotazione

dei motori: quello di fronte e quello posteriore dovranno ruotare in senso orario, mentre quello destro e sinistro dovran-no ruotare in senso antiorario. Il passo successivo prevede l’installazione delle eliche, passo importante vista la pericolosità

operazioni specializzate” sembra mettere un paletto ai dispositivi installati. Infatti una semplice telecamera può essere vista come un dispo-sitivo che ne configura l’uso in operazioni specializzate ed in questo caso il mezzo non può più essere considerato un aeromodello. Questo può significare che volare con una telecamera in un campo di volo privato potrebbe essere concesso, mentre volare con una telecamera in zona opportunamente selezionata ma pubblica potrebbe essere vietato. Ciò diventa sensato in un’ottica di privacy perché si impedirebbero riprese video in luoghi pubblici (ad esempio vicino ad abitazioni) se non con le dovute autorizzazioni.Se il vostro multirotore non può essere considerato un aeromodello, il regolamento distingue in base al peso al decollo e in base al tipo di impiego, ovvero viene fatta distinzione se il mezzo è usato per attività di ricerca e svi-luppo oppure per operazioni specializzate.Operazioni Specializzate: per lo scopo di questo Regola-mento si intendono le attività che prevedono l’effettuazione, con un SAPR, di un servizio professionale a titolo oneroso o meno, quale ad esempio: riprese cinematografiche, televisive e servizi fotografici, sorveglianza del territorio o di impianti, monitoraggio ambientale, impieghi agricoli, fotogrammetria, pubblicità, addestramento.Attività di ricerca e sviluppo: consente lo svolgimento di attività di ricerca pura o finalizzata alla verifica di determinate concezioni di

progetto del SAPR stesso o di nuovi equipaggiamenti, nuove installazioni, tecniche di impiego od usi.Vediamo cosa dice la norma-tiva nel caso di APR dal peso inferiore ai 2 kg utilizzati per operazioni specializzate: art. 12 - Operazioni con APR di massa operativa al decollo minore o uguale a 2 kg.

1. Le operazioni specializza-te condotte con SAPR di massa operativa al decollo minore o uguale a 2 kg sono considerate non critiche in tutti gli scenari operativi, a condizione che gli aspetti progettuali e le tecniche costruttive dell’A-PR abbiano caratteristiche di inoffensività, prece-dentemente accertate dall’ENAC o da soggetto da esso autorizzato.

2. In aderenza con quanto disposto al comma 7 del precedente art. 10 del Regolamento, è proibito il sorvolo di assembramenti di persone, per cortei, ma-nifestazioni sportive o ine-renti forme di spettacolo o comunque di aree dove si verifichino concentrazioni inusuali di persone.

3. Per la conduzione delle operazioni è sufficiente che l’APR venga pilotato da persone in possesso di un Attestato di cui all’art. 21 in corso di validità, secondo le previsioni del Manuale di volo o docu-mento equivalente.

4. Nei casi di cui al preceden-te comma 3, il pilota assu-me le funzioni di operatore e le relative responsabilità, incluse le registrazioni e segnalazioni. Non sono

obbligatori i requisiti organizza-tivi richiesti agli ope-ratori nei precedenti articoli ma il pilota deve assicurare la corretta conduzione del mezzo e l’effettuazione della manu-tenzione prevista.

5. Le operazioni specializ-zate condotte con APR di massa al decollo minore o uguale a 0,3 kg e con velocità massima minore o uguale a 60 km/h, fermo restando quanto previsto al comma 2 del presente articolo, sono considerate non critiche in tutti gli scenari operativi. Il pilota, al quale non è richiesto il possesso di un Attestato secondo quanto previsto al successivo art. 21, deve comunque garantire che le operazioni siano svolte in osservanza delle regole di circolazione definite nella Sezione V.

6. Per l’effettuazione delle operazioni con SAPR avente le caratteristiche di cui al presente articolo, l’operatore, o il pilota nei casi di cui ai precedenti commi 4 e 5, deve in ogni caso presentare all’ENAC la dichiarazione in accordo al comma 2 dell’art. 9 del presente Regolamento.

Da questo capitolo emerge che i multicotteri devono avere caratteristiche di inof-fensività accertate dall’ENAC e che chi li pilota deve essere in possesso dell’Attestato di

Pilota di APR, rilasciato da un Centro di Addestramento APR approvato. Tale attestato vie-ne rilasciato per la conduzio-ne di APR di massa operativa al decollo minore di 25 kg in condizioni VLOS (Visual Line of Sight (VLOS) ovvero per operazioni condotte entro una distanza, sia orizzontale che verticale, tale per cui il pilota remoto è in grado di mantenere il contatto visivo continuativo con il mezzo ae-reo, senza aiuto di strumenti per aumentare la vista, tale da consentirgli un controllo diretto del mezzo per gestire il volo, mantenere le separazio-ni ed evitare collisioni.Se però il multirotore ha peso inferiore a 0,3 kg non è richie-sto alcun attestato ma devono essere rispettate le indica-zioni riportate nella sezione V del regolamento (Regole di circolazione e utilizzo dello spazio aereo ). L’attività per lo scopo “ricerca e sviluppo”, è soggetta ad autorizzazione da parte dell’ENAC. Come vedete, per impieghi specializzati la normativa è molto stringente: si salvano solo i mezzi con peso inferiore a 0,3 kg che possiamo considerare dei giocattoli. Nella normativa si legge anche che non sono soggetti al Regolamento i SAPR che svolgono attività in spazio chiuso (spazio indoor), salvo che il volo non avvenga sopra le persone.



intrinseca di avere quattro eliche affilate come coltelli che girano a diecimila giri al minuto! L’eli-ca di fronte e quella posteriore dovranno ruotare in senso orario (CW) mentre quella destra e si-nistra dovranno ruotare in senso antiorario (CCW); ricordate che quando l’elica ruota deve spinge-re l’aria verso il basso. Azionate un motore alla volta portando lo stick a circa metà corsa; prestate la massima attenzione perché il quadricottero cercherà di alzarsi e quindi dovrete trattenerlo in qualche modo per evitare di fare danni o, peggio, di farvi male! Sulle impostazione della teleme-tria lasciate la sola visualizzazio-ne degli accelerometri ed even-tualmente zoomate sulla scala del grafico, per meglio vederne i dettagli. In questo caso il nastro adesivo va applicato sul dorso dell’elica. Cliccando in alto sulla sezione SETTINGS potete vedere le impostazioni relative all’allar-me batteria ed il setup relativo al comando dei motori.

ATTIVAZIONE DELLA TELEMETRIA WIRELESS CON BLUETOOTHÈ possibile abilitare la telemetria wireless tramite una comunica-

zione Bluetooh in modo semplice e veloce, permettendo la compati-bilità con PC, smartphone e tablet. Vi serve un modulo Bluetooth di tipo slave abilitato al profilo SPP (comunicazione seriale) come i moduli HC-05 o HC-06 oppure il modulo DAGU. La cosa essenzia-le è modificare la velocità di co-municazione portandola a 115 kb; il nome assegnato è ininfluente.Il PC sul quale farete girare il software MultiWiiConf dovrà disporre di un opportuno mo-dulo Bluetooth integrato o di un dongle inserito in una porta USB, che possa connettersi alla sche-da; essendo la comunicazione in trasparent-mode, nulla cambia

nella gestione del software.Vediamo ora i passi da seguire per utilizzare il modulo Bluetooth facendo riferimento al modello DAGUS, che è essenzialmente un modulo HC-06 con firmware Linvor V1.8. Usate il convertitore USB/seriale per interfacciare il modulo al PC, con il seguente cablaggio: Vcc-Vcc, GND-GND, TX-RX, RX-TX.Avviate un software per la comu-nicazione seriale come Termite (software libero che non necessita di installazione) oppure, molto più semplicemente, potete usare l’IDE di Arduino. Aprite una co-municazione verso la porta nella quale è installato il convertitore USB/Seriale ed impostate una velocità di comunicazione pari a quella predefinita del modulo (di solito 9.600 bps); nella tra-smissione, disabilitate l’aggiunta del ritorno carrello e nuova riga (CR e LF). Inviate il comando AT ed attendete la risposta OK per verificare che il modulo risponda correttamente (Fig. 10); se così non fosse, provate ad impostare altre velocità di comunicazione e ripetete l’invio del comando AT. Stabilito il collegamento, impar-tite il comando AT+VERSION per visualizzare la versione del firmware installato.Potete modificare il nome del dispositivo con il comando

Fig. 9Lettura declinazione

magnetica.

Fig. 10 Configurazione modulo Bluetooth HC-05.



AT+NAMEmionome ed infine modificate la velocità di co-municazione con il comando AT+BAUD8; ad ogni comando riceverete una risposta di confer-ma. Le impostazioni anzidette possono essere effettuate solo a modulo sconnesso.Il LED rosso si accende con il modulo alimentato, mentre il LED blu lampeggia in attesa di connessione; rimane a luce fissa quando il modulo è connesso e pronto alla trasmissione. Dal dispositivo remoto è necessario che eseguiate l’associazione con il dispositivo Bluetooth: la password da inserire, quando richiesto, è 1234.Se usate il modulo BT HC-05 ver-sione FC-114, dovete procedere in modo leggermente diverso: con-nettete il modulo al PC tramite un adattatore USB/seriale funzio-nante a 3,3 volt e gestite la comu-nicazione tramite un qualsiasi software di monitoraggio seriale, avendo l’attenzione di impostare la modalità di invio comandi con l’aggiunta del ritorno carrello e nuova riga (CR e LF).Abilitate la modalità AT com-mand del modulo ed inviate la stringa AT per verificare che la comunicazione sia a posto; potete usare il comando AT+VERSION per verificare la versione del firmware installato. A noi interessa modificare la velocità di comunicazione portandola al valore di 115.200 baud, il che si ottiene inviando il comando AT+UART=115200,0,0 (il nome del dispositivo è ininfluente).Sulla scheda di volo sono dispo-nibili due connettori utilizza-bili per la telemetria, entrambi connessi al modulo UART3 del microcontrollore. Il connettore siglato UART3-5V è adatto a sistemi di telemetria funzionanti a 5V come il modulo Bluetooth della DAGU, mentre il connetto-

re siglato UART3-3V3 è adatto a circuiti funzionanti a 3,3V come il modulo Bluetooth HC-05. In alternativa, sulla scheda è previsto il socket su cui poter sal-dare direttamente il modulo HC-05. I jumper HC1RX 1 HC1TX devono essere posizionati verso il contatto 3 (UART3).

GESTIONE TRAMITE APPSe avete equipaggiato la scheda con un modulo Bluetooth, potete

attivare la telemetria wireless con smartphone (o tablet) tramite un’opportuna app. La comodità che tale opzione offre è disporre di un dispositivo compatto e leggero da portare appresso nel campo di volo. Le app attualmente disponibili sono MultiWii Configuration Tool ed EZ-GUI Ground Station, però solo quest’ultima è compatibile con l’ultima versione del soft-ware (V2.4); può essere scaricata

Fig. 11 - App EZ-GUI configurazione bluetooth.

Fig. 12 - App EZ-GUI dashboard.

Fig. 13 - App EZ-GUI impostazioni radio.

Fig. 14 - App EZ-GUI configurazione canali AUX.



gratuitamente dallo store uffi-ciale Google Play all’indirizzo: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.ezio.multiwii. Con questa app potete visualiz-zare in tempo reale lo stato di tutti i parametri ed impostare a distanza in tutta tranquillità i parametri PID, durante il volo un assistente vocale vi informerà dello stato di funzionamento riportando eventuali allarmi; sempre con questa app, è possi-bile il volo assistito con GPS e la mission planner.Per utilizzare la telemetria via Bluetooth, come prima cosa asso-ciate il modulo BT con il vostro dispositivo smartphone o tablet; successivamente scaricate ed avviate l’app EZ-GUI. La prima impostazione chiesta è il nome del modulo BT cui connettersi, seguono diverse altre impo-stazioni, ma i valori di default vanno benissimo (Fig. 11). L’app prevede tre sezioni: la prima denominata Dashboard (Fig. 12) che permette di visualizzare tutti i parametri di volo, la seconda

denominata Impostazioni (Fig. 13) permette di settare i valori del PID e degli ingressi AUX, la terza sezione denominata Configurazio-ni (Fig. 14) permette di settare le funzionalità dell’app. Non descriveremo tutti i dettagli dell’applicazione, anche perché risulta molto facile ed intuitiva; consigliamo solo l’attivazione dell’assistente vocale, funzionali-tà molto utile vista l’impossibilità di staccare lo sguardo dal qua-dricottero. Questa applicazione gestisce anche la mission planner con il volo assistito tramite GPS.

SOFTWARE ALTERNATIVOA MULTIWIICONFSino alla penultima versione di Multiwii non era implementata la mission planner e per colmare tale lacuna, la relativa com-munity ha reso disponibile un software alternativo per sistemi operativi Windows, dal nome MW-WinGUI; oltre a una grafica più accattivante, tale programma implementa diverse funzionalità aggiuntive rispetto alla mission planner. Il sito di riferimento di MW-WinGUI è https://code.google.com/p/mw-wingui/. Non è ancora disponibile la

versione per Multiwii 2.4, però è possibile usare la versione MultiWii 2.3 navi b7 impostando nel file Multiwii.h la versione precedente; ciò si effettua editan-do il file e scrivendo la seguente istruzione: #define VERSION 230.

PRIMA DEL VOLO Bene, esaurito l’argomento software e definita la costruzione del quadricottero, prendiamo in considerazione ciò che è il vero obiettivo dell’articolo: avere un radiomodello da far volare. Dun-que, prepariamoci ad effettuare il volo inaugurale (maiden flight, usando un termine anglosassone). Diamo per scontato che i gruppi motori/eliche siano stati bi-lanciati e girino correttamente; verificate che i canali della radio siano centrati sui 1.500 ms ed abbiano un’escursione tale da ec-cedere significativamente i valori MINTHROTTLE e MAXTHROT-TLE. La batteria deve essere fissa-ta con decisione sulla parte bassa del frame e perfettamente in asse con il baricentro; assicuratevi che non si muova. Alzate il quadri-cottero prendendolo dal perno di due motori in diagonale per verificare che il peso sia perfet-

Fig. 15 - App EZ-GUI configurazione PID.

Fig. 16 - App EZ-GUI visualizzazione dell’assetto di volo.



tamente bilanciato: se pende da qualche parte spostate la batteria fino ad avere la percezione che sia bilanciato.Posizionate il quadricottero in una zona perfettamente in piano e calibrate tutti i sensori, sposta-tevi poi nell’area di volo, meglio un prato con erba che possa attutire un’eventuale caduta. As-sicuratevi che tutto attorno non vi siano cose persone o animali e ponetevi in una situazione di massima sicurezza; attenzio-ne alle regole di volo imposte dall’ENAC. Ricordatevi che ogni velivolo vola rispetto l’aria e non rispetto al suolo, pertanto in presenza di vento il quadricotte-ro tenderà a seguire la direzione di quest’ultimo e anche piccole raffiche possono influenzare pesantemente la sua stabilità; consigliamo, pertanto, i primi voli in assenza di vento.

IL VOLO INAUGURALEDisabilitate tutti i modi di volo, in modo da lasciare attivo il solo giroscopio, ed armate il quadri-cottero. Lentamente azionate lo stick del gas e fate alzare il quadricottero, sempre con la massima attenzione, perché state usando i valori PID predefiniti e non è detto che siano quelli corretti. Entro i 50 cm da terra le turbolenze dell’aria possono influenzare significativamente il volo, quindi siate pronti a compensare eventuali deviazioni e appena riuscite sollevate di più il quadricottero. Nei nostri primi voli abbiamo usato la modalità ANGLE, che utilizza l’accelerometro per stabilizzare il volo e rendere più facile il pilotaggio anche ai meno esperti. I valori PID predefiniti (P=3,3 I=0,03 D=23 per ROLL e PITCH e P=6,8 I=0,045 D=0) si sono dimostrati già buoni, ma è possibile ottimizzare ulterior-

mente la stabilità con piccoli e mirati aggiustamenti. Il volo radente a 20/30cm dal suolo risente del cuscinetto d’aria creatosi al di sotto, facendo scivolare il quadricottero (effetto hovercraft). Ad un metro d’al-tezza il quadricottero non risente delle turbolenze ed il volo è più regolare, ma aumentano i rischi di fare danni in caso di brutta ca-duta; se vedete che il quadricotte-ro ha un comportamento strano o tende ad allontanarsi troppo velocemente, non fatevi prendere dal panico e togliete gas dolce-mente per farlo scendere.Nella modalità ANGLE il volo è più stabile, ma se percepite una tendenza a scappare da qualche parte provvedete alla regolazione dell’accelerometro, come descrit-to precedentemente. Quando avete ottenuto una sod-disfacente stabilizzazione e sono necessari solo piccoli aggiusta-menti degli stick per mantenerlo in posizione, potete azionare il magnetometro ed anche il baro-metro. Azionate la funzionalità BARO quando avete raggiunto la quota desiderata e volete mante-nerla; in quel momento viene me-morizzato il valore di riferimento

da mantenere e potrete togliere il dito dallo stick del throttle. Avete ancora un controllo con lo stick, ma se volete atterrare dovere disinserire la funzione.

TARATURA DEI PARAMETRI PIDIl parametro P (Proporzionale) è il guadagno, ovvero quanto intervengono i sensori nella stabilizzazione; è importante che sia il più alto possibile per avere un mezzo molto stabile che tenda a contrastare con decisione ogni variante di assetto, ma non deve essere eccessivo, altrimenti il mezzo entrerà in oscillazione. Il parametro I (Integrativo) inter-viene nel lungo periodo per com-pensare errori di assetto cercando di far mantenere al quadricottero la posizione impartita dagli stick. Il parametro D (Derivativo) ha influenza quando si verificano brusche variazioni di assetto. Alzando questo valore si aiuta il quadricottero a smorzare le oscil-lazioni che si verificano quando ci sono variazioni di assetto a causa di manovre repentine; ma si compensa in qualche modo anche l’influenza delle raffiche di vento. State comunque attenti a non esagerare, perché un valore

Fig. 17 - Fissaggio (con isolatori) e cablaggio della scheda di controllo


Elettronica In ~ Giugno 2016 TM

troppo alto del parametro D indurrà pericolose oscillazioni. Supponendo di partire con un set di valori già abbastanza discre-ti, sarà sufficiente correggerli durante i test di volo; i parametri PID vanno modificati poco per volta con estrema pazienza, in passi di ±0,2 per P, di ±0,005 per I e di ±1 per D. Nell’impostare o aggiustare i parametri PID tenete a mente quanto segue.• Con valori alti di P il quadri-

cottero ha una notevole forza resistente a qualsiasi tentativo di spostamento, tuttavia valori eccessivi comportano oscilla-zioni a frequenza elevata ed al limite instabilità. Nel volo acrobatico si prediligono valo-ri di P più elevati.

• Con valori bassi di P il quadri-cottero è meno resistente alle variazioni di assetto e mani-festa la tendenza ad andare alla deriva. Nel volo regolare si prediligono valori di P più bassi.

• Con valori elevati di I aumenta la capacità di mantenere la posizione iniziale e ridurre la dispersione, ma si incre-menta il ritardo con il quale si ritorna in posizione iniziale in seguito ad una variazione di assetto. Nel volo stazionario si prediligono valori più alti. Un parametro I troppo alto causa oscillazioni a bassa frequenza.

• Bassi valori di I migliorano la reazione ai cambiamenti, ma aumentano la deriva e l’incapacità di mantenere la posizione. Nel volo acrobatico si prediligono valori più bassi.

• Valori elevati di D migliorano la velocità con cui i disturbi vengono recuperati; valori troppo elevati inducono oscil-lazioni. Nel volo acrobatico prediligono valori più alti.

• Con valori bassi di D si ridu-cono le oscillazioni al ritorno

Tutto il materiale utilizzato in questo progetto è disponibile presso Futura Elettronica. La scheda Open Source premontata per quadricottero (cod. FT1171) costa Euro 35,00. Nel progetto sono stati utilizzati anche:- Il convertitore USB-seriale 3,3-5 V (cod. FTDI5V) Euro 19,00.

- Il modulo sensori controllo di volo per multicotteri (cod. GY-86) Euro 30,00.

- Il radiocomando 6 CH + ricevitore (cod. RADIOCOM6CH) Euro 65,00.

- Il buzzer con elettronica 5V (cod. BUZZER5V) Euro 1,90.

- Il caricabatteria lipo/ioni di litio (cod. LK1008D) Euro 12,00.

- La prolunga cavo per servo, da 150 mm (cod. SERVOEXT150) Euro 1,30.

- Il frame per quadricottero (cod. QUADRIFRAME) euro 25,00.

- Il controller di velocità da 20A per motori brushless (cod. ESC20SI-MONK) euro 24,00.

- Il motore brushless per multiroto-ri con eliche (cod. EMAXMT2213) Euro 32,00.

- La scheda per la distribuzione dell’ali-mentazione (cod. CRIUS) Euro 2,90.

- Il modulo Bluetooth Transceiver (cod. HC05) Euro 9,00. Tutti i prezzi si intendono IVA compresa.

Il materiale va richiesto a:Futura Elettronica, Via Adige 11,

21013 Gallarate (VA)Tel: 0331-799775 • Fax: 0331-792287

http://www.futurashop.it

per il MATERIALE

in posizione iniziale, ma si rallentano i movimenti. Nel volo stazionario si prediligono valori più bassi.

Se volete un’idea più chiara dell’influenza dei parametri PID sul volo del quadricottero vi consigliamo la visione di un video postato su Youtube, perché è particolarmente significativo; si trova su web https://www.youtube.com/watch?v=YNzqTGEl2xQ.Nella taratura del nostro quadri-cottero abbiamo di poco corretto i valori del PID per il pitch ed il roll, nonché abbassato del 50% i valori del PID per la funzione di altitude hold.

CONCLUSIONIAlla fine abbiamo ottenuto un quadricottero dalle buone qua-lità e prestazioni, adatto al volo outdoor, capace di trasportare anche piccoli pesi, che rappre-senta una valida alternativa ai modellini giocattolo. Alle funzionalità base potete aggiungerne altre come il GPS per la navigazione assistita, per la quale però è necessario imple-mentare una ground station, con un sistema di telemetria wireless a lunga portata. Un’ulteriore funzionalità che si vede sempre più spesso imple-mentata nei quadricottero è il volo FPV (First Person View) nel quale le immagini riprese dalla telecamera di bordo vengono riprodotte in speciali occhiali, permettendo di pilotare senza vedere il drone, come se fossimo realmente a bordo.

Insomma, sbizzarritevi e soprat-tutto divertitevi!

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