Controllo di stabilità per elicottero

Istituto Tecnico Industriale Statale
Galileo Galilei
Anno
scolastico
2011/2012
Via G. Galilei, 16 – 31015 Conegliano (TV)
Controllo di stabilità
per elicottero
Galet Matteo
classe 5° A - ART/ET
Tesina per gli esami di Maturità
Sommario
1) STORIA DELL’ELICOTTERO
-3-
2) IL FUNZIONAMENTO
-5-
I.
Il principio
-5-
II.
Il giroscopio
-5-
III.
Lo “swashplate”
-6-
3) IL PROGETTO
-8-
I.
I sensori
-8-
II.
I servocomandi
-9-
III.
Il motore
- 10 -
IV.
La batteria LiPo
- 10 -
V.
La comunicazione
- 11 -
4) LA REALIZZAZIONE
- 12 -
I.
Il telecomando
- 12 -
II.
L’elettronica di bordo
- 20 -
5) CONCLUSIONI (LA PROVA SUL CAMPO)
- 26 -
6) RINGRAZIAMENTI
- 27 -
7) BIBLIOGRAFIA
- 28 -
-2-
1) Storia dell’elicottero
I primi progetti di macchine per il volo verticale sono stati ritrovati tra i documenti di
Leonardo Da Vinci: già alla fine del 1400 egli aveva elaborato una serie di disegni riguardanti
quella da lui chiamata “vite aerea”. Leonardo aveva
infatti cercato di applicare all’aria il principio della vite di
Archimede (usata per spostare l’acqua di un fiume o lago
ad un’altezza superiore): la macchina doveva essere
composta da una spirale rotante che spostasse l’aria
verso il basso e di conseguenza facesse staccare da terra
il rudimentale velivolo. Sebbene Leonardo costruì
qualche piccolo prototipo, non ci sono prove che una di
La “vite aerea” di Leonardo
queste macchine abbia mai funzionato.
Quello di cui Leonardo non tenne conto inoltre è la rotazione inversa della fusoliera data dalla
rotazione della spirale: la macchina, appena staccatasi da terra, avrebbe cominciato a ruotare
su se stessa, rendendola incontrollabile e facendola ritornare immediatamente al suolo.
Gli studi continuarono quando Sir George Cayley, un ingegnere inglese, sviluppò nei primi
dell’800 una serie di macchine che usavano due rotori contro-rotanti per librarsi in aria; come
mezzo propulsivo usava una striscia di gomma
attorcigliata, che svolgendosi permetteva qualche
secondo di rotazione. I suoi studi influenzarono il parigino
Alphonse Pénaud, il quale creò un giocattolo ponendo
sullo stesso asse i due rotori, creando di fatto il
capostipite di quelli che oggi sono gli elicotteri a rotori
coassiali. Pénaud battezzò il suo prototipo “Helicoptère“,
parola coniata qualche anno prima e formata dalle due
L’Helicoptère di Pénaud
parole greche: helix (ricurvo, attorcigliato) e pteron (ala).
Uno di questi giocattoli, regalato dal padre ai fratelli Wilbur e Orville Wright, fu la scintilla che
li fece appassionare alla conquista del volo.
Il primo vero elicottero capace di librarsi in aria autonomamente fu sviluppato dall’italiano
Enrico Forlanini: nel 1878, spinto da un motore a vapore, il prototipo si alzò verticalmente fino
ad un’altezza di 12 metri, dove stazionò per una ventina di secondi, prima di ritornare al suolo.
Nel 1885, un giornalista statunitense donò la cospicua somma di 1000 dollari a Thomas
Edison, allo scopo di condurre esperimenti per lo sviluppo del volo. Edison costruì un
elicottero che usava della nitrocellulosa per alimentare il motore; purtroppo il prototipo andò
distrutto in un’esplosione, ed uno dei suoi collaboratori riportò gravi ustioni.
In base a questi esperimenti, Edison formulò che sarebbe servito un motore con rapporto di
potenza quasi pari ad un cavallo per chilogrammo per poter sollevare un elicottero.
-3-
Nel 1920 l’argentino Raúl Pateras-Pescara dimostrò come fosse possibile variare l’inclinazione
delle pale per aumentare o diminuire la spinta, ed inoltre il rotore del suo prototipo poteva
essere inclinato leggermente in avanti per poter avanzare senza necessità di eliche aggiuntive.
Il suo elicottero però non era abbastanza potente nemmeno per sollevare il proprio peso.
Una data storica è il 1936: Henrich Focke, con
l’aiuto di un collaboratore, costruì un velivolo
ad ala rotante che superò per prestazioni tutti i
predecessori: il FW-61 fu il primo elicottero
prodotto in piccola serie, e fu adottato durante
la Seconda Guerra Mondiale, assieme al fratello
maggiore FA-223 ed al Fl-282, dalla Germania
nazista, che lo impiegò per ricognizioni,
trasporto
e
recupero
dei
feriti.
I
Il Focke-Wulf Fw 61
bombardamenti degli Alleati impedirono alla
Germania di produrre elicotteri su larga scala, nonostante i primi esemplari si rivelarono validi.
Negli USA, il primo elicottero prodotto in 100 esemplari fu l’R-4, progettato da Igor Sikorsky
per la marina americana, seguito dai modelli R-5 ed R-6; gli Alleati ne usarono un totale di 400
durante la Seconda Guerra Mondiale per trasferire truppe in luoghi impervi.
Nel campo civile, la prima azienda a costruire
elicotteri fu la Bell Aircraft: gli ingegneri Bell
applicarono ad un rotore a due pale una barra con
due masse agli estremi, posta a 90° rispetto alle pale
principali; questo dispositivo, chiamato flybar, si
mantiene sempre parallelo al suolo, stabilizzando il
volo. Grazie alla sua semplicità costruttiva,
l’esemplare fu prodotto in molti paesi con il nome di
Bell 47, e rimase in uso per quasi 30 anni.
Una turbina per elicotteri
Il Bell 47
Nel 1951 avvenne una svolta nel campo dell’
aviazione: Charles Kaman modificò il suo K-225
montandovi un motore turboalbero da jet. Questo
adattamento permise di generare una grande
potenza con un peso ridotto rispetto ad un normale
motore a pistoni; la turbina infatti non dispone di un
pesante monoblocco e di molti altri accessori
presenti nei motori convenzionali. Qualche anno
dopo molte case costruttrici cominciarono a
produrre in larga scala elicotteri a turbina.
-4-
2) Il funzionamento
I.
Il principio
“Il fatto è che gli elicotteri sono diversi dagli aeroplani. Un aeroplano per sua
natura vuole volare […], un elicottero non vuole volare, è mantenuto in aria da
una moltitudine di forze e controlli che lavorano in opposizione; se c’è un
qualsiasi disturbo in questo delicato equilibrio, l’elicottero smette di volare,
immediatamente ed in modo disastroso.“
[autore ignoto]
A differenza degli aeroplani, gli elicotteri sfruttano uno o più rotori invece di ali fisse.
Possono così decollare verticalmente, muoversi in ogni direzione e rimanere in volo
stazionario (in gergo hovering).
Le forze in gioco
La spinta prodotta dalle ali di un aereo dipende da due
cose: l’angolo di attacco delle ali e la velocità dell’aria
rispetto all’ala stessa. Per avere la spinta necessaria
per volare, quindi, l’aeroplano ha bisogno di avanzare
ad una certa velocità. Nel caso di un elicottero, questo
movimento in avanti è prodotto dalla rotazione delle
pale del rotore; quando l’angolo di attacco delle pale
(chiamato in questo caso “passo”), supera un
determinato valore, la spinta verso l’alto prodotta dal
rotore supera il peso dell’elicottero, che decolla in
modo verticale.
La rotazione del rotore principale causa però, secondo la terza legge di Newton (“ad ogni
azione corrisponde una reazione uguale e contraria”), una rotazione opposta della fusoliera.
Negli elicotteri a doppio rotore, questi ruotano in senso opposto, bilanciandosi a vicenda.
Se il rotore principale è uno solo, però, è necessario un piccolo rotore (detto di coda) che
produca una forza tale da contrastare la rotazione della fusoliera.
II.
Il giroscopio
La spinta del rotore di coda però non può essere fissa: deve adattarsi alle variazioni di velocità
del rotore principale, siano esse dovute al comando del pilota o a fattori esterni; per questo
un elemento fondamentale in ogni elicottero è il giroscopio: questo strumento consente di
misurare la velocità angolare a cui sta ruotando l’elicottero, permettendo di agire poi sul
rotore di coda per contrastare la rotazione.
-5-
I primi giroscopi meccanici (o inerziali)
sfruttavano la rotazione continua di un
piccolo volano: per effetto giroscopico,
infatti, la massa in rotazione tende a
mantenere sempre il proprio asse
parallelo a sé stesso; quando la carcassa
del giroscopio è fatta ruotare, l’asse (che
vi è fissato con un cardine) tende a
Giroscopio meccanico (sx) ed elettronico per modelli RC (dx)
rimanere nella posizione precedente,
ruotando sul cardine; a questi è collegato un potenziometro, che rileva la rotazione dell’asse e
la trasmette all’attuatore del rotore di coda per correggere l’imbardata.
I moderni giroscopi elettronici invece sono realizzati con un
chip di silicio in cui sono implementate delle piastre vibranti: la
rotazione del chip fa avvicinare o allontanare le piastre,
variando la frequenza di questa micro vibrazione, che poi sarà
convertita in tensione ed elaborata per il controllo della coda.
I giroscopi da modellismo incorporano anche un
microprocessore, che ha il compito di inviare al servomotore
di coda un segnale che contempla la correzione del giroscopio
stesso e vi somma il comando del pilota, che può decidere di
ruotare su se stesso l’elicottero.
III.
Il die di un giroscopio elettronico
Lo “swashplate”
Il cuore del rotore principale è il piatto oscillante (swashplate): inventato agli inizi del 1900,
questo elemento è stato alla base dello sviluppo dell’elicottero, in quanto permette di
trasferire i comandi impartiti dal pilota dalla fusoliera
(relativamente ferma) alle pale del rotore principale (le
quali ruotano a migliaia di giri al minuto).
Sezione di uno swashplate
Il piatto è composto da due elementi: il piatto esterno
ed il piatto interno, uniti da un cuscinetto che permette unicamente il movimento rotatorio
dell’uno rispetto all’altro. Il piatto esterno, fermo rispetto alla fusoliera, è attuato dai comandi
di pilotaggio: lo swashplate si inclina così in base alla direzione in cui il pilota vuole muovere il
velivolo; questa inclinazione si riflette sul piatto interno, che ruota assieme al resto del rotore
e quindi alle pale: con dei tiranti, l’inclinazione è trasferita alle pale, con 90° di anticipo,
variandone l’angolo di incidenza (passo) dinamicamente in base alla posizione della singola
pala lungo i 360°.
-6-
Nell’esempio di un inclinazione a
sinistra, il pilota sposta il joystick
inclinando lo swashplate verso
sinistra; quando le pale passano in
corrispondenza degli 0°, il relativo
tirante, che si trova già sui 90°, sarà
spinto verso l’alto, e agirà
incrementando il passo della pala,
che risulterà inclinata verso sinistra.
Swashplate da modellismo (sx) e di un elicottero commerciale (dx)
Allo stesso modo l’altra pala, posta a 180°, si trova in una situazione speculare, con il passo
decrementato; in questo modo entrambe le pale sono inclinate verso sinistra, trascinando il
velivolo in quella direzione.
Il passo delle pale
Posizione dei tiranti di comando (A, B, C)
Inclinando il piatto oscillante si ottengono dunque gli spostamenti a destra, sinistra, in avanti
ed all’indietro: l’insieme dei comandi che controllano questi spostamenti è chiamato “passo
ciclico”; per aumentare la spinta verso l’alto è necessario agire su quello che si chiama “passo
collettivo” (o semplicemente pitch): il piatto oscillante è sollevato rispetto al piano neutro,
così da ottenere un incremento di passo comune per tutte le pale, indipendentemente dalla
loro posizione angolare.
Dalla molteplicità di comandi da azionare si capisce
come il compito del pilota non sia affatto semplice,
dovendosi giostrare con gas, passo ciclico, passo
collettivo e coda; inoltre va tenuto conto di come
anche il minimo soffio di vento influisca
notevolmente sul movimento del velivolo
(specialmente negli elicotteri più leggeri),
costringendo il pilota a continui aggiustamenti e
controlli di posizione, in special modo durante la
manovra di hovering: spesso infatti è necessario
mantenere l’elicottero fermo a mezz’aria il più a
lungo possibile per consentire la salita o la discesa
di truppe o per eseguire operazioni di salvataggio.
Elicottero della guardia costiera irlandese
-7-
3) Il progetto
Come si è visto, è estremamente difficile per il pilota mantenere la padronanza completa del
velivolo; l’idea alla base del progetto è che, come è possibile mantenere la coda dell’elicottero
ferma nonostante la rotazione impressa dal rotore alla fusoliera, altresì è possibile stabilizzare
il velivolo in modo da mantenerlo fermo in hovering (quasi) senza l’intervento del pilota.
Partendo da un elicottero radiocomandato da modellismo comunemente reperibile (in questo
caso un T-Rex 450 prodotto dalla Taiwanese Align), sono stati sviluppati e costruiti gli apparati
elettronici sia nel radiocomando che a bordo.
Il T-Rex 450 pronto al volo
I.
I sensori
Innanzitutto il modello ha bisogno, per sua natura, di un giroscopio:
l’esemplare utilizzato, di marca ignota, è stato recuperato da un elicottero
giocattolo; va alimentato a 3.3v e fornisce in uscita una tensione di circa 1.38v
quando la velocità angolare è 0. Se la velocità aumenta, la tensione aumenta
(o diminuisce, a seconda del senso di rotazione) proporzionalmente.
Il giroscopio
Per il movimento laterale (destra/sinistra, avanti/indietro, su/giù) è necessario un sensore
simile al giroscopio, poiché costruito con la stessa tecnica: un accelerometro.
Il dispositivo usato è un MMA7361 di produzione Freescale; anch’esso va alimentato a 3.3v (in
realtà la breakout board su cui è montato dispone di un regolatore
per alimentarlo anche a 5v) e presenta tre uscite analogiche per i tre
assi (X, Y, Z) con lo 0g a metà della tensione di alimentazione.
Inoltre ha diversi pin di configurazione:
 Self-test: input, esegue l’omonima funzione
 G-select: input, usato per impostare la scala (±1.5g, ±6g)
Pin-out dell’accelerometro
 0g-detect: output, si attiva quando tutti e tre gli assi sono
MMA7361
prossimi allo 0g (rileva la condizione di caduta libera)
 Sleep: input, porta l’accelerometro in una condizione di basso consumo (3µA)
-8-
Il sensore HC-SR04
In previsione di decolli e atterraggi automatizzati, è stato
montato sotto all’elicottero un sensore ad ultrasuoni: questo
sfrutta il tempo di andata e ritorno di un segnale sonoro a
40kHz per misurare la distanza da terra, permettendo di
abbassare il passo collettivo automaticamente a mano a mano
che ci si avvicina al suolo, così da atterrare in maniera dolce.
La scelta è caduta su un HC-SR04, in quanto economico e adatto alle nostre necessità:
 Alimentazione: 5v
 Distanza misurabile: 2cm ~ 4mt
 Precisione: ±2mm
Gestione del sensore ad ultrasuoni
La lettura di questo sensore va fatta inviando sul pin TRIG un impulso alto di almeno 10uS,
così da far emettere l’onda sonora; quando il sensore rileva l’onda riflessa, alza il pin ECHO per
il tempo trascorso tra l’emissione sonora ed il suo ritorno (tECHO); misurando questo tempo e
conoscendo la velocità del suono (340m/sec), si può risalire alla distanza a cui si trova
l’oggetto che ha riflesso l’onda (il terreno nel nostro caso):
(
(
)
)
Il due al denominatore è dato dal fatto che il tempo tECHO comprende sia il tempo di andata
che di ritorno del segnale, e quindi è doppio rispetto a quello che ci interessa.
II.
I servocomandi
Per muovere lo swashplate ed il meccanismo che regola il
passo del rotore di coda sono usati dei servomotori da
modellismo, precisamente dei Corona 928BB: sviluppano
1.8kg*cm a 5v. L’albero di uscita di questi particolari attuatori
non ruota completamente, ma solo di 90° o 180° a seconda del
modello: si comandano inviando un impulso che spazia da
Servo da modellismo
1000 a 2000 uS, corrispondenti rispettivamente alle posizioni
di minimo e massimo. Inoltre hanno il vantaggio di implementare un controllo di posizione ad
anello chiuso: all’interno vi è un circuito a microprocessore, un driver per il motore ed un
potenziometro solidale all’albero di uscita; il micro
elabora la posizione dell’albero letta dal
potenziometro e la confronta con il segnale in
input, per poi azionare il motore in modo che
l’albero si porti nella posizione voluta e quindi i due
valori coincidano.
Temporizzazione del segnale di controllo
-9-
III.
Il motore
I due rotori sono azionati da un motore brushless TP 2415-07T
della Tower Pro. Sviluppa 3850 giri per volt (circa 42000 RPM con
gli 11v della LiPo) e consuma massimo 35 Ampere.
Il termine brushless significa senza spazzole: nei motori in corrente
continua tradizionale, le spazzole servono a portare la corrente
all’avvolgimento presente sul rotore; questi motori invece hanno
tre avvolgimenti sullo statore, ed il rotore è un magnete
permanente ad alto potenziale; si pilotano con tre onde sinusoidali
sfasate di 120°, in un modo che ricorda i motori trifase utilizzati in
elettrotecnica. I motori brushless, rispetto ai tradizionali motori in
corrente continua, hanno un rendimento molto elevato, e data la
mancanza di spazzole e collettore, vi sono meno parti soggette ad
Il motore brushless e l’ESC
usura. Nel campo del modellismo sono largamente utilizzati in
aerei, elicotteri ed automobili, nonostante la loro diffusione sia cominciata solo una
quindicina di anni fa: anche se la struttura dei brushless è più semplice di quella di un motore
a spazzole, infatti, l’elettronica di controllo è decisamente più complicata. Per ogni fase è
necessario un ponte H, e tutti e tre i ponti devono essere pilotati in sincronia. Al giorno d’oggi,
con lo sviluppo di mosfet ad alte prestazioni e microprocessori sempre più potenti, i controller
sono diventati versatili ed economici: gli ESC (Electronic Speed Controller) si occupano non
solo di pilotare il motore nel verso giusto, ma
gestiscono anche funzioni di soft-start, freno
elettronico e arresto d’emergenza in caso di
mancanza di segnale di input. Nel progetto è
impiegata una ESC da 40A della Turnigy; il
pilotaggio avviene analogamente a quello di
Struttura interna del motore e fasatura per la rotazione un servomotore: la velocità è regolata da un
impulso che va da 1000uS (motore fermo non frenato) a 2000uS (velocità massima).
IV.
La batteria LiPo
Per alimentare un motore a 11v che consuma 35 Ampere
sono necessarie batterie particolari: le LiPo. Questa sigla,
che significa Lithium-ion Polymer, indica una categoria di
accumulatori ad alte prestazioni molto usate nel
modellismo: hanno una densità energetica molto elevata,
che permette di realizzare batterie dal peso contenuto.
Le celle hanno una tensione nominale di 3.7v, ma variano
da 4.2v completamente cariche a 3v quando sono
scariche; non devono in ogni caso scendere sotto i 2.7v,
La batteria usata
- 10 -
pena il danneggiamento dei componenti interni. La peculiarità principale di questi
accumulatori è la capacità di scarica molto elevata: nel nostro caso la batteria impiegata è una
3 celle da 2200mAh 55C, il che significa che può essere scaricata a 55 volte la capacità
nominale; possiamo quindi assorbire fino a 55 x 2200mAh = 121A (121A x 11v = 1331 watt!).
Ovviamente la batteria si scaricherà molto più in fretta (in un minuto circa a 121A).
E’ necessario maneggiare con cura questo tipo di batterie, in quanto tendono ad esplodere nel
caso in cui siano sovraccaricate, danneggiate o in condizione di corto circuito.
V.
La comunicazione
Una parte cruciale del progetto è la comunicazione radio: si è optato per la banda dei 2.4GHz,
perché i moduli implementano nativamente un algoritmo anti-intrusione, vitale nel nostro
caso, dove ogni problema di comunicazione porta quasi certamente allo
schianto al suolo del velivolo. I moduli scelti sono due transceiver
NRF24L01+ della Nordic, usati in questo caso solamente come
trasmettitore uno e ricevitore l’altro; sono alimentati a 3.3v e
comunicano tramite bus SPI. Si collegano alla scheda principale con un
Il modulo NRF24L01+
connettore a 10 pin, su cui (oltre ai 4 pin per l’alimentazione) vi sono:






CE: Input, attiva le modalità di ricezione (RX) o di trasmissione (TX)
CSN: Input, Chip Select del bus SPI
SCK: Input, Clock SPI
MOSI: Input, Slave Data Input SPI
MISO: Output, Slave Data Output SPI
IRQ: Output, pin di richiesta interrupt (attivo basso)
Per la gestione del modulo e della comunicazione sono state utilizzate le librerie scritte da
Brennen Ball e reperibili sul sito diyembedded.com .
- 11 -
4) La realizzazione
I.
Il telecomando
Il telecomando è stato recuperato da un elicottero giocattolo: costruire un contenitore
abbastanza ergonomico da essere impugnato con naturalezza non è infatti alla nostra portata.
E’ stato dunque necessario modellare la scheda elettronica in base alla forma ed alla
dimensione dell’originale; la seconda scheda presente sul telecomando supporta i tasti
accessori, ed è stata lasciata inserita e collegata alla nuova per impieghi futuri.
Il telecomando prima delle modifiche (sx) e la scheda trasmittente originale (dx)
La scheda pulsanti montata (sx) e la nuova scheda appena prima di essere installata (dx)
Uno dei due switch ed il connettore USB
- 12 -
Come si nota dalle ultime due immagini, sono stati aggiunti due interruttori a levetta, in una
posizione pratica da azionare con gli indici mentre i pollici sono impegnati sui joystick; inoltre,
sul lato inferiore, è stato sistemato un connettore USB mediante il quale il telecomando può
essere riprogrammato e attraverso il quale può scambiare dati con il software su PC.
Il cuore del telecomando è un PIC18F2550: il motivo della scelta è determinato dalla
possibilità di comunicare con un PC tramite la porta USB, in modo nativo e con funzionalità
Plug-and-Play; il software su PC riconosce quando il micro è collegato e di conseguenza inizia a
scambiarvi dati. In aggiunta, alimentando il circuito con lo switch sinistro premuto, il PIC entra
in modalità bootloader, che permette (con un apposito programma sul
PC) di installarvi un nuovo firmware direttamente da USB, senza bisogno
di un programmatore. Inoltre il clock interno arriva a ben 48MHz.
Questo microcontrollore dispone di 12 ingressi analogici, quattro dei
quali dedicati ai controlli: ogni joystick possiede infatti due
potenziometri (uno per l’asse verticale, l’altro per quello orizzontale),
che vengono letti dall’A/D del micro e trasmessi all’elicottero; un
Uno dei due joystick
ingresso è riservato alla lettura dello stato di carica della batteria, ed un
altro alla lettura dei pulsanti di servizio. Questi sono infatti collegati in modo da fornire in
uscita una tensione diversa per ognuno, così da poter discriminare
quale pulsante è premuto semplicemente leggendo con l’A/D il
valore di tensione e confrontandolo con determinati intervalli.
Lo schema del telecomando è riportato più avanti; partendo
dall’alto troviamo il regolatore switching per l’alimentazione
(MCP1601): questo permette di abbassare i circa 4.5v provenienti
dalle 3 batterie AA ad una tensione di 3.3v, senza eccessivi
surriscaldamenti e con un rendimento che varia dall’80% al 90%.
Un regolatore lineare, oltre a dissipare inutilmente in calore molta
più potenza, avrebbe avuto qualche difficoltà ad operare
correttamente dato che la differenza di tensione tra ingresso ed
uscita è di soli 4.5v – 3.3v = 1.2v.
Le resistenze R7 ed R8 impostano la tensione di uscita: sul pin FB
(feedback) infatti devono essere presenti 0.8v alla tensione di
uscita desiderata (3.3v); imponendo R8 a 22k, si ricava R7:
10 pulsanti, un unico ingresso
(
)
(
)
Arrotondando al valore commerciale più vicino abbiamo scelto una resistenza da 68k.
Allo stesso modo abbiamo calcolato il valore di R9 ed R10 per portare in input al micro la
tensione della batteria, così da poter leggere con il convertitore A/D integrato lo stato di
- 13 -
carica della stessa: a batterie completamente cariche la tensione non supera mai i 5v, e dato
che il micro accetta in ingresso tensioni fino a Vcc (3.3v), abbiamo deciso che il partitore
dovesse dividere per 2 il valore di tensione; si sono scelti 2 valori uguali per R9 ed R10 (10k).
In alto a sinistra vi sono i due switch a levetta: sono collegati con delle resistenze di pull-down,
in modo che qualsiasi cosa accada (si rompa lo switch, si scolleghi il cavetto), il segnale di
ingresso sia a 0; questo perché uno dei due switch è utilizzato per l’attivazione del “pilota
automatico”, e deve essere attivato solo ed esclusivamente se il pilota preme
volontariamente lo switch relativo.
Accanto si nota il transistor che attiva il buzzer preoscillato: è sufficiente fornirgli
alimentazione e questo genera un tono ad una frequenza fissa.
Infine vi sono i connettori per il modulo radio e per il display; questo elemento, che non
risponde a nessun protocollo standard, era già presente nel telecomando recuperato, ed è
stato fatto funzionare con una procedura chiamata “reverse engineering”: in pratica, sono
stati analizzati i segnali di controllo che la scheda originale inviava al display, e sono stati
“decifrati” generandone di nuovi, cambiandone un bit alla volta ed osservando il risultato che
ne derivava. Grazie a questo procedimento si è giunti a capire che il display comunica con un
segnale di abilitazione (CS_D), un segnale di clock (WR) e un segnale dati (DAT).
Per prima cosa si abilita il display, portando a 0 il CS_D; poi si inviano degli impulsi di clock, e
per ogni impulso il display legge lo stato del dato e accende o spegne il relativo segmento del
display; poi si riporta ad 1 il CS_D. Vi sono un totale di 137 impulsi di clock in una trasmissione;
circa un centinaio sono direttamente relativi a segmenti, dei restanti non è nota la funzione.
Il PCB della scheda principale del telecomando
Il display in funzione
- 14 -
Lo schema elettrico del circuito installato nel telecomando
- 15 -
Il software nel microcontrollore è scritto usando il Microchip C18, un compilatore realizzato
appositamente per questa serie di PIC; è disponibile gratuitamente in versione Student, con
delle limitazioni che però non hanno influito sulla compilazione del codice sorgente.
La finestra di lavoro dell’MPLAB IDE
Il programma inizia con la configurazione delle porte del PIC, degli interrupt e delle varie
periferiche interne; il tutto è eseguito nella funzione InitializeSystem(), che
comprende le righe analizzate in seguito.
La prima routine configura il modulo SPI per operare a 1/16 della frequenza di clock
(48MHz/16 = 3MHz), nella modalità definita come 00 e campionando il dato a metà clock:
OpenSPI(SPI_FOSC_16, MODE_00, SMPMID); //open SPI
Una volta aperta la comunicazione via SPI, si procede inizializzando il modulo radio, utilizzando una funzione contenuta nelle apposite librerie; con il primo “false” si decide di disabilitare
la ricezione (in pratica si configura il modulo come trasmettitore), si specifica la lunghezza della payload (10 byte) e si abilita l’auto-ACK: in questo modo, se il ricevente riceve correttamente i pacchetti, manda automaticamente un segnale di acknowledge; in caso contrario il trasmettitore re-invia i pacchetti persi; questo ciclo si ripete fino all’arrivo dell’ACK o del raggiungimento del numero massimo di tentativi definito nel file di configurazione della radio.
nrf24l01_initialize_debug(false, 10, true);
Il passo successivo è la configurazione del convertitore A/D interno; si sceglie la frequenza di
lavoro (48MHz/64 = 750kHz), il risultato a 10 bit giustificato a destra, il tempo di
campionamento, il canale (CH0), si disabilita il relativo interrupt, si settano i riferimenti di
tensione tra Vcc e Vss, si configurano quali pin devono essere analogici e quali digitali.
- 16 -
OpenADC( ADC_FOSC_64 & ADC_RIGHT_JUST & ADC_20_TAD,
ADC_CH0 & ADC_INT_OFF & ADC_VREFPLUS_VDD &
ADC_VREFMINUS_VSS, 10 );
Gli ingressi sono letti in sequenza nella funzione get_analogs(); all’interno vi è la
porzione di codice seguente, ripetuta per ciascun canale. Come prima cosa si seleziona il
canale da leggere, poi si avvia la conversione e si attende che termini; a questo punto,
ReadADC()ritorna il valore letto, in una scala da 0 a 1023; questo dato, perché possa essere
contenuto in una variabile ad 8 bit, va diviso per 4 (o traslato di 2 bit verso destra come in
questo caso); se l’asse risulta invertito, basta sottrarre a 255 questa variabile.
SetChanADC(ADC_CH2);
ConvertADC();
// Wait for completion
while( BusyADC() );
joy_left_hor = 255 - (ReadADC() >> 2);
Uno dei canali contiene l’informazione relativa ai pulsanti premuti sulla scheda ausiliaria; nella
funzione get_switches(), oltre a leggere i due interruttori a levetta, si decodifica quale di
questi pulsanti è attivato, confrontando il valore con degli intervalli al cui interno si suppone
essere la tensione di uscita di ogni singolo pulsante, con un po’ di margine data la tolleranza
dei componenti.
if ((analog_switch > 70) && (analog_switch <= 95))
switches2.b4 = 1;
else
switches2.b4 = 0;
I bit delle variabili switches1 e switches2 rappresentano lo stato di un pulsante ciascuno.
Procedendo nel codice, troviamo la parte di trasmissione radio; le variabili da inviare vengono
caricate su di un array, che sarà spedito dalla funzione successiva:
stream_tx[0]
stream_tx[1]
stream_tx[2]
stream_tx[3]
stream_tx[4]
stream_tx[5]
=
=
=
=
=
=
SW1;
SW2;
joy_left_vert;
joy_left_hor;
joy_right_vert;
joy_right_hor;
nrf24l01_write_tx_payload(stream_tx, 10, true);
//transmit received char over RF
In seguito, con la funzione display_setup() si preparano i dati nelle variabili apposite
per essere visualizzate sul display, e con display_update() si invia un refresh al display
con i nuovi elementi da visualizzare.
La funzione successiva, Process_USB_IO(), si occupa di comunicare con il PC tramite la
porta USB: dopo aver controllato di essere effettivamente collegato al PC, il micro controlla se
sono stati ricevuti dati; in questo caso carica il buffer di trasmissione con le variabili che è
necessario trasmettere al PC e le trasmette; successivamente svuota e ripristina il buffer di
lettura per rendere possibile un successivo invio di dati da parte del PC.
- 17 -
if(!HIDRxHandleBusy(USBOutHandle)) //Check if data was received
{
if(!HIDTxHandleBusy(USBInHandle))
{
ToSendDataBuffer[0] = joy_left_vert;
ToSendDataBuffer[1] = joy_left_hor;
ToSendDataBuffer[2] = joy_right_vert;
ToSendDataBuffer[3] = joy_right_hor;
ToSendDataBuffer[4] = 0;
ToSendDataBuffer[5] = switches1.string;
ToSendDataBuffer[6] = switches2.string;
ToSendDataBuffer[7] = batt_ctrl;
USBInHandle =
HIDTxPacket(HID_EP,(BYTE*)&ToSendDataBuffer[0],64);
}
USBOutHandle=HIDRxPacket(HID_EP,(BYTE*)&ReceivedDataBuffer,64);
}
L’applicazione sul PC è sviluppata con Microsoft Visual C++ 2010, anch’esso disponibile in
versione Express gratuita per uso personale. L’interfaccia contiene cinque trackbar, che
corrispondono ognuna ad un asse di ciascuno dei
due joystick; la quinta indica il livello della batteria
del telecomando, espresso anche in volt.
In basso vi sono cinque caselle numeriche, per
impostare manualmente le relative cifre sul display
del telecomando, in attesa di sviluppi futuri; vi
sono poi molte checkbox, che ricalcano la posizione
dei vari pulsanti sul telecomando: quando un
pulsante è premuto, la relativa casellina si attiva.
Il programma è gestito da due eventi,
ReadWriteThread e FormUpdateTimer: il primo è
un processo separato ed a sé stante che si occupa
della lettura e scrittura su USB; il secondo è un
interrupt periodico (ogni 10mS circa) che aggiorna
L’interfaccia del programma sul PC
l’interfaccia con i valori ricevuti dall’USB.
Per la lettura dell’USB, il software controlla che il telecomando sia collegato, e procede
leggendo il buffer in ingresso; come si può notare, ad eccezione di INBuffer[0] che in realtà
non ha alcuna funzione, l’ordine in cui arrivano i byte è scelto all’invio dal firmware del PIC.
//INBuffer[0]
joy_left_vert = INBuffer[1];
joy_left_hor = INBuffer[2];
joy_right_vert = INBuffer[3];
joy_right_hor = INBuffer[4];
switches1 = INBuffer[6];
switches2 = INBuffer[7];
batt_ctrl = INBuffer[8];
- 18 -
Per impostare il valore delle trackbar, si usa la seguente espressione:
joy_left_vert_bar->Value = joy_left_vert;
dove joy_left_vert è la variabile a 8 bit che contiene il valore dell’asse Y del joystick
sinistro, e joy_left_vert_bar è la relativa trackbar; per scrivere il valore della variabile
nella casella di testo si usa la funzione di conversione Convert::ToString :
joy_left_vert_label->Text = Convert::ToString(joy_left_vert);
dove joy_left_vert_label è la casella di testo.
Per attivare o meno le checkbox dei pulsanti, si usa una bit-mask: questa prevede un AND
binario tra la variabile che contiene tutti i pulsanti e il singolo bit del pulsante che ci interessa:
exit_b->Checked = (switches2 & 4);
mode_b->Checked = (switches2 & 8);
In questo caso exit_b e mode_b sono le checkbox dei pulsanti EXIT e MODE.
- 19 -
II.
L’elettronica di bordo
L’elicottero scelto per il progetto, nonostante i quasi 700mm di apertura alare del rotore
principale, ha una fusoliera di dimensioni relativamente piccole: si è reso necessario
miniaturizzare il più possibile la scheda che vi deve essere installata, facendo uso di
componenti SMD dove possibile. L’integrato principale è il
microcontrollore, un dsPIC33FJ12GP202; si è deciso di usare la
famiglia dsPIC della Microchip perché offre una serie di vantaggi e di
possibilità superiori rispetto ai precedenti PIC16 o PIC18:




Architettura a 16 bit: permette di usare registri più completi
e supporta nativamente le operazioni con variabili intere;
Peripheral Pin Select: le periferiche interne non sono Il dsPIC, cuore dell’elicottero
collegate a pin specifici, ma possono essere riconfigurate per quasi ogni pin; in fase di
sbroglio del PCB, è così possibile scegliere dei percorsi più brevi e agevoli per le piste;
118 vettori di interrupt: ogni interrupt ha la sua routine, non si è limitati solo alle
routine di alta e bassa priorità come nei PIC18;
L’ADC integrato arriva a 500ksamples al secondo con una risoluzione di 12bit,
addirittura ad 1 milione se usato a 10bit.
Inoltre la presenza del core DSP permette di implementare filtri ed algoritmi in modo molto
veloce, senza gravare particolarmente sulla velocità di esecuzione del programma principale.
Il PCB della scheda di controllo dell’elicottero
La scheda installata a bordo
- 20 -
Lo schema elettrico della scheda a bordo dell’elicottero
- 21 -
Per analizzare lo schema partiamo dalla sezione di alimentazione, in alto: il primo integrato è
un regolatore switching (LM2596) in configurazione step-down, che abbassa la tensione della
batteria (11v) a 5v, una tensione adatta ai servomotori ed al sensore ad ultrasuoni.
In questo caso uno switching è indispensabile, in quanto i quattro servomotori consumano
anche 800mA l’uno in stallo; la potenza dissipata in calore da un regolatore lineare sarebbe:
(
) (
)
E’ evidente che con una ventina di watt in calore il regolatore avrebbe bisogno di un
dissipatore notevole, cosa improponibile da montare su di un elicottero.
Le resistenze R5 ed R11 impostano la tensione di uscita: sul pin FB (feedback) devono essere
presenti 1.23v alla tensione di uscita desiderata (5v); imponendo R11 a 22k, si ricava R5:
(
)
(
)
Quindi abbiamo optato per una resistenza da 68k.
Lo stesso concetto è stato usato per le resistenze R1 ed R2, le quali formano un partitore che
divide la tensione in ingresso per 4.57, in modo che quando la batteria è completamente
carica (12.6v) all’A/D del micro arrivi una tensione massima di 12.6v/4.57 = 2.76v, entro i 3.3v
dell’alimentazione, usata come riferimento superiore dal convertitore.
La seconda parte della sezione di alimentazione è costituita dallo stesso regolatore a 3.3v che
è stato impiegato nel telecomando; in questo caso è alimentato dai 5v dell’LM2596.
Il condensatore C6 serve a stabilizzare la tensione di alimentazione del core del dsPIC:
sebbene sia alimentato a 3.3v, questo chip contiene un regolatore interno a 2.5v per alcune
parti sensibili che non sopportano tensioni superiori.
L’accelerometro ed il giroscopio sono collegati al micro tramite resistenze da 100Ω, per
prevenire eventuali corti circuiti quando, durante l’inizializzazione del micro, le porte sono
ancora temporaneamente configurate come uscite.
JP12 è il connettore ICSP (In-Circuit Serial Programming), ovvero l’interfaccia necessaria a
programmare il micro senza rimuoverlo dalla scheda (fattibile con i PIC con package DIP,
impossibile con quelli in SMD come in questo caso).
Sulla destra si notano i collegamenti al modulo radio ed al sensore ad ultrasuoni, oltre ad un
LED per il debug ed alle connessioni per i servomotori e l’ESC. I relativi connettori, per carenza
di spazio, sono posti su una piccola scheda ausiliaria montata sopra alla principale.
- 22 -
Il firmware è stato scritto con il Microchip C30, un linguaggio sviluppato appositamente per i
PIC32 ed i dsPIC; come per il C18, anch’esso è disponibile in versione gratuita a uso personale.
Il codice parte con le dovute inizializzazioni, tra cui il settaggio del convertitore A/D
(Init_ADC()) e del modulo SPI (Init_SPI()), che verrà configurato con gli stessi
parametri già visti per il telecomando.
La radio sarà questa volta configurata come ricevente, abilitando la ricezione (il primo true):
nrf24l01_initialize_debug(true, 10, true);
Prima di entrare nel loop principale, si imposta il fattore di correzione del giroscopio: esso
infatti, quando non vi è movimento, non presenta una tensione di uscita esattamente a metà
della tensione di alimentazione; è quindi necessario introdurre manualmente una correzione:
gyro_drift = 113;
Una volta in loop, il programma legge prima di tutto i comandi inviati dal telecomando, con il
codice seguente (raggruppato per comodità nella funzione radio_get()):
if(nrf24l01_irq_rx_dr_active())
{
LED = 1;
nrf24l01_read_rx_payload(stream_rx, 10); //get the payload
auto_en = stream_rx[0];
mot_en = stream_rx[1];
pitch = stream_rx[2] - 128;
pitch = pitch / 128;
rudder = stream_rx[3] - 128;
rudder = - rudder / 128;
elevator = stream_rx[4] - 128;
elevator = elevator / 128;
aileron = stream_rx[5] - 128;
aileron = aileron / 128;
} else {
LED = 0;
mot_en = false;
auto_en = false;
aileron = 0;
elevator = 0;
rudder = 0;
pitch = 0;
esc = 0;
}
nrf24l01_irq_clear_all(); //clear all interrupts in the 24L01
Brevemente, se nel buffer della radio ci sono dei dati (le posizioni dei joystick), la funzione
nrf24l01_read_rx_payload() li sposta nell’array stream_rx[], da dove saranno
poi spostati a loro volta nelle relative variabili; il valore di ogni asse viene poi convertito da
una variabile ad 8 bit senza segno (0 ~ 255) ad una in virgola mobile, con uno span che va da 1 a +1: questo permette di avere il valore di ogni asse sottoforma di coefficiente, per
agevolare e rendere più immediate anche all’occhio umano le successive operazioni.
Nel caso in cui non si sia ricevuto nulla dalla radio, tutti i comandi sono portati alla posizione
- 23 -
neutra ed il motore è arrestato; questo per prevenire che l’elicottero vada fuori controllo in
assenza di segnale, non solo distruggendosi ma soprattutto recando danni a cose e persone (le
dimensioni e la velocità del rotore sono sufficienti a decapitare una persona!).
Per lo stesso motivo, il motore dipende anche da uno dei due interruttori a levetta montati sul
telecomando: si può così disabilitarlo pur mantenendo gli altri comandi attivi, per effettuare
veloci operazioni a terra senza il rischio che un urto accidentale della leva del gas possa
mettere in rotazione le eliche.
Nella fase successiva del programma, viene fatta una media di 30 letture per ciascun asse
dell’accelerometro, così da avere un risultato meno influenzato da rumore o vibrazioni;
l’accelerazione viene poi inserita nelle apposite variabili (acc_x, acc_y, acc_z), portando
la gamma di valori da -1 a +1.
Con il codice seguente si introduce il pilota automatico, ma solo se è attivato il relativo switch
sul telecomando; in pratica viene sommata ai comandi di aileron ed elevator impartiti
dal pilota (che governano gli spostamenti laterali) l’accelerazione rilevata, che andrà ad agire
in maniera opposta, contrastando la tendenza del velivolo a scivolare:
if (auto_en == true)
{
elevator = 0.5*acc_x + 0.5*elevator;
aileron = 0.5*acc_y + 0.5*aileron;
}
Gli addendi sono dimezzati perché il valore finale non deve superare il campo -1 ~ +1,
altrimenti porterebbero in saturazione i calcoli successivi.
Il passo successivo è la lettura del giroscopio; viene effettuata anche in questo caso una media
tra 30 letture, ed al risultato viene applicato il fattore di correzione impostato in precedenza; il
tutto è moltiplicato per 6 per aumentare la sensibilità:
gyro = 6*(media_letture - 512 + gyro_drift) / 512;
if (gyro <
gyro
if (gyro >
gyro
-1)
= -1;
+1)
= +1;
Quando le accelerazioni angolari sono molto elevate, il valore di gyro può eccedere la
gamma -1 ~ +1: le due istruzioni “if” fanno in modo che questo caso non si verifichi mai.
Adesso è possibile inviare alla coda il comando per correggere la rotazione della fusoliera:
coda = 0.5*gyro + 0.5*rudder;
Anche in questo caso gli addendi sono stati dimezzati per prevenire valori esterni a -1 ~ +1.
Una volta ottenuti i valori di aileron, elevator, pitch e coda con cui pilotare i servi, è necessario
implementare quello che in gergo è chiamato CCPM (Cyclic-Collective Pitch Mixing).
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Il principio per cui è necessario il CCPM
I servomotori sono infatti collegati allo swashplate con
angoli di 120° l’uno dall’altro; il comando dell’aileron
però deve agire sull’asse destra-sinistra, e l’elevator
sull’avanti-indietro.
Il pitch invece deve alzare o abbassare il piatto agendo
in contemporanea sui 3 servomotori.
Per ottenere questo mix, si procede con tre formule, una per ogni servomotore; per ciascuno
si moltiplicano aileron ed elevator per il coseno dell’angolo formato tra il comando stesso e la
posizione del servo lungo i 360° del piatto: quando l’angolo tra i due è 0° il comando avrà
incidenza massima, a 90° non influirà sul movimento di quel servomotore; ogni fattore è
moltiplicato per un coefficiente, in modo da variare il peso di un comando rispetto all’altro.
Per il passo collettivo, è sufficiente aggiungere a tutti i servomotori lo stesso valore di pitch,
anche in questo caso ridotto per non mandare in saturazione la formula.
servo_a = 0.5 * ( 0.7*elevator * COS_0
+ 0.7*aileron * COS_90 ) + 0.6 * pitch;
servo_b = 0.5 * ( 0.7*elevator * COS_120 + 0.7*aileron * COS_210 ) + 0.6 * pitch;
servo_c = 0.5 * ( 0.7*elevator * COS_240 + 0.7*aileron * COS_330 ) + 0.6 * pitch;
Come per tutte le variabili precedenti, anche il risultato di queste formule è compreso tra -1 e
+1; non resta che preparare il segnale di controllo per i servi, espresso in microsecondi:
servo_a = servo_a * 300;
servo_b = servo_b * 300;
servo_c = servo_c * 300;
Adesso le variabili assumono un valore da -300 a +300 uS; il prossimo passo è aggiungere il
valore di centratura del servocomando:
out_servo_a = 1500 - (signed int)(servo_a + 0.5);
out_servo_b = 1500 + (signed int)(servo_b + 0.5);
out_servo_c = 1500 - (signed int)(servo_c + 0.5);
Le variabili out_servo_a, out_servo_b e out_servo_c sono intere a 16bit senza
segno; con le espressioni sopra riportate vi si adattano i valori in virgola mobile di servo_a,
servo_b e servo_c; in questo modo gli interi assumono un valore che può andare da 1200
a 1800 uS, ovvero le posizioni di massimo e minimo volute per i servocomandi.
Nel nostro caso si è reso necessario invertire il servo A ed il C (anteponendo il segno “-“ nella
formula), in quanto agivano specularmente a come avrebbero dovuto: questo è da ricondursi
alla posizione del servo stesso nel montaggio sulla fusoliera.
Adesso, dopo un veloce controllo per evitare di inviare comandi fuori scala al servo, si
generano gli impulsi: si mette a 1 il pin collegato al servocomando (SERVO_A), si attende il
tempo specificato in out_servo_a e si torna mettere a 0 il pin SERVO_A.
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if (out_servo_a >
out_servo_a
if (out_servo_a <
out_servo_a
1900)
= 1900;
1100)
= 1100;
SERVO_A = 1;
delay_us(out_servo_a);
SERVO_A = 0;
Questo procedimento va ripetuto per tutti e 4 i servi e per il controllo della velocità del rotore
principale, che come limiti ha però 1000 e 1900 (gas da 0 a 90%).
5) Conclusioni (la prova sul campo)
Nel complesso il progetto si è rivelato molto affidabile; nella scrittura dei vari software si è
cercato di tenere in considerazione ogni possibile circostanza, prevedendo le relative risposte
da parte del sistema. La comunicazione radio, di cruciale importanza, ha dimostrato di essere
robusta e di garantire un discreto range: nelle distanze di test, non superiori ai 40 metri, non si
sono mai verificate cadute di segnale o interferenze. L’uso della porta USB, sebbene abbia
richiesto ricerche approfondite prima di trovare delle librerie valide ed al contempo di facile
utilizzo, è stato molto importante, perché ha permesso di effettuare debugging in tempo
reale, inviando e ricevendo i parametri necessari con un semplice click del mouse.
Purtroppo, nei primi test, alcuni problemi meccanici
hanno causato una flessione anomala di una delle
pale del rotore principale, che è finita per collidere
ad alta velocità con il tubo di coda, causando seri
danni alla coda stessa e ad altri particolari; nulla di
irreparabile, ma sicuramente un segnale di come
queste macchine, seppur di dimensioni contenute,
possano rendersi estremamente pericolose se non
perfettamente funzionanti.
Il tubo di coda piegato
Per quanto riguarda la stabilizzazione, il sistema si è dimostrato valido, offrendo una notevole
riduzione degli sforzi al pilota, che ora deve solamente preoccuparsi di indirizzare l’elicottero
nella direzione desiderata, senza dover controllare continuamente i micro-spostamenti del
velivolo.
Con ulteriori studi è ipotizzabile la creazione di un vero pilota automatico, che sfrutti anche il
sensore ad ultrasuoni per seguire in completa autonomia delle sequenze e delle rotte
programmate da terra; per quanto concerne il progetto corrente, possiamo ritenerci
soddisfatti dello sforzo compiuto e del tempo speso.
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6) Ringraziamenti
Questo progetto mi ha tenuto impegnato per tutto l’anno scolastico, e con me anche chi mi
stava vicino; innanzitutto ringrazio la mia famiglia per il (notevole) contributo economico
conferito, ed in particolar modo mio padre, che con i suoi consigli (e la sua diffidenza verso
l’elettronica) mi ha aiutato a migliorare continuamente il prototipo (pur di smentire i suoi
timori!).
Inoltre desidero ringraziare i docenti Visentin Michele, per l’assistenza generale e soprattutto
nella programmazione, e Severin Diego, per i pratici consigli conferiti (e per aver riportato alla
base l’elicottero diverse migliaia di volte durante i test!).
Un ringraziamento particolare va anche ad Alessandro Della Libera, che mi ha sopportato
come (pericoloso) “compagno di bancone” durante i primi esperimenti in laboratorio.
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7) Bibliografia






http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter
http://www.align.com.tw/alignhtml/EN/index.html
http://www.bellhelicopter.com/
http://blog.diyembedded.com/
http://www.microchip.com/
http://www.hobbyking.com
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