IT201800010321A1 - Telaio monoscocca per drone da competizione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“Telaio monoscocca per drone da competizione”

La presente invenzione riguarda un telaio monoscocca per droni da competizione e un relativo drone da competizione.

I droni da competizione, chiamati in inglese “drone racers”, rappresentano una categoria di droni quadrirotori progettati in modo da massimizzare performance quali agilità, velocità e manovrabilità e a scapito di altre caratteristiche come l’autonomia o la stabilità di volo, proprie ad esempio dei droni per riprese.

I droni da competizione, oltre ai componenti standard necessari per il volo e il controllo quali batteria, motori, eliche, ESC, ricevente radio (con relativa antenna) e unità di controllo, sono equipaggiati con tecnologia FPV (first person view).

In altre parole, essi integrano una telecamera e una radiotrasmittente video (con relativa antenna) per trasmettere in diretta il video al pilota che lo visualizza in tempo reale per mezzo di uno schermo o di speciali occhiali.

In questo modo, il pilota può controllare remotamente il drone assumendo un punto di vista a bordo dello stesso, che, oltre a dare un’esperienza di pilotaggio particolarmente immersiva, consente uno stile di pilotaggio e l’esecuzione di manovre e acrobazie altrimenti impossibili.

In generale, i droni da competizione presentano una struttura semplice e robusta, componenti minimali e dimensioni ridotte in modo da minimizzarne il peso e concentrare la distribuzione della massa verso il baricentro per minimizzare i momenti d’inerzia.

Il telaio dei droni da competizione è conformato in modo da permetterne la resistenza agli urti, che in questa categoria di droni sono molto frequenti e devono essere tollerati dalla struttura e dalle componenti del drone (ad eccezione delle eliche che sono considerate sacrificabili), e il facile accesso ai componenti elettronici in modo da consentirne la rapida sostituzione e il controllo di eventuali danni agli stessi.

Il telaio dei droni da competizione è caratterizzato dimensionalmente rispetto ad altre tipologie di droni per presentare un interasse (diagonale tra i motori) particolarmente ridotto.

In generale, i telai per droni oggi in commercio comprendono un supporto per i motori conformato a “X” o ad “H”, in modo da presentare un braccio a supporto di ciascun rotore, e una gabbia protettiva fissata al centro di tale supporto a “X” o “H”, in modo da definire il supporto per i componenti elettronici e la batteria del drone e proteggere gli stessi da impatti e urti. Il supporto a “X” o “H” è spesso realizzato mediante sagomatura di una lamina di carbonio, una lavorazione semplice ed economica che consente di sfruttare le egregie proprietà strutturali del carbonio.

Tuttavia, questa tecnologia presenta due svantaggi legati alla conformazione a lastra del supporto, ovvero una mediocre resistenza a urti perpendicolari al piano di giacitura della lastra e limitata flessibilità strutturale in fase di progettazione, in cui la forma piana dei bracci costituisce un limite tecnologico.

La gabbia protettiva è indipendente dal supporto dei motori e collegata ad esso generalmente per mezzo di viti e la sua disposizione risulta determinante nel definire la posizione del baricentro del drone assemblato. Questa configurazione, pur essendo poco costosa economicamente, può risultare penalizzante dal punto di vista del peso del velivolo e/o della resistenza aerodinamica.

Infatti, l’utilizzo di componenti diversi per assolvere agli scopi di collegamento strutturale tra le parti e di protezione dei componenti interni risulta poco efficiente strutturalmente.

La gabbia protettiva può essere collegata superiormente o inferiormente al piano di giacitura del supporto dei motori e, a meno di non fissare dei componenti esternamente alla gabbia (rinunciando alla protezione da essa conferita) tende a influenzare la stabilità del drone.

Nel primo caso infatti, il baricentro tende a cadere al di sopra del piano di spinta delle eliche e conferisce al drone un comportamento eccessivamente instabile, che ne rende difficoltoso il controllo.

Nel secondo caso, il baricentro tende a cadere al di sotto del piano di spinta delle eliche è conferisce al drone un comportamento eccessivamente stabile, che ne riduce l’agilità e la manovrabilità.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è proporre un telaio monoscocca per droni da competizione e un relativo drone da competizione che superino almeno alcuni degli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, è scopo della presente invenzione mettere a disposizione un telaio monoscocca per droni da competizione in grado di proteggere efficacemente i componenti elettronici del drone e che risulti più leggero e strutturalmente efficiente rispetto ai telai esistenti.

Ulteriore scopo della presente invenzione è proporre un telaio monoscocca per droni da competizione e un relativo drone da competizione in grado di consentire una distribuzione delle masse migliore rispetto a quella presentata dai droni da competizione noti.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un telaio monoscocca per droni da competizione e un relativo drone da competizione, comprendenti le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Le rivendicazioni dipendenti corrispondono a possibili forme di realizzazione dell'invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un telaio monoscocca per droni da competizione e un relativo drone da competizione.

Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali: - la figura 1 mostra una vista prospettica di un telaio monoscocca per drone da competizione realizzato in accordo con la presente invenzione; - la figura 2 mostra una vista dall’alto del telaio monoscocca di figura 1; - la figura 3 mostra una vista laterale del telaio monoscocca di figura 1; - la figura 4 mostra una vista frontale del telaio monoscocca di figura 1. Con riferimento alle figure, un telaio monoscocca per drone da competizione, oggetto della presente invenzione, è indicato genericamente con 1 e ad esso si farà di seguito riferimento con la notazione abbreviata “telaio monoscocca 1”.

Il telaio monoscocca 1 è configurato e predisposto per ricevere i componenti necessari alla realizzazione di un drone da competizione, che forma ulteriore oggetto della presente invenzione, in particolare un drone quadrirotore.

Il drone da competizione comprende una pluralità di motori elettrici di sollevamento, in particolare quattro e preferibilmente di tipo “brushless” e “outrunner”, rispettive eliche montate coassialmente ai motori e una o più unità elettroniche di controllo dei motori.

Tali unità elettroniche comprendono dei moduli elettronici di modulazione delle correnti elettriche (“electronic speed controller” o ESC) collegati a ciascun motore, una radioricevente dotata di antenna configurata per ricevere i segnali radio di controllo inviati dal pilota per mezzo di un radiocomando e un controllore elettronico dotato di sensori di orientazione e/o posizione e/o accelerazione (ad esempio giroscopi, accelerometri, barometro, gps…) collegato alla radioricevente e a ciascun ESC e configurato per controllare singolarmente la velocità di rotazione di ciascun motore in funzione dei segnali ricevuti dai sensori e dalla radioricevente, in modo da stabilizzare il drone e eseguire i comandi impartiti dal pilota.

Preferibilmente, tali unità elettroniche comprendono inoltre una telecamera e una radiotrasmittente con relativa antenna, collegata alla telecamera e configurata per inviare in tempo reale al pilota un segnale video che consente il pilotaggio remoto del drone e, opzionalmente, dati telemetrici relativi alla condizione di volo del drone.

Un accumulatore elettrico è collegato ai componenti sopra descritti per alimentarli e consentire l’attività di volo del drone per almeno 5 minuti, preferibilmente 10 minuti.

Preferibilmente, tale accumulatore elettrico è costituito da una batteria ai polimeri di litio con un numero di celle compreso tra 2 e 6 e una capacità compresa tra 1000 mAh e 5000 mAh.

Preferibilmente le unità elettroniche comprendono inoltre un regolatore di tensione collegato all’accumulatore elettrico e alla componentistica elettrica, configurato per abbassare la tensione proveniente dalla batteria, dimensionata in funzione delle specifiche di motori ed ESC, per fornire una corrente a tensione più bassa alla componentistica elettronica e filtrare il rumore generato dai motori in modo che non causi disturbi e/o danni ai componenti elettronici.

Le unità elettroniche sopra descritte possono essere costituite da singoli moduli indipendenti tra loro collegati per mezzo di fili elettrici oppure, con l’eccezione della telecamera, possono essere integrati su una o più schede PCB in modo da ridurre i pesi, gli ingombri e l’utilizzo di fili elettrici di collegamento.

Con riferimento al telaio monoscocca 1, esso comprende (ed è preferibilmente costituito esclusivamente da) una struttura reticolare monoblocco realizza di pezzo, preferibilmente mediante tecnologie di manifattura additiva come lo stampaggio 3D.

Per struttura reticolare si intende una struttura composta da elementi di connessione strutturale sviluppati longitudinalmente e collegati tra loro in modo da risultare sollecitati prevalentemente a trazione e a compressione, subendo al contempo momenti flettenti e concentrazioni di sforzi trascurabili, tranne che in prossimità delle zone di impatto.

La struttura reticolare monoblocco definisce una pluralità di porzioni di supporto periferiche 2, in particolare quattro, per rispettivi motori elettrici del tipo sopra descritto, debitamente distanziate in modo da consentire il controllo e la manovrabilità del drone, preferibilmente disposte in corrispondenza dei vertici di un quadrato o rettangolo di lati compresi tra 120 mm e 200 mm, preferibilmente tra 150 mm e 170 mm.

Preferibilmente, le porzioni di supporto periferiche 2 presentano una pluralità di fori complanari tra loro in modo da consentire il fissaggio dei rispettivi motori elettrici mediante appositi bulloni.

Preferibilmente, le porzioni di supporto periferiche 2 sono complanari ed identificano un piano di riferimento del drone stesso, che durante il volo viene mantenuto parallelo all’orizzonte in assetto stazionario e la cui inclinazione rispetto all’orizzonte determina la direzionalità della spinta dei motori.

La disposizione delle porzioni di supporto periferiche 2 determina inoltre la disposizione di un piano di rotazione delle eliche, posizionato tra i 15 mm e i 40 mm al di sopra del piano di riferimento a seconda della lunghezza dell’asse dei motori.

La struttura reticolare monoblocco definisce inoltre una porzione di supporto centrale 5 per una o più delle unità elettroniche di controllo sopra descritte e per un accumulatore elettrico del tipo sopra descritto.

Preferibilmente, la porzione di supporto centrale 5 è collocata in corrispondenza di un centro geometrico della disposizione in pianta quadrata o rettangolare delle porzioni di supporto periferiche 2, in modo da garantire una corretta disposizione del baricentro del drone rispetto alla disposizione dei motori.

Vantaggiosamente, la struttura reticolare del telaio monoscocca 1 delimita e avvolge, in corrispondenza della porzione di supporto centrale 5, un volume di contenimento “V” per le unità elettroniche di controllo e per l’accumulatore elettrico, in modo tale da proteggere gli stessi da collisioni e/o urti.

Preferibilmente, la struttura reticolare è conformata a gabbia protettiva almeno in corrispondenza della porzione di supporto centrale 5, in modo da proteggere le unità elettroniche di controllo e l’accumulatore elettrico. Preferibilmente, ciascuna porzione di supporto periferica 2 è configurata per il montaggio esterno alla struttura reticolare del rispettivo motore elettrico, in modo tale da garantire un flusso d’aria pulito alla rispettiva elica.

Preferibilmente, la porzione di supporto centrale 5 definisce un piano di vincolo 6, in particolare orientato parallelamente al piano di riferimento e verticalmente distanziato da esso da una distanza compresa tra 15 mm e 30 mm, configurato per il supporto di una o più delle unità elettroniche di controllo e/o dell’accumulatore elettrico.

Nella soluzione realizzativa preferita, il piano di vincolo 6 è configurato per il supporto dell’accumulatore elettrico in posizione inferiore allo stesso, in battuta contro una sua faccia, e di una o più unità elettroniche di controllo in posizione superiore allo stesso.

Inoltre, il piano di vincolo 6 è configurato per il supporto del controllore elettronico in battuta contro la sua faccia superiore, preferibilmente tramite interposizione di appositi smorzatori volti a isolare i sensori del controllore dalle vibrazioni causate dai motori.

Il piano di vincolo 6 consente di orientare i sensori di assetto del controllore elettronico parallelamente al piano di riferimento in modo da consentire la precisa determinazione dell’assetto del drone in volo.

Ai fini di questa descrizione, gli attributi di collocazione spaziale come “superiore” e “inferiore” sono riferiti a una configurazione d’uso del telaio monoscocca 1 in cui il piano di riferimento è orientato orizzontalmente con le porzioni di supporto periferiche 2 rivolti verso l’alto.

Preferibilmente la struttura reticolare definisce inoltre, in corrispondenza del volume di contenimento “V”, una bocca di accesso superiore “B1” e una bocca di accesso inferiore “B2” affacciate al piano di vincolo 6 in modo da consentire la disposizione rispettivamente delle unità elettroniche e dell’accumulatore elettrico in corrispondenza di facce opposte del piano di vincolo 6, in posizione protetta dalla gabbia protettiva.

Preferibilmente, la porzione di supporto centrale 5 definisce inoltre un incastellamento 7 disposto superiormente al piano di vincolo 6 e presentante una o più coppie di fori 8 coassiali ed equidistanziati rispetto a un piano di simmetria del telaio monoscocca 1, in modo da consentire il fissaggio di unità elettroniche e meccaniche alla struttura di tale incastellamento 7.

Tali coppie di fori 8 sono adatte al fissaggio di componenti la cui orientazione necessita di essere regolata rispetto al piano di riferimento, come ad esempio la telecamera, che può essere incernierata a una coppia di fori 8 in modo che questi definiscano un asse di regolazione della stessa.

Nella soluzione realizzativa illustrata, l’incastellamento 7 stesso definisce parzialmente il volume di contenimento “V” ed è sviluppato attorno allo stesso volume di contenimento “V” per definire almeno parzialmente la gabbia protettiva per le unità elettroniche di controllo ivi ospitate.

Inoltre, l’incastellamento 7 definisce superiormente la bocca di accesso superiore “B1” al piano di vincolo 6 sopra descritta.

Preferibilmente, la bocca di accesso inferiore “B2” è definita da un anello strutturale 12 inferiore disposto in posizione opposta all’incastellamento 7 rispetto al piano di vincolo 6 e da cui si diramano radialmente elementi longitudinali verso le porzioni di supporto periferiche 2.

Preferibilmente, l’anello strutturale 12 è composto da elementi strutturali rettilinei tra loro collegali a definire una struttura poligonale piana di forma anulare connessa alla restante parte della struttura reticolare del telaio monoblocco 1 per mezzo di elementi radiali collegati a ciascun vertice di tale struttura poligonale e sviluppantesi in allontanamento da essa.

Vantaggiosamente, l’anello strutturale 12 contribuisce ad assorbire e a distribuire gli sforzi da impatto provenienti dalle porzioni di supporto periferiche 2.

Preferibilmente, la struttura reticolare del telaio monoscocca 1 definisce inoltre una pluralità di porzioni di appoggio 10 sporgenti in posizione contrapposta alle porzioni di supporto periferiche 2 per definire rispettivi punti inferiori di appoggio per il drone, in particolare in configurazione livellata con il piano di riferimento disposto parallelamente all’orizzonte. Preferibilmente, le porzioni di appoggio 10 sono definite da elementi strutturali della struttura reticolare deputati al trasferimento dei carichi strutturali e/o d’impatto dalle porzioni di supporto periferiche 2 alla porzione di supporto centrale 5.

Nella configurazione preferita, le porzioni di appoggio 10 sono definite da tre bracci collegati in modo da definire un vertice tetraedrico al di sotto delle porzioni di supporto periferiche 2, preferibilmente uno di tali bracci è raccordato all’anello strutturale 12.

Preferibilmente, la struttura reticolare definisce una pluralità di lobi 15, in particolare quattro, a struttura reticolare, che si sviluppano radialmente e con continuità in allontanamento dalla porzione di supporto centrale 5. Ciascun lobo 15 definisce una rispettiva porzione di supporto periferica 2, preferibilmente, di una porzione di appoggio 10.

Preferibilmente, i lobi 15 presentano sagoma esterna rastremata in allontanamento dalla porzione di supporto centrale 5, sia in senso orizzontale che in senso verticale.

Preferibilmente, la struttura reticolare definisce rispettivi elementi perimetrali 16 di connessione strutturale che si estendono tra coppie di lobi 15 adiacenti per rinforzare la struttura e garantire una più efficiente distribuzione dei carichi d’impatto.

Preferibilmente, gli elementi perimetrali 16 comprendono una pluralità di correnti superiori 16a, una pluralità di correnti inferiori 16b affiancati a rispettivi correnti superiori 16a e una pluralità di diagonali 16c di collegamento tra i correnti superiori e inferiori 16a e 16b.

Preferibilmente, gli elementi perimetrali 16 sono collegati alle porzioni di supporto periferiche 2 in corrispondenza di una loro prima estremità, e ad elementi trasversali 17 di collegamento con la porzione di supporto centrale 5 e/o con l’anello strutturale 12 in corrispondenza di una loro seconda estremità.

In questo modo, gli elementi perimetrali 16 sono configurati per costituire parte della gabbia protettiva sopra descritta per la protezione della porzione di supporto centrale 5 e sono inoltre configurati per trasmettere i carichi tra le varie porzioni di supporto periferiche 2 e tra le porzioni di supporto periferiche 2 e la porzione di supporto centrale 5.

Preferibilmente, la porzione di supporto centrale 5, in particolare il piano di vincolo 6, è configurata e/o disposta in modo tale da vincolare le unità elettroniche e l’accumulatore elettrico in una posizione, rispetto alle porzioni di supporto periferiche 2, tale per cui il baricentro del drone giaccia all’interno di un piano di rotazione delle eliche del drone stesso. Preferibilmente, la struttura reticolare presenta, per ciascun lobo 15, uno scasso superiore sagomato per avvolgere una traiettoria di rotazione della rispettiva elica durante la rotazione, in modo da consentirne la libera rotazione.

La presente invenzione raggiunge lo scopo proposto, superando gli inconvenienti lamentati nella tecnica nota.

Vantaggiosamente, il telaio monoscocca sopra descritto presenta una struttura solida e resistente ad urti e determina una protezione efficace per le unità elettroniche e per l’accumulatore montati a bordo.

Inoltre, il summenzionato telaio monoscocca si presenta particolarmente leggero rispetto al grado di solidità e di protezione conferito ai componenti. Tale risultato è conseguito per mezzo della cooperazione tra gli elementi strutturali della struttura reticolare per realizzare simultaneamente una connessione strutturale tra le porzioni di supporto e una gabbia protettiva, in modo da poter evitare la collocazione di due separate strutture indipendenti deputate a questi scopi.

Inoltre, la particolare disposizione tra le porzioni di supporto consente di posizionare il baricentro del drone all’interno del piano di spinta delle eliche, in modo da garantire eccellenti caratteristiche di manovrabilità e agilità.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Telaio monoscocca (1) per drone da competizione, in particolare per drone quadrirotore, comprendente una struttura reticolare monoblocco definente una pluralità di porzioni di supporto periferiche (2) per rispettivi motori elettrici di sollevamento e una porzione di supporto centrale (5) per una o più unità elettroniche di controllo ed un accumulatore elettrico, in cui detta struttura reticolare delimita ed avvolge, in corrispondenza di detta porzione di supporto centrale (5), un volume di contenimento (V) per detti unità elettroniche di controllo ed accumulatore elettrico in modo tale da proteggere detti unità elettroniche di controllo ed accumulatore elettrico da collisioni e/o urti.
2. 2. Telaio monoscocca (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura reticolare è conformata a gabbia protettiva, preferibilmente almeno in corrispondenza di detta porzione di supporto centrale (5).
3. 3. Telaio monoscocca (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta struttura reticolare definisce inoltre una pluralità di porzioni di appoggio (10) in posizione contrapposta a dette porzioni di supporto periferiche (2) per definire rispettivi punti inferiori di appoggio per detto drone da competizione.
4. 4. Telaio monoscocca (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura reticolare definisce una pluralità di lobi (15) a struttura reticolare, in particolare quattro, sviluppantesi radialmente e con continuità in allontanamento da detta porzione di supporto centrale (5) e definenti ciascuno una rispettiva porzione di supporto periferica (2), ed in cui ciascuna porzione di supporto periferica (2) è configurata per il montaggio esterno di un rispettivo motore di sollevamento.
5. 5. Telaio monoscocca (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detti lobi (15) presentano sagoma esterna rastremata in allontanamento dalla porzione di supporto centrale (5).
6. 6. Telaio monoscocca (1) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detta struttura reticolare definisce rispettivi elementi perimetrali (16) di connessione strutturale che si estendono almeno tra coppie di lobi (15) adiacenti.
7. 7. Telaio monoscocca (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detti elementi perimetrali (16) comprendono una pluralità di correnti superiori (16a), una pluralità di correnti inferiori (16b) affiancati a rispettivi correnti superiori (16a) e una pluralità di diagonali (16c) di collegamento tra i correnti superiori e inferiori (16a, 16b).
8. 8. Telaio monoscocca (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione di supporto centrale (5) è configurata e/o disposta in modo tale da vincolare dette unità elettroniche e detto accumulatore in una posizione, rispetto alle porzioni di supporto periferiche (2), tale per cui il baricentro di detto drone giaccia all’interno di un piano di rotazione delle eliche di detto drone da competizione.
9. 9. Telaio monoscocca (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui detta porzione di supporto centrale (5) definisce un piano di vincolo (6) per dette unità elettroniche di controllo e/o detto accumulatore elettrico, ed in cui la struttura reticolare definisce inoltre, in corrispondenza di detto volume di contenimento (V) una bocca di accesso superiore (B1) e una bocca di accesso inferiore (B2) affacciate a detto piano di vincolo (6) in modo da consentire la disposizione di detto accumulatore elettrico e di dette unità elettroniche in corrispondenza di facce opposte di detto piano di vincolo (6) in posizione protetta da detta gabbia protettiva.
10. 10. Telaio monoscocca (1) secondo la rivendicazione 9, in cui detta bocca di accesso inferiore (B2) è definita da un anello strutturale (12) inferiore da cui si diramano radialmente elementi longitudinali verso dette porzioni di supporto periferiche (2).
11. 11. Telaio monoscocca (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione di supporto centrale (5) definisce una o più coppie di fori (8) coassiali ed equidistanziati rispetto ad un piano di simmetria di detto telaio monoscocca (1).
12. 12. Drone da competizione, comprendente: - un telaio monoscocca (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti; - una pluralità di motori di sollevamento associati a rispettive eliche e ciascuno collegato ad una rispettiva porzione di supporto periferica (2); - unità elettroniche di controllo ed un accumulatore elettrico collegati a detta porzione di supporto centrale (5) in modo tale che dette unità elettroniche di controllo e detto accumulatore elettrico siano contenuti almeno parzialmente, preferibilmente interamente, all’interno di detto volume di contenimento (V).
13. 13. Drone secondo la rivendicazione 12, in cui dette unità elettroniche, detto accumulatore e detti motori sono configurati e/o disposti in posizione tale per cui il baricentro di detto drone giaccia all’interno di un piano di rotazione delle eliche di detto drone, ciascuna elica essendo coassiale al rispettivo motore di sollevamento.