IT201800020587A1 - Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

"Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera”

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera”

La presente invenzione riguarda un dispositivo complesso detto drone, in grado di persistere in volo, in modo autonomo e illimitato in presenza di radiazione solare, grazie a rotori ad elica alimentati da energia fotovoltaica, prodotta da dispositivi facenti parte della struttura stessa del velivolo.

Un aeromobile a pilotaggio remoto, comunemente noto come drone, è un apparecchio volante caratterizzato dall'assenza del pilota a bordo. Il suo volo è controllato dal computer a bordo del mezzo aereo oppure tramite il controllo remoto di un navigatore o pilota, sul terreno o in un altro veicolo.

Il loro utilizzo è ormai consolidato per usi militari ed è crescente per applicazioni civili con finalità di telerilevamento e ricerca e, più in generale, in tutti i casi in cui tali sistemi possano consentire l'esecuzione di missioni "noiose, sporche e pericolose" (dull, dirty and dangerous) spesso con costi economici ed etici minori rispetto ai mezzi aerei tradizionali.

Negli ultimi anni, le tecnologie legate allo sviluppo dei droni hanno subito una impennata rapidissima. In particolare lo sviluppo tecnologico nell'ambito della sensoristica, permette di equipaggiare i droni con molteplici carichi, nello spettro del visibile (camere digitali compatte o professionali), dell'infrarosso (camere termiche), camere multi spettrali fino ad arrivare a sensori più evoluti come ad esempio sensori Lidar o per il monitoraggio della qualità dell'aria.

La presente invenzione trova quindi applicazione in diversi settori, di seguito vengono presentate alcune applicazioni in ambito civile. La presente invenzione trova quindi applicazione in diversi settori quali ricerca e soccorso, sorveglianza antincendio, ispezione e monitoraggio del territorio, sicurezza civile e antifurto, costiera antiterrorismo, videosorveglianza patrimonio culturale, campi fotovoltaici, scienza e ricerca ad esempio monumenti storici, siti archeologici, sorveglianza mammiferi, monitoraggio foreste e infine per le consegne di pacchi e lettere.

Grazie alla possibilità di volare anche a quote molto basse e di disporre di sensori di piccole dimensioni ma di buona qualità, l’oggetto di questo brevetto potendosi realizzare in configurazione mini può essere utilizzato per applicazioni legate al telerilevamento quali la creazione di mappe di vigore di colture agricole e monitoraggio dello stato di salute della vegetazione, la creazione di mappe di copertura e uso del suolo, per l'analisi e il supporto nelle fasi immediatamente successive a calamità naturali oppure per il monitoraggio e la mappatura delle dispersioni termiche di edifici (case, capannoni, impianti industriali) privati e pubblici in un periodo, come quello attuale, in cui si parla molto di sviluppo sostenibile e perdita di terreno da destinare ad aree verdi.

Molti dei campi elencati ottengono grande vantaggio dalla persistenza del drone in volo durante il giorno, senza la necessità di effettuare continue interruzioni per ricarica a terra e senza l’utilizzo di fili per consentire un’alimentazione continua.

I Droni comuni sono formati da un sistema di sostegno molto leggero su cui sono montati alcuni motori ad elica orizzontale, tipicamente quattro, ma spesso sei e oltre, che servono a sostenere e far muovere la struttura. Un sistema elettronico gestisce i motori e il payload installato a bordo, anche grazie a un sistema di posizionamento GPS. I modelli attualmente in commercio hanno un’autonomia che dipende dal sistema di batterie installato a bordo, e tipicamente è dell’ordine di poche decine di minuti di utilizzo continuativo. Ad oggi non esiste in commercio un drone in grado di permanere in aria per un’intera giornata a meno di non essere collegato a terra tramite un cavo conduttore.

La presente invenzione riguarda un velivolo che sfrutta le caratteristiche dei palloni aerostatici combinate con quelle dei Droni a eliche rotanti su piano orizzontale. Tale dispositivo è provvisto di alimentazione fotovoltaica, in grado di mantenere in volo il trovato fintanto che sia presente una radiazione solare sufficiente ad alimentare i motori e l’elettronica del dispositivo. La struttura gonfiabile di cui è composta è stata studiata per massimizzare la resa aerodinamica ottenendo un velivolo preferibilmente a forma discoidale pur potendosi realizzare tramite altre forme.

Tutto l'insieme del disco, riempito con elio, è costituito da una struttura circolare in fibra di carbonio o materiale leggero e resistente, su cui viene sagomata la componente gonfiabile in cubenfiber o altro laminato, gonfiata ad elio. A completare la geometria, nella parte centrale, è presente un alloggio che viene utilizzato per posizionare l’elettronica di controllo, di gestione dell’energia, la trasmissione dati e gli eventuali altri apparati di monitoraggio e controllo come telecamere e sensori ambientali. L’elettronica di controllo è composta da un sistema a microprocessore/microcontrollore/FPGA (unità logica) e alcune schede di interfaccia. Le schede di interfaccia minime al funzionamento del drone sono 3, l’interfaccia verso i motori, una scheda gps per la posizione e una scheda di trasmissione dati WiFi o a radiofrequenza per interfacciarsi col drone da terra.

Ulteriori ampliamenti alla configurazione Hardware base possono prevedere telecamere, sensori per valori ambientali, sensori di gas, sensori acustici o altri sensori necessari a missioni specifiche. L’elettronica di bordo è correlata con il sistema di gestione dell’energia proveniente dal sistema fotovoltaico. Una scheda elettronica dedicata, assolve alla funzione di carica batteria, batteria tampone e servo-driver ai motori.

L’ elettronica infine, grazie ad un software di inseguimento del punto di massima potenza, orienterà, tramite una rotazione orizzontale, l’intero velivolo in modo da ottenere la maggior potenza possibile dall’impianto fotovoltaico a bordo, ad ogni ora del giorno e ad ogni posizione del drone. La stabilità dell’intero sistema è garantita da un software ad-hoc installato a bordo e da altri sensori sulla scheda, accelerometro, giroscopio regolabile, barometro e termometro. Il software di bordo è programmato in modo da far rientrare alla base il drone una volta esaurita l’energia nella batteria a causa di maltempo o altro. Grazie al barometro/altimetro il velivolo è in grado di posizionarsi in quota e grazie al gps può seguire traiettorie pre-impostate. La struttura gonfiabile rende la discesa del drone in caso di guasto improvviso o malfunzionamento, molto dolce fungendo il discoide come un paracadute, facendo classificare il drone come non pericoloso anche in zone affollate o abitate. Le celle fotovoltaiche utilizzate possono essere di diversa natura, thin film, silicio o altro tenendo presente lo spazio a bordo e la necessaria leggerezza.

La presente invenzione sarà ora descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

• la figura 1 è una vista in prospettiva frontale del velivolo;

• la figura 2 è una vista in pianta del dispositivo Si vuole sottolineare come nel seguito saranno illustrate, a titolo esemplificativo, ma non limitativo, soltanto alcune delle possibili forme di realizzazione della presente invenzione, essendo possibile descriverne molte altre sulla base delle particolari soluzioni tecniche individuate.

Nella figura 1 è mostrato il dispositivo completo in cui è possibile vedere il discoide (1) realizzato in film che abbia la massima impermeabilità all’elio di cui è riempito, sono visibili i rotori (2) le cui eliche ruotano su un piano orizzontale e sostengono in volo il velivolo con il supporto della spinta dovuta al volume di elio contenuto nel discoide. I rotori sono vincolati all’intera struttura tramite dei bracci (3) vincolati a loro volta a un anello (4) che abbraccia il discoide.

Il sistema di celle fotovoltaiche (6) occupa circa un quarto della superficie superiore del discoide e risulta sempre orientato verso il sole. Considerando un velivolo il cui diametro è 1000 mm, le celle solari occuperanno un’area di circa 4000 mm<2 >che sottoposte alla radiazione solare producono una potenza elettrica di oltre 15W, sufficiente all’alimentazione dei rotori e del payload (5). La struttura ha un volume di circa 120l, pertanto gonfiata ad elio può sostenere circa 120g riducendo così la potenza elettrica necessaria a sostenere in volo il velivolo.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera, comprendente: - una struttura gonfiabile (1) riempita con elio su cui sono alloggiate delle celle fotovoltaiche (6). - alla struttura gonfiabile sono vincolati tramite un anello di sostegno (4) e tramite dei supporti (3) i rotori a eliche orizzontali (2) che consentono al velivolo la permanenza in volo, la navigazione e l’orientamento del sistema fotovoltaico per avere la massima esposizione solare. - un payload (5) che conterrà l’elettronica di pilotaggio del velivolo e i dispositivi occorrenti allo scopo specifico di volta in volta definito.
2. 2. Un Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere: - una struttura gonfiabile la cui parte superiore è trasparente, mentre la parte inferiore è riflettente; - celle fotovoltaiche bifacciali, ovvero una faccia attiva è rivolta verso l’alto e irradiata direttamente dal sole, l’altra faccia rivolta verso l’interno del gonfiabile, irradiata dalla radiazione riflessa dalla superficie riflettente interna del velivolo.
3. 3. Un Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di utilizzare 4 o più rotori.
4. 4. Un Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in caso di foratura del gonfiabile il velivolo cade con bassa velocità.
5. 5. Un Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di montare una batteria tampone in grado di alimentare il velivolo in caso di breve mancanza di radiazione solare.
6. 6. Un Drone auto alimentato da energia fotovoltaica ad autonomia giornaliera, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di montare una batteria tampone in grado di alimentare il velivolo e di riportarlo alla posizione di partenza in caso di guasto o mancanza di comunicazione con eventuale base a terra.