IT201900009522A1

IT201900009522A1 - Drone e metodo di controllo del suo assetto

Info

Publication number: IT201900009522A1
Application number: IT102019000009522A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Mario Fagiano; Glauco Bigini; Santis Mattia De
Original assignee: E Novia S P A; Milano Politecnico
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-19
Also published as: WO2020254973A1; US20220258861A1; EP3986786A1

Description

Drone e metodo di controllo del suo assetto

CAMPO TECNICO

La presente descrizione riguarda un drone, in particolare un drone multi-rotore con un verricello per un cavo elettrico sospeso. La presente descrizione riguarda anche un metodo di controllo dell’assetto del drone.

INQUADRAMENTO DELLA DESCRIZIONE

Uno o più droni possono essere collegati tra loro da cavi elettrici in diverse possibili configurazioni, in cui almeno un drone è collegato ad una stazione di base in grado di fornire energia elettrica. Tali reti di droni possono essere utilizzati per svolgere diversi tipi di compiti in applicazioni civili, ad esempio il monitoraggio tramite videocamere. Un drone può essere dotato di un verricello sul quale un cavo elettrico sospeso può essere avvolto e svolto, in modo da regolarne la lunghezza.

Ad esempio, FR 3037448 A1, FR 3033256 A1, FR 3053259 A1 e US 2016/0083115 A1 descrivono reti di droni provvisti di un verricello di terra e di convertitori di tensione a terra ed a bordo dei droni, per innalzare il livello di tensione elettrica sul cavo e diminuire quindi la corrente trasmessa a pari potenza, con conseguente riduzione di diametro e massa del cavo. Tali droni sono anche dotati di sistemi di controllo che regolano la forza sul cavo e limitano la lunghezza massima del cavo in svolgimento, lasciando libero il riavvolgimento. Tuttavia, tali sistemi di controllo noti presentano il notevole svantaggio di vincolare la capacità di manovra dei droni, limitandone di fatto il moto alla sola direzione verticale rispetto alla stazione di base. Questo vincolo è dovuto principalmente al notevole rischio che il cavo sospeso si impigli in ostacoli e costituisca un intralcio per persone e cose nelle vicinanze della stazione di base. Per ovviare a questo inconveniente, mantenendo il vantaggio dell’alimentazione elettrica da cavo, sono note reti di droni collegati da cavi elettrici in diverse possibili configurazioni, in modo da fornire una maggiore capacità di manovra, mantenendo sotto controllo la geometria della formazione e di conseguenza il posizionamento di ciascun segmento di cavo sospeso.

Ad esempio, US 2013/0233964 A1 descrive reti di droni provvisti di verricelli per regolare la lunghezza di detti cavi elettrici, US 2016/0144958 A1 descrive dispositivi di sicurezza che agiscono nel caso di interruzione della connessione elettrica in reti di droni, ad esempio per un guasto in uno dei cavi sospesi, e l’articolo “Systems of Tethered Multicopters” di L. Fagiano, apparso sulla rivista scientifica IFAC-PapersOnLine, volume 50, numero 1, luglio 2017, pagine 4610-4615, descrive reti di droni collegati da cavi sospesi, dove ciascun drone può essere dotato di un verricello controllato da un sistema che regola la lunghezza del cavo collegato al drone successivo. L’articolo propone un sistema di controllo in parte centralizzato ed in parte distribuito per regolare in modo ottimale la lunghezza dei cavi ed il moto dei droni, rispettando vincoli di operatività e perseguendo un compito prefissato.

Un problema di tali sistemi di droni riguarda l’effetto delle forze meccaniche applicate dai cavi, che generano in generale forze di traslazione e momenti su ciascun drone. Tali forze devono essere bilanciate da un sistema che regola l’assetto e la posizione di ogni drone tramite uno sforzo aggiuntivo dei rotori, con conseguenti potenziali problemi per la stabilità del moto del drone.

Un ulteriore problema riguarda la massa aggiuntiva e l’ingombro del sistema di conversione della tensione a bordo di ciascun drone, che richiede anche un sistema di raffreddamento per mantenere la temperatura del convertitore entro limiti accettabili. Tali masse e ingombri devono essere minimizzati per ridurre l’energia consumata da ogni drone e rendere possibile l’utilizzo di reti con un maggiore numero di droni e cavi più lunghi.

SOMMARIO DELLA DESCRIZIONE

Scopo della presente descrizione è pertanto quello di fornire un drone esente da tali inconvenienti. Detto scopo viene conseguito con un drone ed un metodo di controllo del drone, le cui caratteristiche principali sono specificate nelle rivendicazioni allegate.

Se provvisto di un particolare verricello integrato nella struttura centrale, il drone secondo la presente descrizione può avvicinare il cavo sospeso al suo centro di massa per minimizzare i momenti dovuti alle forze sul cavo, nonché diminuire la massa aggiuntiva dovuta al verricello. Il metodo di controllo può inoltre impartire un’opportuna azione di comando differenziata ai motori del drone, in modo che la differenza di spinta tra le diverse eliche generi una coppia di rotazione che bilancia in modo automatico la coppia causata dal motore che aziona il verricello. In questo modo, si minimizza l’impatto del moto del verricello sull’assetto del drone, riducendo anche l’energia consumata per contro-bilanciare gli effetti delle forze applicate dai cavi sul drone.

Il drone può comprendere inoltre un particolare sistema di trasmissione dell’energia in cui il sistema di conversione della tensione per i motori delle eliche è diviso in più convertitori progettati in modo integrato rispetto ai motori, in modo da ridurre la potenza gestita da ciascun convertitore, fornire in modo naturale ad ogni convertitore un consistente flusso di aria tramite le eliche, e distribuire la massa aggiuntiva dei convertitori in modo uniforme rispetto al centro di massa del drone, così da migliorare ulteriormente la stabilità del drone. Dato che i convertitori sono disposti sotto le eliche del drone, maggiore è la potenza richiesta dall’elica, maggiore è anche il flusso di aria di raffreddamento. L’utilizzo di più convertitori di massa ridotta, ciascuno dedicato ad un sistema di motore ed elica, permette di ripartire in modo omogeneo gli ingombri e le masse, liberando inoltre spazio nella parte centrale del drone per alloggiare il verricello e/o il carico utile del drone, ad esempio un dispositivo di raccolta di video e immagini, creando così un effetto sinergico con il suddetto metodo di controllo dell’assetto in funzione della rotazione del verricello.

Inoltre, l’utilizzo di più convertitori fornisce una ridondanza che aumenta la sicurezza del drone, dato che in caso di guasto di un convertitore è possibile isolare la relativa parte di impianto elettrico e continuare il volo con i rimanenti convertitori, in alternativa disattivando altri motori in modo selettivo per bilanciare l’assetto del drone.

La presente descrizione riguarda anche un metodo automatico di regolazione della temperatura dei convertitori a bordo di ciascun drone, che varia il carico di lavoro di ciascun motore in modo da evitare temperature eccessive nei convertitori e nei motori.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del drone e del metodo secondo la presente descrizione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente descrizione dettagliata e non limitativa di una loro forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la figura 1 mostra una vista schematica di una rete di droni con una stazione di base sul suolo;

- la figura 2 mostra una vista schematica di una rete di droni con una stazione di base sospesa;

- la figura 3 mostra una vista prospettica del drone;

- la figura 4 mostra una vista in sezione trasversale schematica del drone di figura 3;

- la figura 5 mostra uno schema a blocchi di un primo sistema di controllo del drone di figura 3;

- la figura 6 mostra una vista laterale schematica del drone di figura 3;

- la figura 7 mostra uno schema a blocchi di un secondo sistema di controllo del drone di figura 3.

FORME REALIZZATIVE ESEMPLIFICATIVE

Facendo riferimento alla figura 1, si vede che una rete di droni, in particolare droni elettrici multi-rotore ad elica, può comprendere un cavo di alimentazione 1 che è collegato elettricamente ad un verricello di base 2, il quale può essere fissato a terra. Il cavo di alimentazione 1 può fornire al verricello di base 2 energia elettrica presa da una rete elettrica, da un generatore o da accumulatore di energia elettrica. Un cavo ausiliario 4 è avvolto sul verricello di base 2 ed è collegato, all’estremità opposta, ad un primo drone 5. Il verricello di base 2 è dotato di un dispositivo, ad esempio tramite anelli a contatti striscianti, atto a garantire la continuità della trasmissione di energia tra il cavo di alimentazione 1 ed il cavo ausiliario 4 anche durante la rotazione del tamburo del verricello di base 2. In questo modo, il cavo ausiliario 4 può fornire continuamente energia elettrica al primo drone 5. Un sistema di controllo 3 comprende un’unità di controllo per controllare l’azionamento di un motore elettrico del tamburo del verricello di base 2. Il primo drone 5 può essere collegato tramite un cavo sospeso 6 ad un secondo drone 7. Il primo drone 5 è provvisto di almeno un verricello 8, sul quale il cavo sospeso 6 è avvolto. Il cavo sospeso 6 può fornire energia elettrica e/o segnali di controllo al secondo drone 7, che può essere dotato a sua volta di un verricello 10, sul quale un ulteriore cavo sospeso 11 è avvolto per fornire energia elettrica ad un terzo drone 12, che nel presente esempio è l’ultimo della serie e pertanto preferibilmente non comprende un verricello di bordo. Il drone 5 può anche essere l’unico drone nel sistema e/o avere il cavo ausiliario 4 avvolto sul verricello 8.

Facendo riferimento alla figura 2, si vede che in una rete di droni simile a quella di figura 1 il verricello di base 2 può essere montato su un supporto mobile 13 che può traslare e/o ruotare rispetto a una struttura 14 che mantiene il supporto mobile 13 sospeso da terra ed è ad esempio costituita da uno o più cavi sospesi, come in figura, oppure dal telaio di una infrastruttura, dal braccio di una gru o da altra attrezzatura dotata a sua volta di gradi di libertà di rotazione o traslazione.

Facendo riferimento alle figure 3 e 4, si vede che il drone 5 comprende una pluralità di convertitori 15 atti a convertire energia elettrica ad alta tensione (ad esempio circa 1000 V DC), ricevuta dal cavo ausiliario 4, in energia elettrica a bassa tensione (ad esempio 24 V DC o 48 V DC). Il drone 5 inoltre comprende una pluralità di eliche 16 azionate da motori 17 che sono alimentati da tale energia elettrica a bassa tensione e sono supportati da almeno una struttura 18, in particolare comprendente almeno un telaio formato una pluralità di elementi uniti tra loro. I convertitori 15 sono disposti intorno alla struttura 18, preferibilmente fissati ai motori 17 e/o sotto le eliche 16, ossia sotto la proiezione verticale dell’ingombro delle eliche 16, nella posizione orizzontale di volo del drone 5. Preferibilmente, ciascun convertitore 15 fornisce energia elettrica al motore 17 che aziona l’elica 16 sotto la quale è disposto il convertitore 15, in modo che il drone 5 comprende uno stesso numero di convertitori 15 e motori 17. Forme realizzative alternative possono comprendere un numero minore di convertitori 15, ciascuno dei quali alimenta più motori 17, ad esempio quattro o due convertitori 15 per un drone con otto eliche 16. Almeno due convertitori 15 possono essere disposti in posizioni opposte rispetto alla struttura 18, preferibilmente a distanze sostanzialmente uguali dal centro di massa del drone 5, in modo che il centro di massa di questi almeno due convertitori 15 cade nel tamburo del verricello 8 e/o coincide sostanzialmente con il centro di massa del drone 5.

La struttura 18 può comprendere una sede centrale 19, in particolare definita da una porzione di telaio avente una forma sostanzialmente rettangolare, nella quale è disposto il verricello 8 che porta il cavo sospeso 6 e che può ruotare intorno ad un albero 20 disposto nella sede centrale 19. L’albero 20 si estende preferibilmente all’esterno della sede centrale 19 per collegare tra loro due motori 17 disposti in posizioni opposte rispetto alla struttura 18. Il centro di massa del drone 5 cade preferibilmente nel tamburo del verricello 8, in particolare in posizione sostanzialmente coincidente con il centro di massa del verricello 8. Il tamburo del verricello 8 è preferibilmente cavo per alloggiare alcuni componenti del drone 5, in particolare un’unità centrale di controllo 21 del drone 5 ed il motore 22 del verricello 8, disposto tra l’albero 20 ed il tamburo, in modo da ottimizzare l’utilizzo degli spazi e bilanciare il drone 5.

La figura 5 mostra un sistema di controllo del drone 5 per ridurre il sollecitamento termico dei convertitori 15 e dei motori 17, mantenendo la stabilità di volo del drone 5, il quale sistema comprende sensori di temperatura 23 disposti in corrispondenza dei convertitori 15 e/o dei motori 17 per trasmettere dati di temperatura ad un’unità di controllo della temperatura 24, la quale analizza la distribuzione delle temperature misurate dai sensori di temperatura 23 e calcola dati di variazione delle velocità di rotazione dei motori 17, ossia delle loro forze di portanza f1…fn, in modo da bilanciare le temperature, ad esempio alzando quelle più basse ed abbassando quelle più alte, senza variare l’assetto di volo del drone 5. Tale metodo può essere eseguito quando il drone 5 è dotato di più di quattro motori 17 ed eliche 16, in modo che vi siano più combinazioni possibili di velocità di ciascuna elica 16 che producono la stessa combinazione di forze di portanza e di coppie applicate al drone 5, inclusa preferibilmente la coppia causata dal verricello 8. L’unità di controllo della temperatura 24 invia di dati di variazioni di velocità calcolati ad un’unità di controllo del volo 25, che varia la velocità dei motori 17 di conseguenza.

La figura 6 mostra l’effetto sull’assetto del drone 5 della coppia t applicata dal motore 22 per azionare il verricello 8, ad esempio quando il cavo sospeso 6 deve essere svolto con una certa velocità v. Per compiere tale operazione, il motore 22 aziona il verricello 8 con una coppia t che causerebbe un beccheggio indesiderato del drone 5. Per bilanciare tale beccheggio, il drone 5 varia la velocità dei motori 17 per variare le forze di portanza f1…fn delle eliche 16 e generare così una coppia di beccheggio uguale e contraria alla coppia t. In particolare, una o più forze di portanza f1…fn delle eliche 16 sono aumentate o diminuite per avvolgere o svolgere il cavo sospeso 6.

La figura 7 mostra un sistema di controllo dell’assetto del drone 5 per bilanciare la rotazione del verricello 8, il quale sistema comprende un’unità di controllo dell’assetto 26 che riceve come informazione in ingresso dati della coppia t trasmessi da un’unità di controllo del verricello 27 e dati di velocità dei motori 17 trasmessi dall’unità di controllo del volo 25. Nel metodo secondo la presente forma realizzativa, l’unità di controllo dell’assetto 26 calcola una variazione di velocità delle eliche 16 interessate, ad esempio le due eliche 16 di figura 6 poste lungo una direzione perpendicolare all’asse di rotazione del verricello 8, in modo che le relative forze f1 ed f2 di portanza bilancino la coppia t, così come sopra descritto, e manda i risultanti dati di velocità variati ai motori 17 delle due eliche 16. Se la direzione perpendicolare all’asse di rotazione del verricello 8 non coincide con la posizione di due eliche 16, l’unità di controllo dell’assetto 26 agisce su un numero superiore di eliche 16, in modo da avere comunque una coppia intorno al centro di massa del drone 5 che bilanci la coppia t.

L’unità di controllo della temperatura 24 e/o l’unità di controllo del volo 25 e/o l’unità di controllo dell’assetto 26 e/o l’unità di controllo del verricello 27 possono essere implementate in modo noto in almeno una singola unità di controllo elettronica, preferibilmente disposta nell’unità centrale di controllo 21 del drone 5.

Eventuali varianti od aggiunte possono essere apportate dagli esperti del ramo alla forma realizzativa qui descritta ed illustrata restando nell’ambito delle seguenti rivendicazioni. In particolare, ulteriori forme realizzative possono comprendere le caratteristiche tecniche di una delle seguenti rivendicazioni con l’aggiunta di una o più caratteristiche tecniche descritte nel testo od illustrate nei disegni, prese singolarmente od in qualsiasi combinazione reciproca.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Drone (5) che comprende una pluralità di eliche (16) azionate da motori (17) supportati da almeno una struttura (18) con un verricello (8) provvisto di un tamburo che può ruotare mediante un motore (22) per svolgere od avvolgere un cavo sospeso (6), caratterizzato dal fatto che la struttura (18) comprende una sede centrale (19) nella quale è disposto il verricello (8), in modo che il centro di massa del drone (5) cade nel tamburo del verricello (8).
2. Drone (5) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il centro di massa del drone (5) coincide sostanzialmente con il centro di massa del verricello (8).
3. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il motore (22) atto a ruotare il tamburo del verricello (8) è disposto nel tamburo.
4. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la struttura (18) comprende un telaio formato una pluralità di elementi uniti tra loro, in cui la sede centrale (19) del verricello (8) è definita da una porzione del telaio avente una forma sostanzialmente rettangolare.
5. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il tamburo del verricello (8) è atto a ruotare intorno ad un albero (20) che si estende all’esterno della sede centrale (19) per collegare tra loro due motori (17) disposti in posizioni opposte rispetto alla struttura (18).
6. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di convertitori (15) disposti intorno alla struttura (18) per convertire energia elettrica ad alta tensione in energia elettrica a bassa tensione, in cui il centro di massa dei convertitori (15) cade nel tamburo del verricello (8).
7. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un’unità di controllo dell’assetto (26) collegato ai motori (17) e ad un’unità di controllo del verricello (27), in cui l’unità di controllo dell’assetto (26) è atta a variare la velocità dei motori (17) in funzione di dati della coppia (t) agente sul verricello (8) trasmessi dall’unità di controllo del verricello (27) all’unità di controllo dell’assetto (26).
8. Drone (5) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’unità di controllo dell’assetto (26) agisce sui motori (17) per determinare una variazione di velocità di due o più eliche (16), in modo che le relative forze di portanza (f1…fn) bilancino gli effetti della coppia (t) esercitata dal motore (22) del verricello (8).
9. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere sensori di temperatura (23) che sono disposti in corrispondenza dei convertitori (15) e/o dei motori (17) per trasmettere dati di temperatura ad un’unità di controllo della temperatura (24), la quale è atta calcolare dati di variazione delle velocità di rotazione dei motori (17), che sono inviati ad un’unità di controllo del volo (25), in funzione dei dati di temperatura ricevuti dai sensori di temperatura (23).
10. Drone (5) secondo una delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto che l’unità di controllo della temperatura (24) e/o l’unità di controllo del volo (25) e/o l’unità di controllo dell’assetto (26) e/o l’unità di controllo del verricello (27) sono disposte in un’unità centrale di controllo (21) del drone (5).
11. Drone (5) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’unità centrale di controllo (21) è disposta nel tamburo del verricello (8).
12. Metodo per controllare l’assetto di un drone (5) che comprende una pluralità di eliche (16) azionate da motori (17) supportati da almeno una struttura (18) con almeno un verricello (8) provvisto di un tamburo che può ruotare mediante un motore (22) per svolgere od avvolgere un cavo sospeso (6), caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: - determinare la coppia (t) esercitata dal motore (22) sul tamburo del verricello (8); - calcolare variazioni delle forze di portanza (f1…fn) delle eliche (16) in funzione di detta coppia (t); - variare la velocità di rotazione dei motori (17) in funzione di tale calcolo, in modo da variare le forze di portanza (f1…fn) delle rispettive eliche (16).
13. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - misurare temperature in corrispondenza dei motori (17) mediante sensori di temperatura (23); - calcolare variazioni delle forze di portanza (f1…fn) delle eliche (16) in funzione di dette temperature misurate; - variare la velocità di rotazione dei motori (17) in funzione di tale calcolo, in modo da variare le forze di portanza (f1…fn) delle rispettive eliche (16).