introduzione

Il mondo dei quadricotteri si sta diffondendo in modo esponenziale negli ultimi tempi, troviamo modelli di ogni tipo con funzioni diversificate, dai modelli ultra sofisticati per rilievi e riprese video fino a modelli giocatolo da poche decine di euro, passando per quelli destinati al trasporto di piccoli oggetti o a modelli impiegati nel soccorso e nel controllo. Costruire e capirne il funzionamento è un’esperienza molto soddisfacente anche se i costi, purtroppo,  per realizzare un semplice modello non sono molto contenuti, probabilmente si arriverà ad una spesa tra i 200 e i 350€.

Ho passato diverso tempo nel cercare informazioni tecniche e nella realizzazione di un modello, superando diverse difficoltà, a volte banali, che vorrei condividere con voi scrivendo alcuni tutorial. Non mi reputo un esperto in materia quindi potrei fare alcuni errori nell’affrontare certi concetti, ma in vari siti, anche esteri, non ho trovato tutti i passaggi dettagliati che portano alla costruzione di un quadricottero in maniera semplice, ma se in alcuni la parte software è spiegata egregiamente non lo è la parte hardware o viceversa.
Quindi quello che cercherò di fare è di scrivere una guida passo passo sulle procedure che portano a far volare un piccolo quadricottero.

 Il quadricottero

Questo aeromodello appartiene alla famiglia dei multirotori composti da 3 o più motori dotati di eliche. Nel quadricottero, come facilmente intuiamo, ci sono quattro motori con relative eliche che permettono di eseguire manovre tipiche di un elicottero (salire in quota, scendere ed andare avanti indietro a destra e sinistra) ma con un andatura in volo che riprende le manovre degli aerei (Beccheggio, Rollio, Imbardata).

E’ essenziale per avere un volo stabile che due motori ruotino in senso orario e due motori in senso antiorario. Nell’elicottero la stabilità viene garantita dal rotore di coda che contrasta il movimento rotatorio del rotore principale.
Il quadricottero, avendo i motori e le eliche montate nello stesso piano, deve equilibrare il moto impiegando due motori che ruotano in senso orario e due in senso antiorario.
La contrapposizione dei motori permette quindi di annullare l’energia rotatoria degli stessi.

Anche le eliche devono essere montate in modo appropriato, infatti nei due motori che girano in senso orario andranno montate le eliche CW mentre le nei due motori che girano in senso antiorario dobbiamo montare le eliche CCW.

Configurazione

Le configurazioni tipiche di un quadricottero sono due e vengono definite dalla direzione di volo in relazione alla posizione dei motori; nella figura seguente potete osservare il modo x ed il modo +:

Nella configurazione + la direzione di volo corrisponde all’asse creato dai motori M1 e M4 mentre, nella configurazione x la direzione di volo corrisponde all’asse creato tra i motori M1 e M3 e l’asse creato tra i motori M2 e M4.

I motori, dotati di eliche, sono rappresentati in figura dalle sigle M1, M2, M3, e M4 e vengono montati, tipicamente,  alle estremità degli assi del telaio (Frame), l’elettronica di controllo e la batteria sono montati solitamente al centro del drone, dove si intersecano gli assi.

Tra le due configurazioni quella che personalmente preferisco è quella a x, che utilizzerò per il corso del tutorial.

Come vola il quadricottero

E’ necessario fare una piccola parte teorica per conoscere come vola il nostro quadricottero, questo per me è stato importante sia per capire come montare i vari componenti sia per quanto riguarda la gestione del quadricottero durante primi voli.

Ammettiamo di avere già tra le mani un quadricottero funzionante e pronto al volo.
Una volta avviati i motori, questi andranno teoricamente alla stessa velocità di rotazione, tramite l’acceleratore del radiocomando (throttle) potremo variare questo valore aumentandolo o diminuendolo.
Quando la velocità di rotazione delle eliche permette di avere una portanza capace di contrastare il peso del quadricottero, esso inizierà a sollevarsi da terra, portandosi a una certa quota.
Ora, nel sempre nel caso teorico, in cui i pesi del quadricottero sono perfettamente identici in tutti gli assi, e non ci sono elementi esterni che disturbano il volo come folate di vento, la velocità di rotazione dei quattro motori rimane uguale.
Immaginiamo ora che la velocità di rotazione dei motori sia tale da tenere il quadricottero a una quota di 1 metro dal suolo.

Beccheggio (PITCH)

Consideriamo sempre il nostro quadricottero in volo è perfettamente stabile (situazione teorica), per poterlo far muovere in avanti dovremmo agire sul beccheggio. Per farlo muovere in avanti la centralina di controllo montata al centro del quadricottero, dovrà aumentare la velocità di rotazione dei motori posteriori M3 e M4 e diminuire la velocità di rotazione dei motori anteriori M1 e M2. In questo caso il modello si inclinerà in avanti permettendone il movimento verso quella direzione.
Per portare il quadricottero indietro la centralina dovrà eseguire l’operazione opposta, ovvero aumentare la velocità di rotazione dei motori M1 e M2 e diminuire la velocità di rotazione dei motori M3 e M4:

Rollio (ROLL)

Tramite il rollio potremo far spostare il nostro quadricottero lateralmente. Anche in questo caso il movimento del quadricottero avviene variando la velocità dei motori in modo tale da poter inclinare su un lato il quadricottero permettendone quindi lo spostamento a destra o sinistra.

Imbardata (YAW)

L’altro movimento che può eseguire il quadricottero è la rotazione su se stesso, definita imbardata. Il movimento avviene variando la velocità di rotazione di due motori posizionati nello stesso asse.

Credo che per ora queste nozioni siano quelle basilari che dobbiamo conoscere ed imparare per poi affrontare nel prossimo articolo la parte relativa a tutti gli elementi che compongono il quadricottero.

Se vuoi subito iniziare a volare prova quadricotteri pronti al volo come questo

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Siamo abituati alla regola che se un dispositivo si rompe, allora bisogna comprarne uno nuovo perché non si può aggiustare. In effetti la miniaturizzazione e l’integrazione hanno reso i dispositivi talmente economici rispetto alla spesa di riparazione da non giustificarne l’operazione. Il problema principale di questa filosofia è, oltre all’aumento di spazzatura high tech, la dipendenza verso questo meccanismo dell’usa e getta, alimentata anche da un sistema produttivo che immette sul mercato nuovi prodotti a distanze temporali molto ridotte rispetto al passato.

Dal punto di vista sociale si crea un taglio netto tra chi può permettersi costantemente il nuovo prodotto e chi invece rimane, per ovvi problemi economici, all’età della pietra, o chi si indebita, per esempio, per acquistare al proprio figlio l’ultimo modello di smartphone per non farlo sentire escluso dall’élite.

Penso sia un meccanismo ciclico dove alla fine i conti, soprattutto economici, non tornano mai. Fortunatamente si inizia a sentire parlare della nuova filosofia, ripresa da momenti di crisi economica, del fai da te.

Vuoi migliorare il tuo antifurto, l’apri cancello,  il sistema di riscaldamento, la stufa a pellet, non correre subito dal primo negoziante sotto casa, puoi iniziare a recuperare la tua voglia di fare e costruire, implementare e riparare, che avevi da bambino utilizzando componenti a basso costo o riciclandone di vecchi.

Penso che quando c’è un problema tecnico, visto il bombardamento mediatico subito ogni giorno, la prima cosa che ci salta in mente è, “si è rotto, non si può aggiustare, bisogna comprarne un altro!”. Se ci convinciamo invece della possibilità di intervenire con le nostre mani, otterremmo numerosi vantaggi sia per il portafoglio sia per l’ambiente, non di meno, la soddisfazione di riparare o addirittura di costruire un altro dispositivo equivalente, recuperando pezzi vecchi.

Cambiare mentalità e soprattutto abitudini è molto difficile, sono frasi già sentite a cui non diamo più valore, ma ti posso garantire che se ti convinci che il fai da te sia possibile ti si aprirà un mondo nuovo.

Tutte queste parole derivano dall’aver sperimentato in prima persona la filosofia DIY. La mia esperienza non è legata al mondo dell’elettronica ma in un campo dove ero totalmente inesperto e per motivi economici ho iniziato a convincermi che, se potevano farlo altre persone potevo farlo anche io.
All’inizio si commettono errori di inesperienza, ma cercando di capire dove si sbaglia si inizia ad avviare un processo di autoapprendimento progressivo, il segreto è che non bisogna demoralizzarsi alle prime difficoltà tecniche ma imparare dai propri errori.

Grazie a schede come Arduino e Netduino (o simili) è possibile intraprendere questa strada, anche per chi non ha mai avuto nessuna esperienza di programmazione o nella realizzazione di circuiti elettronici, con un po di impegno potete dare sfogo alle vostre idee e imparare a cambiare il modo di affrontare i problemi tecnici.

Credo molto nel fai da te e spero di dare, tramite questi articoli, il mio contributo a questa filosofia ritrovata.

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Dopo aver acquistato il materiale necessario alla realizzazione dell’impianto di microirrigazione sono passato alla pratica con l’aiuto dei mie familiari. Ho cercato di rispettare lo schema dell’impianto proposto nel precedente articolo. Per il momento l’impianto non ha ancora l’elettrovalvola perché prima vorrei capire quanta corrente assorbe e fare alcuni calcoli per dimensionare la batteria che dovrà garantire una sufficiente autonomia del sistema.

Per motivi logistici non ho potuto documentare la realizzazione dell’impianto tramite un video. Di seguito alcune foto che illustrano le fasi di realizzazione.

A monte dell’impianto, ho collegato il filtro, fondamentale per un corretto funzionamento dei gocciolatori.

Il filtro è facilmente accessibile, questo mi permette di eseguire delle manutenzioni regolari come la pulizia dell’elemento filtrante.
La fase successiva è quella di montare le ale gocciolanti al tubo di mandata principale. Nel mio caso il tubo di mandata è stato realizzato precedentemente per ovvi motivi pratici di assemblaggio delle staffe e foratura del tubo.

L’ala gocciolante è inserita nel portagomma del microrubinetto collegato alla presa a staffa del tubo di mandata.

L’impianto è composto da 12 tubi di ala gocciolante autocostruita da 16mm

questo un dettaglio del gocciolatore installato nel tubo di 16mm. In questo caso per motivi illustrativi il gocciolatore è rivolto verso l’alto ma in fase di irrigazione il gocciolatore deve essere posto in orizzontale.

In prossimità di ogni gocciolatore ho realizzato una piccola buca per creare la sede dove inserire la pianta

In ogni sede è stato praticato un foro, in direzione del gocciolatore, per inserire la piantina.

Ora inseriamo la piantina nel foro e ricopriamo le radici  con un po di terra

Non ci resta che aprire la valvola e collaudare il sistema. Potete osservare come le gocce bagnano una piccola zona del terreno, quella occupata dalle radici della pianta.

E’ consigliabile controllare ogni singolo gocciolatore per verificarne la corretta erogazione. Se qualche gocciolatore ha un flusso superiore agli altri potete intervenire stringendo la sua ghiera. Assicurarsi una omogenea erogazione, è importante per una irrigazione corretta delle piante.

La parte meno nobile del progetto è pronta (a parte l’installazione della elettrovalvola). Nel prossimo articolo presenterò il circuito della centralina formato da uno shield autocostruito e dal nostro amato Netduino.

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Mi è sempre piaciuta l’idea di un orto/giardino automatizzato, magari con Netduino, capace di sfruttare l’irrigazione in modo coscienzioso e senza sprechi d’acqua.
Penso sia uno di quei progetti molto ricercati per la sua evidente utilità pratica, e anche perché la coltivazione e la cura di piante è un istinto innato che ci avvicina alla natura e ci fa sentire bene!

Abito in un piccolo paese dove ogni famiglia possiede un piccolo orto per la coltivazione di verdure e frutti. La tecnica di irrigazione principale è quella a solco (scorrimento), decisamente svantaggiosa e poco efficace per l’eccessivo spreco d’acqua.
Fortunatamente oggi ci sono molte tecnologie efficienti che permettono l’impiego di sistemi programmabili per la gestione delle attività di irrigazione.

Anche io ho voluto sviluppare il mio sistema a microcontrollore per gestire le fasi di irrigazione di un piccolo orto.
Per la realizzazione di questo sistema bisogna avere un minimo di esperienza nella coltivazione di piante ed essere consapevoli che ci dovremmo sporcare le mani!!

La tecnica di irrigazione migliore per questo progetto si basa sulla microirrigazione a goccia. E’ necessario quindi procurarci tutto il materiale per l’impianto. Le mie informazioni progettuali sono da considerare di carattere generale, dato che il sistema è influenzato da vari parametri come, la tipologia del terreno (inclinazione, consistenza, composizione, esposizione agli agenti atmosferici) il tipo e la quantità di piantine da coltivare.La figura seguente rappresenta un tipico impianto a goccia automatizzato:

La cisterna contiene l’acqua necessaria ad irrigare le piante, le sue dimensioni variano a seconda della dimensione dell’orto, un valore sufficiente per una autonomia di 2-3 settimane potrebbe essere di 1000 litri.
Subito dopo troviamo il filtro, questo elemento è essenziale per un impianto di microirrigazione in quanto blocca le impurità dell’acqua che col tempo potrebbero otturare i gocciolatori.
L’elettrovalvola è un rubinetto elettronico che permette, tramite la centralina elettronica, di gestire tutte le fasi d’irrigazione. La centralina riceve input dai sensori di umidità, temperatura e luminosità, in questo modo possiamo sviluppare algoritmi che gestiscono l’irrigazione in funzione dei parametri ambientali.

Il tubo di mandata principale permette di alimentare i vari rami dell’impianto, ogni ramo (ala gocciolante) è sezionabile tramite un minirubinetto, questo permette di effettuare operazioni di manutenzione anche durante l’irrigazione.
L’ala gocciolante è composta da un tubo, solitamente da 16mm, dove sono collocati i gocciolatori. Ogni gocciolatore irriga una singola pianta.

La realizzazione dell’impianto dipende dalla dimensione del terreno a disposizione e dal numero e tipo di piante da coltivare. Secondo la mia esperienza vi posso dire che per il fabbisogno di una famiglia di 5-6 persone potete coltivare i seguenti prodotti

• 20 piante Pomodoro
• 10 piante Melanzane
• 10 piante Peperoni
• 20 piante Fagiolini
• 10 piante Cetrioli
• 5 piante Zucchine
• 20 piante Lattuga

naturalmente ognuno può aumentare o diminuire queste quantità a seconda delle preferenze e dei gusti personali.
Per quanto riguarda la distanza tra gocciolatori possiamo dimensionare in questo modo

• 40-50 cm per Pomodori, Melanzane, Peperoni, Fagiolini e Cetrioli
• 60-70 cm per le Zucchine
• 15-20 cm per le Lattughe

Mentre la distanza tra un ala gocciolante e la successiva può variare da 40-50 cm a  80-100cm a seconda dello spazio a disposizione, e della comodità che vogliamo avere per passare tra i filari.

Dopo l’assemblaggio dell’impianto è necessario verificare che tutti i gocciolatori funzionino a dovere e che non ci siano perdite d’acqua dai raccordi di connessione.

La parte che ora bisogna studiare, riguarda la centralina elettronica. Certamente sul mercato esistono vari modelli con prezzi anche di poche decine di euro, che potrebbero farci abbandonare l’idea dell’autocostruzione, ma il nostro scopo è quello di sperimentare e imparare nuovi concetti per poi applicarli in altri ambiti o per accrescere il nostro bagaglio culturale.

Apro una piccola parentesi sull’elettrovalvola: a parte le varie dimensioni e capacità idriche, esistono modelli a 24Vac e a 9Vcc. Volendo creare un impianto autonomo è meglio utilizzare il modello a 9Vcc in modo da eliminare qualsiasi trasformatore. Il costo delle elettrovalvole in continua è purtroppo superiore a quelle in ca (circa 30€).

Il circuito elettronico deve acquisire come input i dati dai sensori e pilotare l’elettrovalvola per un tempo che può essere fisso o variabile a seconda del software che andremmo a sviluppare.
Come microcontrollore possiamo optare per diverse soluzioni come Netduino piuttosto che Arduino o Picmicro. Certamente un fattore importante è il costo, che si aggira intono ai 30€ per Netduino/Arduino mentre per i Picmicro siamo intorno ai 3-8€.
In una prima fase possiamo usare Netduino per creare un prototipo, per poi eseguire un porting del progetto su Picmicro in modo da abbattere i costi di realizzazione della centralina.

I sensori del mio prototipo sono tre, un sensore di temperatura analogico tipo MCP9700a, un sensore di luminosità basato su fotoresistenza e un sensore di umidità realizzato con due puntali da inserire nel terreno.
Il Netduino acquisisce tramite gli ingressi analogici questi segnali e in base al suo software gestisce un piccolo relè che va a pilotare l’elettrovalvola.
Nella figura seguente è rappresentato lo schema a blocchi:

Credo che le informazioni di questo articolo siano sufficienti per iniziare a costruire il proprio orto automatizzato. Certamente le nozioni per la realizzazione dell’impianto di microirrigazione sono da approfondire ma con un po di manualità si può apprendere da soli come impostare e realizzare il proprio sistema idrico.
Per quanto riguarda la parte della realizzazione della centralina elettronica vi rimando al prossimo articolo.

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