IMU (Unità di misurazione inerziale)

Nei primi esemplari di multirotori che ho costruito a partire dall'Aprile del 2011 la sezione elettronica era composta da diversi componenti separati, in quel perioso DJI NAZA non aveva ancora immesso sul mercato le sue centraline compatte e semplici da assemblare che integravano sensori e dispositivi in un solo elemento, ed io usavo un kit X-Aircraft composto da diversi elementi che andavano collegati tra loro separatamente e la programmazione richiedeva una particolare attenzione specie ai campi magnetici che potevano creare problemi alla taratura del dispositivo.

Oggi le macchine sono molto compatte sopratutto dal punto di vista elettronico tuttavia in alcuni multirotori possono esserci dei componenti separati che in genere nei multicopteri più moderni sono tutti racchiusi in una sola unita come le unità NAZA. Un multirotore per poter volare in piena sicurezza sia nel controllo che nella stabilita deve essere provvisto di una serie di elementi che potremmo definire "sensoriali" e che ricordano un po i nostri sistemi di percezione della gravità come avviene all'interno del nostro orecchio attraverso il sistema vestibolare che ci indica cosa va su e cosa va giù, aiutandoci a mantenere l'equilibiro verticale tipico della nostra specie.

IMU (Inertial Measurement Unit) Si tratta di un dispositivo elettronico al cui interno sono installati una serie di dispositivi che segue.

Accellerometro. Si tratta di un dispositivo che rileva le accellerazioni che si generano sui tre assi; per accellerazioni si intendono spostamenti rispetto ad uno stato di quiete che possono avvenire su uno o su tutti e tre gli assi X,Y,Z. Questo dispositivo è in realtà un sensore molto sofisticato ed è quello che mantiene la macchina ferma in volo senza che essa cominci una sorta di walzer aereo ruotando, spostandosi ed inclinandosi senza controllo durante il volo stazionario in modo più evidente. Questo sensore fornisce una serie di dati relativi ai movimenti della macchina trasmettendoli all'unita di controllo principale che attraverso dei calcoli complessi su base algoritmica gestisce la rotazione dei motori in modo appropriato. Dunque possiamo considerare l'unita IMU come una sorta di sistema vestibolare artificiale.

L'unita IMU è anche provvista di un giroscopio elettronico, non si tratta di una unita meccanica come quelle che alcuni piloti come me conoscono come parte dei sistemi inerziali o per esempio di alcuna strumentazione come l'orizzonte artificiale, ma nel nostro caso questo dispositivo ha raggiunto una miniaturizzazione eccellente ed è molto piccolo e sopratutto non è più meccanica, tuttavia la sua funzione rimane identica poichè lo scopo a bordo di un multirotore è quello di misurare gli angoli di rotazione sui tre assi X,Y,Z.

Il Giroscopio è infatti un altro elemento importante per il corretto funzionamento in volo di un multirotore. In origine era un dispositivo molto complesso, di natura meccanica con un rotore costantemente in rivoluzione ad alto numero di giri che sfruttava il principio di precessione, insomma un meccaniscmo molto pesante che richiedeva energia costante. I piloti come me lo ricordano nella vecchia e sempre affascinante strumentazione meccanica perchè era presente in modo particolare nell'orizzonte artificiale. Se vuoi conoscere meglio il principio del funzionamento di un giroscopio puoi visitare questa sezione (Giroscopio). Naturalemnte oggi un giroscopio non è più un dispositivo cosi complesso e pesante come quelli di un tempo, ma è racchiuso in pochi millimetri di spazio e non ha componenti meccanici o parti rotanti al suo interno.

In un capitolo precedente ho spiegato come la rotazione dei quattro rotori genera quattro coppie differenziate e queste siano causa di forte instabilità del volo assieme ai quattro flussi aerodinamici che producono quattro diversi sistemi turbolenti costanti (Quadri-rotore). Queste perturbazioni fanno in modo che il multirotore sia costantemente vittima di esse e questo necessita come abbiamo già visto di una unita IMU che comprenda una serie di dispositivi come vedremo tra cui un Giroscopio che rilevi e misuri gli angoli di assetto durante il volo. Anche in questo caso si tratta di rilevazioni elettroniche che vengono trasmesse all'unita centrale che corregge la rotazione delle eliche in modo tale da controbilanciare con la coppia generata da queste eventuali rotazioni della macchina sui tre assi.

Il funzionamento coordinato del Giroscopio è verificabile attraverso un fenomeno è avvertibile quando ad esempio si pone in volo il multirotore in una posizione stabile di hovering, si nota come i rotori variano costantemente la loro velocità indipendentemente l'uno dall'altro attraverso la variazione del ronzio delle eliche, comportamento che avviene proprio per il meccanismo sopra descritto, e cioè attraverso la misurazione dell'angolo di assetto del giroscopio e dell'accellerometro che insieme misurano accellerazioni e rotazioni sui tre assi della macchina inviandole sotto forma di informazione all'unità centrale, che infatti corregge costantemente la rotazione di ogni singolo rotore in modo tale che la macchina risulti perfettamente livellata in volo.

Un altro elemento importante per garantire il volo di un multirotore anch'esso contenuto all'interno dellìunità IMU è il Barometro. Questo strumento di misurazione rileva la variazione di pressione atmosferica quindi la variazione di quota. Anche in questo caso si tratta di un dispositivo molto piccolo ed integrato, privo di tubicini e valvole o diaframmi come quelli di un tempo. La tecnologia è riuscita ad integrarlo e miniaturizzarlo in piccolissimi circuiti presenti un po ovunque, anche negli orologi per misurare altitudine o profondita in acqua. Un esempio del suo funzionamento è verificabile quando si porta il multirotore ad una determinata quota e lo si lascia librare in un punto nello spazio. Accade che la macchina mantiene asseto (IMU) e direzione (Giroscopio) ma anche quota costante senza scendere o salire ulteriormente (Barometro). Anche in questo caso poiche si tratta di un dispositivo completamente elettronico le misurazioni di variazione di pressione atmosferica vengono trasformate in segnali elettrici con frequenza e forma d'onda specifici ed inviati alla unità centrale che come già descritto gestisce in maniera differenziata la rotazione dei rotori in modo da mantenere assetto (Accellerometro), direzione (Giroscopio) e quota (Barometro).

Spesso all'interno delle unità di controllo vi può essere un Telemetro collegato al Barometro poichè più preciso sopratutto per il volo a bassa quota, oppure vi sono delle piccole telecamere che misurano il contrasto luminoso tra le superifici per evitare collisioni al di sotto della macchina o intorno ad essa.

Un importante elemento sempre contenuto all'interno dell'unita di controllo del volo (IMU) è il Magnetometro. Lo scopo del magnetometro è quello di rilevare i campi magnetici che spesso disturbano il volo. Nei primi velivoli che assemblavo era necessaria spesso la taratura dell'elettronica non solo attraverso la verifica mediante il software ed un computer esterno, ma anche mediante dei movimenti di rotazione che venivano fatti come una sorta di balletto, questo proprio per definire il campo magnetico ed anche per ristabilizzare l'Accellerometro ed il Giroscopio. Poichè il magnetometro è collegato anche esso all'unita centrale e spesso risulta utile anche per la navigazione, poichè è in grado di seguire anche le isobare magnetiche al suolo, infatti quando si cambia zona è consigliabile di effettuare una nuova taratatura del magnetometro che nelle macchine moderne avviene automaticamente nei primi secondi dopo l'accenzione.

Un ultimo elemento integrato spesso all'interno dell'IMU o delle Unita di Controllo di ultima generazione è il GPS (Global Positioning System). Si tratta di un dispositivo elettronico che riceve dei segnali sotto forma di informazioni digitali da due o più satelliti posizionati in orbita geostazionaria, cioè che mantengono sempre la stessa posizione nello spazio rispetto ad un punto fisso sulla terra. Il sistema GPS per quanto comunemente integrato in qualsiasi dispositivo che conosciamo, dagli Smart phone agli orologi, è in realtà un piccolissimo calcolatore elettronico in grado di elaborare la sua posizione in modo più o meno preciso rispetto ad almeno tre satelliti mediante un sistema di computazione trigonometrica. Il ricevitore GPS infatti calcola da distanza che lo separa da almeno tre fonti (satelliti geostazionari) e questo gli fornisce mediante un operazione complessa attraverso algoritmi specifici la sua posizione relativa al suolo.

Nei multirotori più "vintage" come quelli che costruivo alcuni anni fa, come Pegasus in foto, l'antenna del GPS era visibile ed era solitamente posizionata molto vicino al centro di gravità della macchina, era un dischetto bianco sospeso su un piccolo distanziatore che evitava la perturbazione da parte degli altri dispositivi elettronici, anche se nelle verisoni più recenti lo piazzavo proprio al di sopra dell'unità centrale senza riscontrare alcun problema, e questo rendeva il Multirotore più compatto.

Nelle prime versioni i GPS assolvevano a poche funzioni fondamentali, oltre al mantenimento del punto fisso in volo stazionario permettevano all'unita centrale di memorizzare la posizione iniziale di partenza (Home) per poter effettuare il rientro e l'atterraggio automatico del velivolo quando le batterie erano vicine al punto di esaurimento oppure se il pilota intendeva richiamarlo velocemente alla base.

Oggi queste unità sono molto più complesse e sopratutto precise. Cosi come gli altri dispositivi già descritti il GPS è integrato nell'unità di controllo tuttavia l'antenna rimane interna e non è più visibile ormai già nelle prime versioni del DJI Phantom.

Il GPS nei velivoli contemporanei fornisce la posizione nello spazio, è possibile definire una rotta programmata da far eseguire alla macchina atomaticamente, o utilizzare dei punti di rotazione (Turning point) lungo un percorso e perfino osservare la posizione del multirotore in tempo reale su una mappa visibile sul telecomando o su un accessorio esterno come un tablet o un cellulare.