Sviluppo di controlli per motori di droni

Entro il 2050 la popolazione mondiale potrebbe sfiorare i 10 miliardi. Secondo il rapporto 2017 della FAO (Nazioni Unite) "Future of Food & Agriculture" per aver cibo a sufficienza, la produzione agricola dovrebbe aumentare del 50%.

La FAO evidenzia numerose sfide da affrontare per nutrire il pianeta. Tra di esse, sono citate il miglioramento della prosperità nelle regioni rurali, il miglioramento dei sistemi alimentari e l'aumento della produzione agricola. Le tecnologie avanzate possono avere un notevole ruolo per superare queste sfide. Sta emergendo la cosiddetta agricoltura intelligente per aiutare a migliorare il rendimento agricolo e la gestione degli animali. Un esempio è l'uso delle tecnologie legate a Internet delle cose (IoT) per spronare la produzione agricola e la salute degli animali.

La raccolta di dati ad esempio sull'altezza del raccolto, la densità delle piante, le condizioni delle foglie o la temperatura degli animali, permette agli agricoltori di ottimizzare le piantagioni o la cura delle mandrie e prevedere e massimizzare i raccolti. Una volta analizzati i dati, gli imprenditori agricoli hanno bisogno di mezzi efficienti per accelerare le decisioni prese sulla base delle informazioni raccolte. Uno dei maggiori problemi è che le aziende agricole possono avere grandi estensioni, anche di decine o centinaia di ettari. Tale situazione può rendere l'analisi delle piantagioni o l'osservazione degli animali un'operazione molta lunga. Può anche risultare difficile formarsi un'idea generale della salute di piante e animali, identificare problemi come piantumazione scarsa a macchie, siccità o infestazioni in determinate aree.

Qui possono entrare in ballo i droni. Alcune aziende di tecnologia stanno già trovando il modo di mettere a disposizione dell'agricoltore droni per sorvegliare grandi aree e raccogliere informazioni dettagliate sia nelle lunghezze d'onda visibili che in quelle non visibili (Figura 1). L'emergere dell'agricoltura di precisione assistita da aeromobili a pilotaggio remoto (UAV) ha anche aperto agli specialisti opportunità di sviluppare strumenti di analisi basati su cloud per interpretare i dati raccolti durante il volo dei droni per individuare le risposte più idonee. Queste soluzioni possono aiutare gli agricoltori a migliorare il raccolto ottimizzando l'irrigazione e i fertilizzanti, controllare le invasioni di parassiti e ridurre i costi utilizzando prodotti chimici con più oculatezza.

Figura 1: L'analisi via cloud delle immagini aeree può aiutare a monitorare le condizioni del raccolto e del suolo. (Immagine per gentile concessione di PrecisionHawk)

I droni agricoli non sono limitati alla raccolta dei dati. I droni multirotore possono trasportare carichi di 10, 20 kg e più e offrono numerosi vantaggi rispetto all'irrorazione di prodotti per mezzo di trattori o aerei leggeri. La formazione di un pilota di droni è più semplice e veloce di quella necessaria per pilotare un vero aereo e il veicolo stesso è meno costoso sia come acquisto che in termini di esercizio. Rispetto all'impiego di un trattore, un drone per l'irrorazione delle coltivazioni può essere più veloce ed evitare danni alle piante. Inoltre il volo non viene interrotto anche se piogge recenti hanno allagato i campi.

La tecnologia dei droni al servizio dell'agricoltura di precisione

Il mercato dei droni nell'agricoltura di precisione è giovane e in evoluzione; le norme inoltre sono ancora ben lontane da una forma definitiva. Al momento negli Stati Uniti, il volo di UAV commerciali è proibito, sebbene la US Federal Aviation Authority (FAA) può rilasciare permessi in singoli casi.

Per quanto riguarda la tecnologia UAV, un velivolo idoneo richiede un motore base e i controlli di volo, sensori, telemetria e per l'irrorazione un sistema appropriato costituito da elettrovalvole e sensore di livello del liquido. È stato proposto anche un sistema anticollisione basato su radar.

Per la raccolta dati, sensori iperspettrali e leggeri possono dire agli agricoltori molto più di quanto potrebbe fare una semplice videocamera che lavora nello spettro visibile. I sensori iperspettrali traggono origine nel mondo della tecnologia spettroscopica, inizialmente installata sui satelliti. Acquisiscono dati a lunghezze d'onda nello spettro non visibile usando rilevatori a matrice, ciascuno tarato per uno stretto range come nell'infrarosso molto vicino (VNIR, da 380 - 1000 nm), nell'infrarosso vicino (NIR, 900 - 1700 nm) o nell'infrarosso a onde corte (SWIR, 950 - 2500 nm). Le segnature chimiche delle malattie delle colture e di altre infestazioni possono essere osservate più facilmente in queste lunghezze d'onda rispetto alla visione nello spettro visibile. I sensori iperspettrali, dai prezzi accessibili, stanno oggi entrando nel mercato grazie alle loro caratteristiche di bassa distorsione, ampio campo visivo ed elaborazione interna per rimuovere il rumore e assicurare l'accuratezza dell'immagine acquisita.

Portarli in volo

I droni destinati all'agricoltura di precisione sono di diversi tipi: dai piccoli aerei ad ala fissa alle piattaforme tipo quadricotteri o multirotori. I droni destinati all'irrorazione delle coltivazioni possono avere sei o più rotori per garantire una capacità di sollevamento idonea al carico da trasportare.

I motori c.c. per il pilotaggio dei rotori di sollevamento di UAV come i droni tendono ad essere di tipo a spazzole o brushless (BLDC). I veicoli più piccoli possono utilizzare motori a spazzole leggeri e semplici, ma per una maggiore affidabilità e un minor rumore elettromagnetico sarebbe meglio utilizzare i BLDC, in particolare negli UAV di misura maggiore.

Nel cuore del velivolo risiede un controller di volo per gestire la navigazione e i motori per ottenere la spinta necessaria al sostentamento, mantenere l'altezza e la direzione durante il volo. La navigazione basata su GPS e sensori MEMS leggeri e miniaturizzati come gli accelerometri a 3 assi, i giroscopi a 3 assi e i sensori di pressione barometrica, permettono un posizionamento preciso, il controllo del movimento e la conoscenza dell'altitudine. Per quanto riguarda la stabilità di volo, i controller di volo degli odierni droni condividono parte del loro DNA con i controller per elicotteri che gestiscono la spinta del rotore di coda per evitare che il velivolo ruoti sul suo asse. Nei controller dei droni, la misurazione inerziale basata sulla fusione di sensori MEMS coordina la regolazione della velocità dei singoli motori per tenere fissa la direzione del velivolo.

Nell'agricoltura di precisione, la vera potenza del controller di volo si manifesta nell'interfaccia utente e nelle funzioni offerte per aiutare a definire il percorso di volo del drone. Un agricoltore ha bisogno di stabilire con esattezza dove il drone deve volare per acquisire una serie di immagini completa di un dato campo, o deve avere la certezza che la copertura dell'irrorazione sia completa con sovrapposizioni minime, veloce e con impegno limitato.

Accelerare lo sviluppo del controllo motori

Per semplificare lo sviluppo di comandi per i motori, sono disponibili numerosi kit di valutazione di vari produttori. Gli algoritmi di controllo come il controllo a orientamento di campo (FOC) che usano sensori Hall o la misurazione di f.e.m. di ritorno per il rilevamento della posizione del rotore sono normalmente disponibili gratuitamente. Possono aiutare i tecnici a mettere in campo diversi tipi di motore in tempi rapidi grazie a software di esempio utilizzabile come base di partenza per lo sviluppo dell'applicazione.

Tuttavia, anche con l'aiuto di questi kit, gli ingegneri devono avere una certa esperienza nei progetti che includono motori, per poter ottenere un controllo preciso di velocità e coppia. Le sfide risiedono nella realizzazione di un software idoneo per il motore scelto e quindi nella regolazione fine dei parametri per ottimizzare la risposta ai comandi di velocità e coppia. Occorre individuare la costante di tensione del motore (Ke), il coefficiente di attrito e il momento di inerzia. Se il controller deve fare affidamento sulla misurazione della f.e.m. di ritorno, occorre mettere in atto l'osservazione dello stato senza sensori e la regolazione della velocità. Di recente, fornitori come TI e STMicroelectronics hanno semplificato la caratterizzazione e la regolazione dei motori, consentendo agli sviluppatori di pilotare il motore senza prima dover familiarizzare con le sue caratteristiche. I due produttori hanno adottato approcci leggermente diversi.

ST ha inserito la funzionalità di identificazione e regolazione del motore all'interno del suo ambiente di sviluppo del controllo motori MC Workbench (Figura 2). Il profilatore del motore rileva automaticamente i parametri del motore stesso usando test statici a circuito aperto e chiuso, ognuno dei quali richiede pochi secondi. Gli altri parametri che descrivono lo stadio di potenza, il driver e lo stadio di controllo vengono immessi tramite la GUI di MC Workbench. Viene quindi generato e compilato il progetto che consentirà di far girare il motore e controllarlo. La funzione di regolazione one touch di MC Workbench offre poi un modo diretto per regolare le impostazioni e ottenere fluidità nel controllo di velocità e coppia.

Figura 2: Impostazioni di MC Workbench di ST. Uno strumento di profilatura di motori acquisisce i parametri non conosciuti del motore.

L'implementazione di questa funzione in MC Workbench permette agli sviluppatori di scegliere tra vari microcontroller ad esempio nell'ampia selezione di MCU STM32 e usare l'ecosistema STM32 per creare una piattaforma di sviluppo a basso costo. Con un approccio diverso, ST ha recentemente sviluppato STSPIN32F0. Integra un completo microcontroller STM32F0 nello stesso package di un gate driver trifase a semiponte, è dotato di protezione da sovratensione/sovracorrente/sovratemperatura e di una serie di amplificatori per la decodifica di sensori Hall. La scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201, usata con la libreria di controllo motori STSW-STM32100, combina il CI STSPIN32F0 con funzioni di gestione dell'alimentazione. Un esempio di firmware, STSW-SPIN3201, può essere scaricato e utilizzato in abbinamento con MC Workbench per pilotare rapidamente un motore e iniziare lo sviluppo.

L'approccio di TI è basato sull'integrazione della soluzione software InstaSPIN™-MOTION nella ROM di microcontroller come i dispositivi della serie C2000 Piccolo™, ad esempio TMS320F28069M. InstaSPIN-MOTION include il sensore di flusso rotore basato su software di TI FAST™ (Flux, Angle, Speed, Torque, flusso, angolo, velocità e coppia). Ha anche componenti per la profilatura del motore, regolazione di singoli parametri e reiezione del disturbo per identificare il tipo di motore (Figura 3).

Figura 3: InstaSPIN-MOTION di TI usa il firmware integrato nel microcontroller per caratterizzare il motore.

Gli sviluppatori possono applicare le funzioni di InstaSPIN-MOTION tramite l'ambiente software MotorWare™ di TI. DRV8312-69M-KIT combina una scheda di controllo contenente un TMS320F28069M e una scheda base per modulo di alimentazione contenente un CI DRV8312, che è un inverter trifase integrato dotato dei circuiti per il pilotaggio di un motore c.c. brushless. Viene anche fornito un motore da 55 W.

Conclusione

L'agricoltura di precisione rappresenta una grande opportunità per la tecnologia dei droni. L'imperativo di ottimizzare la produzione in maniera economicamente efficiente aiuterà il settore a prosperare. La chiave del successo risiede nel software per semplificare la programmazione del volo e per interpretare i dati acquisiti, oltre alla possibilità di sfruttare l'esperienza di controllo dei motori già esistente per creare rapidamente una struttura stabile e controllabile.