Cosa sono i droni e come funzionano? Guida alla tecnologia degli UAV

Quando parliamo di drone, ormai tutti abbiamo abbastanza chiaro di cosa stiamo parlando: un velivolo che si alza in aria, può essere controllato a distanza e, nella maggior parte dei casi, porta con sé una fotocamera. In realtà, dietro quella che può sembrare una macchina piuttosto semplice c’è una tecnologia decisamente più complessa. Un drone moderno è il risultato dell’integrazione tra elettronica, meccanica, sistemi di navigazione, sensori e software che devono lavorare insieme in tempo reale.

E proprio per questo, prima di parlare di normative, classi, attestati o di quale drone acquistare, secondo me vale la pena partire dalla domanda più semplice: che cos’è davvero un drone e come fa a volare?

Differenza tra UAV e UAS

La parola “drone” viene utilizzata comunemente per indicare un aeromobile senza pilota a bordo, controllato da remoto oppure capace di svolgere determinate funzioni in maniera autonoma. In ambito tecnico e aeronautico si incontrano invece soprattutto le sigle UAV e UAS. UAV significa Unmanned Aerial Vehicle, cioè aeromobile senza equipaggio, mentre UAS, Unmanned Aircraft System, identifica un concetto più ampio che comprende non soltanto il velivolo, ma anche i sistemi necessari per controllarlo e farlo funzionare.
EASA, l’Agenzia dell’Unione europea per la sicurezza aerea, distingue infatti l’Unmanned Aircraft (UA) dal sistema complessivo UAS, che comprende anche il sistema di controllo e il collegamento di comunicazione tra il pilota e l’aeromobile. Questa distinzione è interessante perché ci fa capire una cosa: il drone che vediamo volare è soltanto una parte di un sistema molto più articolato.

Quando utilizzo il termine drone in questo articolo, quindi, mi riferisco al velivolo vero e proprio, mentre quando parleremo di UAS considereremo l’intero sistema.

Come fa a volare un drone?

La prima cosa che colpisce quando si osserva un drone è la sua capacità di rimanere fermo in aria, quello che sembra quasi un comportamento naturale è in realtà il risultato di migliaia di correzioni effettuate continuamente dall’elettronica di bordo. Prendiamo come esempio il classico quadricottero, probabilmente la configurazione più conosciuta tra i droni consumer e professionali, il principio è relativamente semplice: quattro motori fanno girare quattro eliche che generano la spinta necessaria a sollevare il drone da terra, aumentando o diminuendo la velocità di rotazione dei motori il sistema può controllare la quantità di spinta prodotta e quindi modificare il movimento del velivolo.

Ma il drone non deve soltanto salire e scendere, deve poter avanzare, arretrare, spostarsi lateralmente e ruotare sul proprio asse. Per farlo, i motori non lavorano tutti nello stesso modo, il flight controller, infatti, modifica continuamente la velocità di rotazione delle singole eliche, creando le differenze di spinta necessarie per ottenere il movimento desiderato.
Ed è qui che entra in gioco una delle componenti più importanti dell’intero drone: il flight controller.

Il flight controller, detto anche centralina, può essere considerato il cervello del drone e si tratta di una scheda elettronica che riceve continuamente informazioni dai sensori e dai sistemi di navigazione e, sulla base di questi dati, impartisce ai motori le correzioni necessarie per mantenere il drone stabile e seguire i comandi del pilota. Quando muovo lo stick del radiocomando per far avanzare il drone, quindi, non sto semplicemente dicendo ai motori di girare più forte, Ii comando viene difaatti interpretato dal sistema e trasformato in una serie di regolazioni coordinate.

Il flight controller deve inoltre compensare continuamente gli effetti del vento, le piccole variazioni di assetto e tutti quei movimenti che potrebbero rendere instabile il volo. È una delle ragioni per cui pilotare un drone moderno è molto diverso dal pilotare un semplice aeromodello radiocomandato di qualche decennio fa.

I motori sono naturalmente fondamentali perché sono loro a trasformare l’energia elettrica della batteria in movimento. Nei droni moderni vengono generalmente utilizzati motori elettrici brushless, particolarmente adatti a questo tipo di applicazione perché sono efficienti, compatti e capaci di lavorare a regimi di rotazione elevati. A ogni motore corrisponde un’elica, anche se la configurazione cambia a seconda del tipo di drone. Nei quadricotteri troviamo quattro motori, negli esacotteri sei e negli ottocotteri otto.
Le eliche non sono tutte necessariamente identiche: nei quadricotteri, per esempio, vengono utilizzate coppie di eliche con senso di rotazione opposto. Questo permette di compensare la coppia generata dalla rotazione dei motori e di mantenere stabile il drone. È un dettaglio che spesso passa inosservato, ma senza questo equilibrio un quadricottero non potrebbe mantenere correttamente il proprio assetto.

GPS e sistemi di posizionamento

Un’altra tecnologia che ha cambiato radicalmente il modo di utilizzare i droni è il posizionamento satellitare. Quando parliamo di GPS, in realtà stiamo semplificando: i moderni droni possono utilizzare più sistemi satellitari di navigazione, consentendo al velivolo di conoscere con grande precisione la propria posizione. Questo permette, tra le altre cose, di mantenere la posizione in volo e di effettuare movimenti molto più precisi.

Pensiamo alla classica situazione in cui un drone rimane apparentemente immobile a diversi metri dal suolo. Il pilota non sta continuamente correggendo manualmente la posizione per evitare che il drone si sposti di qualche metro. Sono i sistemi di bordo che rilevano le variazioni e intervengono continuamente per compensarle.
Il GPS, però, non è l’unico sistema che permette al drone di capire dove si trova.

I sensori: gli occhi e gli strumenti del drone

I droni più evoluti sono dotati di numerosi sensori che permettono di raccogliere informazioni sull’ambiente circostante e sul comportamento del velivolo, a seconda del modello possiamo trovare sensori ottici, sistemi di rilevamento degli ostacoli, barometri, accelerometri, giroscopi e altri strumenti utilizzati per determinare posizione, movimento e assetto. I giroscopi, per esempio, permettono di rilevare le variazioni di rotazione del drone, mentre gli accelerometri misurano le accelerazioni sui diversi assi.
Il barometro viene invece utilizzato per ottenere informazioni sulla pressione atmosferica e contribuire alla stima dell’altitudine.

Nei droni dotati di sistemi avanzati di rilevamento degli ostacoli, le informazioni provenienti da telecamere e altri sensori vengono inoltre elaborate dal software per individuare ciò che si trova lungo la traiettoria del velivolo. Questa tecnologia è diventata particolarmente importante nei droni destinati alla fotografia e al video, perché consente al pilota di concentrarsi maggiormente sull’inquadratura e sul movimento che vuole realizzare.

Radiocomando e trasmissione: come comunico con il drone

Se il drone è in aria a centinaia di metri da noi, come facciamo a controllarlo? La risposta è nel sistema di comunicazione tra radiocomando e drone: il pilota impartisce i comandi attraverso gli stick e gli altri controlli presenti sul radiocomando. Queste informazioni vengono trasmesse al drone, che le interpreta attraverso la propria elettronica di bordo.
Contemporaneamente, il drone può inviare al radiocomando una grande quantità di informazioni: posizione, quota, velocità, livello della batteria, stato dei sensori e, soprattutto nel caso dei droni dotati di fotocamera, il live view dell’immagine che la camera sta inquadrando.

È questo collegamento bidirezionale a permetterci di pilotare il drone guardando sullo schermo del radiocomando ciò che la fotocamera sta riprendendo. Naturalmente, la qualità e la tecnologia del sistema di trasmissione cambiano molto da un modello all’altro e rappresentano uno degli aspetti da valutare quando si sceglie un drone.

La fotocamera e il gimbal

Arriviamo alla parte che probabilmente interessa maggiormente chi utilizza un drone per creare contenuti: la fotocamera. Non tutti i droni sono nati per realizzare fotografie e video professionali, alcuni sono progettati principalmente per il volo, altri per il divertimento, altri ancora hanno sistemi fotografici molto avanzati.

Nei droni destinati alla produzione di immagini, la fotocamera è generalmente montata su un gimbal, cioè uno stabilizzatore meccanico che permette di compensare i movimenti del drone. Il drone può inclinarsi, accelerare, rallentare o essere colpito dal vento, mentre il gimbal cerca di mantenere la fotocamera stabile e l’inquadratura fluida.
È anche grazie al gimbal che possiamo ottenere quei movimenti cinematografici che ormai associamo immediatamente alle riprese con drone.

La qualità finale, però, non dipende soltanto dal numero di megapixel o dalla risoluzione massima dichiarata. Sensore, ottica, gamma dinamica, gestione del rumore, codec, profili colore e capacità di registrazione possono fare una differenza enorme nel risultato finale.

Batteria e autonomia

C’è poi un elemento che condiziona inevitabilmente ogni volo: la batteria. La maggior parte dei droni moderni utilizza batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio, progettate per fornire una quantità elevata di energia mantenendo un peso contenuto.
Il rapporto tra peso della batteria, potenza dei motori, dimensioni del drone e condizioni ambientali determina in buona parte l’autonomia effettiva.

Ed è proprio per questo che il dato dichiarato dal produttore non dovrebbe essere interpretato come il tempo che avremo necessariamente a disposizione durante una ripresa reale. Vento, temperatura, velocità di volo, modalità utilizzata e altri fattori possono incidere sull’autonomia. Chi utilizza un drone per lavoro impara abbastanza presto che le batterie sono parte integrante dell’attrezzatura.

Droni: piccoli computer volanti

Alla fine, forse, il modo più semplice per descrivere un drone moderno è proprio questo: un piccolo computer volante. Abbiamo motori ed eliche per generare la spinta, sensori che raccolgono informazioni, sistemi satellitari che aiutano a determinare la posizione, un flight controller che elabora i dati, software che gestisce il comportamento del velivolo, un sistema di comunicazione che collega drone e pilota e, quando presente, una fotocamera stabilizzata capace di produrre immagini di qualità sempre maggiore.
Tutto questo avviene mentre il drone è in aria e deve reagire in tempo reale a ciò che accade intorno a lui.

Ed è probabilmente questa la parte che trovo più affascinante della tecnologia dei droni: dietro un oggetto che vediamo semplicemente volare c’è una quantità enorme di tecnologia che lavora continuamente senza che ce ne accorgiamo. Naturalmente, sapere come funziona un drone è soltanto il primo passo, una cosa è capire la tecnologia che permette a un quadricottero di volare, un’altra è sapere quali droni esistono, come vengono classificati e quali caratteristiche distinguono un modello dall’altro.

Nel prossimo articolo entreremo nel mondo dei tipi di drone e delle marcature di classe (C0, C1, C2, C3 e C4), mettendo a confronto anche alcuni modelli concreti di DJI, Potensic, HOVERAir e altri produttori, perché prima di scegliere un drone, secondo me, è importante capire che cosa stiamo realmente comprando.