Sigma Ingegneria

Studio sul drone HORUS: nuova tesi in Sigma

Un altro percorso di tesi magistrale , svolto in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale (sezione di Ingegneria Aerospaziale) dell’Università di Pisa, concluso con il massimo dei voti.  Caterina Rugi è la giovane tesista neo-laureata e il suo elaborato finale riguarda l’analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) sul drone HORUS.

tesi_drone_horus

Grazie al lavoro di Caterina, è stato possibile approfondire lo studio sul comportamento del drone HORUS in presenza di raffiche di vento, valutando allo stesso tempo l’effetto della presenza di un angolo di diedro tra le coppie di eliche.

L’obiettivo complessivo è stato quello di individuare una configurazione ottimale del drone, che permettesse di ottenere la maggiore spinta verticale e la massima autonomia di missione, oltre che la maggiore controllabilità del velivolo in presenza di vento. Nell’ambito del percorso di tesi presso la nostra azienda, si sono effettuate, attraverso simulazioni di fluidodinamica computazionale, anche valutazioni sulle prestazioni del drone in hovering (ovvero quando si trova fermo in aria), sia in condizioni di quiete che in presenza di raffiche.

Il drone HORUS

È ormai noto che negli ultimi anni il range di utilizzo dei velivoli UAV (Unmanned Aerial Vehicle) più comunemente detti droni, si è notevolmente ampliato, grazie anche a un grande sviluppo della sensoristica di cui possono equipaggiarsi.  Nei nostri progetti, questi strumenti sono impiegati nell’acquisizione di dati e immagini per vari scopi: raccolta informazioni per l’agricoltura di precisione, monitoraggio di impianti industriali o con fini specifici di ricerca.

Tra i metodi di classificazione di questi velivoli, ricordiamo la distinzione tra ala fissa e ala rotante. Questi ultimi, detti anche rotocraft, utilizzano rotori con pale dal profilo aerodinamico, le eliche, che forniscono portanza ed offrono funzionalità avanzate come il decollo e l’atterraggio verticale (VTOL, Vertical Take Off and Landing).  HORUS, appartiene a questa categoria ed è costituito da quattro coppie di eliche controrotanti collegate al corpo del velivolo attraverso quattro bracci. Per le applicazioni nelle quali HORUS è impiegato, è richiesta una buona capacità di carico utile e una maggiore robustezza ai disturbi esterni; questo lavoro di tesi nasce proprio per rispondere a questa esigenza.

Horus analisi CFD

Negli ultimi anni HORUS è stato infatti adoperato in due progetti di ricerca e sviluppo come SENTINEL per il monitoraggio degli impianti industriali e il progetto M.A.R.T.A (MultipiattAforma smaRt drifTer per indagini mArine), per lo studio delle correnti marine e il rilevamento in mare di eventuali microplastiche.

Lo studio su HORUS e l’angolo diedro

Analisi CFD di un drone multirotore: studio sull’angolo diedro ed effetto suolo“: questo è il titolo dell’elaborato di Caterina, che si pone in continuità con uno studio di fluidodinamica precedente e va a caratterizzare nel dettaglio il comportamento di HORUS in presenza di raffiche in regime di hovering – ovvero quella condizione per la quale il drone staziona in aria con velocità nulla e quota costante – e in condizione di atterraggio, implementando un angolo diedro tra le coppie di eliche per aumentarne la stabilità.

Quest’angolo è stato ottenuto inclinando il piano di rotazione delle eliche e i motori sottostanti verso il centro del drone. Grazie alla presenza dell’angolo diedro, il sistema di controllo feedback agisce in maniera più limitata sulla potenza dei motori per correggere la posizione del drone, consentendo un risparmio di batteria e quindi una maggiore autonomia.

Partendo da una configurazione del drone in cui la spinta prodotta dalle eliche era stata ottimizzata (andando a variare la distanza verticale tra di esse e l’angolo di calettamento delle quattro eliche inferiori), le nuove valutazioni sono state effettuate con i seguenti parametri:

  • angolo di calettamento delle eliche inferiori β= 5°
  • distanza verticale tra le eliche S= 180 mm
  • angolo diedro δ = 5°, per lo studio della stabilità del drone e tale per cui le eliche non entrino in contatto con i braccetti durante la rotazione.
  • distanza dal suolo H = 500 mm, per studiare il comportamento del drone in fase di atterraggio. Il piano è stato posto ad una tale distanza in modo da apprezzare al meglio l’interazione della scia del drone con il suolo.
analisi CFD parametri
In ordine da sinistra a destra i parametri utilizzati per i test di simulazione fluidodinamica: angolo di calettamento β, distanza verticale tra le eliche S, angolo diedro δ e distanza dal suolo H.

Dall’analisi alle conclusioni

Dati i parametri sopra indicati e partendo dall’obiettivo iniziale, che era quello di poter ridurre il consumo di batteria del drone HORUS, grazie alla variazione della sua geometria, si è valutato attraverso vari test l’effetto che l’angolo diedro δ apportava alla controllabilità del drone in fase di hovering.

Dalle simulazioni eseguite da Caterina, risulta che il calettamento β=5° ottimizzato nel lavoro precedente alla sua tesi consente di guadagnare il 27% di spinta totale, mentre la presenza dell’angolo diedro non va a modificare sensibilmente la spinta delle eliche.

Nei test effettuati con l’obiettivo di ottenere la generazione di un movimento contrario rispetto a quello indotto da un’eventuale instabilità, data per esempio da una raffica di vento, non si sono riscontrate differenze sostanziali nella forza totale sviluppata dal drone per riportarsi nella posizione orizzontale, nei casi di variazione dell’angolo δ= 0°-5°.

In conclusione, per il modello utilizzato (HORUS dotato di payload e con corpo centrale e braccetti modificati) si è validato, grazie all’analisi CFD, che l’angolo diedro non rappresenta un parametro influente per i casi studiati.
Uno sviluppo futuro potrebbe riguardare il progetto di un’elica modificata ad hoc inferiore, con angolo di calettamento β variabile in apertura.


Congratulazioni Caterina per il tuo lavoro e in bocca al lupo per il futuro!