di Paolo Fontana* | L’evoluzione degli UAV (Unmanned Aerial Vehicles) ha trasformato radicalmente il ruolo della sensoristica di bordo.
Oggi stabilità, navigazione e autonomia dipendono sempre più dalla qualità dei dati acquisiti piuttosto che dalla sola piattaforma di volo. Accelerazioni, rotazioni, quota e posizione devono essere misurate in modo continuo e affidabile per consentire agli algoritmi di controllo di mantenere assetto e traiettoria anche in condizioni operative complesse.
L’esperienza applicativa maturata da Acal BFi nel supporto ai progettisti mostra come la selezione dei sensori debba partire dall’architettura del drone e non esclusivamente dalle specifiche nominali.
Architettura sensoriale di un UAV
Le principali grandezze fisiche richieste al sistema di controllo volo sono:
- accelerazioni lineari
- velocità angolari
- orientamento nello spazio
- quota e variazioni di pressione
- posizione assoluta e velocità rispetto al suolo
Queste informazioni derivano dalla fusione dati di differenti famiglie di sensori:
- accelerometri Mems
- giroscopi Mems
- unità inerziali
- sensori di pressione barometrica o differenziale
- ricevitori Gnss multi-costellazione
Il valore reale non risiede nel singolo componente ma nella coerenza dell’ecosistema di misura.
Droni di piccole dimensioni: integrazione e reattività
Nei piccoli UAV multirotore prosumer i vincoli principali sono peso, consumo energetico e integrazione elettronica. I sensori devono offrire risposta rapida e dimensioni compatte senza penalizzare la stabilità del volo.
Accelerometri e giroscopi
Gli accelerometri Mems forniscono il riferimento gravitazionale necessario alla stabilizzazione, mentre i giroscopi misurano le velocità angolari per i loop di controllo ad alta frequenza. In questa classe di droni diventano critici:
- rumore alle alte frequenze
- comportamento termico
- sensibilità alle vibrazioni dei motori
Prestazioni nominali elevate possono risultare inefficaci se non accompagnate da un corretto isolamento meccanico e filtraggio software.
Imu integrate
Le Imu (unità inerziali) rappresentano la soluzione più diffusa grazie all’elevato livello di integrazione. La priorità non è la precisione assoluta, ma la coerenza dinamica delle misure e la bassa latenza, elementi fondamentali per mantenere stabilità durante manovre rapide o raffiche di vento.
Sensori di pressione e Gnss
Il sensore barometrico consente una stima fine della quota relativa, utile per hovering e mantenimento automatico dell’altezza. Parallelamente, i moduli Gnss multi-costellazione forniscono posizione e velocità rispetto al suolo, operando quasi sempre in fusione con l’Imu per compensare temporanee perdite di segnale.
UAV di grandi dimensioni
Nei droni industriali o a lunga autonomia il paradigma cambia: l’obiettivo principale diventa l’affidabilità nel tempo.
Sensori inerziali ad alte prestazioni
Accelerometri e giroscopi devono garantire stabilità del bias e rumore estremamente ridotto per limitare l’errore cumulativo durante la navigazione inerziale. La deriva nel lungo periodo diventa infatti il parametro più critico, specialmente in condizioni di perdita Gnss (che può essere dovuto anche a jamming).
Imu e navigazione inerziale
Le Imu assumono il ruolo centrale nel flight control. È frequente l’impiego di architetture ridondate con unità primarie e secondarie confrontate continuamente per rilevare anomalie e garantire continuità operativa.
Sensori di pressione e velocità dell’aria
Oltre alla misura barometrica della quota, i sensori di pressione differenziale vengono utilizzati come velocimetri aerodinamici. La misura accurata dell’air speed permette di ottimizzare il consumo energetico e migliorare la sicurezza nelle fasi critiche di volo.
Gnss avanzato e sensor fusion
Nei grandi UAV il Gnss diventa parte integrante del sistema di navigazione inerziale. L’integrazione stretta con le Imu consente operatività anche in scenari Gnss degradati o intermittenti.
L’importanza dell’approccio applicativo
Nella pratica progettuale UAV, vibrazioni, gradienti termici e interferenze elettromagnetiche influenzano fortemente il comportamento reale dei sensori. L’approccio applicativo sviluppato da Acal BFi permette ai progettisti di affrontare la progettazione sensoriale come un sistema completo, riducendo rischi di integrazione e tempi di sviluppo.
Da Acal BFi un’offerta completa
Acal BFi nel suo portfolio presenta una gamma di accelerometri Mems, con tecnologia capacitiva o termica, di grado industriale o tattico, così come giroscopi e Imu. Può inoltre proporre trasduttori di pressione ad altissime prestazioni e ricevitori Gnss multibanda, anche con funzione Rtk. Grazie alla collaborazione con produttori leader fornisce un servizio consulenziale, sia per applicazioni industriale che per difesa.
* Paolo Fontana è Sales Manager Sensors, Communication di Acal BFi
