Droni: favorire l’economia a bassa quota e la crescita nazionale
06 Jun 2024
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Sviluppo Storico dei Droni
Lo sviluppo dei droni iniziò poco dopo la fine della prima guerra mondiale. Dopo la seconda guerra mondiale, molte potenze militari in tutto il mondo convertirono in modo indipendente vari aerei da combattimento in disuso in droni bersaglio, un'azione che diede inizio allo sviluppo moderno dei droni. Con i progressi nella tecnologia elettronica, i droni hanno dimostrato sempre più la loro superiorità nelle missioni di ricognizione. Ad esempio, durante la guerra del Vietnam, l’esercito americano utilizzava spesso i droni per esplorare obiettivi di alto valore o fortemente difesi sul campo di battaglia.
Recenti sviluppi del settore
La "8a conferenza mondiale sui droni del 2024 e l'Expo internazionale dell'economia a bassa quota e dei sistemi senza pilota / 9a mostra internazionale dei droni a Shenzhen / Mostra sulla tecnologia della guida autonoma e dei veicoli senza pilota", dal tema "Economia a bassa quota, il futuro è qui", si è conclusa con successo al fine maggio a Shenzhen, la capitale dei droni. Alla conferenza hanno partecipato oltre 10.000 esperti del settore, studiosi e imprenditori provenienti da più di 110 paesi e regioni. L'evento prevedeva oltre 30 forum paralleli e più di 60 incontri di scambio di prodotti e tecnologie, riguardanti temi quali i droni e l'economia a bassa quota, il trasporto digitale a bassa quota, i servizi di volo a bassa quota, l'innovazione e l'applicazione della tecnologia eVTOL, i trasporti a bassa quota apertura e gestione dello spazio aereo, droni di emergenza logistica, robot IA, veicoli aerei senza pilota con equipaggio, auto volanti a bassa quota, veicoli senza pilota a bassa velocità e sistemi acquatici senza pilota.
Attualmente, l’industria dei droni è anche un nuovo settore high-tech che coinvolge numerosi campi, dalla ricerca e sviluppo di prodotti, produzione e fabbricazione, all’uso industriale, alla gestione e ai servizi. La catena industriale abbraccia molte aree ad alta tecnologia. L’upstream comprende principalmente nuovi materiali come materiali compositi per corpi di droni, attrezzature per il trasporto di armi, sistemi di controllo, dispositivi di lancio e recupero e altri componenti. I mercati a valle sono principalmente militari e civili, con un focus sulle applicazioni militari, ma comprendono anche ricerca scientifica, agricoltura, energia, trasporti, meteorologia e molti altri settori. Anche nel settore civile esiste un vasto potenziale di sviluppo.
Che si tratti della collaborazione tra DoorDash e Wing sui servizi di consegna con droni in Virginia, dello spettacolo di luci con droni di Lego che mostra i progetti di veicoli spaziali per bambini, del piano del Regno Unito di costruire una "superautostrada" con droni o dell'iniziativa di Aerodome di utilizzare i droni per la risposta alle emergenze sulla scena del crimine, tutti questi esempi dimostrano la applicazione sempre più diffusa dei droni in vari ambiti. Persino un brutale scontro tra due paesi del Medio Oriente nel 2020 ha evidenziato il ruolo significativo dei droni, poiché innumerevoli spettatori hanno capito attraverso vari resoconti di piattaforme che l’essenza dello sviluppo futuro risiede nei droni: coloro che controllano i droni domineranno! Si prevede che i prossimi 10-20 anni saranno un periodo d’oro per lo sviluppo dei droni, con una domanda di mercato in espansione e continui progressi nell’alta tecnologia, che offriranno un immenso potenziale di crescita.
Introduzione ai componenti hardware e alla struttura del drone
1. CorniceIl telaio è lo scheletro del drone, supportando tutti i componenti elettronici. Come mostrato nell'immagine, tutti i componenti elettronici sono fissati al telaio per funzionare correttamente. La dimensione del telaio si distingue per l'interasse, con telai più grandi che richiedono motori più potenti ed eliche più grandi; in caso contrario il drone non potrà decollare. Attualmente i telai sono realizzati principalmente in plastica e fibra di carbonio. La fibra di carbonio ha proprietà meccaniche migliori ma è più costosa.
2. Eliche
Le eliche sono modelli specifici e, secondo i principi fisici, l'inerzia rotazionale dell'elica (rispetto all'asse di rotazione) è approssimativamente proporzionale alla quinta potenza del raggio. Pertanto, le eliche più grandi rispondono più lentamente e sono meno in grado di cambiare il loro stato di movimento (cioè la velocità di rotazione). Le eliche sono disponibili anche nelle versioni in senso orario e antiorario. Quando una singola elica è azionata dal motore, genera una forza che fa ruotare orizzontalmente il drone lungo l’asse centrale. Per contrastare questo problema, è necessario impostare eliche diverse in modo che ruotino in direzioni diverse; altrimenti, un drone multirotore ruoterebbe continuamente dopo il decollo. Tuttavia, in base a questo principio, la velocità di rotazione può essere utilizzata per controllare il movimento di imbardata del drone. Generalmente, le eliche più piccole con velocità di rotazione elevate contribuiscono ad aumentare la stabilità, consentendo al drone di volare in modo più stabile, ma ciò va a scapito di una minore durata.
3. Motori
I motori utilizzati nei droni sono motori brushless trifase specializzati. Questi motori hanno tre terminali (senza polarità positiva o negativa, consentendo la rotazione inversa scambiando due terminali qualsiasi). Ruotano in una direzione, hanno un'elevata potenza, un basso attrito e possono fornire una portanza significativa.
Il valore KV del motore indica il numero di giri al minuto (RPM) che il motore farà per volt quando è scarico. Ad esempio, un motore da 400 KV significa che a 1 V il motore girerà 400 volte al minuto senza alcun carico.
I motori brushless della stessa serie e dimensioni fisiche presenteranno caratteristiche KV diverse a seconda del numero di spire dell'avvolgimento. I motori con più spire di avvolgimento hanno un valore KV inferiore, con conseguente corrente di uscita massima inferiore e coppia più elevata. Al contrario, i motori con meno spire di avvolgimento hanno un valore KV più elevato, con conseguente corrente di uscita massima più elevata e coppia inferiore.
Tuttavia, un valore KV più elevato non significa sempre prestazioni migliori. A parità di potenza, un valore KV più alto significa che il motore fornisce una coppia inferiore. Pertanto, i motori con KV elevato sono accoppiati con eliche più piccole, mentre i motori con KV basso sono accoppiati con eliche più grandi. Ad esempio, un motore da 380 KV utilizza tipicamente un'elica da 16 pollici di diametro, mentre un motore da 980 KV utilizza un'elica da 10 pollici di diametro. Anche i motori KV più elevati possono essere dotati di piccole eliche da 6 pollici o 4 pollici o utilizzati come ventilatori intubati (utilizzati negli aerei ad ala fissa, come gli aerei da combattimento, per la propulsione posteriore).
4. Controllori di Velocità Elettronici (ESC)
I regolatori elettronici di velocità (ESC) sono dispositivi elettronici che ricevono segnali di controllo PWM e regolano la velocità dei motori. Possono accettare segnali PWM da un controller di volo Pixhawk o da un ricevitore di segnali e quindi controllare la rotazione del motore. Attualmente, i droni multirotore utilizzano comunemente il marchio Hobbywing, con i modelli Letai progettati specificamente per l'uso multirotore.
Come mostrato nell'immagine, l'ESC ha tre tipi di fili. I tre connettori circolari neri (noti come connettori a banana, come mostrato nella seconda immagine sopra) si collegano al motore brushless senza riguardo alla polarità; invertendo due collegamenti qualsiasi si invertirà il senso di rotazione del motore. I fili lunghi e spessi neri e rossi si collegano all'alimentatore, con il filo nero collegato a terra (negativo) e il filo rosso a Vcc (positivo). È fondamentale non invertire questi collegamenti, poiché ciò danneggerebbe l'ESC quando viene applicata l'alimentazione.
Infine, i fili bianchi e neri intrecciati sono i fili di segnale, che ricevono segnali di controllo e regolano la corrente. Il filo nero è la terra e il filo bianco è la linea del segnale, che si collega al ricevitore del segnale o all'estremità di uscita del controllore di volo.
5. Sensore di Corrente
Un sensore di corrente non è solo un dispositivo che visualizza il valore corrente; è un modulo che fornisce alimentazione al controllore di volo. Si collega a batterie al litio ad alta tensione ed emette una tensione stabile per azionare il controllore di volo. Il sensore di corrente per il Pixhawk 4 (come mostrato nell'immagine) integra ancora più funzioni, fungendo da hub per fornire energia agli ESC (agendo come una scheda di distribuzione dell'energia) e come scheda adattatore per il controllore di volo (estendendo più pin dal controllore di volo per ridurne le dimensioni).
6. Batteria
La batteria è la fonte di alimentazione del drone, appositamente progettata per un'elevata potenza di scarica ed efficienza. "1S" indica una singola cella della batteria al litio in serie (i droni utilizzano batterie al litio collegate in serie). Ad esempio, una batteria 3S è composta da tre celle al litio in serie. Più grande è il drone, maggiore è la tensione richiesta. Ad esempio, un drone di dimensioni 450 utilizza in genere una batteria al litio 3S o 4S, un drone di dimensioni 680 utilizza una batteria al litio 6S e droni molto grandi (con un passo di oltre 1000 mm) possono utilizzare una batteria al litio 12S.
Ciascuna cella della batteria al litio ha una tensione di carica completa di 4,2 V e una tensione nominale di 3,7 V. Pertanto, quando la batteria raggiunge la tensione massima (4,2 V per cella), è completamente carica e quando raggiunge la tensione minima (3,7 V per cella), non deve più essere utilizzata per evitare danni.
Tendenze future dei droni
1.Logistica e ConsegnaDalla rapida consegna di beni di uso quotidiano al trasporto tempestivo di forniture mediche di emergenza, e persino fungendo da "messaggeri romantici" che consegnano sorprese e calore, il settore della logistica e delle consegne tramite droni si è integrato silenziosamente nella vita quotidiana delle persone. Ad esempio, aziende come DoorDash e Wing hanno già iniziato a testare servizi di consegna tramite droni per migliorare velocità ed efficienza. In futuro, i droni potrebbero diventare strumenti comuni per le consegne espresse, soprattutto in ambienti urbani e aree difficili da raggiungere. ( Homepage | Defensebridge )
2. Sicurezza Pubblica e Forze dell'Ordine
Anche l'applicazione dei droni nella sicurezza pubblica e nelle forze dell'ordine si sta espandendo. I dipartimenti di polizia possono usare i droni per la sorveglianza, il tracciamento e la risposta alle emergenze. Ad esempio, Aerodome ha iniziato a usare i droni sulle scene del crimine per fornire supporto video e dati in tempo reale. Questa tecnologia può migliorare l'efficienza e la sicurezza delle forze dell'ordine. ( MIT News ) ( Pilot Institute )
I droni hanno un potenziale significativo nel monitoraggio e nella manutenzione delle infrastrutture. Possono essere utilizzati per ispezionare ponti, oleodotti, linee elettriche ed edifici, offrendo soluzioni efficienti e convenienti. Ad esempio, nel Regno Unito, ci sono piani per costruire una "superstrada" per droni per supportare l'uso dei droni nella logistica e nel monitoraggio delle infrastrutture. ( MIT News )
L’agricoltura è un altro campo importante per le applicazioni dei droni. I droni possono essere utilizzati per il monitoraggio delle colture, la gestione dei parassiti e la fertilizzazione di precisione. Sono in grado di fornire immagini e dati ad alta risoluzione, aiutando gli agricoltori ad aumentare i raccolti e a ridurre lo spreco di risorse.
Anche l'applicazione dei droni nell'intrattenimento e nell'istruzione è in aumento. Ad esempio, la Lego ha tenuto uno spettacolo di luci con droni per mostrare i progetti di astronavi per bambini. Ciò dimostra l'uso creativo dei droni nell'intrattenimento e nell'istruzione. ( Homepage | Defensebridge )
I droni svolgeranno un ruolo importante nelle future smart city. Possono essere utilizzati per il monitoraggio del traffico, la sorveglianza ambientale e i servizi pubblici. Integrandosi con i dispositivi Internet of Things (IoT), i droni possono fornire dati in tempo reale per aiutare i city manager a prendere decisioni migliori. ( MIT News )
7. Sviluppi tecnologici e normativi
Con l'avanzare della tecnologia dei droni, nuovi algoritmi e tecnologie di intelligenza artificiale miglioreranno ulteriormente l'autonomia e l'efficienza dei droni. Ad esempio, nuovi algoritmi sviluppati dal MIT possono aiutare i droni a gestire le attività in ambienti complessi in modo più efficiente. ( Pilot Institute ) Inoltre, con l'espansione delle applicazioni dei droni, le normative e le politiche correlate continueranno a essere perfezionate per garantire la sicurezza e la protezione della privacy delle operazioni dei droni.
I droni sono diventati un importante supporto per lo sviluppo dell’economia a bassa quota
Essendo l’industria leader nell’economia a bassa quota, i droni hanno un tasso di crescita annuo superiore al 20%, diventando un nuovo punto di crescita per l’economia nazionale. Forniscono nuovi mezzi per i servizi pubblici sociali, sostenendo efficacemente la modernizzazione delle capacità e dei sistemi di governance del governo. I droni offrono anche nuovo spazio per lo sviluppo economico regionale, ottimizzando il layout economico regionale e promuovendo la crescita economica regionale tridimensionale.
Promuovere vigorosamente lo sviluppo dell’economia a bassa quota non solo aiuta ad espandere lo spazio di mercato, ma soddisfa anche la domanda intrinseca di uno sviluppo di alta qualità. L’economia a bassa quota eredita le modalità tradizionali dell’aviazione generale, integrando al contempo nuovi servizi di produzione a bassa quota supportati dai droni. Basandosi sulle tecnologie dell’informazione e della gestione digitale, costituisce una forma economica globale altamente dinamica e creativa che accoglie e promuove lo sviluppo coordinato in molteplici campi. Per ottenere un migliore sviluppo dell’economia a bassa quota, l’apertura a bassa quota è una tendenza inevitabile. Costruendo skyways urbani a bassa quota per supportare lo sviluppo commerciale su larga scala delle applicazioni dei droni, si prevede che anche l’economia a bassa quota rappresentata dai droni diventerà un nuovo motore che guida la crescita sociale ed economica.
