Questo progetto prevede la realizzazione di un "banco prova" per sistemi propulsivi costituiti dalla coppia: motore (brushless) - elica.
Il sistema è costituito dalle seguenti parti:
applicazione installabile su pc (desktop o notebook) dotata di GUI (Graphic User Interface) che consente di inviare comandi e di ricevere feedback dal sistema (banco). I comandi che possono essere inviati al sistema riguardano principalmente la gestione manuale del motore e la possibilità di avviare ed interrompere le procedure automatiche di test. Per gestione manuale si intende la possibilità di regolare la velocità di rotazione del motore mediante pulsanti (della GUI) di incremento e decremento.Per gesione automatica si intende, invece, la capacità del sistema di effettuare un test completo dell'insieme motore-elica che prevede l'incremento della velocità del motore da un valore minimo ad un valore massimo (impostabili), registrando contestualmente tutti i valori delle grandezze di interesse su un file di report (il cui percorso è impostabile).
La GUI si compone delle seguenti schede:
Questa è la scheda principale per la gestione del test dalla quale è possibile impartire comandi al motore e nel contempo visualizzare i valori delle grandezze di interesse (rpm elica, assorbimento, spinta).
permette il settaggio dei parametri della porta seriale sulla quale avviene la comunicazione con la scheda Arduino Mega (responsabile della gestione del motore e della lettura dei sensori).
permette il settaggio dei parametri della cella di carico (sensore che rileva il tiro dell'elica).
permette di impostare la path (percorso) sul PC in cui salvare il file di report (risultato del test).
il banco è costituito da una struttura meccanica che funge da supporto per la coppia motore-elica e che realizza la reazione vincolare necessaria per la misurazione della spinta. Come è possibile notare dalle foto, la coppia motore-elica è montata su un carrello che può scorrere su un binario e il carrello viene poi vincolato, mediante una catena, ad un sensore che rileva il tiro che invece è fissato ad una staffa solidale al basamento.
La meccanica a sua volta è attrezzata con della sensoristica che consente di rilevare le grandezze necessarie per il test: velocità rotazione elica (rpm), tiro (gr), assorbimento (A) e tensione di alimentazione (V). La lettura dei sensori ed il comando del motore vengono effettuate con l'ausilio di una scheda Arduino Mega il cui firmware (realizzato sempre nell'ambito del progetto in questione) gestisce le seguenti attività: lettura e conversione dei segnali analogici dei sensori in campo, generazione dei segnali PWM (Power Width Modulation) da inviare all'ESC (Electronic Speed Controller) che pilota il motore e scambio informazioni (comandi e dati) con l'applicazione PC.
I sensori utilizzati nel banco sono i seguenti:
Utilizzata per rilevare il tiro dell'elica, restituisce un segnale in tensione proporzionale alla sua deformazione. Il segnale fornito dalle celle di carico deve essere manipolato con un adeguato circuito di condizionamento (chiamato ponte di Wheastone) il quale restituisce un segnale opportunamente amplificato e compatibile con i livelli di tensione dei controllori. In questo caso si è deciso di utilizzare una scheda che oltre ad effettuare il condizionamento del segnale, ne esegue anche la conversione analogico-digitale ed invia il risultato su una porta seriale. Tale porta è collegata mediante un cavo seriale ad una corrispondente porta USB sul PC e mediante delle librerie software è possibile interrogare la scheda ed impostarne i parametri.
è la scheda che provvede alla manipolazione del segnale della cella di carico che mediante circuiti a "ponte di Wheastone", amplificatori, filtri e convertitori analogico-digitali restituisce in uscita un segnale interpretabile dal calcolatore.
questo sensore è utilizzato per rilevare la velocità di rotazione dell'elica. Tale sensore opera nel campo dell'infrarosso e rileva un fascio luminoso (sempre nel campo infrarosso) generato d un diodo IR montato sul carrello. Quando il fascio viene interrotto dall'elica il segnale sul ricevitore cambia stato e tale informazione viene rilevata dalla scheda Arduino Mega che contando gli istanti di tempo in cui ciò avviene è in grado di risalire alla velocità di rotazione dell'elica stessa.
questo sensore è utile per monitorare in tempo reale la tensione di alimentazione e l'assorbimento del motore. Nel progetto in esame, il sensore utilizzato è l' Atto Pilot che viene normalmente installato sui droni e che possiede un circuito dal quale è possibile prelevare anche una tensione di alimentazione adeguata per il flight controller o altri dispositivi alimentati a 5 volt.
è una scheda di prototipazione a microcontrollore Open Source molto utilizzata nell'ambito "Makers" che possiede al suo interno circuiti utili per tutte le applicazioni, come ad esempio:
Per quanto riguarda il firmware, esiste un IDE (ambiente di sviluppo) scaricabile gratuitamente da qui ed il linguaggio di programmazione utilizzabile è derivato dal C++.
In questo progetto è stata utilizzata la versione "Mega" che rispetto alla versione "Uno" possiede più ingressi ed uscite (sia analogiche che digitali) ed anche più porte di comunicazione. Il firmware che è stato implementato e che viene eseguito sulla scheda si occupa della gestione del motore, della lettura e conversione dei segnali provenienti dai sensori in campo e dell'interazione con l'utente (attraverso la porta seriale).
Per avere informazioni aggiuntive sulle caratteristiche della piattaforma Arduino è possibile visitare il sito : https://store.arduino.cc/ oppure visitare la sezione tutorial di questo sito.
In ultimo si vogliono mostrare i risultati ottenibili dal file di report restituito alla fine del test. In particolare verranno mostrate le curve più significative che possono essere costruite importando i dati del file di report in un'applicazione che consenta l'interpolazione di dati (es. Microsoft Excel).
Seguono diversi video che mostrano il funzionamento del banco.
