Il regolamento Enac per i mezzi aerei a pilotaggio remoto prevede che per le operazioni critiche - ovvero le attività di volo svolte in zone congestionate intese come aree con una significativa densità di popolazione o caratterizzate dalla presenza di infrastrutture con significativo carico antropico o insediamenti industriali, considerati “sensibili”, comprese le aree che temporaneamente sono costituite da agglomerati di persone - il MAPR ( mezzo aereo a pilotaggio remoto ) utilizzato debba essere immune al singolo guasto, cioè alle singole avarie che possano condurre alla perdita di controllo del drone, con conseguenze catastrofiche.
La circolare ENAC al punto - CIRC 8.11 Operazioni critiche - 5. Caratteristiche di progetto - afferma che:
" Per soddisfare la probabilità di occorrenze di avarie del sistema, si possono effettuare
scelte opportune di progetto finalizzate all‟irrobustimento dell‟architettura, con uso di
ridondanze nei sistemi e/o nel data link, uso di tecnologie dissimilari, utilizzo di sistemi
con caratteristiche di affidabilità note e elevate, appropriati livelli di qualificazione del
software
e dei dispositivi
complex hardware,
e impiego di sistemi di terminazione del
volo.
L'uso di architetture dissimilari rispetto ai sistemi di controllo manuale ed automatico
possono costituire metodi utilizzabili per soddisfare il requisito, purché soddisfino
caratteristiche di indipendenza. "
Alla luce delle considerazioni esposte, vediamo come fare per adeguare un drone multirotore MikroKopter alla normativa ENAC, al fine di essere autorizzati a volare per le operazioni critiche. Ci riferiamo ad un drone di peso inferiore ai 25 Kg.
Ridondanza significa che i componenti importanti devono essere sostituiti in caso di guasto. Nel nostro caso, come abbiamo visto, il singolo guasto ad un unico componente del drone ( per esempio, il motore, il ricevitore, la Flight Control ) non deve portare a conseguenze catastrofiche.
Recentemente un' azienda Austriaca, in collaborazione con la MikroKopter, ha sviluppato e fatto approvare da Austro Control ( l'equivalente della nostra ENAC ) un drone multirotore ( 8 motori ) con tutti i requisiti tecnici e di ridondanza che sono richiesti nello scenario D, quello più critico, della normativa sui MAPR entrata in vigore quest'anno in Austria. Requisiti molto simili a quelli previsti dalla nostra ENAC per le operazioni critiche.
Entriamo ora nel merito delle soluzioni da adottare su un drone, basato su elettronica MikroKopter, per essere rispondenti al regolamento ENAC per le operazioni critiche ( come detto, il drone deve essere immune al guasto di uno dei suoi componenti ). La seguente potrebbe essere una traccia da seguire per l'adeguamento tecnico del MAPR e per redigere la documentazione da inviare all' ENAC per la richiesta di autorizzazione ad effettuare operazioni critiche impiegando anche altri tipi di MAPR. ( fatta salva la rispondenza al regolamento di tutte le altre voci, qualificazione del pilota, dell' organizzazione etc. )
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| Lo schema elettrico del MikroKopter ridondante |
GUASTO DEL TRASMETTITORE - RICEVITORE - DATA LINK
L'Art. 19 del regolamento ENAC afferma:
Il
data link
facente parte dei SAPR deve assicurare l’attuazione delle funzioni di
Command
e Control
con la necessaria continuità e affidabilità in relazione all’area delle operazioni.
2. Il
data link
deve utilizzare frequenze autorizzate e scelte opportunamente in modo da
minimizzare la possibilità di interferenze involontarie e volontarie che possano
compromettere la sicurezza delle operazioni.
POSSIBILI FAILURE
guasto al trasmettitore, al ricevitore, interferenze da
centrali elettriche / linee ad alta tensione, rottura delle antenne, guasti elettronici e altro.
A seguito di ciò il collegamento del trasmettitore con il MAPR è interrotto e il pilota non ha modo di intervenire nel controllo.
SOLUZIONE ADOTTATA
Il firmware Mikrokopter dispone di un sistema di failsafe che entra in azione qualora la flight control non riceve un segnale radio valido. In tal caso il drone eleva o abbassa la quota all'altezza prefissata e ritorna autonomamente sulla verticale del punto di decollo per poi atterrare automaticamente.
GUASTO AD UN MOTORE - PERDITA DI UN ELICA
Il punto 5 del CIRC 8.11 nella circolare spiega che: "Non è accettabile la presenza di
single point of failure
, cioè di singole avarie che
possano condurre alla perdita di
controllo dell‟APR, con conseguenze catastrofiche."
POSSIBILI FAILURE
Guasto di un motore, perdita di un elica, perdita del rotore, perdita di potenza ad un motore
SOLUZIONE ADOTTATA
- Perdita elica o motore: e' stato più volte dimostrato in volo come il sistema mikrokopter ad otto motori ( ottocottero ) sopporti tranquillamente la perdita di uno dei componenti citati
- In caso di sovraccarico al motore o al regolatore ( sovracorrente o sovratemperatura ) il relativo motore viene ridotto in potenza senza che venga spento. Questo grazie ai controller BL CTRL 3.0 che sono di tipo bidirezionale e che comunicano alla fligth control l' assorbimento della corrente la temperatura e altri dati.
In ogni caso al pilota viene comunicato il problema tramite la telemetria e nel log di sistema viene registrato l'evento in modo dettagliato.
CORTO CIRCUITO
POSSIBILI FAILURE
Corto circuito ad un componente elettronico, alla fotocamera, ai sensori di misura, che operano sotto la pioggia o in ambiente umido.
SOLUZIONE ADOTTATA
Le schede elettroniche sono alloggiate in contenitori a prova di pioggia.
- In caso di corto circuito ad un motore il regolatore BL CTRL 3.0 riconosce il guasto e spegne il motore.
- In caso di corto circuito al regolatore del motore, il BL CTRL 3.0 ha la parte di potenza protetta da uno shunt che lo isola dal resto del circuito.
- In caso di corto circuito alla Flight Control essa viene sostituita immediatamente dalla seconda Flight Control installata come backup.
- In caso di corto circuito a strumenti di misura, essi hanno una propria alimentazione o la ricevono da un regolatore di tensione con limitazione di corrente, l'eventuale corto circuito non ha infuenza sull'elettronica principale.
GUASTO ALL'ELETTRONICA DI POTENZA / ALIMENTAZIONE
POSSIBILI FAILURE
Guasto ad uno dei cavi di alimentazione, cattiva saldatura che si stacca, guasto della batteria
SOLUZIONE ADOTTATA
Vengono utilizzate due batterie collegate in parallelo opportunamente dimensionate, se una batteria si guasta interviene la seconda batteria, l'abbassamento di tensione viene rilevato dalla telemetria. Sono previste procedure di atterraggio automatico al di sotto di determinate soglie di tensione.
GUASTO ALLA FLIGHT CONTROL
POSSIBILI FAILURE
Guasto alla scheda di controllo principale o disturbi che ne impediscono il buon funzionamento
SOLUZIONE ADOTTATA
Nel sistema è presente una seconda Flight Control di backup collegata ad ognuno degli otto regolatori ( BL-CTRL 3.0 ) dei motori tramite la porta UART mentre la Flight Control principale è collegata tramite la porta I2C. Si vengono così a creare 2 BUS separati e ridondanti. Sui regolatori è presente una resistenza che disaccoppia i 2 BUS in modo che un regolatore diffettoso non possa paralizzare tutti e due i BUS.
Quando uno dei regolatori ha un guasto e non riesce a ricevere dati su uno dei due bus, automaticamente commuta la ricezione dati sulla seconda Flight Control con relativo BUS.
In caso di guasto sulla Flight Control principale i regolatori commutano sulla seconda Flight Control, il sistema funziona anche se la Flight control ha un reset durante il volo. La velocità di intervento di questo sistema ridondante è immediata e non causa effetti sul comportamento di volo del drone.
GUASTO AL GPS - SCHEDA DI NAVIGAZIONE
SOLUZIONE ADOTTATA
Prima di decollare al pilota vengono comunicati, tramite la telemetria, eventuali allarmi causati da disturbi captati dal magnetometro, e/o il numero insufficiente di satelliti captati dal GPS. Se questi problemi avvengono in volo, il pilota viene avvisato tramite la telemetria e il sistema commuta la modalità di volo in "pilotaggio manuale " Questo accade anche nel caso di malfunzionamento della scheda di navigazione ( NAVI-CTRL )
TELEMETRIA e "SCATOLA NERA"
L' art. CIRC. 18.1 della circolare ENAC afferma:
Devono essere installati e funzionanti gli strumenti necessari per fornire al pilota le
seguenti
informazioni per il controllo e comando dell‟APR
:
i.
altezza, velocità, posizione, prua, assetto (per operazioni BLOS), parametri del
sistema di propulsione necessaria controllare le prestazioni e per condurre il
mezzo, quantità carburante se applicabile, stato delle batterie e stima autonomia
residua,
ii.
stato del segnale del
data link
;
iii.
stato segnale GPS ;
iv.
avvisi e allarmi: alta temperatura batterie, livello minimo carburante (se
applicabile), attivazione del Sistema di Terminazione del Volo (se applicabile),
perdita segnale del
data link
all‟APR e/o alla GCS
SOLUZIONE ADOTTATA
MikroKopter ha un sistema di telemetria che trasmette al pilota in tempo reale i seguenti dati:
- Altezza
- Posizione GPS
- Tensioni
- Temperature
- Movimenti di controllo
- Stato degli interrutori
- Messaggi di errore come il guasto al motore, corrente assorbita dai motori (singola e totale )
- I valori magnetici letti dal magnetometro
- Il Numero di satelliti ricevuti dal GPS
- Tutti questi dati vengono anche memorizzati 5 volte al secondo su una scheda di memoria SD - installata a bordo
I COMPONENTI NECESSARI
HARDWARE
- 2 Flight Control versione 2.1 o superiori
- 8 BL-CTRL 3.0
- 4 Diodi N4148
- 10 resistenze da 1 K
FIRMWARE
- http://mikrocontroller.com/files/Redundant/
- Procedura da seguire http://www.mikrokopter.de/ucwiki/Redundant
CONCLUSIONI
Un MAPR sotto i 25 Kg. come questo, basato sulla ridondanza, eventualmente abbinato ad un paracadute a sua volta associato ad un sistema di terminazione del volo, risponde pienamente ai requisiti richiesti dal regolamento ENAC per effettuare le operazioni critiche e dovrebbe essere idoneo ad ottenere l'autorizzazione ad operare, una volta concluso con successo il periodo di sperimentazione e qualora l'operatore soddisfi tutti gli altri requisiti previsti dalla normativa sull'organizzazione aziendale, la redazione dei manuali, la qualificazione del pilota, l'analisi del rischio etc.
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