GIMBAL BRUSHLESS 3 ASSI per SONY QX10

Il Gimbal adatto alle riprese con droni è un supporto per videocamera (o fotocamera) attivamente autolivellante e autostabilizzato, controllabile a distanza mediante radiocomando.

La piccola Sony QX10 è una fotocamera pensata come estensione per smartphone, è priva di monitor, flash, impugnatura; ma registra i video su  micro sdcard con buona qualità (relativamente al tipo di fotocamera). E' quindi molto leggera e il rapporto tra peso e qualità video è ottimo.
 Mi è sembrata una buona base di partenza per sperimentare le riprese aeree col drone (soprattutto all'inizio quando l'affidabilità del drone era ancora tutta da dimostrare!), anche in considerazione del prezzo contenuto. (molto meno di una GoPro, con una qualità video secondo me maggiore)
 La sua caratteristica di potersi connettere ad uno smartphone via WiFi, su un drone è praticamente inutile a causa  della portata limitata.
Poi con l'uso pratico ho scoperto anche dei limiti; in particolare ha, secondo me, due particolari mancanze: la più importante è che non ha un'uscita video in diretta, ne analogica no digitale, la seconda è che non c'è un tasto per far partire la registrazione video, è indispensabile collegare lo smartphone ogni volta.
Nonostante questi inconvenienti (aggirabili entrambi) rimane comunque un "sistema" valido per il rapporto qualità prezzo.

Questo piccolo Gimbal è sostanzialmente molto standard. sfrutta una costruzione molto comune.
La meccanica permette di muovere la camera su tutti i 3 assi dello spazio facendo perno sui 3 motori. Il movimento è dovuto a motori brushless e dato il basso peso della Sony QX10 tutti e 3 i rimandi meccanici sono a sbalzo.


Come per tutti i Gimbal, ho dovuto porre  molta attenzione nel  bilanciare molto bene tutti i pesi: la videocamera deve essere in uno stato di equilibrio neutro o quasi.
L'elettronica è una scheda Basecam a 3 assi e uso il relativo software AlexMos.

Con l'occasione di costruire questo Gimbal ho sperimentato l'uso della fibra di carbonio (in accoppiata alla resina epossidica) e mi sono costruito le staffe a "L" su misura. Le staffe hanno una nervatura di rinforzo in corrispondenza della curvatura e sono molto rigide e allo stesso tempo leggere.

La caratteristica più particolare di questo gimbal è che ho voluto provare a costruire un "contatto strisciante" in corrispondenza dell'asse Z. In questo modo:
-ho potuto usare la batteria principale del drone per alimentare anche gimbal e trasmettitore video,
-ho montato il trasmettitore video sul frame del drone, in posizione ferma e ben esposta,
ed ho mantenuto la possibilità di ruotare a 360 gradi sull'orizzonte senza limiti;
In alternativa, avendo un gimbal a 3 assi, tutto sarebbe dovuto essere appeso al gimbal stesso per assecondare la rotazione sull'asse z.
In questo modo non ho dovuto appesantire in gimbal di batterie dedicate e trasmettitore video (probabilmente per l'asse z avrei dovuto procurarmi un  motore più grande, in grado di sostenere molto più peso).
Otretutto, se mi serve, posso smontare l'intero gimbal dal drone e usarlo anche manualmente semplicemente collegandovi una "maniglia" con batteria.

Per pilotare il  gimbal ho scelto di usare una radio dedicata esclusivamente ad esso.
Avrei potuto mettere un modulo aggiuntivo sulla mia radio principale ma leggendo in giro ho capito che in prospettiva di fare riprese "fatte bene" sia indispensabile lavorare in 2: un pilota per il drone, un aperatore per la videocamera. Ho usato una radio molto economica non essendoci nessun pericolo legato alla sua eventuale inaffidabilità.

Per ovviare alla mancanza di una uscita video della telecamera  ho montato una piccola telecamerina che fa da "mirino" e che rimanda il segnale ad un trasmettitore video che ho montato sul frame del drone. Questo sistema non è sicuramente l'ideale ma è un compromesso acettabile per una soluzione così economica.
Per agganciare la videocamera al gimbal non ho usato l'attacco a vite ma ho sfruttato il suo sistema di aggancio, ho costruito una piastrina che che riproduce la forma della staffa  che la Sony da in dotazione per agganciare allo smartphone. Sulla medesima piastra ho ricavato lo spazio per montare la telecamerina aggiuntiva.

A terra uso un monitor da 10 pollici collegato al ricevitore video. Il segnale video che si riceve a terra è di bassa qualità, ma il video registrato dalla videocamera è FullHD.

DRONE MULTIROTORE, ESACOTTERO, per riprese aeree

Si tratta di un  multirorote radiocomadato, in particolare di un "esacottero", in cui la struttura meccanica è autocostruita e l'elettronica è assemblata con componenti  "standard" reperibili sul mercato del modellismo.

componenti:

Telaio in carbonio, vetronite e alluminio; interasse tra i motori 85cm
6 motori da  98g, 22 poli, 570Kv, massima corrente 21A ,massima potenza 310W
Regolatori da 30A con firmware SimonK
Eliche in carbonio, "T style", da 14 pollici
Flygt controller tipo AIO pro (processore Atmega 328)
Firmware Multiwii, attualmente installata la versione 2.4
GPS (tipo Neo-7m) e bussola elettronica  esterna alla scheda di volo
Carrello retrattile.

CARATTERISTICHE

La caratteristica più particolare del modello è rappresentata dai "bracci" che anzichè essere costituiti dal classico tubo (tondo o quadrato, in carbonio o alluminio) sono costituiti ciascuno da 3 tubi leggeri in carbonio, assemblati in una struttura piramidale così da sfruttare le caratteristiche strutturali  dei triangoli.
I componenti costituenti ogni braccio sono assemblati in maniera permanente a formare una unità funzionale, mentre i bracci sono uniti in  modo non permanente alle piastre centrali e insieme a queste partecipano a costituire una "scatola" centrale che contiene e protegge la componentistica elettronica.

L'idea è quella che 3  elementi portanti rigidi disposti a piramide, rispetto ad uno unico, possano fornire maggiore rigidità strutturale e maggiore aerodinamicità a parità (o forse inferiorità) di peso.
Attravero i tubi (cavi) possono comunque scorrere i conduttori elettrici verso i motori e le luci;
ogni braccio con la sua "base della piramide" partecipa alla costituzione del frame centrale che di fatto, oltre ai bracci stessi, è costituito solo da una piastra base e da un anello superiore, in carbonio.
Ogni braccio è un modulo: con lo stesso braccio modulare sarebbe possibile assemblare un quadricottero o optacottero semplicemente disegnando una oportuna piastra base e rispettivo anello superiore.

La piastra e l'anello sono sagomati in modo da poter facilmente allentare 4 dei 6 bracci per poterli ripiegare  per un trasporto più pratico

Riguardo al peso, se è vero che un tubo unico è molto robusto  e leggereo, d'altra parto però bisogna considerare quante flange e agganci sono necessarie per  ancorarli al frame centrale e per collegarvi i motori; il frame centrale poi deve essere autoportante, molto robusto e rigido.
Il telaio completo del mio modello (cioè 6 bacci, piastra base e anello, esclusi il carrello) pesa circa 850g: meno delle 6 coppie  "motore + regolatore" che monta.

 Altre caratteristiche

Carrello:

E' costituito da elementi mobili in carbonio e alluminio ed è solidale alla piastra  base seppure con un certo grado di ammortizzazione perchè montati su una piastra in carbonio parzialmente a sbalzo. Il sollevamento è permesso da  movimenti servoless per carrelli retrattili, in tutta plastica.

I 4 piedi sono palline in shiuma mentre le 2 aste orizzontali che portano i piedi sono in fibra di vetro : assieme contribuiscono ad ammortizzare l'atterraggio.

Luci di navigazione:

sulla punta di ogni braccio ci sono led colorati che aiutano a distinguere più agevolmente, in volo, il senso del drone. Inoltre una scheda arduino monitora il livello del voltaggio delle batterie e pilota un lampeggio dei led che cambia in funzione dello stato della carica.

Piastra video.

Sotto la piastra basale del frame è "appesa" un'altra piastra attraverso  gommini antivibrazione.
Questa piastra ha lo scopo sostenere il gimbal (supporto mobile della videocamera, che sto collaudando e che mostrerò in un prossimo post...) ma su di essa aggancio anche le batterie: in questo modo il peso delle batterie contribuisce a smorzare le vibrazioni trasmesse alla videocamera. Naturalmente la serie di gommini smorzatori è dimensionata per poter sostenere il peso complessivo di batterie e fotocamera+gimbal (circa 2 kg insieme: quasi metà del peso totale del multirotore in ordine di volo).

vista dal lato inferiore

Gps e bussola:

Il gps è installato al di sopra di tutto per non essere influenzato dall'elettronica dei motori, lo stesso discorso vale per il magnetometro: ho constatato una grande difficoltà a rendere il magnetometro della scheda di volo immune dalle correnti dei regolatori e dei motori, ho preferito usare una bussola esterna (che è assieme al gps e ho dovuto smontare quella a bordo) così sono stato anche molto più libero di ordinare (impacchettare) le varie componenti elettroniche all'interno del frame.

Alimentazione :
A bordo c'è un doppio BEC Switching (regolatore di corrente) che fornisce i 5v per la scheda di volo e i carrelli; e i 12V per le luci, il Gimbal  e il trasmettitore video.
Ho preferito alimentare TUTTO con le batterie principali: inutile avere diverse batterie che si scaricano in modo diverso e quindi difficilmente ottimizzabili per quanto riguarda il rapporto peso/capacità. Anche la scheda di controllo è alimentata dalle batterie principali: in un multirotore è  inutile, secondo me, avere una batteria a parte per l'elettronica e/o la ricevente: il drone non può planare, con la batteria esaurita il drone non può che precipitare.
Molto meglio investire su sistemi di sicurezza che monitorino la carica delle batterie: le luci di navigazione hanno un lampeggio codificato ma soprattutto uso una radio con telemetria con sensore di voltaggio.
Anche il Gimbal è alimentato dalle batterie pricipali  ma in questo è possibile regolare uno spegnimento dei motori al di sotto di un determinato voltaggio così a batteria quasi scarica non viene sprecata l'energia residua

Prestazioni
Il multirotore in ordine di volo  pesa 4200 grammi (compresi gimbal, telecamera Sony Qx10 e batterie), monta 2 batterie LiPo 4S in perallelo da 5000 mA ciascuna  per un totale di 10A a 4S2P, così l'autonomia è di circa 15minuti.


Seguirà a breve un altro post con le caratteristiche del gimbal e un video con le prime prove di volo e di ripresa video.