Come stampare in 3d un dirigibile per interni.

Dirigibile per interni robotizzato open source con cornice stampata in 3D

La stampa 3D viene spesso utilizzata nella fabbricazione di componenti di velivoli e veicoli spaziali , ma molti si rivolgono anche alla tecnologia per realizzare sistemi di volo più piccoli, come droni , aerei RC e modellini e dirigibili . Gal Gorjup e Minas Liarokapis, i membri della IEEE con l’ Università di Auckland Dipartimento di Ingegneria Meccanica s’ Nuova Destrezza gruppo di ricerca, ha pubblicato ‘ a basso costo, Open-Source, robotica Dirigibile dell’Istruzione e della ricerca ’ circa il loro lavoro di sviluppo e valutazione di un piattaforma per dirigibile robot interna in miniatura, con telaio stampato in 3D.

I dirigibili, un tipo di imbarcazione più leggera dell’aria (LTA), possono navigare nell’aria sotto il loro potere e avere un campo visivo meno ostruito, nessun problema di locomozione sugli ostacoli e possono mantenere un’altitudine specifica per molto più a lungo di la maggior parte degli UAV. Hanno un inviluppo morbido e volano lentamente, quindi non è necessario un preciso controllo delle collisioni per i voli interni e sono più sicuri a causa della mancanza di pale del rotore affilate e ad alta velocità.

“Questi attributi rendono le piattaforme LTA una soluzione interessante per varie applicazioni di istruzione e ricerca in robotica. Anche se le loro capacità di interazione fisica sono limitate, la loro maggiore mobilità e costi inferiori li rendono una valida alternativa ai robot statici o terrestri in molte applicazioni che coinvolgono tele-incarnazione, monitoraggio, guida e intrattenimento “, ha scritto la coppia.

Tuttavia, ci sono alcune sfide di progettazione e controllo da superare con i dirigibili, come controllarli durante un disturbo come l’aria condizionata e trovare il giusto gas di sollevamento. L’elio viene generalmente utilizzato, in quanto ha elevate capacità di sollevamento e proprietà non reattive, ma non è rinnovabile, il che significa che il materiale dell’involucro adeguato è “critico” in termini di prospettive ambientali e finanziarie.

I ricercatori hanno scelto l’elio rispetto all’idrogeno, all’aria calda e ad altri gas di sollevamento, per la sua sicurezza e “elevata capacità di sollevamento”. Al fine di mantenere bassi i costi, hanno preso in considerazione diversi candidati per il materiale delle buste, esaminando le proprietà meccaniche e le capacità di ritenzione dell’elio.

“Per valutare la loro permeabilità all’elio, le capacità di sollevamento dei palloncini, insieme alle loro superfici, sono state misurate quotidianamente nel corso di 16 giorni. A causa delle loro proprietà elastiche, le superfici del lattice e dei palloncini a bolle sono state determinate attraverso le loro circonferenze. La superficie del palloncino di Microfoil è stata misurata prima dell’inflazione poiché il materiale non si allungava ”, hanno scritto.

“Le percentuali di fuga di elio ottenute sono state quindi mediate e utilizzate in uno studio di fattibilità che proiettava le perdite attese di elio attraverso la membrana di un pallone sferico ideale.

I ricercatori hanno anche esaminato lo spessore della membrana dei materiali quando il palloncino è stato gonfiato, oltre a “densità dell’area della membrana allo stato gonfiato, resistenza alla trazione della membrana e caratteristiche di allungamento della membrana”, anche se ancora una volta è stato misurato il palloncino di Microfoil nella sua stato non gonfiato. È stata calcolata la densità dell’area del palloncino e hanno determinato la resistenza alla trazione dei materiali e le figure di allungamento.

“La velocità di deformazione era di 50 mm / min per il microfloil e di 500 mm / min per i campioni di lattice e bolle”, hanno affermato.

Hanno costruito la gondola per il loro dirigibile attorno ai loro attuatori e componenti elettronici, tra cui un “Raspberry Pi Zero W che esegue una versione Lite del Raspbian Stretch”, driver di motori e motori DC, un regolatore di tensione step-up, tre unità di elica e un modulo telecamera. Escludendo il filamento e il cablaggio della stampante 3D, il costo di tutti questi componenti è stato di soli $ 90.

La struttura modulare della gondola era stampata in 3D, con gambe staccabili e staffe del rotore e il velcro veniva utilizzato per fissare la gondola alla busta. I ricercatori hanno studiato due opzioni di posizionamento della gondola e quattro angoli laterali del rotore, al fine di ottimizzare la stabilità del volo del dirigibile.

“Il primo posizionamento era centrato e simmetrico rispetto all’inviluppo, nel qual caso i rotori laterali erano orizzontali e in teoria un terzo sarebbe richiesto per controllare l’altitudine del dirigibile”, ha scritto la coppia. “La seconda opzione inclinava la gondola rispetto al centro dell’inviluppo, inclinando il dirigibile e spostando i suoi rotori laterali dal piano orizzontale.”

Usando il posizionamento asimmetrico della gondola, hanno completato dieci prove in interni ciascuna per angoli del rotore laterali di 0 °, 5 °, 10 ° e 20 °, con “posizionamento della gondola al 25% e 50% della velocità massima del rotore”. Una variazione di un algoritmo di inseguimento delle carote è stata utilizzata per impostare la traiettoria di volo, sebbene sia stata modificata con un controller che regolava le velocità del rotore della linea di base, poiché i due rotori laterali influivano sulla velocità, la direzione e l’altitudine del dirigibile.

“L’efficienza del progetto finale è validata sperimentalmente attraverso un percorso di prova di concetto a seguito di un esercizio che dimostra le sue capacità di manovra, mentre il movimento del dirigibile viene seguito da un sistema di motion capture Vicon”, hanno spiegato i ricercatori.

“Il dirigibile proposto si affida a due rotori sia per il controllo dell’altitudine che della direzione per motivi di semplicità. Questa scelta impone una certa instabilità alla piattaforma “, ha spiegato il team. “Sono stati esaminati più metodi di controllo di base che vengono in genere utilizzati nei corsi di ingegneria universitari e un controllo proporzionale di base ha fornito i migliori risultati in termini di efficienza di tracciabilità del percorso e semplicità.

“La posizione e l’orientamento del dirigibile durante il percorso seguente sono stati registrati ed esaminati.”

I palloncini in lattice non trattati hanno perso rapidamente le loro capacità di sollevamento, “mentre altri si stavano sgonfiando linearmente a un ritmo molto più lento”.

“Un confronto più diretto dei materiali è stato possibile attraverso la determinazione del flusso di elio attraverso le membrane dei palloncini”, ha scritto la coppia.

Hanno stabilito che il lattice non trattato era la “scelta meno appropriata” per il loro dirigibile e, sebbene il lattice trattato con UHF avesse una migliore ritenzione di elio, può facilmente esplodere se colpisce una superficie ruvida. I palloncini Microfoil e Bubble avevano ugualmente una buona ritenzione di elio, sebbene quest’ultimo non sia prontamente disponibile in diverse dimensioni. La coppia ha calcolato la media delle misurazioni del flusso di fuga dell’elio e ha mostrato perdite giornaliere e annuali di elio attraverso la membrana di un palloncino di 60 cm di diametro, al fine di esaminare il costo della piattaforma.

“Utilizzando i costi approssimativi del gas per palloncini al dettaglio, sono state calcolate le spese annuali per la compensazione dell’elio perduto (si noti che i costi annuali non includono il costo iniziale di riempimento del pallone, che è di 16,5 USD). Esaminando queste proiezioni dei costi annuali, è evidente che la manutenzione relativa all’elio di un dirigibile per interni è economica, data la scelta appropriata del materiale dell’involucro. Tali piattaforme sono quindi realizzabili dal punto di vista ambientale e finanziario “, hanno concluso.

In termini di proprietà meccaniche, il palloncino Bubble aveva una densità di area inferiore del 20% rispetto agli altri, il che equivale a un carico utile maggiore, mentre il palloncino in lattice aveva una “resistenza alla trazione comparativamente bassa” e il Microfoil presentava la massima resistenza alla trazione, oltre a un allungamento inferiore e una diffusione minima.

“La busta scelta per questa applicazione era quindi il palloncino in microfloil da 90 cm, con eccellenti capacità di ritenzione dell’elio, carico utile sufficiente e caratteristiche di resistenza del materiale adeguate”, hanno affermato i ricercatori.

Hanno anche scoperto che la gondola ad angolo aveva la migliore stabilità di volo e ha ridotto il peso complessivo della piattaforma, poiché erano necessari solo i due rotori laterali per controllare l’altitudine e la direzione.

“L’altitudine del dirigibile durante il percorso successivo ha mostrato alcune oscillazioni (Figura 11b), ma non vi è stata alcuna collisione con il pavimento o il soffitto del laboratorio di motion capture. L’altitudine registrata è inferiore all’obiettivo (1,8 m), che era previsto considerando il fatto che era regolato per mezzo di un semplice controller proporzionale. Nel complesso, il percorso che segue gli esperimenti ha dimostrato che è possibile realizzare simultaneamente la direzione e il controllo dell’altitudine utilizzando solo i due rotori ”, hanno scritto.

I ricercatori hanno stabilito che, con il materiale giusto, i dirigibili al chiuso sono economicamente e ambientalmente sostenibili e che la loro piattaforma è adatta ai fini dell’istruzione e della ricerca.

“Per un curriculum orientato meccanicamente, gli studenti possono lavorare sulla progettazione della gondola e sull’ottimizzazione del peso, sviluppando le loro competenze CAD e di prototipazione rapida. Il dirigibile è anche ideale per i corsi di controllo, in cui gli studenti possono sviluppare e applicare controller che vanno dal PID di base al controllo complesso e basato su modelli “, hanno concluso.

“Per la ricerca, la piccola piattaforma LTA è interessante in termini di sviluppo del controller, in quanto sensibile alle correnti d’aria e alla ventilazione che rendono difficile il controllo affidabile. Un’altra opportunità è anche la guida e l’esplorazione indoor, dove la sfida è quella di utilizzare efficacemente la limitata potenza computazionale e il semplice input RGB per interpretare l’ambiente circostante. “