Questo drone può volare, galleggiare e rotolare per spostarsi

Questo articolo fa parte della nostra esclusiva serie IEEE Journal Watch in collaborazione con IEEE Xplore.

Invece di avere un robot autonomo per volare, un altro per guidare sulla terraferma e un altro per navigare sull’acqua, un nuovo drone ibrido può fare tutte e tre le cose. Per svolgere missioni complesse, gli scienziati sperimentano sempre più droni che possono fare molto di più che semplicemente volare.

L’idea di un drone in grado di navigare su terra, aria e mare è nata quando i ricercatori del Centro arabo per le scienze climatiche e ambientali (ACCESS) della New York University di Abu Dhabi hanno notato che avrebbero voluto un drone “in grado di volare verso luoghi potenzialmente remoti e campionare corpi idrici", afferma l'autore principale dello studio Dimitrios Chaikalis, dottorando presso la New York University di Abu Dhabi.

La ricerca ambientale spesso “si basa su raccolte di campioni provenienti da aree difficili da raggiungere”, afferma Chaikalis. “I veicoli volanti possono facilmente raggiungere tali aree, mentre la capacità di atterrare sull’acqua e di navigare in superficie consente il campionamento per lunghe ore con un consumo energetico minimo prima di tornare alla base”.

Il nuovo veicolo autonomo è un tricottero con tre paia di rotori per il volo, tre ruote per spostarsi sulla terraferma e due propulsori per aiutarlo a muoversi sull'acqua. Le ruote in gomma sono state stampate in 3D direttamente attorno al corpo del telaio della ruota principale, eliminando la necessità di viti metalliche e cuscinetti a sfera, che correrebbero il rischio di ruggine dopo l’esposizione all’acqua. L'intera macchina pesa meno di 10 chilogrammi, per rispettare le normative sui droni.

Un corpo galleggiante in polistirolo tagliato a macchina è stato posizionato tra la parte superiore della macchina, che sostiene i rotori, e la sua parte inferiore, che sostiene le ruote e i propulsori. Questo dispositivo di galleggiamento fungeva da scafo della macchina nell'acqua ed aveva la forma di un trifoglio per lasciare spazio al flusso d'aria dei rotori.

“Il veicolo risultante è in grado di attraversare ogni mezzo disponibile – aria, acqua, terra – il che significa che alla fine sarà possibile schierare veicoli autonomi in grado di superare difficoltà e ostacoli sempre crescenti”, afferma Chaikalis.

Il drone possiede due sistemi di pilota automatico PX4 open source: uno per l'aria e l'altro per la navigazione sia terrestre che acquatica. "La navigazione aerea differisce fortemente dalla navigazione terrestre o di superficie dell'acqua, che in realtà hanno molte somiglianze tra loro", afferma Chaikalis. "Così abbiamo progettato la navigazione terrestre e quella di superficie in modo che funzionino entrambe con lo stesso pilota automatico, modificando solo la potenza del motore per ciascun caso."

Un computer Intel NUC fungeva da modulo di comando. Il computer può passare da un pilota automatico all'altro secondo necessità, nonché interfacciarsi con un ricetrasmettitore radio e un GPS. Tutta questa elettronica era protetta da un involucro di plastica impermeabile.

"Naturalmente, è necessario procurarsi anche motori impermeabili per le ruote dei veicoli terrestri, poiché saranno completamente sommersi quando sono in acqua", afferma Chaikalis. “Tali motori si sono rivelati difficili da interfacciare con le unità autopilota commerciali, quindi abbiamo finito per progettare anche hardware e firmware personalizzati per interfacciare tali comunicazioni”.

Il drone può operare sotto controllo radio o autonomamente in missioni preprogrammate. Le sue batterie ai polimeri di litio gli danno un tempo di volo di 18 minuti.

Negli esperimenti, lo scafo di polistirolo ha assorbito acqua durante il galleggiamento, aumentando il suo peso del 20% in 30 minuti. Il polistirolo ha rilasciato quest'acqua durante il volo, anche se lentamente, con una perdita di peso del 20% dopo 100 minuti. Gli scienziati sottolineano che questa significativa variazione di peso deve essere presa in considerazione nella progettazione dell’autopilota, altrimenti potrebbero aggiungere un rivestimento resistente all’acqua, anche se ciò aumenterebbe in modo permanente il peso complessivo.

Inoltre, “sebbene sia impermeabile agli spruzzi e alla leggera immersione, questo non è ancora un progetto completamente sommergibile, il che significa che un guasto del dispositivo di galleggiamento potrebbe essere potenzialmente catastrofico”, afferma Chaikalis.

In futuro, i ricercatori notano che potrebbero ottimizzare lo scafo per renderlo abbastanza forte da resistere a manovre complesse e ridurre al minimo la resistenza dell'aria durante il volo. Vorrebbero anche rendere il drone completamente modulare in modo da poter modificare facilmente le sue capacità collegando o staccando i moduli da esso.