Simulazione
GENERAZIONI DI DRONI
01/09/2018

Oggi assistiamo a una crescita vertiginosa degli impieghi industriali dei droni: macchine che devono soddisfare diversi standard per poter essere impiegate nelle diverse applicazioni.

Chiamateli UAV, Unmanned Aerial Vehicles, UAS, Unmanned Aerial Systems, RPV, Remotely Piloted Vehicles o emplicemente droni, i velivoli a pilotaggio remoto o autonomo sono al centro di uno dei mercati più interessanti del mondo aerospaziale.

di Paolo Colombo (*)

Le prime applicazioni dei droni sono state militari: sistemi molto complessi che, dovendo operare solo in contesti bellici, non erano soggette a tutte le limitazioni e certificazioni di un velivolo civile. Poi si è aperto il mondo dell’hobbistica, giocattoli dall’alto contenuto high tech. Oggi assistiamo a una crescita vertiginosa degli impieghi industriali: macchine che devono soddisfare diversi standard per poter essere impiegate. Il loro successo in questo campo dipende dal fatto che i droni rendono estremamente economiche attività come la verifica di infrastrutture, la sorveglianza aerea, la fotogrammetria e molte altre che finora richiedevano l’impiego di costosi elicotteri o di personale specializzato che si avventurava in spazi angusti e pericolosi. Oltre a questo, sono molte le aziende e le start-up che stanno investendo sul concetto di Urban Air Mobility, come i taxi volanti di Uber o Airbus, e su quello di HAPS, droni che possono volare ad alta quota per mesi, fornendo servizi come telecomunicazioni e monitoraggio del territorio, che prima richiedevano l’impiego di satelliti.

Già nel 2015 il mercato valeva oltre 120 miliardi di dollari e la sua crescita media si attesta intorno al 14% all’anno, fatto che ha richiamato l’attenzione di moltissime aziende pronte a cogliere questa opportunità. C’è una corsa in atto per chi sarà il nuovo leader di mercato, una gara che si gioca sul filo delle tecnologie. Ne parliamo attraverso qualche esempio concreto.

I settori industriali in cui possono trovare applicazione i droni. Fonte PwC

L’AUTONOMIA DI VOLO

Un elemento chiave per il successo di un drone industriale è la sua autonomia in volo. Solitamente utilizza propulsori elettrici alimentati da una batteria che fornisce energia anche ai sistemi, alle antenne e ai sensori di bordo. È quindi necessario progettare componenti altamente efficienti, e valutare assorbimenti e dispersioni dell’intero sistema. Inoltre, l’autonomia è influenzata dal peso e dall’aerodinamica, quindi dalle dimensioni e dalle forme: la scelta dei materiali e del disegno possono avere un impatto notevole sulle performance.

Un esempio ci arriva dalla spagnola Singular Aircraft (www.singularaircraft.com), che ha prodotto il primo drone industriale sul mercato capace di trasportare fino a 1 t di carico. Obiettivo: rifornire aree abitate in zone impervie o svolgere azioni antincendio riducendo i costi e i rischi dell’impiego di sistemi pilotati. L’azienda ha deciso di non adattare un velivolo preesistente, ma di partire da zero, sfruttando la maggiore libertà progettuale su struttura e avionica, sapendo di dover affrontare diverse sfide ingegneristiche. Alla ricerca delle massime prestazioni possibili, il team ha sfruttato la simulazione numerica, in particolare la capacità di analizzare l’interazione fluido-struttura (FSI) di ANSYS (www.ansys.com) per esplorare un enorme ventaglio di opzioni e idee. Essenziale anche la notevole scalabilità del software per trarre vantaggio dalle architetture HPC e velocizzare i calcoli, unita all’integrazione di un ottimizzatore nella piattaforma ANSYS Workbench. Miquel Colom, CEO di Singular Aircraft, parlando del loro utilizzo intensivo della simulazione, ha dichiarato che: “il settore aerospaziale, in particolare quello dei droni, evolve molto velocemente. Risparmiare sul tempo di sviluppo e poter ottimizzare le performance del prodotto può fare una grande differenza”.

L’agricoltura risulta uno dei campi applicativi in cui sono più che mai richiesti e impiegati i droni.

AFFIDABILITÀ IN PRIMO PIANO

Un secondo elemento chiave per il successo sul mercato è l’affidabilità, spesso legata all’elettronica e al software di bordo. L’elettronica è soggetta a condizioni di lavoro difficili: vibrazioni, sbalzi di temperatura, agenti atmosferici. Inoltre, gli spazi angusti in cui tutti i sistemi devono trovare posto provocano problemi di interferenze, gestione dei segnali, surriscaldamento. Per aumentare il grado di autonomia decisionale e gestionale è necessario scrivere, testare e certificare centinaia di migliaia di linee di codice di controllo. Effettuare manualmente quest’operazione richiede enormi risorse e troppo tempo.

Xmobots (www.xmobots.net), per esempio, sviluppa UAVs per applicazioni civili in Brasile e il software di controllo deve soddisfare lo standard DO178C per poter essere certificato. Per gestire la complessità del software hanno utilizzato ANSYS SCADE e le sue capacità di generazione automatica di codice nel loro processo di sviluppo, riducendo il tempo necessario dagli stimati due anni con la codifica manuale a sei mesi con quella automatica.

Antenna costruita con la tecnica dell’Additive Manufacturing da Optisy, un produttore di antenne per applicazioni aerospaziali ubicato a Salt Lake City.

UN MERCATO APPETIBILE E COMPLESSO

Infine, i droni sono fortemente dipendenti da antenne e sensori, che devono essere progettati e installati a bordo in modo opportuno al fine di evitare un decadimento delle loro prestazioni. Optisys (www.optisys.tech) è un produttore di antenne per applicazioni aerospaziali ubicato a Salt Lake City. Utilizzando una tecnica proprietaria per l’Additive Manufacturing e ricorrendo alla piattaforma di simulazione ANSYS per unire l’ottimizzazione topologica e l’analisi elettromagnetica per la progettazione di antenne, Optisys ha ottimizzato la forma delle stesse sfruttando così tutti i vantaggi dell’Additive. Le nuove antenne sono 10 volte più leggere e più piccole delle precedenti, un vantaggio enorme per chi costruisce droni. In più, ora vengono prodotte in un pezzo unico, senza i costi e i tempi di assemblaggio precedenti. L’integrazione di analisi elettromagnetiche e strutturali si sono rivelate essenziali per ottenere le performance e l’affidabilità richiesta da antenne che devono operare in ambienti ostili, essendo usate anche in progetti militari su cui ci si aspetta alta resistenza a vibrazioni, shock, temperature.

Utilizzando la tecnica proprietaria di Additive Manufacturing e ricorrendo alla piattaforma di simulazione ANSYS, Optisys ha unito l’ottimizzazione topologica e l’analisi elettromagnetica per la progettazione di antenne, ottimizzandone la forma.

Credo che sia chiaro come il mercato dei droni sia al tempo stesso molto appetibile e molto complesso. La sfida tecnologica si gioca sulla velocità di innovazione e sulla capacità di ottimizzare l’intero sistema per garantire quella efficienza, affidabilità e quelle performance richieste da applicazioni safety critical. La simulazione numerica ha provato di essere estremamente efficace nella gestione di questa complessità, riducendo drasticamente i tempi e i costi di sviluppo, ma per raggiungere il livello di ottimizzazione necessario ad essere davvero competitivi bisogna guardare ad una piattaforma multidisciplinare, come quella che ANSYS ha iniziato a costruire 20 anni fa e che ancora oggi fa evolvere, release dopo release. ©TECN’È

(*) Paolo Colombo, Aerospace & Defense Global Industry Director di ANSYS.

La sfida tecnologica nello sviluppo di droni si gioca sulla velocità di innovazione e sulla capacità di ottimizzare l’intero sistema per garantire quell’efficienza, affidabilità e quelle performance richieste da applicazioni safety critical.



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