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Ingenuity – Specifiche e tecnologia del drone marziano

by Fabio Affortunato
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Nei precedenti posts relative al drone-UAS Inegnuity:

si è fatto riferimento alla tecnologia utilizzata dagli Ingeneri del JPL (Jet Propulsion Laboratory) della NASA per Ingenuity, ma occupandoci di droni è un “must” riassumere in un post sia le specifiche, la tecnologia, la sensorstica, i payload e i sistemi ausiliari per comunicazione, energia e riscaldamento di questo drone che sta segnando un nuova epoca nelle esplorazioni spaziali.

Ingenuity – Struttura, specifiche, tecnologia, sensori, payload e sistemi ausiliari

Ingenuity – Struttura e specifiche

Ingenuity, è un drone a pilotaggio remoto, identificato dalla NASA come Mars helicopter, per via della posizione dei suoi rotori, sovrapposti come quelli di un elicottero.

Strutturalmente è composto da quattro “gambe” che si innestano su un “box” che contiene i paylaod, batterie e i sensori. Sulla parte superiore del box si innestano i rotori coassiali contro-rotanti necessari per la spinta di circa 1,2 m di diametro ; sulla sommità trovano alloggiamento dei piccoli pannelli solari che danno energia al drone e ricaricano le batterie.

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Fonte foto: NASA

Le specifiche tecniche (Technical Specs in inglese), come peso, lunghezza rotori, altezza massima di volo sono riassunti nella tabella seguente resa pubblica dalla NASA:

ingenuity-technical-specsDa notare che a fronte di una massa di 1,8 Kg che sulla Terra corrisponde a un peso di 1,81437 Kg, su Marte Ingenuity ha un peso di soli 680 grammi.

Da quanto descritto è evidente chela parte piu’ delicata di ingenuity sono è il sistema relativo alla propulsione. Questa immagine, tratta dall’interessante pdf “Mars Helicopter Technology Demonstrator” in lingua Inglese, mostra il dettaglio relativa ai rotori con alcuni elementi, tipo i “Servo” ben noti sui droni terrestri.

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Fonte:  Mars Helicopter Technology Demonstrator pdf

Ingenuity – Tecnologia e avionica

Il cuore di Ingenuity è un processore Qualcomm Snapdragon 801 a 500 Hz con un sistema operativo Linux, ovvero è un processore presenti su cellulari abbastanza datati. Lo Snapdragon 801 ha il compito di controllare la navigazione, attraverso i due paylaod (telecamere) presenti nel box e controllare l’operatività dei sensori.

Lo schema dell’avionica di bordo, è costituto da 5 circuiti, ed è ben sintetizzato nell figura seguente:

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Fonte:  Mars Helicopter Technology Demonstrator pdf

Ingenuity – I sensori e i payload

I sensori utilizzati da Ingenuity sono prodotti commerciali e include:

  • IMU – Si tratta di due dispositivi MEMS a 3 assi Bosch (Sensortec BMI-160), uno per il gruppo sensore superiore in un supporto d’isolamento dalle vibrazioni e uno sul gruppo sensore inferiore dove si trova insieme alle telecamere
  • Inclinometro – Questo è un dispositivo MEMS MuRata a 2 assi (SCA100T-D02)
  • Altimetro – Questo è un altimetro del tempo di volo con una portata di 10 metri da Garmin (Lidar-Lite-V3)

Causa l’incoerenza del campo magnetico del pianeta rosso, non è possibile durante il volo utilizzare uno dei sensori ben noti sui droni terrestri: la bussola, di cui Ingenuity non è dotato.

Per quanto riguarda il payload di Ingenuity è una costituto da due fotocamere ad alta risoluzione; una rivolta verso il basso e da un’altra rivolta verso l’orizzonte, entrambe utili anche ai fini di controllare per la navigazione, l’atterraggio e per il rilevamento scientifico del suolo, oltre che per il rilevamento delle immagini. Di seguito i dettagli:

  • Videocamera di navigazione (NAV) – Con otturatore globale, in scala di grigi puntato al nadir da 640 x 480 pixel (Omnivision13, scaricato dal NASA AMES RESEARCH CENTER l’8 gennaio 2018 | http://arc.aiaa.org | DOI: 10.2514 / 6.2018-0023 OV7251) montato su un modulo Sunny Optics. Ha un campo visivo (FOV) di 133 gradi (orizzontale) per 100 gradi (verticale) con un campo visivo istantaneo (IFOV) medio di 3,6 mRad /pixel ed è in grado di acquisire immagini a 10 fotogrammi/sec.
  • Telecamera Return-to-Earth (RTE) – Si tratta di un sensore Rolling Shutter ad alta risoluzione da 4208 x 3120 pixel (Sony IMX214) con un array di filtri colorati Bayer accoppiato con un modulo ottico O-film. Questa fotocamera ha un FOV di 47 gradi (orizzontale) per 47 gradi (verticale) con un IFOV medio di 0.26 mRad/pixel.

Entrambe le telecamere sono montate sul gruppo sensore inferiore dell’drone come mostrato nella figura sottostante. La telecamera NAV è puntata direttamente verso il nadir e la telecamera RTE è puntata a circa 22 gradi sotto l’orizzonte, risultando in una regione di sovrapposizione tra le due impronte dell’immagine della telecamera circa 30deg × 47deg. La sovrapposizione consente la possibilità di registrare le caratteristiche tra le immagini NAV e RTE durante l’elaborazione dei dati post-volo sulla Terra.

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Fonte:  Mars Helicopter Technology Demonstrator pdf

Ingenuity –  Le comunicazioni

Ingenuity può comunicare o essere comandato dalla Terra solo tramite collegamento radio. Questo collegamento è implementato utilizzando un chipset standard COTS802.15.4 (con protocollo Zig-Bee) a 900 MHz, SiFlex 02, originariamente prodotto da LS Research.

Vengono utilizzate due parti SiFlex identiche, una delle quali è parte integrante di una stazione base montata sul veicolo spaziale host, l’altra è inclusa nell’elettronica del drone.

Queste radio sono montate su schede PC personalizzate identiche che forniscono supporto meccanico, alimentazione, calore distribuzione e altre infrastrutture necessarie. Le schede su ciascun lato del collegamento sono collegate alle rispettive antenne personalizzate L’antenna dell’elicottero è un monopolo a quarto d’onda caricato posizionato vicino al centro del pannello solare (che funge anche da piano di massa) nella parte superiore dell’intero gruppo dell’elicottero ed è alimentato attraverso un cavo coassiale miniaturizzato instradato attraverso l’albero all’elettronica sottostante.

Uno degli aspetti più critici relativo alle comunicazioni è stato ‘utilizzo di assemblaggi standard per i sistemi elettronici da utilizzare su Marte causa la bassa temperatura sulla superficie di Marte. Di notte, l’antenna e i gruppi di cavi vedranno temperature fino a − 140 °C. I componenti elettronici sia sulla stazione base che sull’elicottero saranno tenuti “al caldo” (non al di sotto di -15 °C) da riscaldatori. Un’altra sfida è il posizionamento dell’antenna e la sistemazione sul veicolo spaziale ospite più grande. Ogni radio emette circa 0,75 W di potenza a 900 MHz con la scheda che consuma fino a 3 W di alimentazione durante la trasmissione e circa 0,15 W durante la ricezione. Il collegamento è progettato per trasmettere dati a velocità over-the-air di 20 kbps o 250 kbps su distanze fino a 1000 mA. La modalità di trasmissione dati unidirezionale viene utilizzata per recuperare i dati dal drone in tempo reale durante i suoi voli.

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Fonte: NASA video YouTube

Ingenuity – Il sistema di energia

Il drone Ingenuity è alimentato da un sistema di batterie agli ioni di litio che viene ricaricato quotidianamente da un pannello solare. L’energia nella batteria viene utilizzata per azionare i riscaldatori per sopravvivere alle fredde notti marziane, nonché per azionare gli attuatori del drone e l’avionica durante i brevi voli brevi.

La ricarica di questa batteria attraverso il pannello solare avvaine da uno a più Sol (giorni marziani). La batteria  è composta da 6 celle agli ioni di litio Sony SE US1865o VTC4 con una capacità di targa di 2 Ah. La velocità di scarica massima è maggiore di 25 A e la tensione massima della cella specificata dal produttore è 4,25 V.

La tensione della batteria è compresa tra 15– 25,2 V e la massa totale delle 6 celle è 273 g. Un sistema di gestione della carica di bilanciamento delle celle controllato dall’FPGA garantisce che tutte le singole celle abbiano una tensione uniforme.

Il consumo di energia per la sopravvivenza notturna è stimato a 21 Wh.

Il pannello solare è costituito da celle invertite metamorfiche (IMM4J) di SolAero Technologies. Le celle sono ottimizzate per lo spettro solare di Marte e occupano un’area rettangolare con 680 cm2 di substrato (544 cm2 di area cellulare attiva) in una regione centrata e immediatamente sopra il rotore coassiale.

Ingenuity – Sistema di riscaldamento e funzionamento

Ingenuity deve sopravvivere al freddo della notte su Marte, dove le temperature possono scendere fino a -100 ° C o più. Il componente più critico è la batteria che viene mantenuta sopra i -15 °C per tutta la notte mentre alimenta i riscaldatori a pellicola Kapton attaccati alle celle della batteria.

Le schede avioniche nell’ECM circondano la batteria e sono anche mantenute a una temperatura elevata in virtù della loro vicinanza al gruppo batteria caldo.

Il rivestimento termico della fusoliera più esterno è fatto da Sheldahl con assorbimento solare α = 0,8 ed emissività infrarossa (IR) = 0,1 Oltre alle perdite termiche attraverso il gap di gas (o aerogel), si verificano ulteriori perdite dovute alla conduzione nei mast e attraverso il cablaggio in rame che penetra nell’ECM dall’albero. Per ridurre al minimo quest’ultimo, i calibri dei cavi sono selezionati per essere dei calibri più sottili che possono ancora supportare l’assorbimento di corrente durante le operazioni senza surriscaldamento.

Prima del volo, sotto il controllo dell’FPGA, il sistema termico alimenta i riscaldatori nelle schede di controllo del motore che sono state esposte alla temperatura ambiente. La temperatura interna della batteria viene portata fino a 5 °C per consentire un’estrazione ad alta potenza dalle celle. Durante il funzionamento, l’ECM e la batteria si riscaldano a causa delle operazioni avioniche e dell’auto riscaldamento della batteria. Tuttavia, l’inerzia termica degli elementi è tale che per i brevi voli dell’elicottero non vi è surriscaldamento.


Crediti relativi alle immagini: L’immagine di copertina è tratta dal sito web della NASA. Le immagini e il video presenti nel post, che sono di proprietà della NASA. Le immagini e parte dei contenuti presenti nel post sono tratte dal pdf della NASA “Mars Helicopter Technology Demonstrator“. L’uso delle immagini è esclusivamente ai fini di una migliore comprensione dei contenuti dell’articolo. Si ringrazia la NASA per aver condiviso queste splendide immagini.

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Last Updated on/Ultimo aggiornamento – 01/05/2021

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