Aeromobile a pilotaggio remoto (APR) nelle indagini ambientali ed energetiche

Nowadays, it is possible to appreciate how remotely piloted aircraft are increasingly used in various civil and military applications. The use of these means offers the possibility of creating "flying mobile laboratories" where it’s not the object of study that physically enters the laboratory, but the instrumentation itself that is transported and used in the site being measured. This technology, however, still has some critical issues that limit its use, such as the high weight of the professional instrumentation, the reduced flight range due to the limited electrical capacity of the battery and a consequent reduced range of action. The purpose of this research is to design, build and use innovative unmanned aerial vehicles (UAVs) for specific measurement campaigns according to the current legislation that came into force with the ENAC LG 2020/001 - NAV regulation of 31/12/2020. The goal is to be able to use UAVs for energy and environmental surveys such as thermal and optical scans of residential building envelopes and monitoring the concentration of pollutants in large areas with limited and difficult access. Initially, UAVs of high weight, value and construction complexity were used to carry out detailed investigations on energy efficiency of residential buildings and precisely monitor the concentration of specific environmental parameters in the areas under test. An innovative method for evaluating the trend over time of wall’s insulating capacity has been introduced. Subsequently, as today's technological innovations in the field of miniaturization of the sensor component and the relative reduction of weight and dimensions, the concept of UAF (Unmanned aerial fleet) was presented, introducing the use of a fleet of monosensor drones instead of a single multisensors drone. This has led us to drastically reduce the weight, complexity and cost of the single UAV by limiting the risk factor and greatly simplifying the entire data acquisition process. In order to improve the performance and the relative useful life of the lithium-ion batteries used to power our fleet of drones, laboratory tests were carried out on a single cell to characterize their electrical and thermal behavior in the different configurations of uses. By monitoring the trend of the surface temperature and the potential difference supplied at different current values in the charging and discharging process, it was possible to evaluate which particular conditions of use lead to thermal stress and consequent battery wear. A first approach to a cooling system with low boiling dielectric liquid was carried out in the laboratory. Finally, with the aim of eliminating or at least limiting as much as possible the need for skilled labor in the data acquisition process, a basic inductive charging prototype for a quadcopter drone was designed and built. This research has laid the foundations for future developments in the field of use of UAV's, highlighting that the future development of these technologies will increasingly focus on the use of simple and light means capable of acquiring data and images in complete autonomy, following protocols. predetermined flight and measurement.

Nell’attuale contesto mondiale è possibile apprezzare come mezzi aerei a pilotaggio remoto siano sempre più utilizzati in diverse applicazioni civili e militari. L’impiego di tali mezzi offre la possibilità di realizzare ʺlaboratori mobili volantiˮ dove non è l’oggetto di studio ad entrare fisicamente nel laboratorio, ma la strumentazione stessa ad essere trasportata ed utilizzata nel sito oggetto di misura. Questa tecnologia, tuttavia, presenta ancora delle criticità che ne limitano l’utilizzo, quali l’elevato peso della strumentazione professionale, la ridotta autonomia di volo dovuta alla limitata capacità elettrica della batteria ed un conseguente ridotto raggio d’azione. Lo scopo di questa ricerca è progettare, realizzare ed utilizzare innovativi mezzi a pilotaggio remoto (UAV) per specifiche campagne di misura secondo la vigente normativa entrata in vigore con il regolamento ENAC LG 2020/001 - NAV del 31/12/2020. L’obiettivo è poter utilizzare UAV’s per analisi energetiche ed ambientali quali scansioni termiche e ottiche di involucri edilizi di edifici residenziali ed il monitoraggio della concentrazione di inquinanti in ampie zone dal limitato e difficile accesso. Inizialmente sono stati utilizzati UAV dall’elevato peso, valore e complessità costruttiva per effettuare indagini dettagliate sull’efficienza energetica di edifici residenziali e monitorare con precisione la concentrazione di specifici parametri ambientali nelle zone oggetto di test. Un innovativo metodo per la valutazione dell’andamento nel tempo della capacità isolante delle pareti è stato introdotto. Successivamente, viste le odierne innovazioni tecnologiche nell’ambito della miniaturizzazione della componente sensoristica e alla relativa riduzione di pesi ed ingombri, è stato introdotto il concetto di UAF (Unmanned aerial fleet), ovvero l’utilizzo di una flotta di droni monosensore al posto di un unico drone multisensore. Questo ci ha portato a diminuire drasticamente il peso, la complessità ed il costo del singolo UAV limitando il fattore di rischio e semplificando notevolmente tutto il processo di acquisizione dati. Nell’ottica di migliorare le prestazioni e la relativa vita utile delle batterie agli ioni di Litio utilizzate per alimentare la nostra flotta di droni, sono stati effettuati test di laboratorio su singola cella per caratterizzarne il comportamento elettrico e termico nelle diverse configurazioni di processi di utilizzo. Monitorando l’andamento della temperatura superficiale e della differenza di potenziale fornita a diversi valori di corrente nel processo di ricarica e scarica, è stato possibile valutare quali particolari condizioni di utilizzo portano ad uno stress termico e conseguente usura della batteria. Un primo approccio ad un sistema di raffreddamento con liquido dielettrico bassobollente è stato effettuato in laboratorio. Infine, con l’obiettivo di eliminare o almeno limitare quanto possibile la necessità di manodopera specializzata nel processo di acquisizione dati, è stato progettato e realizzato un prototipo di base a ricarica induttiva per un drone quadricottero. La presente ricerca ha messo le basi per futuri sviluppi nel campo di utilizzo di UAV’s, evidenziando che lo sviluppo futuro di queste tecnologie sarà sempre più incentrato sull’utilizzo di mezzi semplici e leggeri in grado di acquisire dati ed immagini in completa autonomia, seguendo protocolli di volo e misura predeterminati.