Qualcosa sul funzionamento dei giroscopi per elicotteri RC

Prima di tutto qualche cenno sul funzionamento dei giroscopi classici.

Il piu' classico dei giroscopi e' quello a funzionamento meccanico.
In questo tipo di giroscopio una massa metallica rotante rileva, sfruttando l'effetto giroscopico, la rotazione dell'elicottero lungo il suo asse da stabilizzare (tipicamente l'asse d'imbardata "Z").
La foto mostra l'interno della parte meccanica di un giroscopio meccanico Futaba.
Sono visibili le masse rotanti (chiare) montate agli estremi dell'albero del motore elettrico, il motore e' vincolato ad un perno e puo' girare su un asse perpendicolare al proprio asse; e' mantenuto in posizione centrale da due molle visibili in alto. Quando l'elicottero ruota sull'asse di imbardata il gruppo motore + masse rotanti si inclina a destra o a sinistra vincendo la forza di reazione delle molle. Sotto al motore e' posta la basetta con il sensore a effetto hall che comunica all'elettronica dell'apparecchio quanto e' inclinato il motore. L'inclinazione che assume il gruppo motore + masse giroscopiche   e' proporzionale alla velocita' con la quale l'elicottero sta ruotando.

L'elettronica del giroscopio comanda poi il servo del ruotino di coda per smorzare la rotazione dell'elicottero.
Questo tipo di giroscopio ha quindi solamente un'azione di controreazione (feedback) nei confronti della velocita' di rotazione dell'elicottero.

ESEMPIO: per qualsiasi motivo, come puo' essere una raffica di vento laterale da destra o una variazione del passo collettivo, l'elicottero gira in senso orario, gira cioe' il muso verso destra. La massa giroscopica fa spostare il sensore alla quale e' collegata, il sensore a sua volta comunica lo spostamento all'elettronica del giroscopio.
L'elettronica del giroscopio comanda il servo del ruotino di coda come per fare girare l'elicottero in senso antiorario. la rotazione involontaria verso destra e' quindi corretta da un comando verso sinistra impartito dal giroscopio.

La sensibilita' del giroscopio meccanico (GAIN) non e' altro che la quantita' di comando contrario data dal giroscopio al servo. E' regolabile tramite un trimmer sul giroscopio o, sui piu' evoluti, direttamente dalla trasmittente.
Una osservazione interessante e' che questo tipo di giroscopio tende a stabilizzare qualsiasi rotazione dell'elicottero, sia essa involontaria o volontaria. Se vogliamo fare ruotare volontariamente il nostro elicottero il giroscopio si opporra' alla rotazione riducendo il movimento del servo. Il nostro comando risultera' possibile ma comunque ridotto dall'effetto contrario del giroscopio. Per eseguire piroette o comunque fare ruotare velocemente l'elicottero sara' necessario settare una sensibilita' ridotta o usare l'apposito mixer, presente sulle radio piu' sofisticate, che permette di ridurre automaticamente la sensibilita' (gain) in proporzione al comando dato.
In pratica:

Stick al centro = massima sensibilita' del giroscopio.
Stick tutto a destra (o a sinistra) = minima sensibilita' del giroscopio.

Certi giroscopi meccanici hanno la possibilita' di alimentare il motore separatamente tramite un altro pacco di batterie, questo al fine di mantenere costanti i giri del motore. Di solito il pacco ausiliario deve essere di 5 celle, poi c'e' uno stabilizzatore di tensione all'interno dell'epparecchio che stabilizza appunto la tensione sui poli del motore. Di riflesso c'e' anche il vantaggio del considerevole aumento dell' autonomia di volo.
Il motore consuma circa 100 mA e l'elettronica del giroscopio 40 mA. Alimentando il motore separatamente con normali batterie stilo da 800 mAh abbiamo un'autonomia teorica del motore di 8 ore, quindi piu' che sufficente per un'intera giornata passata al campo volo. Il pacco della ricevente dovra' accollarsi solamente i 40 mA dell'elettronica, circa il consumo di una ricevente. Il peso aggiuntivo sara' di circa 120 grammi (5 batterie stilo).

Vantaggio dei giroscopi meccanici e' che oramai se ne trovano di ottimi modelli, come fondi di magazzino oppure usati, a prezzi di molto bassi rispetto a quello che costavano qualche anno fa. Puo' essere un vantaggio per chi inizia e non sa poi se intende continuare con l'elicottero.

Giroscopi PIEZOELETTRCI (o come si dice comunemente "PIEZO"):

Il loro funzionamento e' del tutto simile ai meccanici, il grande vantaggio sta nel fatto che la velocita' di rotazione e' letta da un sensore piezoelettrico allo stato solido. Non ci sono masse in movimento , il sensore e' costituito da tre lamine di ceramica piezoelettrica montati su un prisma a base triangolare equilatera. Una di queste lamine viene fatta vibrare ad una frequenza prestabilita. Se il prisma e' in quiete (non ruota) le altre due lamine ricevono la vibrazione allo stesso modo generando due segnali uguali ed opposti che si annullano. Se il prisma ruota le due lamine che fungono da sensori ricevono la vibrazione in modo diverso e la somma dei due segnali generati genera a sua volta un segnale positivo o negativo a seconda del senso di rotazione.
L'elettronica del giroscopio elabora poi il segnale ricevuto dal prisma come nel caso del giroscopio meccanico.

I principali vantaggi dei giroscopi PIEZO sono la loro sensibilita' e velocita' di risposta, di molto superiore a quella dei meccanici. Hanno una vita molto piu' lunga, il motore elettrico dei giro meccanici e' soggetto ad usura e ogni tanto va sostituito. I PIEZO consumano poi meno corrente, circa 40-50 mA contro i  150-200 mA di un meccanico; I PIEZO sono generalmente piu' leggeri e piu' facili da installare, ne esistono di molto economici e a volte molto piccoli, costruiti in un solo pezzo e comodi da installare in piccoli elicotteri come i classe .30 o gli elettrici.

I giroscopi PIEZO sono pero' sensibili alle variazioni di temperatura in base alla quale si sposta il loro punto neutro (fenomeno normalmente detto "DRIFT" o meglio, in linguaggio tricolore, "DERIVA TERMICA"). Prima di andare in volo e' buona norma lasciare acclimatare il giroscopio fuori dalla vettura per un po' di tempo.
I piezo con compensatore termico sono molto meno sensibili a questo scomodo effetto. Un sensore interno misura la temperatura e un apposito circuito compensa la deriva termica.  Quelli di ultima generazione, soprattutto se di qualita', sono praticamente privi di deriva termica e non necessitano dell'attesa per l'acclimatazione.
All'atto dell'accensione della ricevente, da fare sempre a trasmittente gia' in funzione, e' necessario lasciare immobile l'elicottero per qualche secondo. Il tempo richiesto varia a seconda del modello di giroscopio ed e' specificato nelle istruzioni. Durante questo periodo il giroscopio determina la sua posizione neutra.
I giroscopi piezoelettrici esprimono al meglio le loro caratteristiche di velocita' di risposta se accoppiati con servi appositamente studiati, molto veloci e reattivi come il Futaba 9203 o altri di altre marche. C'e' solo l'imbarazzo della scelta.

Giroscopi dell'ultima generazione con funzione "heading lock":

Questi giroscopi, ovviamente tutti piezoelettrici, non eseguono solo un' azione di smorzamento dell'asse di imbardata ma li possiamo considerare veri e propri "piloti automatici" che gestiscono in proprio il servocomando del ruotino di coda. Possono funzionare in due modi distinti:
Come un normale giroscopio piezo oppure (e qui sta la vera novita') in modalita' HEADING LOCK o meglio funzione a "CODA BLOCCATA".
Questa funzione e' presente nei giroscopi CSM icg 360 (gia' fuori produzione), CSM icg 540, nel Futaba GY 501, nel Robbe 3D e in altri prodotti da altre ditte.
Nella foto qui sotto possiamo vedere un giroscopio meccanico Futaba (sopra) confrontato con il nuovo modello di punta della Futaba, il GY 501(sotto).

Di seguito la foto del nuovissimo CSM icg 540, realizzato in un solo pezzo, leggero e compatto.

Che cosa e' l'heading lock:

A mio modesto parere il sistema di funzionamento su cui si basano questi giroscopi e' una delle piu' grandi novita' tecnologiche introdotte ultimamente nel campo del modellismo. E' una tecnologia sicuramente derivante dall'applicazione di risorse sviluppate per altri settori. Avete mai visto dal vero il funzionamento degli stabilizzatori di una telecamera professionale a cintura, tipo quelle che sono molto in uso negli studi televisivi? Una "steadycam" per intenderci. Se vi capita fateci caso e noterete molte assonanze con il nostro "heading lock".
Di novita' nel modellismo se ne vedono un po' tutti i giorni, pero' a volte capita che, andando a vedere nelle vecchie riviste, si scopre che si e' inventato veramente poco. Si tratta per lo piu' di corsi e ricorsi storici........
A parte mie divagazioni questi giroscopi sono una vera e propria novita'.
Come gia' detto in precedenza il giro tradizionale ha solamente una funzione di smorzamento piu' o meno efficace dell'asse di imbardata del modello. In caso di vento laterale, ad esempio, l'elicottero tende a puntare sempre il muso contro vento in quanto la sua coda funziona esattamente come una bandiera e tende ad allinearsi rispetto al vento. Un giroscopio normale smorza questa tendenza con la sua funzione di controreazione ma e' il pilota che deve correggere dando un opportuno comando, altrimenti l'elicottero tendera' sempre ed inesorabilmente a puntare il muso contro la direzione del vento.
Un giro con il sistema heading lock funziona in maniera del tutto diversa. In questo caso lo stick della trasmittente non comanda il servo del ruotino di coda. Comanda invece direttamente il giroscopio informandolo di come vogliamo che si comporti l'elicotterro lungo l'asse d' imbardata. Il giroscopio comanda poi il servo per fare assumere all'elicottero la velocita' di rotazione che vogliamo.

In pratica:

Stick al centro = velocita' di rotazione dell'elicottero nulla.
L'elicottero non ruota qualsiasi cosa succeda, puo' essere con il vento di fronte, di lato o proveniente da dietro ma lui mantiene in ogni caso la sua posizione di "coda bloccata". Il giroscopio si occupa di variare continuamente il passo del ruotino di coda per fare rimanere nulla la rotazione.

Stick a destra = l'elicottero ruota in senso orario con velocita' di rotazione proporzionale alla quantita' di comando che si e' dato verso destra. Ovviamente piu' comando si da' e piu' l'elicottero ruota velocemente. Il giroscopio gestisce la posizione del servocomando per fare ruotare la coda esattamente alla velocita' di rotazione impartita dal pilota.
Se si impone e si mantiene un comando che corrisponde, ad esempio, ad una velocita' di rotazione di 10 gradi al secondo il modello ruotera' con quella precisa velocita' fino a che non viene variato il comando.
Portando lo stick al centro la rotazione si arresta immediatamente e l'elicottero rimane nell'ultima posizione assunta sull' asse di imbardata.

Stick a sinistra = come sopra ma naturalmente la rotazione e' antioraria.

Il tipo di funzionamento qui sopra descritto e' anche chiamato YAW RATE DEMAND, che puo' essere italianizzato in "richiesta di quantita' di imbardata". Come detto sopra la posizione dello stick sulla trasmittente non comanda direttamente il servocomando ma informa il giroscopio sulla quantita' di imbardata (rotazione sull'asse "Z") che vogliamo ottenere. Una volta chiaro questo concetto risulta piu' familiare l'uso di tali giroscopi.

Con questi tipi di giroscopi funzionanti secondo il sistema "Yaw Demand Rate" la trasmittente deve essere settata in maniera del tutto differente. Innanzitutto vanno disabilitati tutti i mixer relativi al ruotino di coda.
Questa e' un'operazione molto importante e fondamentale, altrimenti sara' impossibile mantenere in volo il nostro elicottero. Vanno quindi disabilitati i mixer fra passo collettivo e passo ruotino (REVO mixer, in certe radio chiamato ATS cioe' automatic stabilisation sistem) come pure va disabilitato la riduzione automatica della sensibilita'   del giroscopio all'aumentare del comando (pilot authority mixing). Va disabilitato anche il settaggio del passo ruotino della funzione autorotazione, importante in special modo se abbiamo un elicottero con il ruotino tascinato durante l' autorotazione. Il fatto che questi mixer vadano disabilitati e' un grande aiuto soprattutto per un neofita in quanto sono abbastanza complessi da mettere a punto al meglio e quando si e' all'inizio si ha gia' parecchio altro a cui dovere fare attenzione.

Generalmente questi giroscopi hanno due settaggi di volo selezionabili direttamente dalla trasmittente tramite un canale ausiliario.
Un settaggio funziona di solito come giroscopio normale e puo' essere usato per il volo normale. L'altro settaggio include la funzione "blocco della coda" o "heading lock" e puo' facilitare le cose in questi casi:

- A un principiante che durante l'apprendimento delle prime manovre di hovering puo' quasi dimenticarsi dell'esistenza del comando di imbardata e quindi concentrarsi sui tre comandi rimanenti.

- Nelle manovre di hovering con vento di traverso in quanto, anche se il vento e' a raffiche, l'elicottero non tendera' a girarsi su se' stesso puntando in naso verso al vento.

- In acrobazia, in particolare e' necessario quando si esegue volo all'indietro a velocita' sostenuta. Il giroscopio mantiene infatti la coda allineata alla direzione voluta anche in retromarcia.

- Nel volo normale, una volta abituati al suo funzionamento. E' necessario in questo caso fare l'abitudine al comportamento a coda bloccata perche' quando dobbiamo affrontare una virata dobbiamo necessariamente dare noi tutto il comando di imbardata, altrimenti ci ritroviamo a meta' della virata con la coda che punta verso terra, in quanto l'elicottero non gira so se' stesso se non gli forniamo noi il comando adeguato. Tuttavia dopo un po' di allenamento il tutto diventa naturale anche se tanti preferiscono il settaggio "giroscopio tradizionale" quando si fa volato normale.

Altro vantaggio di questi giroscopi e' che hanno un limite di escursione massima per il servocomando, ad esempio il servo puo' muovere 45 gradi sia a destra che a sinistra attorno al suo punto neutro e non di piu'. Regolando opportunamente la lunghezza della squadretta di comando sul servo saremo quindi sicuri che il nostro servo non arrivera' mai e per nesson motivo a fare lavorare i leveraggi a fondo corsa e questo mette al riparo dai guai sia i leveraggi che il servo stesso che potrebbe altrimenti subire danneggiamenti.
Nei giroscopi piu' sofisticati questi limiti massimi di escursione sono regolabili in maniera da petere trovare sempre l'ottima combinazione fra tipo di servocomando, lunghezza squadretta e quantita' di comando trasferita ai leveraggi dell'elicottero. Si possono cioe' provare diverse lunghezze di squadretta senza pericolo di raggiungere fondo corsa sui comandi o al contrario quantita di comando insufficiente al buon funzionamento del sistema.

Servocomandi, tiranteria e trasmissione del moto sono aspetti da prendre in considerazione.
Questi giroscopi presentano vantaggi innegabili sotto molti aspetti pero' richiedono particolari condizioni per un funzionamento ottimale. Funzionano bene solamente con servocomandi molto veloci e reattivi. L'ideale sono i velocissimi (e purtroppo molto costosi) servi digitali, come il Futaba FP-S 9250 oppure il JR 2700G. Sono molto rapidi come accelerazione e velocita' di spostamento. Sono pure molto potenti (anche per piccoli spostamenti) e  hanno tempi di reazione che sono circa la meta' rispetto ai tradizionali servi a controllo analogico. D'altro canto sono piu' costosi e consumano una maggiore quantita' di corrente, giustificata ampiamente dalle loro maggiori prestazioni.
Per un corretto funzionamento e' anche necesserio non ci siano giochi nella tiranteria del passo di coda. Il comando stesso deve essere il piu' possibile rigido ed esente da attriti che possono rallentare l'azione del servo, l'ideale sono i comandi realizzati appositamente con un'asta di carbonio. Si trovano in commercio per molti modelli oppure, con un po' di iniziativa, si possono realizzare con una spesa modesta.

E' anche richiesta una trasmissione del moto al ruotino di coda il piu' possibile rigida. Non sono quindi l'ideale le trasmissioni di moto realizzate con un filo d'acciaio che ruota all'interno di una guaina mentre vanno bene i tubi in alluminio o corbonio rotanti su cuscinetti oppure le trasmissioni a cinghia dentata.
Sono anche molto sensibili alle vibrazioni, che devono essere ridotte al minimo possibile, e richiedono un motore dal funzionamento il piu' possibile regolare.

Per ora puo' bastare, l'importante e' capire bene le differenze di funzionamento fra i vari tipi di giroscopi e poi sta a voi scegliere quello che vi sembra essere piu' adatto alle vostre esigenze. Per chi ne volesse sapere di piu' rimando alla pagina di questo sito che tratta in particolare il modernissimo giroscopio CSM icg 540.

Come diavolo funziona questo HEADING LOCK?

La prima cosa che ci viene in mente vedendo funzionare un giroscopio di questo tipo e' senz'altro che il tutto si basi su una bussola elettronica che determina la posizione dell'elicottero rispetto al campo magnetico terrestre.
Purtroppo il discorso non e' cosi' semplice in quanto con una bussola il sistema non potrebbe funzionare con l'elicottero in tutti gli assetti possibili rispetto al campo magnetico terrestre.
Il sistema si basa invece su un sensore piezoelettrico che ci fornisce solamente la velocita' con la quale sta ruotando l'elicottero e non ci dice in nessun modo la sua posizione. In pratica sa a che velocita' angolare ruota l'elicottero ma non sa dire dove la coda sia puntata.
In piu' il giroscopio non e' in grado di sapere che l'elicottero ruoti prima che cio' avvenga. Se ad esempio abbiamo l'elicottero in hovering davanti a noi e una raffica di vento lo fa ruotare il giroscopio interverra solamente a rotazione gia' iniziata.
Il sensore e' in grado di informare il giroscopio della velocita' angolare raggiunta e il giroscopio e' in grado di fermare questa rotazione con un'opportuna correzione sul servo. Questo non e' sufficiente in quanto noi vogliamo che la coda dell'eli ritrovi la posizione che aveva prima dell'arrivo della folata di vento; e questo il solo sensore piezoelettrico non e' in grado di determinare.
A questo punto viene in aiuto un po' di matematica.

Il sensore misura la velocita' angolare istantanea.
Se moltiplichiamo una velocita' angolare costante per il tempo per la quale essa interviene abbiamo l'angolo di spostamento effettuato in quel determinato tempo.
Il nostro giroscopio misura molte volte in un secondo la velocita' angolare istantanea.
Per ognuno di questi piccolissimi intervalli di tempo conosce la velocita' angolare istantanea e il tempo per la quale essa e' intervenuta.
Moltiplicando questi due fattori conosce  quindi l'ampiezza dell' angolo   compiuto dal nostro elicottero in ogni singola frazione di tempo.
Sommando tutte queste piccole rotazioni e' nota quindi la posizione che ha assunto l'elicottero. A questo punto il giroscopio interviene con un comando contrario alla rotazione subita dall'elicottero fino a quando non ha misurato un angolo di rotazione di ampiezza uguale a quello misurato ma nella direzione opposta.
A questo punto la coda ha ritrovato la sua posizione originale.
Tutto questo avviene molte volte in un secondo e l'elicottero e' sempre alla ricerca del suo punto neutro di riferimento.

La reazione del giroscopio e' molto veloce e deve essere il piu' veloce possibile anche quella del servo.
Questo perche' il servo di coda sara' sempre in movimento per permettere alla coda di inseguire la posizione di riferimento.
Piu' la risposta del servo sara' veloce e piu' piccoli saranno gli spostamenti della coda attorno al punto di riferimento.
Con servi appositamenti costruiti per lo scopo, molto ma molto veloci, gli spostamenti saranno impercettibili e assolutamente trascurabili.
Il punto di riferimento puo' essere una posizione fissa (se abbiamo lo stick della trasmittente al centro), oppure un riferimento in rotazione (se diamo comando a destra o a sinistra). In ogni caso il nostro elicottero inseguira' questo riferimento.
Se il riferimento ruota anche il nostro elicottero ruotera', e ruotera' alla esatta velocita' angolare con la quale ruota il riferimento imposto.