Come aumentare il raggio d’azione di un drone

Il raggio d’azione di un drone dipende da numerosi fattori limitanti, a cominciare dalla portata massima del segnale radio che collega il controller al ricevitore a bordo e viceversa. A sua volta, la portata di questo segnale è influenzata da vari fattori su cui possiamo intervenire. Una volta che saremo riusciti a estendere la portata del segnale radio, può darsi che avremo bisogno di aumentare anche l’autonomia energetica del proprio velivolo, altrimenti rischieremo di perderlo o comunque di doverlo andare a recuperare. Ecco dunque come fare, in pratica, per aumentare il raggio di azione del proprio drone.   

Vuoi aumentare il raggio d’azione del tuo drone? I droni con una piccola portata radio non fanno piacere, vero? Bene, puoi aumentare la portata del segnale necessario per guidare il tuo drone anche se non hai alcuna conoscenza tecnica o esperienza fai-da-te. Spiegherò i migliori metodi per aumentare la portata radio del tuo drone – e quindi la distanza massima che può raggiungere – praticamente in un minuto. Ma prima, parliamo di quanto lontano possono volare i droni.

Attualmente, il DJI Mavic Pro 2 e il Mavic 2 Zoom hanno la portata più lunga, che arriva a circa 8 km, che dovrebbe essere più che sufficiente per chiunque. Tuttavia, la maggior parte dei droni non ha una raggio d’azione così grande. Alcuni possono arrivare solo fino a poche centinaia di metri prima che i segnali radio siano completamente persi. Ci sono un buon numero di droni che hanno un solo difetto, che è proprio il corto raggio: ad es., il DJI Phantom 3 può andare solo fino a 1 km, che è al di sotto della media.

Tutti vorremmo che il nostro drone potesse andare il più lontano possibile. Come fare?

Non devi però preoccuparti, poiché puoi potenziare i segnali radio del tuo drone usando alcuni metodi semplici ed efficaci. Esistono essenzialmente due modi comuni, come indicato di seguito: l’impiego di un potenziatore di segnale (signal booster) oppure la realizzazione fai-da-te di un drone o, in alternativa, l’introduzione di opportune migliorìe in un drone commerciale già pronto.

I potenziatori di segnale, o “signal booster”

Un signal booster è un dispositivo che aumenta la potenza di un segnale di comunicazione per fargli raggiungere una distanza maggiore. Il nome descrive praticamente il funzionamento del prodotto, in quanto estende la portata dei segnali radio trasmessi dal controller al ricevitore che si trova sul tuo drone. I potenziatori di segnale sono molto efficaci e possono migliorare significativamente la portata dei segnali trasmessi dal controller: persino di oltre 10 volte per alcuni droni specifici. Ne puoi trovare diversi ad es. qui.

Una delle tante paraboline che fungono da signal booster in vendita sul web, ad es. qui.

L’efficacia di un signal booster dipende dalla sua qualità. Fondamentalmente, ci sono due frequenze comuni utilizzate per i droni, che sono 2,4 GHz e 1,2 GHz. L’uso della frequenza a 2,4 GHz è probabilmente l’opzione migliore in quanto è legale nella maggior parte degli Stati. La frequenza di 1,2 GHz, d’altra parte, potrebbe essere illegale nel tuo Stato. Dovresti verificare le conseguenze legali nella tua zona.

Per quanto riguarda la portata, la frequenza di 1,2 GHz è di gran lunga superiore a una portata massima di 10 km. La frequenza di 2,4 GHz, invece, è generalmente limitata a 1 km circa. In generale, infatti, la portata decresce con l’aumentare della frequenza, a parità di potenza di trasmissione. Come puoi scoprire da solo, un amplificatore di segnale può essere abbastanza efficace a seconda del tuo utilizzo.

Un controller per drone dotato di signal booster.

Un signal booster prende segnali deboli e li aumenta prima di ritrasmetterli nella direzione richiesta. Questi dispositivi non sono affatto costosi, quindi direi che in caso di drone a corto raggio ne varrà la pena. Ma per un drone che ha già una lunga autonomia, diciamo 7 km, probabilmente non aiuteranno molto. Di seguito sono riportati i due amplificatori di segnale (applicabili alla maggior parte dei droni) che consiglio:

  • BlueProton DJI Phantom WiFi Signal Range Extender
  • SKYREAT Copper Parabolic Antenna Range Booster

Senz’altro, maggiore è la potenza maggiore di un controller e del trasmettitore a bordo del drone e maggiore è la portata del segnale radio e video. Ma il diavolo è nei dettagli. La portata è proporzionale alla radice quadrata della potenza. Ciò significa che il raddoppio della potenza aumenterà la portata solo del 40% circa. Quindi, il signal booster ti aiuta, ma un po’ meno di quanto potresti sperare.

Impatto sul range dell’aumentare la potenza del segnale per un tipico setup a a 2,4 GHz.

Da cosa dipende la portata massima del segnale

Quando si considera la portata massima della propria configurazione controller /ricevitore del drone, i seguenti fattori determineranno, nel loro insieme, ciò che è possibile ottenere:

  • Il posizionamento del controller e del drone, compresi gli ostacoli nello spazio tra di loro
  • Il tipo di antenna sul controller e il tipo di antenna sul drone
  • La potenza del trasmettitore sul controller e la potenza del trasmettitore sul drone
  • La frequenza utilizzata
  • Ostacoli riflettenti dietro e attorno al controller e al drone
  • Interferenza da altre fonti RF
  • L’orientamento relativo del controller e del drone
  • Il posizionamento dell’antenna all’interno del drone

Il controller di un drone e le possibili frequenze utilizzate. Quella a 2,4 GHz è usata per trasmettere le immagini sullo smartphone.

Tutti i droni hanno alcune carenze, ma per fortuna, puoi modificarli per un’esperienza migliore. Tutte le specifiche di un drone possono essere modificate, ma parlerò solo di come migliorare la portata del tuo drone. Ecco le tre cose principali che determinano la portata del tuo drone:

  • Potenza del trasmettitore
  • Frequenza
  • Tipi di antenne utilizzate

Quindi ti servirà un potente trasmettitore (controller) a bassa frequenza che dovrebbe operare a 1,2 GHz o a 2,4 GHz e avrai anche bisogno di antenne con un guadagno di oltre 2 decibel. Questi equipaggiamenti aiuteranno il tuo drone a volare fino a 5-8 km a seconda dell’interferenza del segnale dovuta a ostacoli lungo il percorso. Chiaramente, se non ci sono ostacoli di mezzo la situazione è ideale.

Il volo con “visuale in prima persona” (FPV) è uno dei modi più entusiasmanti e coinvolgenti per pilotare un drone, che sta crescendo in popolarità in tutto il settore dei droni. Quest’ultima forma di tecnologia dei droni ha aperto le possibilità in una varietà di campi come il volo di droni FPV, le corse di droni, le missioni di ricerca e salvataggio e le applicazioni agricole. I droni pronti al volo possono essere combinati con occhiali FPV, cuffie, dispositivi smartphone e altri display per offrire un’esperienza di volo esaltante.

Il pilotaggio di un drone con visuale in prima persona, o volo FPV. Puoi trovare vari modelli piuttosto economici di droni FPV online, ad es. qui.

Con i recenti sviluppi nella tecnologia FPV e nel collegamento radio, i droni FPV a lungo raggio sono diventati piuttosto popolari. Ecco le due cose che dovresti sapere sui droni FPV:

  • La portata massima per i droni FPV è di circa 500 metri;
  • La frequenza di 5,8 GHz è la migliore che puoi avere per i droni FPV.

Una portata di circa 500 metri è più che sufficiente per l’utente medio di droni FPV. La frequenza di 2,4 GHz (quella del Wi-Fi) è 2,5 volte migliore di quella di 5,8 GHz in termini di portata teorica massima. Pertanto, se si sceglie la frequenza sulla propria configurazione, tenete presente che, a meno che non ci si trovi in un’area di interferenza significativa nella banda 2,4 GHz, i 5,8 GHz non saranno la scelta migliore.

Il range (in km) in funzione della frequenza (in MHz): diminuisce al crescere di quest’ultima.

D’altra parte, la portata di una tipica antenna Wi-Fi è di circa 100 metri. Nuovi sviluppi e antenne avanzate hanno reso possibile la fornitura di Wi-Fi a una distanza follemente più lunga: circa 5 km. Tuttavia, questi sistemi sono probabilmente fuori budget per la maggior parte degli appassionati.

Come aumentare il raggio d’azione di un drone FPV

Vuoi aumentare il raggio d’azione del tuo drone da corsa FPV senza pesanti modifiche o costi inutili? Beh, vi sono alcune semplici modifiche che possono aumentare la portata da 500 a 4.000 m. Ovviamente, migliorie sostanzialmente analoghe possono essere applicate anche ad altre tipologie di droni.

Il raggio d’azione di tali droni è limitato soprattutto dalla portata dei loro trasmettitori video FPV che si trovano a bordo del drone stesso. La maggior parte dei trasmettitori di droni da corsa FPV ha una portata inferiore a 1.600 m, ovvero a 1 miglio. Attualmente, il trasmettitore video FPV con la massima portata dichiarata è l’AKK X2 a 4000 m (che richiede un’antenna circolare polarizzata).

Un esempio di trasmettitore video per quadricottero FPV. Ne trovi vari qui.

Il secondo più grande vincolo sulla gamma di droni da corsa FPV è il radiocomando. Una tipica combinazione controller / ricevitore ha un raggio di 2.400 m. Attualmente la combinazione controller / ricevitore radio “di serie” con la portata più lunga è il Taranis X9D Plus e il ricevitore L9R: 9.500 m.

Una costosa antenna da 8 dB può darti una portata maggiore (o a volte inferiore) rispetto alle antenne di serie, a seconda delle circostanze. Tuttavia, il semplice cambio dell’antenna del tuo controller può darti una portata fino a 33 km. Nota che  Inspire, Mavic, Phantom e altri droni che utilizzano il trasmettitore video DJI Lightbridge (Full HD a 2,4 GHz) utilizzano comunicazioni digitali bidirezionali tra il controller e il drone. In quanto tale, controller e drone sono contemporaneamente trasmettitori e ricevitori.

Vari tipi di trasmettitori FPV a bordo dei droni e relativa portata in metri.

Un motore leggero che estrae la massima spinta da ogni volt ti aiuterà a conservare la carica della batteria durante i voli a lungo raggio, perché ovviamente è inutile estendere quest’ultimo se poi non hai l’autonomia necessaria per quanto riguarda l’energia elettrica. Ad esempio, il motore BrotherHobby T2 combina un elevato rapporto spinta / peso di 50,5 con la massima efficienza del giunto.

Aumentare le dimensioni di una batteria aumenterà anche la sua capacità di accumulare carica, offrendo al tuo drone da corsa FPV una maggiore autonomia. Tuttavia, una batteria più grande aumenterà la resistenza aerodinamica e ridurrà la manovrabilità del tuo drone da corsa FPV. Se la lunga autonomia è la tua unica priorità, ha più senso scegliere un drone FPV a lungo raggio appositamente costruito con una batteria molto più grande di quanto sia possibile per un drone da corsa FPV normale.

Per mantenere la manovrabilità del tuo drone da corsa FPV mentre aumenti l’autonomia, ti consigliamo una batteria di medie dimensioni con il peso più basso: la XF Power 4S Lipo da 1500 mAh e 166 gr vanta la massima capacità per unità di peso, come si può vedere con un confronto con altre batterie. Quindi, la capacità per unità di peso è un parametro importante nella scelta della batteria.

Motori brushless e batterie: due componenti su cui intervenire per ridurre il peso. 

Ridurre il peso da qualsiasi altra parte del drone FPV da corsa contribuirà ad aumentare l’accelerazione, la manovrabilità, la velocità e, naturalmente, l’autonomia. Ovviamente, raggiungere il raggio d’azione desiderato in modo sicuro e coerente è, comprensibilmente, molto importante per qualsiasi pilota di droni. Quindi, valuta attentamente gli effetti di ogni modifica che vai ad applicare al tuo drone.

La scelta delle antenne usate sul controller

Il tipo di antenna usato sul controller e il tipo di antenna usato sul drone è molto importante. Ogni antenna, infatti, ha uno specifico diagramma di radiazione. Alcune antenne trasmettono (o ricevono) ugualmente in tutte le direzioni (nel qual caso il diagramma di radiazione è una sfera centrata intorno all’antenna) mentre altre antenne altamente direzionali trasmettono (o ricevono) solo in un cono stretto di fronte a loro. Un buon esempio di antenna direzionale è la tipica antenna TV a parabola, che deve essere puntata nella giusta direzione (verso il satellite) per funzionare.

Più un’antenna è direzionale, maggiore è il suo guadagno. Una buona analogia si ha confrontando una lampadina domestica (bassa direzionalità, a corto raggio) con una torcia (alta direzionalità, a lungo raggio). Il guadagno viene misurato in dB, con antenne omnidirezionali che hanno di solito un guadagno di 1-3 dB e antenne direttive che di solito hanno un guadagno di 8-15 dB. L’impatto del guadagno è enorme. Ad esempio, a parità di altre condizioni, un’antenna da 2 dB a 2,4 GHz ti fornirà un raggio di 6 km mentre un’antenna Yagi da 16 dB aumenterà questo raggio a 33 km.

Differenza fra un’antenna omnidirezionale ed una altamente direzionale.

Le antenne DJI standard sono a basso guadagno, il che significa che ricevono ugualmente bene in tutte le direzioni. La scelta del tipo di diagramma di radiazione – e quindi di antenna – dipende dal tuo stile di volo (ad es. un volo a lungo raggio nella stessa direzione o un volo a corto raggio attorno al pilota) e dall’equipaggiamento (ad es. un localizzatore d’antenna consentirà ad un’antenna direzionale di puntare sempre sull’aereo) . Inoltre, le antenne omnidirezionali hanno in genere un diagramma a forma di ciambella, con un’area a bassa sensibilità proprio sopra e sotto di esse.

Quindi, per riassumere: a) Le antenne ad alto guadagno (con guadagno > 2 dB), ovvero direttive, forniranno una grande portata quando si vola direttamente davanti ad esse ma una portata davvero terribile quando si vola dietro; (b) le antenne di serie, cioè omnidirezionali, hanno un punto debole proprio sopra il pilota, pertanto, è comune che il segnale video sia debole quando si vola direttamente sopra il pilota, quindi fai attenzione quando voli con il tuo drone direttamente in alto.

Portata massima di alcuni controller per droni.

La maggior parte dei piloti ha avuto problemi di segnale quando si trovava a distanza e ruotava il proprio drone. Una probabile ragione è che il diagramma di radiazione dell’antenna del drone è bloccato da alcuni dei circuiti del drone. È utile sapere che uno dei peggiori bloccanti della RF sono le batterie LiPo, motivo per cui è consigliabile che le antenne si trovino sotto il drone e non all’interno del suo guscio.

L’influenza di ostacoli e interferenze sulla portata

È abbastanza ovvio che se ci sono ostacoli nella linea di vista tra il controllo e il drone, il segnale si deteriorerà. Tuttavia, questa è solo metà della verità poiché anche gli ostacoli che non sono direttamente nella linea di vista hanno un impatto significativo. Più in particolare, qualsiasi ostacolo nella “zona di Fresnel” inciderà sulla portata. In termini semplici, la zona di Fresnel è un’area a forma di palla da rugby tra il trasmettitore e il ricevitore. Per ottenere il miglior collegamento quest’area dovrebbe essere libera da ostacoli. Il seguente diagramma illustra questo punto.

La zona di Fresnel e l’influenza degli ostacoli.

Anche l’orientamento relativo del controller e del drone è importante, nel caso delle antenne polarizzate lineari che comprendono tutte le antenne disponibili per Phantom, Mavic e Inspire. Quando si utilizzano tali antenne polarizzate lineari, è importante mantenere le antenne riceventi e trasmittenti nello stesso orientamento, ad esempio entrambe verticali (rivolte verso l’alto). Tuttavia, questo potrebbe non essere sempre possibile, con conseguente degrado significativo del segnale.

Infine, vale la pena essere consapevoli se si sarà soggetti a interferenze multipath, cioè multi-percorso. Questo è un problema che si verifica quando il segnale raggiunge il ricevitore da più percorsi o direzioni. Ciò accade in genere quando il segnale rimbalza contro gli ostacoli. Quindi, cerca di evitare di posizionarti vicino a grandi ostacoli, anche se questi sono dietro di te e la tua visuale sul drone è chiara.

Quando si pensa all’interferenza, è necessario considerare tre cose: (a) È un’interferenza solo se è nella tua frequenza (ci sono anche alcuni effetti su frequenze medie o doppie ma non è così importante); (b) È un’interferenza solo se si trova all’interno del diagramma di radiazione, cioè se usi un’antenna ad alto guadagno, non importa tanto se ci sono interferenze dietro di te; (c) È un problema solo se l’interferenza è superiore alla potenza del trasmettitore (data distanza e tutti gli altri fattori).