Ради комфорта пассажиров дроны разучились делать рывки
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали алгоритм автономного полета для дронов, который позволит создать беспилотное аэротакси достаточно комфортное для людей-пассажиров. Работа исследователей опубликована в журнале IEEE Robotics and Automation Letters, а краткое ее изложение приводит IEEE Spectrum. Для того, чтобы пассажиры могли с комфортом летать на беспилотных аэротакси, швейцарцы добавили в алгоритм автономного полета возможность регулирования рывков.
Многие компании, выпускающие беспилотные летательные аппараты, занимаются и разработкой систем уклонения от столкновений для них. Прототипы этих систем уже работают достаточно эффективно. При этом для установки на перспективные беспилотные аппараты, на которых планируется перевозить пассажиров, такие системы совершенно не подходят. Дело в том, что для избежания столкновений дроны с такими системами могут переворачиваться в воздухе, резко тормозить, ускоряться и маневрировать.
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны пришли к выводу, что хотя новые системы и позволяют в широких пределах настраивать интенсивность торможения, скорость и крутизну маневров, они все равно не позволяют добиться комфортного полета с точки зрения пассажира. Дело в том, что такие алгоритмы не имеют настроек для рывков — набора или сброса скорости за краткий промежуток времени. Между тем, именно отсутствие рывков, по мнению исследователей, в значительной степени влияет на комфорт пассажиров.
В своем исследовании швейцарцы использовали стандартный алгоритм оптимального обоюдного избегания столкновения (Optimal Reciprocal Collision Avoidance, ORCA). Этот алгоритм разрабатывался Университетом Северной Каролины в Чапелл-Хилл и был впервые представлен в 2011 году. В настоящее время исходный код алгоритма распространяется свободно, его можно скачать на GitHub. Алгоритм ORCA используется не только в системах для дронов, но и для управления компьютерными персонажами в играх, например, Crysis 2 или Warhammer 40.000.
Алгоритм ORCA позволяет задавать для дронов несколько параметров, включая крейсерскую скорость, время прогноза а также опасную и безопасную дистанции. В полете дроны, оборудованные системами уклонения от столкновения под управлением ORCA, постоянно обмениваются друг с другом данными о маршруте полета, скорости и пространственном положении. На основании этих данных каждый аппарат просчитывает свое положение и положение других аппаратов на несколько секунд вперед.
Если рассчитанная ORCA траектория дрона пересекается с траекторией полета другого аппарата, алгоритм корректирует скорость полета и положение аппарата в пространстве. Работая на каждом из аппаратов в общем воздушном пространстве алгоритм позволяет им избегать столкновений и даже попадания друг друга в свои заданные зоны безопасности. В играх ORCA может управлять тысячами объектов, не позволяя им сталкиваться. В реальности работу алгоритма проверяли на нескольких десятках дронов.
Исследователи добавили в стандартный алгоритм ORCA новый параметр jerk. Тут используется игра слов, поскольку слово имеет несколько значений. В технике этот термин обозначает рывок, а со сленга это слово можно перевести как «придурок», «негодяй». Швейцарцы предположили, что параметр jerk следует сделать настраиваемым, чтобы пассажир сам определял для себя допустимый уровень комфорта при резких ускорениях. В целом параметр ограничивает именно перегрузки, возникающие при рывках — резких замедлении или ускорении.
Швейцарцы провели испытания доработанного алгоритма ORCA на десяти дронах. На испытаниях аппараты были выстроены в воздухе кольцом. Им дали задание поменяться местами пролетев через воображаемый центр кольца. Если бы беспилотники не были оснащены ORCA, в центре они бы все непременно столкнулись. Благодаря доработанному алгоритму дроны не только успешно выполнили задание, но при этом при корректировке скорости и маневрировании не совершали рывков.
Сегодня многие компании в мире занимаются разработкой концептов и проектов аэротакси — специальных легких летательных аппаратов, которые можно будет использовать для перевозки пассажиров внутри городов и в пригороде. Такого класса летательные аппараты, например, намерена использовать американская компания Uber Technologies. По предварительным оценкам, первые полеты аэротакси начнут выполнять в 2020-2025 годах. При этом такие летательные аппараты будут пилотируемыми.
Василий Сычёв
При этом он может взаимодействовать с хрупкими объектами, не повреждая их
Американские инженеры создали простой и недорогой киригами-манипулятор. Он представляет собой лист материала со множеством прорезей, образующих определенный рисунок, благодаря которому при растяжении лист выгибается, образуя купол со смыкающимися лепестками. С помощью манипулятора можно точно взаимодействовать с ультратонкими и хрупкими объектами, не повреждая их, а также поднимать грузы в 16000 раз тяжелее собственной массы захвата. Статья с описанием конструкции опубликована в журнале Nature Communications. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Все попытки инженеров разработать универсальный мягкий манипулятор для роботов, который смог бы совместить в себе одновременно высокую точность и способность поднимать тяжелые предметы, обычно упираются в компромисс между гибкостью, прочностью и точностью захвата объектов. К примеру, мягкий манипулятор ROSE, напоминающий своей формой цветок, имеет довольно высокое значение отношения грузоподъемности к собственной массе и способен захватывать хрупкие предметы, не нанося им вреда, например, куриное яйцо. Однако из-за особенной формы и способа срабатывания он не может захватывать слишком мелкие объекты, такие как нити и тонкие листы. Инженеры под руководством Цзе Иня (Jie Yin) из Университета Северной Каролины предложили конструкцию манипулятора, которая способна решить эту проблему. В ее основе лежит японская техника складывания и вырезания бумаги киригами. Манипулятор изготавливается из тонкого листа полиэтилентерефталата (PET) толщиной 127 микрометров, в котором с помощью лазера делается множество узких прорезей по определенному паттерну. Благодаря этим прорезям при растяжении в перпендикулярном направлении лист выгибается, принимая форму, напоминающую шаровидную клетку, состоящую из двух половин в виде смыкающихся лепестков. Для срабатывания захвата достаточно лишь растянуть его в одном направлении, поэтому манипулятор можно использовать как дополнение к уже существующим моделям роборук и протезам без серьезных переделок. Давление, с которым половинки захвата воздействуют на объект, составляет всего около 0,05 килопаскаля. Это позволяет безопасно поднимать очень мягкие и хрупкие объекты с близкой к нулю жесткостью. Авторы экспериментировали с каплями воды, кетчупом, сырым яичным желтком, икрой, пудингом, а также с мягкими живыми организмами, такими как медузы. Сетчатая структура манипулятора подходит и для манипуляций с острыми объектами, например, медицинскими иглами. Они проходят сквозь прорези в материале, никак не влияя на целостность и функциональность манипулятора. Манипулятор может очень точно взаимодействовать с тонкими гибкими предметами, к примеру, с нитями толщиной 2 микрометра, что меньше толщины человеческого волоса в 40 раз, и с тонкими листами до 4 микрометров. Для демонстрации точного взаимодействия с объектами в бытовых условиях, инженеры прикрепили манипулятор к концам эффекторов протеза. Оказалось, что с помощью такого дополнения можно легко выполнять действия, иначе конструктивно недоступные для протеза. Брать очень мелкие предметы с поверхности, например, ягоды винограда, не повреждая их, и переворачивать страницы книги. Одновременно с высокими характеристиками точности и способностью взаимодействовать с очень хрупкими объектами, манипулятор обладает рекордным значением отношения массы полезной нагрузки к собственной массе. Масса захвата составляет всего 0,4 грамма, однако оказалось, что он способен поднимать объекты в 16000 раз тяжелее себя. Это, по словам авторов, в 2,5 раза превосходит предыдущий рекорд, который составлял 6400. https://www.youtube.com/watch?v=xfI5V6SuO60&t=1s Материал для захвата можно использовать биоразлагаемый. В этом случае его можно применять для задач, ограниченных по времени и числу применений, к примеру, для биомедицинских целей в качестве одноразового устройства. Техника оригами также часто используется в робототехнике. Например, японский инженер использовал ее для создания механического одноразового захвата, полностью состоящего из обычной офисной бумаги.