Наклоненные «наружу» роторы помогут дронам побороть ветер
Инженеры предложили увеличивать стабильность мультикоптеров на ветру, устанавливая на них роторы под углом «наружу» относительно плоскости рамы. За счет такой схемы конструкция дрона не усложняется и не утяжеляется, но вращательный момент на ветру уменьшается на четверть, сообщается в журнале International Journal of Micro Air Vehicles.
Практически все серийные мультикоптеры имеют четыре, шесть или восемь роторов с винтами, зафиксированными в одной плоскости. Это упрощает конструкцию и делает ее легче. Обычно у дронов нет оперения и для того, чтобы полететь вперед или вбок, они меняют распределение мощности между роторами, за счет этого наклоняются в нужную сторону. Таким же образом дроны сохраняют устойчивость в ветренную погоду — они наклоняются в противоположном направлении и остаются на месте. Поскольку обычно размер и масса дронов относительно малы, им порой приходится сильно отклоняться, чтобы компенсировать ветер, из-за чего полет может стать нестабильным.
Некоторые конструкторы предлагают использовать для решения этой проблемы роторы с изменяемым углом наклона, но они делают аппарат сложнее и тяжелее. Инженеры под руководством Хикару Оцука (Hikaru Otsuka) из Университета Тохоку предложили использовать зафиксированные роторы, но вращающиеся в разных плоскостях. Они создали три прототипа квадрокоптеров с разными углами поворота роторов относительно поверхности рамы: 0, +20 и −20 градусов относительно перпендикуляра к плоскости квадрокоптера.
Исследователи протестировали разные конструкции, поместив их в аэродинамическую трубу и закрепив на них шестиосевые датчики наклона. Они выяснили, что при ветре со скоростью восемь метров в секунду поворот роторов «наружу» на 20 градусов приводит к уменьшению вращательного момента на 26 процентов по сравнению с таким же квадрокоптером с традиционной схемой установки роторов.
Над дронами с необычным расположением винтов несколько лет работают швейцарские инженеры. Например, они создали кубический мультикоптер с роторами, направленными в разные стороны. Также они разработали гексакоптер, выполненный по классической схеме, который может независимо менять плоскость каждого ротора.
Григорий Копиев
А также летать, ездить и самостоятельно прокладывать маршрут
Инженеры разработали робота-трансформера под названием Morphobot M4, который может ездить как четырехколесный ровер, летать как квадрокоптер, ходить как четвероногий робот и стоять вертикально, балансируя на двух ногах-колесах. Кроме того он способен комбинировать эти режимы, чтобы преодолевать встречающиеся на пути препятствия. Робот оснащен автономной системой навигации и может самостоятельно прокладывать маршрут, выбирая подходящий режим передвижения. Благодаря таким возможностям Morphobot сможет применяться для широкого спектра задач, оптимально расходуя энергию. Статья опубликована в журнале Nature Communications. Большинство из существующих сегодня типов роботов не универсальны и не могут передвигаться в любых условиях одинаково эффективно. К примеру, мультикоптеры тратят много энергии в полете и поэтому могут находиться в воздухе непродолжительное время, а колесные и ходячие роботы обладают более высокой энергоэффективностью, но ограничены передвижением по относительно ровной поверхности. Инженеры пытаются обойти эти ограничения через создание гибридных конструкций. Например, американские инженеры совместили квадрокоптер с ходячим двуногим роботом, а разработчики из Кореи собрали гибрид коптера с колесным ровером. Большинство подобных проектов объединяет один недостаток: часть конструкции робота, предназначенная для передвижения в одной среде, никак не используется при движении в другой, выступая лишь в качестве пассивного груза. Инженеры под руководством Мортезы Гариба (Morteza Gharib) из Калифорнийского технологического института решили создать гибридного робота, все части конструкции которого принимают участие в разных типах движения. В результате у них получился робот-трансформер Morphobot M4, который представляет собой гибрид квадрокоптера и четырехколесного робота. Его масса около шести килограмм, а многие детали выполнены из углеволокна и с помощью 3D-печати. В режиме колесного ровера длина робота составляет 0,7 метра, а ширина и высота 0,35 метра. Четыре колеса робота диаметром 0,25 метра расположены на концах балок, которые играют роль подвижных конечностей. Они могут отклоняться сервомоторами в двух направлениях продольно и перпендикулярно в сторону от корпуса. Колеса приводятся в движение отдельными электромоторами. При трансформации в квадрокоптер обода выступают в роли защитных бамперов для воздушных винтов, расположенных внутри колес с электромоторами в осях, а четыре конечности робота разворачиваются, направляя плоскости пропеллеров параллельно поверхности земли. Корпус робота в этом режиме поддерживается расположенными снизу посадочными опорами. Суммарная тяга всех четырех винтов составляет около девяти килограмм. Morphobot может комбинировать два основных режима, например, для того чтобы преодолевать препятствия, которые он не может переехать. Для этого роторы в одной части робота разворачиваются в полетный режим, а вторая пара конечностей продолжает опираться на колеса. Таким образом робот может забираться на крутые склоны с наклоном больше 45 градусов, затрачивая меньше энергии, чем при полноценном полете в режиме квадрокоптера. Также используя пару винтов только с одной стороны М4 может принять вертикальное положение, балансируя на двух колесах, напоминая при этом двуногий ходячий робот. В режиме ровера М4 может регулировать высоту корпуса относительно поверхности, выдвигая конечности с колесами вперед и назад. Это может пригодиться для преодоления препятствий с ограничением по высоте. Робот также может ходить как четвероногий, перебирая конечностями с колесами как ногами, это может пригодится для преодоления неровностей на пути. Помимо этого, М4 способен использовать конечности с колесами в роли манипуляторов, ухватывая и удерживая предметы с помощью колесных ободов. В качестве примера разработчики продемонстрировали, как робот удерживает таким образом небольшой шар, балансируя при этом на двух колесах в вертикальном положении. Morphobot может передвигаться автономно, трансформируясь в наиболее подходящий в текущей ситуации режим. Для низкоуровневого управления используются два отдельных микроконтроллера, которые отвечают за движения колес и конечностей в режиме ровера и за полет в режиме коптера. Навигация и планирование маршрута происходят с помощью компьютера Jetson Nano, который использует данные об окружении, поступающие со стереокамеры Intel RealSense. На борту также есть инерционный измерительный модуль, средства беспроводной коммуникации для удаленного управления и батарея емкостью 4000 миллиампер-час. https://www.youtube.com/watch?v=S4eQXXxUnNE По словам разработчиков, такие способности позволят использовать подобных роботов-трансформеров для широкого спектра задач, например, для поиска и спасения людей во время стихийных бедствий, или в качестве робота для исследования космоса. Ранее мы рассказывали о другом дроне-трансформере с необычной конструкцией под названием DRAGON, которого построили японские инженеры. Он состоит из нескольких сегментов, может менять форму прямо в полете, захватывать предметы, огибая их с двух сторон и поворачивать вентили.