Искусственные волосы позволят беспилотникам лучше летать
Инженеры Исследовательской лаборатории ВВС США провели испытания нового сенсора для беспилотных летательных аппаратов, с помощью которого они смогут определять состояния воздуха и в соответствии с полученными измерениями изменять параметры своего полета. Как пишет Defense News, новый сенсор внешне выглядит как волосок, способный изгибаться под напором воздуха. Исследователи утверждают, что на разработку такого сенсора их вдохновили летучие мыши и некоторые виды насекомых, которые по колебаниям волосков определяют состояния воздуха, в том числе обнаруживают воздушные потоки, и в соответствии с ними меняют свой полет.
Современные беспилотные летательные аппараты обычно имеют ограниченный набор сенсоров, позволяющих получать данные о параметрах полета. В самом простом случае для аппарата определяются только направление полета, координаты, высота и скорость, причем все эти показатели могут вычисляться только на основе сигналов GPS. В условиях радиоэлектронного противодействия, когда сигналы спутниковой навигации могут быть недоступны, такие аппараты утрачивают способность летать. Тяжелые беспилотники можно комплектовать пневматическими системами измерения параметров полета, но обычного этого не делается, чтобы не уменьшать массу полезной нагрузки.
Новый сенсор, разрабатываемый Исследовательской лабораторией ВВС США, представляет собой тончайшую стеклянную трубку, внутри которой вырастили углеродные нанотрубки. Диаметр волоска составляет десять микрон. На этот сенсор периодически подается некоторое напряжение, изменение которого на выходе измеряют и используют для определения состояний воздуха. В полете стеклянный волосок изгибается и деформирует углеродные нанотрубки, через которые проходит электрический ток. Деформации нанотрубок повышают или снижают их электрическую проводимость, что и сказывается на параметрах тока на выходе.
Во время испытаний сенсор подвергли воздействию нескольких видов воздушных потоков. Попутно исследователи проводили измерения. В настоящее время разработчики из Исследовательской лаборатории ВВС США занимаются анализом полученных данных, который планируется завершить весной текущего года. Исследователи уже заявили, что хотя в целом сенсор показал работоспособность, он показал крайне низкую чувствительность к незначительным колебаниям волоска. Кроме того, на измерения с помощью сенсора существенное влияние оказывает пограничный слой, образующийся на аэродинамической поверхности, на которой установлен сенсор.
Наконец, разработчикам пока не удалось изготовить сенсоры с одинаковыми электромеханическими свойствами. Это означает, что при одних и тех же состояниях окружающего воздуха два сенсора будут давать разные показатели. Поэтому для каждого сенсора необходимо вводить корректировки измерений. Разработчики проводили эксперименты на сборке из 20 стеклянных волосков и полагают, что использование на беспилотниках тысяч таких сенсоров позволит их бортовым системам точно определять воздушные потоки и корректировать свой полет. Например, аппараты смогут заранее «почувствовать» зону с более быстрым воздушным потоком, находящуюся по курсу.
Ранее инженеры из Массачусетского технологического института представили систему автономной навигации для дронов NanoMap. Она представляет собой набор сенсоров глубины, позволяющих аппарату определять препятствие по курсу полета. В полете система делает срезы данных с этих сенсоров для каждого временного отрезка на некоторое время назад и сопоставляет их с текущими данными, поступающими по мере полета. Благодаря этому NanoMap позволяет предсказывать возникновение препятствий по курсу полета и в соответствии с этим рассчитывать маршрут дрона. В целом система позволяет беспилотнику облетать препятствия без потери скорости.
Василий Сычёв
Гексакоптер оснащен двумя взлетно-посадочными платформами для квадрокоптеров
Инженеры из Сколтеха разработали гибридный гексакоптер MorphoLander, который выступает в роли передвижного аэродрома для дронов меньшего размера. MorphoLander не только летает, но и может ходить по неровной поверхности при помощи четырех ног. В верхней части корпуса расположены две взлетно-посадочные платформы для микродонов. Дрон может пригодиться для инспекции объектов и поиска пострадавших во время стихийных бедствий, говорится в препринте на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дроны отлично подходят для выполнения задач поиска, инспекции и мониторинга, но потребляют много энергии и не могут долго находиться в полете. Одним из способов преодолеть это ограничение стала разработка дронов гибридной конструкции, которые могут не только летать, но и передвигаться по земле, например, с помощью колес или ног. Несмотря на то, что такой подход позволяет продлить время работы за счет менее энергозатратного способа передвижения по поверхности, продолжительность полета гибрида и его эффективность часто снижается из-за дополнительного веса. Инженеры под руководством Дмитрия Тетерюкова (Dzmitry Tsetserukou) из Сколтеха предложили использовать громоздкий дрон в качестве носителя для дронов поменьше. Тогда большой дрон выступает в роли передвижного «улья», который в нужный момент выпускает рой маленьких дронов, способных более эффективно выполнить задачу на большой территории за счет совместной работы. Разработанный прототип под названием MorphoLander представляет собой гексакоптер с четырьмя ногами, каждая из которых имеет три степени свободы. С их помощью дрон может передвигаться по неровной поверхности. Масса гибрида немного больше 10 килограмм. Встроенного аккумулятора хватает на 12 минут полета. Сверху на корпусе закреплены две посадочные платформы диаметром 20 сантиметров, на которые могут садиться микродроны. Чтобы микродронам (инженеры использовали Crazyflie 2.1 массой 27 грамм) было проще садиться на MorphoLander, материнский дрон с помощью алгоритма стабилизации старается удерживать горизонтальное положение платформ, подстраивая высоту ног под неровности поверхности. Посадка микродронов происходит под управлением алгоритма машинного обучения, его обучение с подкреплением проходило в симуляторе на платформе игрового движка Unity, который позволяет имитировать физику, с использованием пакета машинного обучения Unity ML Agents. Обученный алгоритм посадки затем испытали в трех сценариях с участием реальных дронов. В первом два микродрона должны были взлетать с расстояния полутора метров от MorphoLander и затем садиться на его платформы. Среднее значение отклонения от центра платформы в этом сценарии составило всего около 5,5 миллиметра. Во втором сценарии микродроны должны были садиться на материнский дрон, стоящий на неровной поверхности. В этом случае ошибка возросла и составила 25 миллиметров. Третий сценарий имитировал реальное применение: микродроны взлетали с платформ, в то время как MorphoLander отходил от места взлета на некоторое расстояние, после чего микродроны должны были сесть обратно. Среднее значение отклонения от центра 20-сантиметровой платформы составило 35 миллиметров. В будущем инженеры планируют увеличить точность и устойчивость алгоритма управления микродронами за счет контроля тяги отдельных винтов. https://www.youtube.com/watch?v=fV8_Ejy81s8&t=1s Совместная работа помогает роботам справляться с более трудными задачами. К примеру японские инженеры разработали систему из работающих в паре дрона и наземного робота. Они соединены друг с другом тросом, что позволяет наземного дрону взбираться на более крутые подъемы. Для этого дрон закрепляет трос на вершине, после чего наземный робот натягивает его с помощью лебедки и поднимается наверх.