Складной дрон научили протискиваться через проемы и хватать предметы

Швейцарские инженеры создали квадрокоптер, способный менять свою форму во время полета. Он может складывать плечи для пролета через узкие проемы или захвата предметов, причем алгоритм управления способен стабилизировать дрон даже при асимметричном расположении роторов. Посвященная разработке статья опубликована в IEEE Robotics and Automation Letters, а также доступна на сайте Цюрихского университета.

Большинство дронов имеют достаточно большой размер, что позволяет им нести на себе емкий аккумулятор и поднимать дополнительную нагрузку, к примеру, камеру. Кроме того, широко разнесенные по сторонам роторы позволяют увеличить стабильность полета по сравнению с аналогичными мультикоптерами с меньшей длиной плеч. Но большой размер дрона — это также и недостаток. Во-первых, такие мультикоптеры неудобно перевозить или носить с собой. Эта проблема частично решена разработчиками складных квадрокоптеров, некоторые уже выпускаются серийно. Во-вторых, большие дроны не способны пролетать в узких проемах, что может быть критичным, к примеру, во время спасательных операций в зданиях. На сегодняшний день уже существует несколько проектов по созданию мультикоптеров со складывающимися в полете элементами, но пока они имеют крайне сложную конструкцию или могут изменять свою форму лишь на короткий промежуток времени из-за нестабильности полета в измененной конфигурации.

Инженеры под руководством Давиде Скарамузза (Davide Scaramuzza) из Цюрихского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали дрон с классической конструкцией, способный менять свою форму в полете и стабилизировать свое положение при любом взаимном расположении плеч с роторами в одной плоскости. В центральной части квадрокоптера располагаются управляющие платы, аккумулятор, а также четыре сервомотора, расположенные в углах корпуса. Эти сервомоторы приводят в движение плечи дрона, поворачивая их относительно корпуса в горизонтальной плоскости в диапазоне 170 градусов. На концах плеч установлены электромоторы с трехлопастными винтами. Поскольку плечи дрона могут располагаться близко друг к другу, соседние винты закреплены на разной высоте и не могут столкнуться при сближении.

Все вычисления, необходимые для полета, дрон выполняет с помощью собственных мощностей. Он ориентируется в пространстве с помощью визуально-инерциальной одометрии, которая анализирует перемещения и положение аппарата по кадрам с двух камер, а также показаниям гироскопа и акселерометра.

Главное отличие нового дрона заключается в алгоритме управления. Он отслеживает положение плеч и всего квадрокоптера, и на основании этих данных постоянно рассчитывает центр масс и тензор инерции. После расчета новых параметров он рассчитывает такие параметры тяги для каждого электромотора, чтобы дрон оставался в стабильном положении или летел по команде оператора, не смещаясь или опрокидываясь.

Разработчики показали множество испытаний и примеров работы дрона. В обычном состоянии его плечи расположены в X-образной конфигурации. Если аппарату необходимо пролететь через узкий вертикальный проем, он может вытянуть все плечи параллельно друг другу в H-образную конфигурацию, а при пролете горизонтальных проемов оптимальная конфигурация — O-образная. Также разработчики предусмотрели режим с T-образной конфигурацией, который позволяет дрону подлететь максимально близко к исследуемому объекту и снимать его на встроенные камеры. Кроме того, дрон может поднимать небольшой груз, зажимая его между плечами. Инженеры отмечают, что помимо очевидных преимуществ у такого подхода есть и недостаток — энергоэффективность полета снижается из-за перекрытия винтов в крайних положениях, а также из-за неравномерного распределения тяги винтов.

Ранее инженеры из других стран также создавали мульткоптеры, способные менять свою форму в полете. Японские инженеры представили в 2017 году дрон с изгибающейся рамой с последовательно расположенными винтами, который может поднимать грузы, обхватывая их вокруг. А летом 2018 года эта группа инженеров создала новую версию дрона, способный выполнять более сложные маневры, к примеру, протискиваться через горизонтальный проем, изгибаясь в спираль. Другую версию складного дрона разработали во Франции. Инженеры создали квадрокоптер, у которого пары винтов расположены на общих рамах, способных вращаться относительно корпуса. Благодаря этому дрон может быстро уменьшать свою ширину почти в два раза, правда лишь на небольшой промежуток времени.

Григорий Копиев