Ноги позволили дрону передохнуть на ветке
Инженеры из США, Китая и Швеции создали дрон, способный использовать в качестве посадочного места ветки и другие продолговатые предметы. После закрепления на предмете дрон может отключить один или более электромоторов с винтами, и благодаря этому тратить меньше энергии, продолжая выполнять свою миссию — например, вести наблюдения с помощью камеры. Статья с описанием разработки и экспериментов опубликована в журнале Science Robotics.
В большинстве случаев мультикоптеры применяют для наблюдения и других операций, во время которых аппарат зависает на относительно большой высоте, труднодоступной для людей. Но продолжительность полета современных электрических мультикоптеров составляет несколько десятков минут (обычно около получаса), а гибридные дроны, работающие на ДВС-генераторе, имеют меньшую массу полезной нагрузки. Как правило, инженеры решают эту проблему путем увеличения емкости аккумуляторов.
Группа под руководством Фу Чжана (Fu Zhang) из Гонконгского университета решила увеличить длительность пребывания дрона на высоте, снизив расход энергии у основных потребителей в мультикоптерах — электромоторов. Поскольку при обычных условиях снижение потребления энергии приведет к потере тяги и падению дрона, разработчики использовали другой подход, который применяют птицы и другие летающие животные. Они предложили оснащать дрон «ногами», позволяющими аппарату зацепляться за ветки, края зданий и другие предметы, и использовать их в качестве опоры, позволяющей выключить один или более двигателей.
Конструкция "ног" не требует создавать специальный беспилотник и позволяет закреплять ее на нижней части корпуса большинства серийных мультикоптеров. Она состоит из основания, на котором закреплены три дугообразные пластины. На их концах закреплены различные приспособления, позволяющие дрону частично или полностью фиксировать себя на других предметах: два одинаковых крюка на двух ногах с одной стороны, и два упора. Два крюка позволяют дрону зацепляться за тонкие стенки и полностью выключать двигатели. Упоры необходимы аппарату, чтобы стабилизировать свое положение и отключить часть моторов с винтами, находящихся над упором. Кроме того, дрон может закрепиться на продолговатых предметах, таких как ветка дерева, сдвинув ноги вокруг них. После этого он может отключить все моторы и перевернуться.
Разработчики показали преимущество их подхода, измерив затраты энергии, необходимые дрону для поддержания баланса и удержания себя на одном месте. В случае, если дрон обхватывает ветку или зацепляется крюком за какой-либо предмет, он может полностью отключить все роторы. В остальных случаях он все же будет тратить энергию, но намного меньше. К примеру, при использовании предмета в качестве опоры он может отключить два двигателя или оставить включенным все, но значительно уменьшить тягу винтов. Эксперименты показали, что конструкция позволяет уменьшить траты энергии на поддержание дрона в несколько раз по сравнению с обычным зависанием в воздухе. Кроме того, это позволяет уменьшить колебания дрона в стороны, что может быть полезным при использовании его для съемки.
В 2016 году японские инженеры создали мультикоптер с руками, но они использовали их иным образом. Разработчики предложили использовать такой дрон для упрощенного захвата предметов и их перевозки в другое место. Каждая из двух рук способна поднимать предмет массой до десяти килограммов, а общая грузоподъемность дрона составляет 20 килограммов.
Григорий Копиев
Он может сам подключаться к зарядной станции
Инженеры разработали дешевое решение для автономной подзарядки электрических мультикоптеров. Система под названием AutoCharge представляет собой зарядную станцию с коннектором, оснащенным электромагнитом. Дрон также оснащается магнитным коннектором, размещенном на конце гибкого шнура. При сближении дрона со станцией, коннекторы притягиваются друг к другу, обеспечивая надежное электрическое соединение на время зарядки батареи. Препринт статьи опубликован на сайте arxiv.org. На сегодняшний день мультикоптеры — наиболее популярный тип беспилотных летательных аппаратов. Однако при всех достоинствах, дроны, построенные по этой схеме, обладают ключевым недостатком, который заключается в относительно невысокой продолжительности полета. Для большинства существующих моделей оно не превышает получаса. Увеличение количества батарей на борту приводит к утяжелению дрона и снижению массы полезной нагрузки, которую он способен нести. Например, квадрокоптер US-1, созданный компанией Impossible Aerospace способен на одном заряде провести в воздухе целых два часа и пролететь около 75 километров, но его собственная масса при этом составляет 7,1 килограмма, а полезная нагрузка массой всего лишь 1,3 килограмма снижает время полета со 120 минут до 78. Другой подход к увеличению времени полета дрона — использовать системы автоматической замены или подзарядки батарей в формате зарядных станций, расположенных на пути беспилотника. Однако существующие на сегодняшний день решения (гнезда дронов) не универсальны, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость. Кроме того, от мультикоптера обычно требуется точная посадка на платформу, что не всегда легко реализовать на открытом воздухе. Группа инженеров под руководством Джузеппе Лоянно (Giuseppe Loianno) из Нью-Йорского университета разработала простое и дешевое решение AutoCharge для автономной подзарядки дронов любого размера. Оно представляет собой небольшую док-станцию на верхней части которой располагается электрический коннектор, совмещенный с электромагнитом. К дрону крепится гибкий шнур, один конец которого подсоединен к схеме питания батареи дрона, а на другом конце располагается коннектор с постоянным магнитом. Когда батарея беспилотника разряжается ниже порогового значения, он подлетает к зарядной станции. Свободно свисающий на конце шнура магнитный коннектор дрона оказывается в зоне действия магнитного поля электромагнита, встроенного в коннектор на док-станции, притягивается к нему и происходит их стыковка. Правильному и надежному соединению также способствуют отверстия, расположенные на коннекторе док-станции и выступающие штифты на коннекторе дрона. После успешного соединения электромагнит, встроенный в док-станцию, отключается и начинается зарядка батареи дрона. В этот момент дрон может приземлиться рядом или продолжать выполнять задачи в воздухе. После восполнения заряда батареи беспилотник может продолжать полет. Для этого он механически отсоединяет свой коннектор от зарядной станции, на которой с небольшой задержкой снова включается электромагнит, для выполнения следующей стыковки. По словам разработчиков, такая схема зарядки проста, подходит для дронов разных размеров и не требует использования сложных алгоритмов и механизмов для точной посадки, а стоимость док-станции с выполненным с помощью 3D печати корпусом не превышает 50 долларов. Длина шнура может подбираться в зависимости от задач. Например, если дрону не требуется находиться в воздухе во время зарядки, шнур может быть коротким. Это снижает массу дрона и повышает эффективность зарядки, а также почти не влияет на точность управления в полете. https://www.youtube.com/watch?v=6xYvI-qIe3M&t=11s Разработчики провели эксперимент, в ходе которого тестовый квадрокоптер действовал полностью автономно. После полетов по заданной траектории и уменьшения напряжения батареи до минимума дрон подключался к зарядной станции. Зарядив батарею, беспилотник отсоединял коннектор и вновь продолжал полет до очередного разряда. Эксперимент продолжался в течение десяти часов. В будущем инженеры планируют добавить возможность использовать систему зарядки AutoCharge без предварительного знания о местоположении зарядной станции, полагаясь лишь на бортовые камеры дрона для ее визуальной локализации. В случае если необходимо выполнять полеты дольше нескольких часов, дроны-квадрокоптеры оснащают гибридной силовой установкой. В такой схеме беспилотник использует электромоторы для вращения винтов, но энергия для них вырабатывается двигателем внутреннего сгорания. Например, в 2018 году китайские инженеры продемонстрировали полет шестироторного мультикоптера, оснащенного ДВС и аккумуляторами, в ходе которого дрон продержался в воздухе 7 часов и 17 минут.