Робота-колибри научили отслеживать рельеф по изменению подъемной силы

Американские инженеры разработали орнитоптер, использующий в полете движения крыльев, похожие на те, которые применяют колибри. Одна из особенностей робота заключается в том, что он может обнаруживать столкновения с препятствиями или приближение к полу благодаря изменению силы тока в электродвигателях, приводящих в движение крылья. Инженеры описали разработку в трех статьях (1, 2, 3), которые будут представлены на конференции ICRA 2019.

Колибри известны своей техникой полета, позволяющей им совершать маневры, недоступные многим другим птицам. К примеру, они способны зависать на месте, а также двигаться вверх, вниз или даже назад. Во время полета крыло колибри постоянно находится в расправленном положении и описывает в воздухе восьмерку во время каждого цикла. Благодаря повороту плоскости крыла оно производит подъемную силу при движении как вперед, так и назад.

Синьянь День (Xinyan Deng) и ее коллеги из Университета Пердью создали робота, использующего в полете похожий механизм, а также способного отслеживать окружающую обстановку с помощью двигателей без дополнительных датчиков. Робот имеет симметричный корпус с двумя электродвигателями постоянного тока. Каждый двигатель связан с верхней жесткой балкой, на которой закреплено мягкое полимерное крыло. Во время полета крылья робота совершают колебания на частоте 34 герца, что сравнимо с частотой взмахов крыльев настоящих колибри.

Инженеры продемонстрировали как махолет может зависать в воздухе и перемещаться в нужную точку. Кроме того, они показали, как конструкция и алгоритмы робота позволяют ему справляться с нештатными ситуациями. Например, на демонстрационном видео можно видеть, как робот совершает стабильный полет при разной длине крыльев и даже при разрушении конца крыла прямо в полете.

Главная особенность робота заключается в механизме отслеживания окружающей обстановки с помощью электродвигателей. Для этого разработчики создали алгоритм, который отслеживает ток, потребляемый двигателями. На основании этого орнитоптер может определять близость к полу благодаря возникающей дополнительной подъемной силе из-за экранного эффекта. С помощью этого алгоритма инженеры научили робота летать на одной высоте независимо от рельефа. Кроме того, он способен обнаруживать столкновение с препятствием и его примерное расположение относительно корпуса, отслеживая соотношение тока на обоих двигателях и его резкое изменение на одном из них.

В нынешней реализации робот получает энергию и команды через провод, а его положение отслеживается с помощью внешних камер и инфракрасных маркеров. В то же время инженеры отмечают, что во время испытаний робот поднимал в воздух груз с массой, превышающей его собственную, поэтому его в перспективе можно будет оснастить и для автономного полета, добавив соответствующее оборудование.

В прошлом году нидерландские инженеры создали похожий махолет, способный летать автономно, но он имеет другую конструкцию крыльев. На каждой стороне робота располагается по две пары крыльев, приводимых в движение одним мотором, а также дополнительными моторами для корректировке движения. Используя эти механизмы орнитоптер может управлять своим движением вокруг трех осей и выполнять достаточно сложные маневры, такие как переворот в полете. Эксперименты с роботом позволили подтвердить гипотезу, объясняющую механизм, который дрозофилы и некоторые другие насекомые применяют для резких поворотов.

Григорий Копиев