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
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.