Активность мышц превратили в команды для дрона
Американские инженеры создали носимый контроллер, считывающий активность мышц и движения руки, и превращающий их в команды для дрона. Контроллер состоит из двух пар электродов, закрепляемых над бицепсом и трицепсом, а также электродного браслета, надеваемого на предплечье. Одно из главных достижений разработки заключается в том, что устройство не требует калибровки для каждого конкретного пользователя, рассказывают авторы статьи, представленной на конференции HCI 2020.
Инженеры давно предлагают управлять дронами с помощью жестов, потому что это более интуитивно, чем поворачивать стики на пульте в разные стороны. В некоторых серийных дронах есть частичная поддержка жестов, но она довольно ограничена и работает на основе камеры, поэтому в темноте или на расстоянии такой способ применять практически невозможно. В исследовательских проектах часто применяется другой визуальный метод отслеживания движения тела или руки — с помощью инфракрасных маркеров и камер по периметру помещения. Это дает очень высокую точность и низкую задержку измерений, но привязывает пользователя и дрон к конкретному помещению, поэтому на практике такие системы неприменимы.
Из-за этих ограничений наиболее перспективно выглядят носимые устройства для отслеживания движений рук. Они могут отслеживать жесты по показаниям акселерометра и гироскопа, но точность их работы может снижаться, когда они имеют дело с несколькими жестами подряд или нечеткими движениями. Исследователи из Массачусетского технологического института Джозеф Дельпрето (Joseph DelPreto) и Даниэла Рус (Daniela Rus) применили в своем проекте еще более непосредственные данные о жестах — активность мышц человека.
В устройстве используется метод неинвазивной электромиографии, при котором электроды не вживляются в мышцу, а располагаются на коже и измеряют электрический потенциал, который возникает при возбуждении мышечных клеток. Инженеры задействовали сразу три типа мышц. На плече располагаются две пары электродов: одна измеряет активность в области короткой головки двухглавой мышцы, а вторая в области длинной головки трехглавой мышцы. Еще один набор электродов в виде браслета располагается на предплечье недалеко от локтя.
Оператор может управлять дроном четырьмя видами жестов: для движения вперед необходимо сжать кулак, для остановки нужно напрячь мышцы плеча, поворот кулака позволяет двигать дрон в этом направлении, а за вращение вокруг вертикальной оси отвечает вращение кулака.
Данные с датчиков обрабатывает набор алгоритмов, в основном модель смеси Гауссовых распределений для кластеризации жестов без предварительного обучения для большинства жестов, а также нейросеть для распознавания наклонов кулака в стороны. Тесты на добровольцах показали, что дрон корректно откликался на 81,6 процента из 1535 жестов, сделанных во время испытаний.
Недавно швейцарские инженеры представили систему управления дроном с помощью жестов, реализующую обратную связь дрона с оператором. Она состоит из перчатки и внешней системы отслеживания движений, а также виброактуаторов на перчатке, показывающих оператору приближение дрона к препятствиям с соответствующей стороны.
Григорий Копиев
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.