Запускаемый из пневмопушки дрон научили самостоятельной стабилизации
Американские инженеры разработали новую версию дрона SQUAD, запускаемого в воздух пневматической пушкой. Он имеет конструкцию гексакоптера, а не квадрокоптера, как первый прототип, а также умеет автономно стабилизировать свое положение после запуска с помощью визуальных датчиков, причем даже в условиях подавления GPS. Разработка была представлена на конференции ICRA 2020, препринт о ней доступен на arXiv.org.
В последние несколько лет военные некоторых стран начали пробовать применять мультикоптеры для своих задач. К примеру, квадрокоптер можно использовать во время разведывательных операций в качестве менее заметной альтернативы полноценной авиации. Но для запуска обычных дронов необходима ровная и неподвижная площадка, а также небольшой запас времени, а остановка боевой машины или конвоя для запуска может быть опасна. Поэтому инженеры разрабатывают системы мобильного и мгновенного запуска: например, у американских военных есть трубная пусковая установка для одноразовых дронов самолетного типа Coyote.
Недавно группа инженеров под руководством Бретта Кеннеди (Brett Kennedy) из NASA представила дрона со складными плечами, запускаемого из трубной пусковой установки: его можно было запускать даже с автомобиля, движущегося со скоростью 80 километров в час. У него, однако, был заметный недостаток: после запуска он автономно стабилизировал только угол наклона, а за компенсацию движения по вертикали и горизонтали отвечал оператор.
В новой версии инженеры реализовали полностью автономную стабилизацию аппарата после запуска, причем как пассивную, так и активную, на основе визуально-инерциальной навигации. Для этого разработчики использовали новые датчики и более мощный компьютер, поэтому им пришлось адаптировать конструкцию под большую массу. Вторая версия SQUAD имеет конструкцию гексакоптера с шестью складываемыми вдоль корпуса плечами и еще тремя складными стабилизиторами, которые позволяют дрону ориентироваться вдоль потока воздуха сразу после запуска. Также стабилизации помогает то, что в верхней части дрона находится обтекатель, внутри которого установлен относительно тяжелый аккумулятор.
Активная фаза стабилизации начинается после того, как дрон вылетел из пневматической пусковой установки, полностью расправил плечи и запустил моторы. Сначала дрон по показаниям инерциального датчика выправляет положение корпуса, стараясь снизить крен и тангаж до нуля. Затем, примерно через три секунды, набегающий поток воздуха перестает сильно влиять на показания барометра, он подключается к системе и позволяет стабилизировать высоту. Наконец, когда стабилизируются показания инфракрасной камеры и лазерного дальномера, алгоритмы начинают учитывать их данные и стабилизировать положение дрона в плоскости относительно земли.
Инженеры испытали дрон сначала на стационарной площадке, страхуя его тросом, продетым через блок на потолке, а затем и на открытой местности без страховки. В дальнейшем они планируют испытывать его в условиях сильного ветра, также запускать с движущегося автомобиля.
Недавно американские военные запатентовали складной крылатый дрон с парапланом, который можно запускать из стандартного 40-миллиметрового подствольного гранатомета. А австралийская компания DefendTex в прошлом году показала рабочий прототип квадрокоптера для 40-миллиметровых гранатометов, правда, без крыла и параплана.
Григорий Копиев
Гексакоптер оснащен двумя взлетно-посадочными платформами для квадрокоптеров
Инженеры из Сколтеха разработали гибридный гексакоптер MorphoLander, который выступает в роли передвижного аэродрома для дронов меньшего размера. MorphoLander не только летает, но и может ходить по неровной поверхности при помощи четырех ног. В верхней части корпуса расположены две взлетно-посадочные платформы для микродонов. Дрон может пригодиться для инспекции объектов и поиска пострадавших во время стихийных бедствий, говорится в препринте на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дроны отлично подходят для выполнения задач поиска, инспекции и мониторинга, но потребляют много энергии и не могут долго находиться в полете. Одним из способов преодолеть это ограничение стала разработка дронов гибридной конструкции, которые могут не только летать, но и передвигаться по земле, например, с помощью колес или ног. Несмотря на то, что такой подход позволяет продлить время работы за счет менее энергозатратного способа передвижения по поверхности, продолжительность полета гибрида и его эффективность часто снижается из-за дополнительного веса. Инженеры под руководством Дмитрия Тетерюкова (Dzmitry Tsetserukou) из Сколтеха предложили использовать громоздкий дрон в качестве носителя для дронов поменьше. Тогда большой дрон выступает в роли передвижного «улья», который в нужный момент выпускает рой маленьких дронов, способных более эффективно выполнить задачу на большой территории за счет совместной работы. Разработанный прототип под названием MorphoLander представляет собой гексакоптер с четырьмя ногами, каждая из которых имеет три степени свободы. С их помощью дрон может передвигаться по неровной поверхности. Масса гибрида немного больше 10 килограмм. Встроенного аккумулятора хватает на 12 минут полета. Сверху на корпусе закреплены две посадочные платформы диаметром 20 сантиметров, на которые могут садиться микродроны. Чтобы микродронам (инженеры использовали Crazyflie 2.1 массой 27 грамм) было проще садиться на MorphoLander, материнский дрон с помощью алгоритма стабилизации старается удерживать горизонтальное положение платформ, подстраивая высоту ног под неровности поверхности. Посадка микродронов происходит под управлением алгоритма машинного обучения, его обучение с подкреплением проходило в симуляторе на платформе игрового движка Unity, который позволяет имитировать физику, с использованием пакета машинного обучения Unity ML Agents. Обученный алгоритм посадки затем испытали в трех сценариях с участием реальных дронов. В первом два микродрона должны были взлетать с расстояния полутора метров от MorphoLander и затем садиться на его платформы. Среднее значение отклонения от центра платформы в этом сценарии составило всего около 5,5 миллиметра. Во втором сценарии микродроны должны были садиться на материнский дрон, стоящий на неровной поверхности. В этом случае ошибка возросла и составила 25 миллиметров. Третий сценарий имитировал реальное применение: микродроны взлетали с платформ, в то время как MorphoLander отходил от места взлета на некоторое расстояние, после чего микродроны должны были сесть обратно. Среднее значение отклонения от центра 20-сантиметровой платформы составило 35 миллиметров. В будущем инженеры планируют увеличить точность и устойчивость алгоритма управления микродронами за счет контроля тяги отдельных винтов. https://www.youtube.com/watch?v=fV8_Ejy81s8&t=1s Совместная работа помогает роботам справляться с более трудными задачами. К примеру японские инженеры разработали систему из работающих в паре дрона и наземного робота. Они соединены друг с другом тросом, что позволяет наземного дрону взбираться на более крутые подъемы. Для этого дрон закрепляет трос на вершине, после чего наземный робот натягивает его с помощью лебедки и поднимается наверх.
