Четвероногий робот научился автономно перепрыгивать препятствия на маршруте
Hybrid Robotics / YouTube
Американские инженеры научили четвероногого робота автономно перепрыгивать препятствия. Его планировщик маршрута состоит из двух элементов, один из которых прокладывает пеший маршрут по той области, где нет препятствий, а второй отвечает за расчет траектории прыжка через не очень высокие препятствия. Статья будет представлена на конференции CASE 2021, но уже доступна на arXiv.org.
Разработчики четвероногих роботов позиционируют их как инструмент для осмотра труднодоступной и опасной для человека местности, потому что они лучше колесных роботов справляются с неровным рельефом и препятствиями на пути, перешагивая или взбираясь на них. Также четвероногие роботы, по крайней мере некоторые из них, способны прыгать. Например, в 2019 году разработчики Mini Cheetah из Массачусетского технологического института показали, как он научился делать обратное сальто, а позднее это же продемонстрировала Unitree Robotics. Но пока прыжки — это лишь эффектная демонстрация достижений, которая не используется в четвероногих роботах в качестве одного из типов движений.
Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Кушиля Срината (Koushil Sreenath) показали на примере Mini Cheetah как прыжки можно интегрировать в алгоритм автономного прокладывания маршрута четвероногого робота. Сам робот представляет собой модельное устройство для отработки алгоритмов и в нем использована стандартная для таких роботов конструкция с двухсекционными ногами, которые приводятся в движение электромоторами.
В роботе инженеров из Беркли также была установлена камера глубины. С ее помощью робот создает 3D- и 2D-карты пространства перед ним. Благодаря определению глубины на снимках он размечает пространство на воксели (трехмерный аналог пикселей), а также создает из них двумерную карту, в которой отображена высота объектов. Получив от человека точку, в которую ему необходимо прийти, робот рассчитывает маршрут, опираясь на высоту объектов — если препятствие на пути слишком высокое, он строит маршрут в обход, а если его можно перепрыгнуть, оно помечается как проходимое и маршрут строится через него. Также алгоритм оценивает высоту препятствий сверху: например, если на пути есть отверстие в виде окошка, то алгоритм рассчитывает, не столкнется ли робот с верхней частью во время прыжка.
Сканирование пространства роботом
Scott Gilroy et al. / CASE 2021
После того, как робот подошел к препятствию, он запускает последовательность прыжка: отталкивается передними ногами, поднимая переднюю часть корпуса, затем отталкивается задними ногами и переходит в фазу полета, во время которой избегает столкновения ног с препятствием, а в конце приземляется на все четыре ноги.
Эксперименты показали, что вместе с набором датчиков массой 2,25 килограмм робот перепрыгивает препятствия высотой до 13 сантиметров, а без датчиков ему под силу преодолеть 24-сантиметровые преграды.
Постепенно инженеры делают доступными для четвероногих роботов все новые движения. Например, в прошлом году итальянские и бельгийские разработчики научили робота балансировать на двух ногах из четырех.
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.