Инженеры рассчитали максимальную высоту полета дронов с кабелем питания
Американские инженеры рассчитали максимальную высоту полета квадрокоптера, питаемого от кабеля разной толщины, выше которой масса кабеля и потери в нем тока не позволяют дрону поддерживать свой полет. Также они протестировали связку из двух дронов, питаемых от провода, расширяющую возможности по сравнению с использованием одного аппарата. Статья будет представлена на конференции IROS 2022, ее препринт доступен на arXiv.org.
Практически все мультикоптеры не привязаны к месту запуска и получают энергию из аккумуляторов, но есть и исключения, в которых двигатели питаются по проводу. Это не дает дрону улететь далеко, но в некоторых задачах это и не требуется. Хороший пример такой системы — дрон латвийской компании Aerones, предназначенный для мытья лопастей ветряков. Он поднимается в воздух на уровень лопастей и обрабатывает их моющим раствором, получая его через трубку и питание через провод. Схему со стационарным питанием используют и для других применений, таких как покраска и сбор яблок.
Несмотря на то, что питание дронов по проводу уже не первый год используется на практике, до сих пор есть мало работ, в которых анализируются возможность и ограничения этого подхода. Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли под руководством Кушиля Срината (Koushil Sreenath) восполнили этот пробел, рассчитав основные параметры такой системы и проверив выводы на практике.
Описанная ими система состоит из квадрокоптера, соединенного с наземным источником питания через провод. Предполагается, что для снижения потерь от передачи между источником тока и дроном поддерживается высокое напряжение, которое затем понижается до рабочих значений на самом квадрокоптере. При увеличении высоты вес висящей части провода тоже увеличивается, поэтому дрону необходимо больше энергии на удержание в воздухе. Однако даже при высоком напряжении и эффективном преобразовании увеличение мощности источника питания приводит к увеличению потерь при передаче, и на определенной высоте оно уже неспособно скомпенсировать рост потерь.
Авторы проверили расчеты на квадрокоптере, подключенном к источнику питания мощностью 1200 ватт проводом длиной 7,62 метра. Источник питания выдает ток величиной до 20 ампер и напряжением 60 вольт, которое на дроне понижается до 12,6 вольт, необходимых для питания двигателей. Во время экспериментов авторы меняли толщину кабеля (10, 12 и 14 AWG), высоту полета и напряжение. Эксперименты и расчеты затрачиваемой мощности показали, что расхождения между моделью и реальным квадрокоптером не превышают пяти процентов. Также они привели пример расчета критической высоты полета. Если дрон питается по кабелю толщиной 12 AWG и зависает прямо над источником питания, то при длине кабеля выше 9,43 метра дрон уже не может подняться на максимальную высоту и полностью распрямить его.
Наконец, инженеры создали систему из двух квадрокоптеров, один из которых соединен с источником питания, а второй — с первым дроном. Это позволило ему пролететь через проем, не зацепившись проводом за препятствие.
Группа инженеров из этой лаборатории также специализируется на складных дронах. Мы рассказывали о том, как они научили дрон складывать плечи в полете для преодоления узких препятствий и захвата груза.
Григорий Копиев
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.
