Инженеры научили орнитоптер садиться на жердочку

Испанские и Швейцарские инженеры разработали прототип дрона-орнитоптера с лапой, благодаря механическому захвату которой орнитоптер может садиться на ветви и жердочки. Пружинный механизм, размещенный в захвате, срабатывает за 20 миллисекунд и позволяет орнитоптеру на лету ухватываться, например, за ветви деревьев. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Nature Communications.

Полет — это довольно энергозатратный процесс, в связи с чем современные дроны могут проводить в воздухе лишь ограниченное время. При этом некоторые задачи, такие, например, как наблюдение за территорией, напрямую зависят от параметра продолжительности работы дрона. Одним из способов увеличить этот параметр могла бы стать способность дрона садиться и закрепляться на окружающих объектах, например на ветвях окружающих деревьев.

Устройство, выполняющее эту функцию, было ранее предложено американскими и нидерландскими инженерами для дронов мультикоптерной схемы. Оно представляет собой захваты, имитирующие устройство и работу птичьих ног. Однако на дронах-орнитоптерах — летательных аппаратах, которые подобно птицам поддерживаются в воздухе за счет взмахов крыльев, — такие устройства еще не применялись.

В отличие от дронов с воздушными винтами, орнитоптеры издают меньше шума и поэтому хорошо подходят, например, для задач наблюдения за дикой природой, и здесь отлично пригодилась бы способность садиться на объекты, типа веток деревьев для экономии энергии или, например, для сбора образцов. Однако, при разработке необходимо принимать во внимание большую скорость орнитоптеров при посадке и их меньшую грузоподъемность по сравнению с мультикоптерами.

За решение этой задачи взялась группа инженеров под руководством Рафаэля Зуфферей (Raphael Zufferey) из Севильского университета в Испании. Они разработали орнитоптер P-Flap, оснащенный подвижной лапой с механической клешней. Он способен подлетать к объектам, таким как горизонтальные жерди или ветки деревьев и прикрепляться к ним, ухватываясь за них на лету.

Прототип дрона построен на базе предыдущей разработки авторов — орнитоптере E-Flap с размахом крыльев 150 сантиметров. Его вес вместе с прикрепленной снизу лапой-захватом составляет около 700 грамм. Передняя часть корпуса представляет собой две пластины из углепластика, соединенные вместе. Между ними размещается электродвигатель мощностью 150 Ватт, который через трансмиссию преобразует вращение вала в возвратно-поступательное движение толкателей с частотой до 5.5 Герц. Они приводят в движение крылья на основе каркаса из углеволокна с натянутой на него нейлоновой тканью рипстоп. Хвостовое оперение дрона расположено на конце длинной карбоновой балки и состоит из рулей высоты и направления, которыми можно управлять раздельно.

Лапа с захватом крепится под дроном и выполнена из нескольких подвижных элементов. На ее конце расположена механическая клешня-захват с бистабильным пружинным механизмом закрытия. Ее конструкция должна выдерживать столкновение с веткой на скорости несколько метров в секунду. Верхняя и нижняя части клешни состоят из четырех карбоновых пластин, разделенных 20 миллиметровыми проставками. За срабатывание механизма отвечает 40 миллиметровая пружина, которая воздействует на обе части с силой 111 Ньютонов.

После того как объект — ветвь или жердь — попадает в клешню, он ударяется о выступающие рычаги, расположенные на внутренней стороне на скорости в несколько метров в секунду. При этом преодолевается сопротивление пружины и она перемещается мимо линии на которой располагаются оси вращения половинок клешни и оказывается во внутренней области захвата, стягивая обе его половины.

После срабатывания механизма, захват воздействует на обхватываемую жердь или ветвь в точках соприкосновения с силой около 57 Ньютонов. Третьей точкой, воздействующей на удерживаемый объект, становится пружина. Для предотвращения проскальзывания во внутренней области захвата находится полоса полимерного материала Ecoflex, который создает дополнительное трение в точках соприкосновения клешни и захваченного объекта.

Освобождение захвата и приведение его в исходное положение происходит за 20 секунд с помощью механизма внутри «предплечья» лапы. Электродвигатель перемещает вдоль ее оси ползунок, который через тяги из синтетических сухожилий воздействует на рычаги на внешней части половинок клешни, разводя их в стороны и перемещая пружину в исходное положение.

В передней части лапы находится линейная камера разрешением 1×128 пикселей. Она ответственна за точное наведение клешни на попавшую в область видимости ветвь. Линейные камеры хорошо подходят для считывания контрастных горизонтальных линий и обычно устанавливаются в сканерах штрих-кодов. Камера сигнализирует о приближении подходящего объекта к захвату, а система наведения подстраивает его положение с помощью серводвигателя, располагающегося в неподвижной части лапы для последующего успешного захвата. Это необходимо чтобы компенсировать периодические колебания высоты полета дрона, вызванные взмахами крыльев.

Бортовой компьютер, управляющий полетом орнитоптера P-Flip, использует визуальную информацию от расположенных по периметру тестового помещения 28 инфаркрасных видеокамер системы захвата движений. Эти данные передаются на одноплатный компьютер Nanopi Neo Air для вычисления траектории движения. За управление серводвигателями отвечает плата с микроконтроллером STM32.

Захват жерди с помощью клешни происходит на лету на скорости около двух с половиной метров в секунду. За 150 сантиметров от объекта включается система подстройки положения ноги с захватом, а приблизительно за 20 сантиметров орнитоптер перестает махать крыльями.

Тестовые полеты выполнялись в закрытом помещении. Чтобы контролировать параметры запуска орнитоптера, инженеры построили пусковую установку для начального разгона. Пуск выполнялся со скоростью четыре метра в секунду, после чего орнитоптер автономно летел по направлению к горизонтальной деревянной жерди, выкрашенной в черный цвет, расположенной на высоте двух метров и расстоянии около 14 метров от точки старта. Далее следовал захват цели системой наведения посадочной лапы и захват жерди.

Тестовые полеты позволили определить оптимальный угол тангажа равный 30 градусам. Поддерживание такой конфигурации позволяет не нарушая стабильности полета снизить горизонтальную скорость дрона до приемлемой величины, тем самым снизив ударную нагрузку при соударении захвата с ветвью.

В будущем инженеры планируют создать версию P-Flap, которая сможет автономно летать и садиться на объекты за пределами помещений. Для этого им потребуется разработать систему управления, которая будет опираться только на информацию с бортовых камер дрона. Кроме этого планируется разработать способы взлета с жердочки.

Для того чтобы ухватиться робо-лапкой за ветвь или жердь орнитоптер должен подлететь к ней вплотную. При этом возрастает риск удара крыльев о расположенные поблизости предметы. Корейские инженеры, работающие над созданием миниатюрных орнитоптеров, придумали как снизить этот риск с помощью крыла, имитирующего особенности конструкции крыльев жуков-носорогов. Разработанное ими крыло может упруго сгибаться и распрямляться после соударений с препятствиями во время полета благодаря подвижному узлу на передней кромке.