Монокоптер покрутил лидаром и увернулся от мячика

Китайские инженеры разработали дрон-монокоптер, который полностью управляется с помощью только одного электромотора. Он получает подробную информацию об окружении с помощью лидара, установленного на корпус, который вращается из-за реактивного момента, создаваемого несущим винтом. Благодаря этому дрон может автономно планировать траекторию движения, избегая столкновения со статическими и динамическими препятствиями, говорится в работе, опубликованной в журнале Science Robotics.

Современные беспилотники с каждым годом становятся все более автономными. Зачастую они могут самостоятельно выбирать траекторию полета к цели. И если на открытой местности для безопасного построения маршрута достаточно только данных от спутниковой системы навигации, типа GPS, то в случае полетов в помещениях или на небольшой высоте между деревьями дрон может опираться лишь на информацию от своих бортовых сенсоров, например, от камеры или лидара. Однако эти устройства имеют ограниченное разрешение и поле зрения, что сказывается на безопасности полета – дрон может столкнуться с препятствием, оказавшимся вне его поля зрения.

Одним из возможных решений могло бы стать использование нескольких дополняющих друг друга датчиков. Однако это ведет к утяжелению беспилотника и повышению его энергопотребления, а значит к снижению времени и дальности полета.

Для решения этой проблемы инженеры из Китая под руководством Фу Чжана (Fu Zhang) из Гонконгского университета предложили использовать для расширения поля зрения лидара возникающий при полете летательного аппарата с одним несущим винтом эффект самовращения корпуса, который из-за реактивного момента стремится развернуться в сторону противоположную направлению вращения винта. Таким образом дрон, оборудованный лидаром с изначально ограниченным полем зрения, за счет его непрерывного вращения вместе с корпусом получает полноценный круговой обзор.

Корпус построенного инженерами монокоптера PULSAR массой 1,23 килограмма можно разделить на три секции. Сверху расположен электромотор с двухлопастным несущим винтом диаметром 37,6 сантиметра и полетный контроллер. В средней части – лидар и бортовой компьютер на процессоре ARM. В нижней части находится аккумуляторная батарея, а также трехколесное шасси с колесами, расположенными по кругу. Благодаря им при взлете корпус дрона может крутиться не отрываясь от поверхности.

Чтобы снизить частоту вращения корпуса под действием реактивного момента, по его периметру закреплены небольшие вертикальные лопатки, играющие роль воздушных тормозов. Они ограничивают частоту в районе 2,7 герца. Частота вращения несущего винта составляет при этом 6800 оборотов в минуту.

Для экономии массы и энергопотребления было решено использовать один и тот же электромотор и для создания тяги, и для управления монокоптером в горизонтальной плоскости. Для этого разработчикам пришлось отказаться от использования классического автомата перекоса – устройства управления одновинтовыми вертолетами, которое изменяет углы наклона лопастей винта. Вместо него для управления полетом в горизонтальной плоскости используются асимметрично наклоненные на 45 градусов по отношению к ротору крепления лопастей.

В результате ускорение или замедление вращения ротора винта приводит к дополнительному повороту обеих лопастей вокруг наклонных осей под действием сил инерции. При этом, так как наклон осей крепления асимметричен относительно ротора, смещение одной из лопастей приводит к увеличению угла ее установки по отношению к набегающему потоку воздуха, а значит и к увеличению подъемной силы, в то время как угол установки второй лопасти изменяется в противоположном направлении и, как следствие, создаваемая ею подъемная сила наоборот уменьшается.

Таким образом, ускоряя или замедляя вращение двигателя в определенные промежутки времени, можно создавать момент, стремящийся наклонить дрон в нужном для полета направлении. При этом средняя скорость вращения ротора несущего винта отвечает за величину тяги, то есть за управление по вертикальной оси.

Для того чтобы оценить летные качества получившегося устройства, разработчики провели серию испытаний, в которых сравнили монокоптер с дронами, построенными по классической квадрокоптерной схеме. В испытании на длительность полета в режиме висения выяснилось, что монокоптер почти на 27 процентов экономичнее, чем квадрокоптер с аналогичной массой и площадью несущих винтов. Версия монокоптера без лидара, с батареей емкостью 73,6 ватт-часа и с увеличенным до 41,7 сантиметра диаметром винта продержалась в режиме висения больше 40 минут.

Полеты в помещении по заданной траектории в виде восьмерки также показали меньшее энергопотребление монокоптера в сравнении с квадрокоптером из предыдущего теста. Первый в среднем тратил 186 ватт, тогда как квадрокоптер потреблял около 226 ватт. А вот по параметру, описывающему отклонения от заданной траектории, монокоптер немного уступил своему четырехпропеллерному конкуренту, однако при этом все же остался в пределах допустимого диапазона.

Наконец, монокоптер испытали вне помещений, в условиях для которых он и разрабатывался – среди большого количества препятствий. Для этого была выбрана площадка со множеством деревьев. В этом эксперименте маршрут задавался только в виде нескольких опорных точек на дистанции длиной 63 метра. Дрон должен был сам спланировать свой маршрут между точками, используя данные своего лидара для построения подробной трехмерной карты местности, чтобы облетать препятствия на своем пути. В полностью автономном режиме монокоптер успешно преодолел дистанцию примерно за 126 секунд.

Также инженеры проверили способность дрона уклоняться от быстро движущихся в его сторону объектов. Для этого они бросали в дрон мячи с разных сторон. Монокоптер благодаря круговому обзору всегда вовремя замечал опасность и уклонялся от столкновений. По словам инженеров, в будущем дрон можно будет использовать в поисковых операциях, для обследования помещений, пещер и инженерных конструкций, а также составления их детальных трехмерных карт.

Ранее мы рассказывали про другую экзотическую схему дрона, который построили разработчики из Сингапурского университета технологий и дизайна. Они создали монокоптер-конвертоплан с большим двухлопастным несущим винтом, на каждой из лопастей которого размещены небольшие пропеллеры. За счет их тяги дрон раскручивается вокруг своей оси, создавая достаточную для полета подъемную силу. При этом лопасти подвижны и могут поворачиваться с помощью сервоприводов, превращая дрон в самолет прямо в воздухе.