Надувной квадрокоптер ударился о стену и отскочил

Инженеры разработали квадрокоптер SoBAR с надувной рамой из полимерных материалов, покрытых нейлоновой тканью. Благодаря мягкой деформируемой раме, поглощающей энергию удара, дрон может врезаться в препятствия на скорости до двух метров в секунду и быстро восстанавливать контроль над полетом из-за низкой скорости отскока. Также инженеры оснастили дрон надувным бистабильным захватом, который позволяет приземляться на предметы разной формы на большой скорости. Статья опубликована в журнале Soft Robotics.

При полетах дронов-мультикоптеров на низкой высоте или в помещениях велика вероятность их столкновения с препятствиями. Существующие решения этой проблемы связаны либо с совершенствованием алгоритмов управления, которые позволяют дрону вовремя замечать опасности и уклоняться от них, либо с повышением прочности конструкции. Второй подход обычно сводится в установке дополнительной защиты в виде бамперов, которые поглощают энергию удара при столкновениях и препятствуют повреждению роторов. Но существуют и более экзотические варианты, в которых, например, рамы дронов имеют подвижные подпружиненные или изготовленные из эластичных материалов элементы, чтобы гасить энергию удара за счет упругой деформации.

Группа инженеров под руководством Вэнь Лун Чжаня (Wenlong Zhang) из Университета штата Аризона разработала квадрокоптер SoBAR (soft-bodied aerial robot), конструкция которого совмещает в себе упругие и жесткие элементы. Дрон имеет мягкую раму, которая надувается с помощью воздуха. Она имеет стандартную для квадрокоптеров крестовидную форму и сделана из термопластичного полиуретана, покрытого сверху нейлоновой тканью. В центре надувной рамы располагается клапан для подачи воздуха, к которому подсоединен мембранный микронасос. Давление внутри рамы, контролируемое сенсором, может варьироваться. Тем самым изменяется ее жесткость и поведение дрона в полете и при соударениях с препятствиями.

Сверху на центральной части крепится отсек с электроникой, в котором помимо насоса находятся аккумулятор, полетный контроллер и бортовой одноплатный компьютер. Электромоторы с трехлопастными винтами расположены на некотором расстоянии от концов лучей рамы. Таким образом надувная рама сама выступает в роли бампера при соударениях с препятствиями, предотвращая повреждение пропеллеров. В сложенном виде дрон занимает мало места, а для приведения его в полетную форму необходимо разложить тканевую раму, разместить на ней двигатели и накачать воздухом. Все эти манипуляции занимают около четырех минут.

Под рамой инженеры разместили бистабильный мягкий захват. С помощью него дрон может садиться и закрепляться на объектах. Точно так же, как и рама, он может надуваться и поэтому изготовлен по той же технологии из слоев термопластичного полиуретана с оболочкой из нейлоновой ткани. Внутрь полимерной оболочки помещен бистабильный пружинный актуатор, в качестве которого используется отрезок металлической ленты от измерительной рулетки, который предварительно оборачивают выпуклой стороной вокруг стержня, чтобы придать ему пружинные свойства. Захват может состоять из нескольких таких бистабильных элементов, чтобы обхватывать предметы сложной формы.

В исходном состоянии актуатор распрямлен. Дрон подлетает к выбранному для посадки объекту и на высокой скорости опускается, ударяясь о него захватом. Мягкая рама дрона смягчает удар, а актуатор от соударения за 4 миллисекунды переходит в свернутую форму, благодаря чему захват обхватывает предмет. Затем, когда необходимо взлететь, в герметичную полимерную оболочку нагнетается воздух, и захват распрямляется. Для этого требуется около трех секунд. В развернутом состоянии захват может выступать в роли посадочных салазок.

В экспериментах дрон сталкивали со стеной на скорости до двух метров в секунду. При этом отскок после столкновения происходил со скоростью менее 1.5 метра в секунду, что ниже значений для дронов с жесткой рамой. Это объясняется тем, что энергия удара поглощается за счет деформации мягкой надувной рамы. Благодаря этому дрон быстро восстанавливает контроль над движением после отскока. В тестах бистабильного захвата дрон, помимо цилиндрических насестов, успешно садился и закреплялся на предметах сложной формы, таких как строительная каска, край лестницы, камень, ветку дерева. Причем дрон может успешно садиться даже на объекты, расположенные вблизи препятствия о которое он вынужден удариться, чтобы совершить посадку. Тестовый квадрокоптер с жесткой рамой в аналогичной ситуации падает.

В будущем инженеры планируют улучшить алгоритмы управления для разных уровней давления воздуха в раме. Также они планируют добавить противоскользящие элементы для предотвращения смещения положения моторов при соударениях, и изменить крепление захвата, чтобы расширить возможности дрона по посадке на предметы сложной формы.

Помимо разработки противоударных конструкций на случай возможного столкновения с препятствиями, инженеры также совершенствуют и алгоритмы управления беспилотниками в сложных средах с большим количеством объектов вокруг. Например, инженеры из Швейцарии разработали автопилот, который способен управлять дроном в лесу на высокой скорости, выбирая маршрут и маневрируя между деревьями.