Инженеры превратили дрон в летающую грузовую «тележку»

Корейские инженеры разработали дрон для перемещения грузов, которым человек может управлять физически воздействуя на него — толкать и тянуть, как тележку из магазина. Дрон, получивший название Palletrone, представляет собой платформу, внутри которой расположен квадрокоптер с поворотными пропеллерами. Сбоку платформы располагается ручка, напоминающая ручку магазинной тележки. Оператор дрона, держась за ручку, прикладывает к ней усилия, чтобы физически управлять движением летающей платформы в трех измерениях. При этом дрон сохраняет стабильное положение в пространстве по крену и тангажу благодаря системе управления, компенсирующей случайные внешние возмущения, не связанные с воздействием человека. Описание конструкции дрона и алгоритма управления опубликовано в журнале IEEE Robotics and Automation Letters.

Мультикоптеры — это механически простые летательные аппараты с тремя и более винтами, которые благодаря несложной сборке, высокой маневренности и низкой себестоимости стали самым распространенным типом дронов. Они используются не только для аэрофотосъемки, но и для доставки грузов различной массы на дистанции до нескольких десятков километров. Однако иногда требуется переместить груз на гораздо меньшее расстояние — в пределах одного помещения, в котором при этом есть несколько уровней, соединенных лестницами, неровный пол и другие препятствия, мешающие использованию колесных погрузчиков и грузовых тележек. В такой ситуации тоже могут пригодиться дроны.

Так считают корейские инженеры, которые под руководством Ли Сын Чэна (Seung Jae Lee) из Сеульского национального университета науки и технологии разработали систему Palletrone (от слов pallet и drone) для перемещения грузов по воздуху на небольшие расстояния. Palletrone имеет решетчатый внешний корпус, сверху которого находится плоская платформа для груза, а внутри располагаются четыре пропеллера, создающие подъемную силу, удерживающую дрон в воздухе. Внешний корпус также служит защитой для винтов, предохраняя их от столкновений с препятствиями и людьми. Четыре дополнительных сервопривода регулируют углы наклона несущих винтов, изменяя их вектор тяги, что позволяет независимо управлять как поступательным движением дрона в трех измерениях, так и его угловой ориентацией без необходимости наклонов по тангажу и крену.

Главная особенность системы заключается в способе управления ею. Palletrone умеет стабильно висеть на одном месте в воздухе, но не способен самостоятельно двигаться и прокладывать маршрут. Чтобы сдвинуть его с места, необходимо воздействовать на него физически. Для этого сбоку на корпусе платформы прикреплена ручка, держась за которую человек может перемещать дрон в воздухе, прилагая к нему усилия, как к тележке из магазина: толкать вперед, тянуть на себя и поворачивать вокруг вертикальной оси. Кроме этого, можно также вручную изменять положение дрона по высоте, для этого надо потянуть его вверх или вниз.

Управление осуществляется с помощью двух основных алгоритмов: алгоритма отслеживания возмущений (Disturbance Observer) и алгоритма адмиттанс-контроля (Admittance Control), которые работают совместно и используют данные бортового инерциального измерительного устройства IMU дрона. Первый из алгоритмов призван компенсировать внешние небольшие возмущения траектории движения, вызванные, к примеру, ветром, а также обеспечивает оценку сил, прикладываемых человеком. Эта оценка передается во второй алгоритм, который преобразует ее в плавное изменение траектории движения по трем осям, соответствующее намерениям оператора.

Система управления использует параметр виртуальной инерции, чтобы определить, насколько плавно или резко будет двигаться дрон в ответ на прилагаемое физическое воздействие. Это позволяет сделать управление более интуитивным, как при толкании реальной тележки: чем больше приложенное усилие, тем быстрее и дальше движется дрон.

Инженеры провели три типа экспериментов, чтобы оценить управляемость Palletrone. В первом испытании они проверили возможность независимого управления движением дрона по четырем степеням свободы: трем пространственным осям и при вращении вокруг вертикальной оси. Второй эксперимент показал, что изменение параметра виртуальной инерции в алгоритме управления влияет на динамику дрона. В третьем испытании разработчики протестировали Palletrone в реальном сценарии. Оператор управлял дроном с грузом массой 2,93 килограмма на платформе, перемещая его по произвольному маршруту. Результаты показали, что аппарат устойчив при движении по каждой оси и сохраняет при этом стабильные углы крена и тангажа, что важно для надежного удержания груза.

Идея управлять дроном через физическое воздействие на него не нова. К примеру, в 2015 году швейцарские инженеры представили складной квадрокоптер Fotokite Phi, предназначенный для фото- и видеосъемки с воздуха. Для управления им вместо пульта использовался восьмиметровый поводок, который позволял управлять квадрокоптером любому человеку, не имеющему навыков пилотирования.