Управление полетом происходит за счет изменения формы крыльев и поворотов хвоста
Инженеры из Стэнфордского университета и Университета Гронингена разработали биогибридный беспилотник самолетного типа, крылья и хвост, которого состоят из настоящих голубиных перьев. Он способен стабильно летать и маневрировать без вертикального хвостового оперения, изменяя форму крыльев и хвоста подобно реальным птицам. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
В современных самолетах для управления полетом используются отклоняемые поверхности, такие как элероны, предкрылки, рули высоты и направления, которые регулируют аэродинамические силы на различных частях самолета. Например, для крена влево или вправо используются отклоняемые в противоположные стороны элероны на задней кромке крыльев, а для управления по оси рысканья — руль направления, расположенный на вертикальном хвостовом оперении. В то же время, птицы, в отличие от самолетов, управляют полетом совершенно иначе: они изменяют саму форму крыльев и хвоста. Кроме того, существенное влияние на полет птиц оказывает форма и поверхность перьев.
Некоторые авиаконструкторы предлагают адаптировать принципы управления полетом птиц для авиации. Однако изучение механизмов птичьего полета остается сложной задачей. До недавнего времени исследования были ограничены пассивными наблюдениями за птицами или моделированием их полета.
Группа инженеров под руководством Дэвида Лентинка (David Lentink) из Университета Гронингена решила детальнее изучить полет птиц на примере летающего робота. В 2020 году инженеры построили биогибридный беспилотник PigeonBot. Левая и правая консоли его крыла могли независимо друг от друга складываться в горизонтальной плоскости, подобно тому, как это происходит у реальных птиц. Кроме этого, на консолях крыла были закреплены настоящие птичьи перья. Изменяя форму крыльев, беспилотник мог выполнять крены и менять направление полета. Хвост при этом был традиционным, с горизонтальным и вертикальным оперением самолетного типа. Однако, у реальных животных вертикальное оперение отсутствует. Чтобы лучше понять, каким образом птицам удается поддерживать стабильный полет без вертикального руля направления и киля, разработчики решили построить новую версию беспилотника с хвостом, как у биологического прототипа.
Крылья PigeonBot II позаимствованы у предыдущей модели. На них установлены 40 настоящих голубиных перьев. Подвижные секции крыла, отвечающие изменение его формы, приводятся в движение четырьмя сервоприводами. Хвост состоит из 12 расположенных в горизонтальной плоскости голубиных перьев. Его подвижность обеспечивается пятью сервоприводами, которые контролируют величину размаха перьев (разведены в стороны или собраны), поворот хвоста вокруг продольной оси, а также его отклонение в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Всего хвост имеет пять степеней свободы. Перья соединены эластичными лентами для равномерного распределения сил во время изменения формы аэродинамических плоскостей. Корпус вмещает приводы, аккумулятор и управляющую электронику, включая систему управления PixRacer. Два небольших пропеллера, установленных на «запястьях» биоморфных крыльев, обеспечивают тягу в свободном полете. Масса беспилотника составляет около 300 грамм, что сравнимо с массой среднего голубя.
Система управления построена на основе наблюдений за рефлексами птиц. Датчики IMU регистрируют отклонения положения и скорости, а система управления, в которой задействованы ПИД-контроллеры, генерирует команды для сервоприводов, компенсирующие или усиливающие эти отклонения. Например, если робот под действием случайного порыва ветра начинает крениться влево, система увеличивает раскрытие левого крыла, а правое наоборот складывает, что приводит к увеличению подъемной силы слева и уменьшению ее под правым крылом. Одновременно с этим хвост наклоняется в сторону, противоположную крену. Аналогично, отклонение хвоста используется для демпфирования рыскания: если робот начинает вращаться вокруг вертикальной оси, хвост отклоняется в противоположном направлении, создавая противодействующий момент. Таким образом, благодаря изменению формы крыльев и хвоста, а также наклонам и поворотам хвоста удается совершать маневры и поддерживать стабильный полет по заданному курсу без вертикального хвостового оперения.
Для подбора параметров контроллера управления инженеры предварительно поместили робоголубя в аэродинамическую трубу. Робот был закреплен на шарнирном соединении, позволяющем ему свободно вращаться по крену, тангажу и рысканию, но ограничивающем поступательное движение. В результате удалось добиться стабильного полета в условиях искусственной турбулентности с интенсивностью порывов до 12 процентов от средней скорости потока в 10 метров в секунду.
Испытания в свободном полете проводились на открытом воздухе. После «ручного» запуска включался автономный режим управления, в котором беспилотник летал по кругу заданного радиуса. В результате робоголубь продемонстрировал возможность устойчивого управляемого полета без вертикального оперения, используя лишь рефлекторное изменение формы крыльев и хвоста для управления креном и демпфирования рыскания. Наилучшая управляемость достигалась, когда размах крыльев и хвоста изменялись согласованно, например, оба раскрыты или оба сложены. Непропорциональные конфигурации (например, полностью раскрытые крылья и полностью сложенный хвост) показали худшую производительность.
Хотя PigeonBot и использует способ управления полетом, основанный на модели рефлексов реальных птиц, в движение он приводится с помощью пропеллеров, что снижает его внешнее сходство с настоящими животными. Чтобы придать беспилотнику маскимальное внешнее сходство с птицами, другая группа инженеров из США недавно представила таксидермический орнитоптер. Летает он благодаря взмахам крыльев, его корпус покрыт настоящими перьями фазана, а в передней части закреплена голова чучела кеклика.