Сингапурцы научили монокоптер ездить как моноколесо

Сингапурские инженеры разработали гибридного робота ATOM, который летает как монокоптер и ездит по земле как моноколесо. Для обоих режимов движения и перехода между ними используются всего два электромотора с пропеллерами. В полете робот развивает скорость до полутора метров в секунду, а при движении по земле — до двух метров в секунду. Он устойчив к падениям и не имеет «невосстановимых» состояний, из которых бы он не смог перейти к полету или движению по земле без посторонней помощи. Описание конструкции робота опубликовано в The International Journal of Robotics Research.

Из-за высокого энергопотребления мультикоптеры серьезно ограничены по времени полета, а наземные роботы экономнее расходуют энергию, но при этом существенно зависят от рельефа поверхности. Инженеры пытаются совместить преимущества тех и других, и разрабатывают гибридные схемы, которые могут передвигаться в разных режимах. Такой подход позволяет экономить энергию, перемещаясь по ровной поверхности на колесах или ногах, а полет можно эффективно использовать для преодоления преград.

К примеру, несколько лет назад специалисты из Калифорнийского технологического института представили гибридного робота, который может трансформироваться из квадрокоптера в четырехколесного робота, а их китайские коллеги создали дрон-моноцикл, способный летать и передвигаться по поверхности на одном большом колесе. Однако эти и другие существующие гибриды зачастую оказываются компромиссными — дополнительные актуаторы и механизмы для движения и переключения между режимами увеличивают массу и сложность робота.

Инженеры под руководством Шаохуэй Фуна (Shaohui Foong) из Сингапурского университета технологии и проектирования попытались создать гибридного робота с более простой конструкцией. В результате появился робот ATOM (Aerial and Terrestrial mode Operating Mono-wing), который может летать, передвигаться по земле, и переключаться между этими режимами, задействуя лишь два актуатора. Гибрид состоит из внешнего каркаса, внутри которого установлено единственное крыло и два электромотора с пропеллерами. Каркас имеет цилиндрическую форму и сделан из тонких углеволоконных стержней и колец. Во время полета он защищает крыло, пропеллеры и электронику от ударов, а при движении по земле играет роль колеса. Крыло узкое с одной стороны и расширяется на противоположном конце. У передней кромки широкой части установлены два электромотора с пропеллерами, а с противоположной стороны крыла закреплена электроника и аккумуляторная батарея. Масса робота — 124 грамм.

Летает ATOM как монокоптер: вращаясь вокруг своей оси для создания подъемной силы. При этом робот может одинаково эффективно летать, закручиваясь как по часовой, так и против часовой стрелки. В полете пропеллеры выполняют разные функции. Один из них отвечает за общую тягу и скорость вращения робота, в то время как второй компенсирует возникающий крутящий момент. При вращении в обратном направлении моторы меняются ролями. Управление в горизонтальной плоскости напоминает то, как это устроено на вертолетах: система управления робота циклически изменяет тягу моторов в определенных фазах вращения крыла, заставляя робота смещаться в нужном направлении.

На земле ATOM передвигается, катясь на раме. Центр масс робота не совпадает с его геометрическим центром, поэтому на земле робот имеет устойчивое положение в состоянии покоя. Чтобы катиться вперед, двигатели в нужный момент создают тягу, которая «переваливает» робота через положение равновесия. Для поворотов используется дифференциальная тяга: один пропеллер толкает вперед, а другой — назад.

Хотя у робота всего два двигателя, и он не может напрямую создавать крутящий момент в любом направлении, это не мешает ему переходить из любого положения на земле к полету и обратно без посторонней помощи. Для взлета он немного прокатывается вперед, чтобы наклонить плоскости пропеллеров, а затем с помощью их тяги создает крутящий момент, который переворачивает робота на бок. А чтобы встать на колесо после приземления из положения на боку, робот использует тягу пропеллеров, чтобы совершить кувырок. Оба перехода выполняются автономно на основе данных с бортового гироскопа и акселерометра.

В ходе испытаний ATOM продемонстрировал максимальную скорость полета около 1,5 метра в секунду. В наземном режиме он способен передвигаться по различным поверхностям, включая траву, со скоростью до двух метров в секунду и преодолевать подъемы с уклоном до 15 градусов. В полете робот может зависать на месте и летать, точно следуя заданной траектории вне зависимости от направления своего вращения. Время полета на одном заряде аккумулятора емкостью 300 миллиампер-час составляет около 5 минут, а при движении по земле — более 44 минут.

Крыло в форме крылатки клена позволяет дрону самостоятельно раскручиваться в набегающем потоке воздуха и значительно замедлять падение. Ранее инженеры из этой же группы создали дрон, способный в полете распадаться на пять отдельных управляемых дронов-монокоптеров с такой же формой крыла. При снижении большого дрона до нужной высоты механизм одновременно высвобождает все пять небольших дронов и они продолжают управляемое падение самостоятельно. Такой подход пригодится, например, чтобы распределить легкие грузы массой в несколько десятков грамм по относительно большой территории.