Команда американських дослідників вирахувала критичну висоту, на якій зможе зависнути дрон, прив'язаний до кабелю живлення. У ході роботи вдалося розрахувати, за яких параметрів товщини кабелю і його маси, втрати струму не дозволять дрону підтримувати політ. Також вчені продемонстрували схему з'єднання, за якої один дрон може притримати кабель живлення для іншого. Свою аналітичну роботу вчені представлять на конференції IROS 2022, а поки у доступі є її препринт, опублікований на arXiv.
HiPeR Lab / YouTube
Навіщо прив'язувати дрони?
Перш ніж дрони дісталися Марса, вони встигли добре зарекомендувати себе і на Землі: їх використовують для спостереження, для дослідження важкодоступних місць, для пошуково-рятувальних операцій і навіть як мийників вікон. Втім, попри широкий діапазон виконуваних мікролітальними апаратами як пасивних, так і активних завдань, вони обмежені часом польоту і вантажністю через обмежені можливості з живлення — дронам банально не вистачає заряду акумулятора.
Існує кілька способів змусити дрони працювати довше. Наприклад, повертати їх на станцію обслуговування для підзаряджання або навіть використовувати інший коптер для доставки батарей на заміну. Це може збільшити час польоту більш як на чотири години. Втім, це все ще займає час та не дає гарантії, що дрон встигне виконати заплановане до того, як у нього закінчиться заряд.
Існує й альтернативний підхід — прив'язати дрон до стаціонарної або мобільної станції кабелем живлення. У такому випадку хоч дрон і обмежується у своїх маневрах і дальності польоту, він має можливість виконувати свої завдання (почасти пасивні, як-то спостереження) набагато довше. Хоча, наприклад, nauka.ua вже розповідала про прив'язаний до мобільної станції дрон, який пристосували до збирання яблук. І автори цієї роботи, інженери Каліфорнійського університету в Берклі, вирішили розрахувати, чи є критична висота для прив'язаного до джерела живлення дрона.
Як високо злетить прив'язаний дрон?
Метою цього дослідження стало отримати аналітичну модель, яка б допомогла розраховувати параметри такої системи трос-коптер з огляду на механічні, аеродинамічні та електричні параметри. Під'єднаний кабелем до наземного джерела живлення квадрокоптер, піднімаючись вище, потребує більше енергії, щоб на зайнятій висоті втриматися. У такій системі необхідна висока напруга (у коптері вона знижується до робочого значення), щоб зменшити енерговтрати. Однак через збільшення ваги дроту, що лишається висіти, збільшення потужності джерела енергії вже не буде ефективним на певній висоті дрона, адже ці витрати вже буде неможливо компенсувати.
Отже, у ході роботи виявилося, що існує критична висота зависання для будь-якої системи з прив'язаним квадрокоптером, за межами якої дрон принципово не може зависнути у повітрі незалежно від того, скільки енергії йому можна надати. Це ж вдалося підтвердити і експериментально, причому навіть у системі з двома дронами. Результати дослідження дозволять користувачам обирати оптимальні розміри блоку живлення та тросу для своєї конкретної системи.
HiPeR Lab / YouTube
Щоб підтвердити свої висновки, автори роботи під'єднали квадрокоптер кабелями різної товщини довжиною 7,62 метра до джерела живлення потужністю 1200 вати. Для двигунів дрона необхідна напруга у 12,6 вольта, а джерело видає 60 та струм до 20 амперів. Прив'язаний до кабелю товщиною 12 AWG (американський калібр проводів) коптер не зможе зависнути у повітрі на висоті, більшій за 9,43 метра.
В експерименті з двома квадрокоптерами, під'єднаними одним кабелем до одного джерела живлення, вчені продемонстрували, що така схема не лише має ті ж переваги, що і система з одним дроном. Однак у такій конфігурації один з коптерів має більше можливостей: наприклад, пролітати крізь вузький коридор, не наражаючи своє джерело енергії на небезпеку.
HiPeR Lab / YouTube
Це не перший дрон «на прив'язі», який трапився nauka.ua. Наприклад, нещодавно ми розповідали як швейцарський дрон повів за собою свого інженера на повідці, слідкуючи за ним за силою натягу тросу. А інший дрон прив'язали не лише кабелем для живлення, а і шлангом для води і мила — йому доручили помити вікна.