Американські інженери навчили дрон складати свої гвинти у польоті, щоб той міг пролітати вузькими отворами, сідати на дроти і навіть підхоплювати вантаж. Розроблений квадрокоптер відрізняється від інших лише наявністю шарнірів у кожній з чотирьох «рук». Вони дають змогу як скласти всі чотири гвинти одночасно, так і частково, причому дрон зможе підтримувати політ і з всього двома задіяними гвинтами. Стаття про модифіковану конструкцію дрона прийнята до публікації у IEEE Transactions on Robotics, а її препринт доступний на сервісі arXiv.
HiPeR Lab / YouTube
Як складаються дрони?
Дрони вже давно довели свою ефективність не лише як засіб для ефектних знімань з повітря, а і для спостереження за довкіллям у важкодоступних місцях, пошуково-рятувальних операціях, доставці вантажів та навіть участі у боротьбі з пожежами та медичній допомозі.
Втім, дрони все ще обмежуються зарядом акумулятора, а можливість літати все ж не дає переваги перед деякими перешкодами, як наприклад, вузькі отвори або захаращена лісова чи міська місцевість. Тому інженери шукають способів модифікувати конструкції дронів, які при цьому не скоротять час польоту, суттєво не збільшать вагу пристрою та не ускладнять його експлуатацію.
Дрони не вперше змінюють свою форму, щоб підвищити свою ефективність. Окрім можливості складатися для транспортування, наприклад, ми розповідали про додаткову конструкцію для коптера, яка змінює форму і захищає його і всіх навколо від зіткнень у польоті, слугуючи подушкою безпеки. Або ж дрон може обходитися лише модифікаціями своїх гвинтів. Приміром, збільшувати або зменшувати розмах «крил», щоб не лише краще працювати у різних середовищах, а і виконувати ряд корисних операцій як-то робота з вантажем або можливість закріпитися на місці і продовжувати працювати, не витрачаючи заряд на роботу гвинтів. Однак всі вони потребували додаткового виконавчого механізму, який ускладнював як конструкцію, так і її використання.
Для свого ж дрона інженери з Каліфорнійського університету в Берклі вирішили знайти модифікацію, яка допоможе виконувати всі із зазначених вище завдань, але яка не потребуватиме значних змін конструкції чи керування порівняно зі звичайними квадрокоптерами.
Що змінити у дроні, щоб він склався?
Подібну задачу ця група інженерів ставить перед собою не вперше — ще 2019 року вони запропонували конструкцію коптера, якому жорсткі з'єднання між корпусом і «руками» замінили підпружиненими петлями, щоб останні могли складатися. Відтак дрон знижував тягу, складав гвинти, проходив крізь отвір, а потім знову збільшував її, щоб розгорнутися і продовжити рух на максимальній потужності.
У новій версії вчені позбавилися пружин та замінили їх на шарніри, що вільно обертаються. Так дрону все ще потрібно зменшувати тягу, щоб скласти «руки», але це не обтяжує його, зменшує втрати крутного моменту і дає змогу уникнути випадкового складання чи розкладання. Також коптер у попередній версії мав обмеження на мінімальну тягу — 70 відсотків. Ця вимога була зумовлена пружинним механізмом, який новий дрон вже не обмежує. Крім того, позбавившись пружин, інженери знизили складність конструкції та виготовлення свого літального апарата.
Власне єдине, що відрізняє модифікований коптер від існуючих, так це те, що кожна «рука» кріпиться до центрального корпусу через вільне з'єднання, а не за допомогою жорсткого. У всьому іншому він вимагає стандартних готових компонентів — гвинтів, двигунів, регуляторів швидкості тощо, а відтак і не вимагає підвищення вартості.
HiPeR Lab / YouTube
Що вміє складений дрон?
Складаючи всі чотири свої «руки», коптер може вертикально долати вузькі отвори у польоті подібно тому, як це роблять птахи. Так само вміла і попередня версія, однак новий дрон може складатися і частково, а відтак долати вузькі горизонтальні тунелі довільної довжини, адже йому не потрібно припиняти рух. Коптер подолав тунель із поперечним перерізом 43 на 43 сантиметри, який не міг пролетіти навіть за ідеального контролю руху — його ширина у розгорненому вигляді складає 43 сантиметри. Без двох рук він же має мінімальну ширину в 24 сантиметри, що дає змогу навіть погребувати точними налаштуваннями траєкторії.
HiPeR Lab / YouTube
«Руки» коптер складає за 0,25 секунди, а розкладає за пів секунди. Однак автори зазначають, що високі швидкості обертання гвинтів, необхідні для зависання з двома складеними гвинтами, вимагають більше енергії. А тому порівняно з іншими коптерами, що трансформуються за допомогою додаткових механізмів, цей дрон буде кориснішим у ситуаціях, де він матиме можливість долати маршрут у розгорнутому вигляді, лише періодично згортаючись. Цікаво, що хоча модифікація все ж частково змінює конструкцію дрона, він має практично таку саму обчислювальну складність, як і існуючі коптери з комерційними контролерами руху.
Не менш важливим для обмежених зарядом акумулятора дронів є вміння зупиняти роботу двигунів та при цьому продовжувати роботу. І модифікація дрона дає можливість виконувати і подібні завдання. Складаючи всі чотири свої гвинти, коптер здатний сісти на гілку чи дріт, закріпитися на ньому спеціальним отвором у корпусі, пристосуватися до зміненого положення центру мас і залишитися у такому стані, приміром, щоб знімати середовище на камеру. Для цього йому, на відміну від спеціально створених для сидіння дронів, не потрібні жодні додаткові конструкції (як-то ніжки чи наліпки). Хоча це і обмежує його у тому, що за несприятливих умов, наприклад, вітру присісти відпочити він вже не зможе.
HiPeR Lab / YouTube
Конфігурації з двома робочими гвинтами також дають змогу виконувати корисні завдання як-то перенесення вантажу. Дрон скерували приземлитися на верхню частину коробки шириною дев'ять сантиметрів, для чого він мав вимкнути всі чотири свої гвинти, щоб два з них стали у положення захоплення предмета. Затим дві інші «руки» розклалися у положення для польоту, а оскільки дрон був підготований для того, щоб враховувати зміну положення свого центру мас, цей вантаж він зміг донести у місце призначення.
HiPeR Lab / YouTube
Підходи, якими користуються інженери, щоб зробити дрони ще більш пристосованими до умов навколишнього середовища, мають широкий спектр складності конструкцій та їхньої незвичності. Наприклад, щоб дрон міг сідати відпочивати чи тягати вантаж, його можна наділити наліпками, а можна і м'якими ніжками чи повними копіями пташиних лап.