Дрон навчили підхоплювати вантаж на льоту

Американські інженери розробили дрон, який може підлетіти до предмета, захопити його без повної зупинки і полетіти з ним далі. Цього вдалося досягти завдяки м'якій конструкції захоплення, що пом'якшує удар при контакті з предметом, а також алгоритмам управління, розповідають автори статті на arXiv.org, яка буде представлена на конференції IROS 2021.

Мультикоптери в основному використовують для зйомки з повітря, але також їх вже кілька років пропонують застосовувати і обмежено застосовують для доставки вантажів, як правило, невеликих і на невеликі відстані. Це дозволяє реалізувати автоматичну доставку їжі і товарів з магазинів без участі людини, що при якісній реалізації може зробити її дешевше і швидше звичайної доставки.

На шляху до поширення такого типу доставки є кілька технічних перешкод. Наприклад, оскільки дрони використовують для польоту дуже швидко обертаються гвинти, для захисту людини від них доводиться використовувати ті чи інші рішення, такі як захисна рама, лебідка для спуску вантажу з висоти або посадковий термінал. Але навіть якщо не враховувати необхідність у безпечній передачі вантажу і забезпечити її без участі людини, то при захопленні або здачі вантажу дронам доводиться зависати на місці і витрачати на цю процедуру помітну частину енергії, якої і так зазвичай вистачає всього на 20-30 хвилин польоту. Знизити ці витрати можна завдяки динамічному захопленню і випуску вантажу, але це досить складний процес: при первинному контакті жорсткого корпусу дрона з жорстким вантажем на дрон починають діяти додаткові сили, що ускладнюють йому підтримку балансу і здатні привести до втрати стійкості.

Інженери з Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Луки Карлоне (Luca Carlone) розробили дрон і алгоритми управління, що дозволяють захоплювати вантажі на льоту без повної зупинки. Дрон побудований за класичною схемою квадрокоптера, але має ключову відмінність від аналогів, що дозволяє вистачати об'єкти на льоту - м'які посадкові опори, які одночасно виступають в якості захоплення. Всього у дрона чотири опори або пальця, з яким їх порівнюють самі автори. Опори складаються з чотирьох сегментів, які можуть відхилятися відносно один одного на 90 градусів (останній сегмент відхиляється лише на 30 градусів). Вони виконані з силіконового еластомера і приводяться в рух тросами, що проходять через канали в сегментах. У підставі кожної опори є мотор, який натягує трос і тим самим змушує всю конструкцію згинатися подібно до того, як згинаються пальці при натягненні сухожиль.

Алгоритм управління дроном умовно можна розбити на дві фази. Спочатку він розраховує траєкторію руху самого дрона, що дозволяє йому прийти в оптимальне положення для захоплення предмета, а потім виходячи з траєкторії дрона розраховує команди для захоплення. Фаза захоплення теж складається з двох етапів: на першому дрон долітає до предмета і передні опори опиняються над ним, після чого настає фаза схоплення.

Автори успішно перевірили конструкцію дрона і алгоритми управління на тестових вантажах і продемонстрували ролик з випробуваннями. Вони відзначають, що поки алгоритми недостатньо враховують вплив екранного ефекту, перекриття потоків повітря вантажем та інші аеродинамічні ефекти, що впливають на стабілізацію дрона. Крім того, оскільки метою роботи була первинна перевірка нового підходу до захоплення предметів, положення дрона під час польотів відстежувалося за допомогою зовнішньої інфрачервоної системи руху, тому для використання дрона на практиці її необхідно буде замінити на локальну, вбудовану в сам літальний апарат.

Торік японські інженери вирішили проблему безупинної передачі вантажу дрону, використавши інший підхід. Замість того щоб адаптувати для цього дрон, вони створили систему, яка сама відстежує положення дрона і має вантаж так, щоб він міг захопити його гаком, просто летячи прямо без необхідності в будь-яких корекціях траєкторії.