Складний дрон навчили протискуватися через прорізи і хапати предмети

Швейцарські інженери створили квадрокоптер, здатний змінювати свою форму під час польоту. Він може складати плечі для прольоту через вузькі прорізи або захоплення предметів, причому алгоритм управління здатний стабілізувати дрон навіть при асиметричному розташуванні роторів. Присвячена розробці стаття опублікована в, а також доступна на сайті Цюріхського університету.

Більшість дронів мають досить великий розмір, що дозволяє їм нести на собі ємний акумулятор і піднімати додаткове навантаження, наприклад, камеру. Крім того, широко рознесені обабіч ротори дозволяють збільшити стабільність польоту порівняно з аналогічними мультикоптерами з меншою довжиною прапорів. Але великий розмір дрона - це також і недолік. По-перше, такі мультикоптери незручно перевозити або носити з собою. Ця проблема частково вирішена розробниками складних квадрокоптерів, деякі вже випускаються серійно. По-друге, великі дрони не здатні пролітати у вузьких прорізах, що може бути критичним, наприклад, під час рятувальних операцій у будівлях. На сьогоднішній день вже існує кілька проектів зі створення мультикоптерів зі складаються в польоті елементами, але поки вони мають вкрай складну конструкцію або можуть змінювати свою форму лише на короткий проміжок часу через нестабільність польоту в зміненій конфігурації.

Інженери під керівництвом Давіде Скарамузза (Davide Scaramuzza) з Цюріхського університету та Швейцарської вищої технічної школи Цюріха створили дрон з класичною конструкцією, здатний змінювати свою форму в польоті і стабілізувати своє положення при будь-якому взаємному розташуванні прапорів з роторами в одній площині. У центральній частині квадрокоптера розташовуються керуючі плати, акумулятор, а також чотири сервомотори, розташовані в кутах корпусу. Ці сервомотори приводять у рух плечі дрона, повертаючи їх відносно корпусу в горизонтальній площині в діапазоні 170 градусів. На кінцях прапорів встановлені електромотори з трилопастними гвинтами. Оскільки плечі дрона можуть розташовуватися близько один до одного, сусідні гвинти закріплені на різній висоті і не можуть зіткнутися при зближенні.

Всі обчислення, необхідні для польоту, дрон виконує за допомогою власних потужностей. Він орієнтується в просторі за допомогою візуально-інерціальної одометрії, яка аналізує переміщення і положення апарату по кадрах з двох камер, а також показаннями гіроскопа і акселерометра.

Головна відмінність нового дрона полягає в алгоритмі управління. Він відстежує положення порожніх і всього квадрокоптера, і на підставі цих даних постійно розраховує центр мас і тензор інерції. Після розрахунку нових параметрів він розраховує такі параметри тяги для кожного електромотора, щоб дрон залишався в стабільному положенні або летів по команді оператора, не зміщуючись або перекидаючись.

Розробники показали безліч випробувань і прикладів роботи дрона. У звичайному стані його плечі розташовані в X-подібній конфігурації. Якщо апарату необхідно пролетіти через вузький вертикальний проєм, він може витягнути всі плечі паралельно один одному в H-подібну конфігурацію, а при прольоті горизонтальних прорізів оптимальна конфігурація - O-подібна. Також розробники передбачили режим з T-подібною конфігурацією, який дозволяє дрону підлетіти максимально близько до досліджуваного об'єкта і знімати його на вбудовані камери. Крім того, дрон може піднімати невеликий вантаж, затискаючи його між плечима. Інженери відзначають, що крім очевидних переваг у такого підходу є і недолік - енергоефективність польоту знижується через перекриття гвинтів у крайніх положеннях, а також через нерівномірний розподіл тяги гвинтів.

Раніше інженери з інших країн також створювали мульткоптери, здатні змінювати свою форму в польоті. Японські інженери представили в 2017 році дрон з рамою, що згинається з послідовно розташованими гвинтами, який може піднімати вантажі, обхоплюючи їх навколо. А влітку 2018 року ця група інженерів створила нову версію дрона, здатний виконувати більш складні маневри, наприклад, протискуватися через горизонтальний проем, згинаючись у спіраль. Іншу версію складного дрона розробили у Франції. Інженери створили квадрокоптер, у якого пари гвинтів розташовані на загальних рамах, здатних обертатися відносно корпусу. Завдяки цьому дрон може швидко зменшувати свою ширину майже в два рази, правда лише на невеликий проміжок часу.