Инженеры из Швейцарии и Нидерландов разработали новый алгоритм для квадрокоптеров, позволяющий им оставаться в воздухе после отключения одного винта. В отличие от аналогичных алгоритмов, разработанных ранее, новый позволяет дрону управляемо двигаться, а не только зависать на месте, а также работает только с собственными датчиками дрона, не требуя внешней системы слежения или GPS. Статья опубликована в журнале IEEE Robotics and Automation Letters, а ее препринт доступен на сайте Цюрихского университета.
Мультикоптеры остаются в воздухе и управляют своим полетом благодаря изменению тяги отдельных винтов. Эта схема зарекомендовала себя как простая и надежная, что во многом объясняет резко возросшую популярность гражданских квадрокоптеров в последние годы. Однако, в отличие от самолетной схемы, она намного более восприимчива к поломкам: если беспилотник самолетного типа после остановки винта может планировать и даже благополучно приземлиться, серийный квадрокоптер при отказе двигателя или поломке винта мгновенно потеряет стабильность и упадет.
Исследователи, разрабатывающие алгоритмы управления мультикоптерами, уже показывали на практике, что сохранить квадрокоптер с поломанным винтом в полете возможно. Например, в 2018 году мы рассказывали об алгоритме группы инженеров (среди которых и авторы новой работы), который позволяет квадрокоптеру зависать на месте после отказа двигателя, причем даже при ветре со скоростью до девяти метров в секунду. При отказе двигателя из-за несогласованности крутящих моментов на оставшихся винтах дрон начинает быстро вращаться. Это заметно усложняет стабилизацию из-за сильного изменения показаний инерциальных датчиков, возникающего из-за большого центробежного ускорения, а также сильной смазанности на кадрах с камеры, если используется визуально-инерционная одометрия или другой визуальный метод определения положения в пространстве. В предыдущих работах инженеры решали эту проблему с помощью внешней системы слежения, что не позволяет применять такой метод на практике, или сигналов спутниковых навигационных систем, что затрудняет ее использование в помещениях.
Группа инженеров под руководством Сыхао Суня (Sihao Sun) из Цюрихского университета и Коэна де Виссера (Coen de Visser) из Делфтского технического университета разработала новый метод стабилизации квадрокоптера с отключенным двигателем, работающий исключительно с использованием внутренних датчиков летательного аппарата.
Алгоритм использует данные с датчиков трех видов: инерциального блока с акселерометром и гироскопом, времяпролетного дальномера и визуального датчика. В качестве визуального датчика инженеры использовали два устройства с разным принципом работы. Один из них — это обычная камера, а второй — событийная камера. Камеры такого типа не снимают сразу весь кадр, а работают иным образом: в них каждый пиксель матрицы «срабатывает» лишь тогда, когда воспринимаемая им яркость изменяется на пороговую величину — то есть происходит «событие». Благодаря такому принципу работы событийные камеры лучше отслеживают быстрые движения, что уже не первый раз используют разработчики дронов.
Разработчики модифицировали контроллер полета таким образом, чтобы при отказе одного из винтов он переставал учитывать его при расчетах и проводил их, исходя из трех работающих винтов. Главное новшество алгоритма заключается в системе визуального отслеживания положения дрона. Для этого он использует дальномер и визуальные датчики, которые направлены вниз. Алгоритм вычисляет визуальные признаки на кадрах с датчиков и если признак обнаруживается три раза подряд, он принимается в качестве постоянного и его положение отслеживается в дальнейшем. Используя эти признаки, алгоритм отслеживает положение земли под собой и таким образом может рассчитывать параметры своего вращения и текущее положение.
Визуальные признаки на кадрах при использовании обычной (слева) и событийной (справа) камер, а также при освещении 500 люкс (сверху) и 50 люкс (снизу)
Источник изображения: Sihao Sun et al. / IEEE Robotics and Automation Letters, 2021
Инженеры показали, что дрон способен не просто поддерживать свое положение в воздухе, но и двигаться в заданном направлении. При этом оказалось, что эффективность визуальных датчиков зависит от освещения. В светлой обстановке оба вида визуальных датчиков справляются со своей задачей, то есть позволяют дрону не падать и следовать заданной траектории. При снижении освещенности до 100 люксов дрон с визуальным датчиком падает, переставая надежно отслеживать окружающее пространство, тогда как при использовании событийной камеры дрон остается в полете вплоть до 10 люксов.
Полет по квадратной траектории при использовании обычной камеры. Красная линия показывает заданную траекторию, синяя показывает реальные перемещения дрона, а зеленая показвает траекторию полета, рассчитываемую самим дроном по датчикам
Источник изображения: Sihao Sun et al. / IEEE Robotics and Automation Letters, 2021
Полет по квадратной траектории при использовании событийной камеры. Красная линия показывает заданную траекторию, синяя показывает реальные перемещения дрона, а зеленая показвает траекторию полета, рассчитываемую самим дроном по датчикам
Источник изображения: Sihao Sun et al. / IEEE Robotics and Automation Letters, 2021
В 2019 году инженеры из Швейцарии научили дрон быстро реагировать на летящие в него предметы благодаря использованию событийной камеры. Эксперименты показали, что использование событийной камеры снижает задержку реакции аппарата по сравнению с обычной камерой.
Григорий Копиев