Американские инженеры разработали дрон, который может подлететь к предмету, захватить его без полной остановки и полететь с ним дальше. Этого удалось достичь благодаря мягкой конструкции захвата, смягчающей удар при контакте с предметом, а также алгоритмам управления, рассказывают авторы статьи на arXiv.org, которая будет представлена на конференции IROS 2021.
Мультикоптеры в основном используют для съемки с воздуха, но также их уже несколько лет предлагают применять и ограниченно применяют для доставки грузов, как правило, небольших и на небольшие расстояния. Это позволяет реализовать автоматическую доставку еды и товаров из магазинов без участия человека, что при качественной реализации может сделать ее дешевле и быстрее обычной доставки.
На пути к распространению такого типа доставки есть несколько технических преград. Например, поскольку дроны используют для полета очень быстро вращающиеся винты, для защиты человека от них приходится использовать те или иные решения, такие как защитная рама, лебедка для спуска груза с высоты или посадочный терминал. Но даже если не учитывать необходимость в безопасной передаче груза и обеспечить ее без участия человека, то при захвате или сдаче груза дронам приходится зависать на месте и тратить на эту процедуру заметную часть энергии, которой и так обычно хватает всего на 20-30 минут полета. Снизить эти затраты можно благодаря динамическому захвату и выпуску груза, но это довольно сложный процесс: при первичном контакте жесткого корпуса дрона с жестким грузом на дрон начинают действовать дополнительные силы, затрудняющие ему поддержание баланса и способные привести к потере устойчивости.
Инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Луки Карлоне (Luca Carlone) разработали дрон и алгоритмы управления, позволяющие захватывать грузы на лету без полной остановки. Дрон построен по классической схеме квадрокоптера, но имеет ключевое отличие от аналогов, позволяющее хватать объекты на лету — мягкие посадочные опоры, которые одновременно выступают в качестве захвата. Всего у дрона четыре опоры или пальца, с которым их сравнивают сами авторы. Опоры состоит из четырех сегментов, которые могут отклоняться относительно друг друга на 90 градусов (последний сегмент отклоняется лишь на 30 градусов). Они выполнены из силиконового эластомера и приводятся в движение тросами, проходящими через каналы в сегментах. В основании каждой опоры есть мотор, который натягивает трос и тем самым заставляет всю конструкцию изгибаться подобно тому, как изгибаются пальцы при натяжении сухожилий.
Алгоритм управления дроном условно можно разбить на две фазы. Изначально он рассчитывает траекторию движения самого дрона, позволяющую ему прийти в оптимальное положение для захвата предмета, а затем исходя из траектории дрона рассчитывает команды для захвата. Фаза захвата тоже состоит из двух этапов: на первом дрон долетает до предмета и передние опоры оказываются над ним, после чего наступает фаза схватывания.
Авторы успешно проверили конструкцию дрона и алгоритмы управления на тестовых грузах и продемонстрировали ролик с испытаниями. Они отмечают, что пока алгоритмы недостаточно учитывают влияние экранного эффекта, перекрытия потоков воздуха грузом и другие аэродинамические эффекты, влияющие на стабилизацию дрона. Кроме того, поскольку целью работы была первичная проверка нового подхода к захвату предметов, положение дрона во время полетов отслеживалось с помощью внешней инфракрасной системы движения, поэтому для использования дрона на практике ее необходимо будет заменить на локальную, встроенную в сам летательный аппарат.
В прошлом году японские инженеры решили проблему безостановочной передачи груза дрону, использовав другой подход. Вместо того чтобы адаптировать для этого дрон, они создали систему, которая сама отслеживает положение дрона и располагает груз так, чтобы он мог захватить его крюком, просто летя прямо без необходимости в каких-либо коррекциях траектории.
Григорий Копиев
