Дроны бывают наземные и воздушные, и у каждого типа есть свои плюсы и минусы. Наземные роботы способны взять большую нагрузку и расходуют энергию более экономно, поэтому могут преодолевать большие расстояния. Однако широкие расщелины в земле, отвесные стены для них — непреодолимые препятствия. Летающие дроны имеют ограниченную грузоподъемность и быстро тратят энергию аккумуляторов.
«Почти как живой»: Морфобот ATMO научился приземляться а-ля белка-летяга
Только что над вами висел квадрокоптер среднего размера, и вдруг он ныряет вниз, в падении складывает роторы и — вуаля! — катится на четырех больших колесах, постепенно замедляясь.
Caltech
Содержание
Чтобы разрешить это противоречие, можно создать наземно-воздушного робота, способного работать в двух средах. Но и на этом пути есть сложность: наличие двух движителей утяжеляет и усложняет конструкцию аппарата.
А что если создать робота, у которого бы один и тот же движитель мог менять форму и работать в двух средах – морфобота?
Морфоботы, живые и механические
Идею морфобота инженеры почерпнули из живой природы. Белки-летяги, летучие мыши и парящие лягушки используют лапы и для полета, и для ползания.
К сожалению, и на этом пути есть препятствие – момент трансформации из воздушного режима в наземный и в обратную сторону. Большинство существующих летающих морфоботов устроены так, чтобы сначала приземлиться, а уже на земле изменить форму и встать на колеса.
Момент трансформации из наземного режима в воздушный и в обратную сторону — главная сложность при создании морфоботов.
И это проблема, объясняют специалисты Калифорнийского технологического института (Caltech). В момент приземления дрон рискует повредить быстро вращающиеся пропеллеры о неровности поверхности, да и в сама трансформация происходит неуклюже.
Животные поступают не так. Та же летяга летит, расставив лапки широко в стороны, а прямо перед приземлением выставляет их вперед.
Как работает ATMO
В Caltech решили попробовать задействовать тот же принцип для посадки дрона. У созданного ими аппарата ATMO («Морфобот, трансформирующийся в воздухе», Aerially Transforming Morphobot) есть четыре пропеллера в кольцевых насадках. Эти же насадки исполняют роль колес. Подлетая к месту посадки, он в полете складывает их на угол 60° и садится на колеса.
При этом робот не зависает вертикально, а заходит на землю по наклонной траектории, и после приземления совершает пробежку, как самолет, поскольку в момент касания земли его колеса-пропеллеры быстро вращаются.
Для взлета робот разбегается на колесах, поставленных под углом: в определенный момент сила тяги на его лопастях оказывается достаточная, чтобы воспарить. В промежуточном режиме, когда роторы частично уже сложены, их подъемная сила невелика: чтобы компенсировать ее нехватку, робот использует эффект экрана (воздушная подушка между ним и землей).
Слева — способ посадки морфобота ATMO. Справа — способ, применяемый прочими морфоботами.
Дисциплина веса — критически важный вопрос
Поскольку при полете на частично сложенных роторах подъемная сила невелика, разработчики уделили много внимания облегчению конструкции. Движители складываются одним электромотором через червячный привод и угловые шарниры. Такой привод еще и достаточно прочен, чтобы при приземлении на наполовину согнутые колеса он не сломался от удара.
Сами роторы приводятся во вращение от двух электромоторов с правой и левой стороны робота: это позволяет балансировать в полете и уменьшает вес. Развиваемая ими тяга в 2,1 раза превышает вес робота: запас тяги помогает в режиме зависания у земли.
Это позволило создать довольно легкого летуна: 5,5 кг, при размерах в полете 65 см по ширине и длине. На земле робот имеет высоту 33 см и ширину 30 см.
Динамическое приземление на колеса
Добиться ловкого приземления было непросто. Вопросы аэродинамики и устойчивости аппаратов, висящих в воздухе «на полусогнутых», не изучены вовсе. Полеты квадрокоптеров на экране хорошо изучены, но с горизонтальными пропеллерами: непонятно было, как они будет сказываться их наклонное положение.
Роботом Caltech управляет контроллер, который пришлось создавать с нуля, потому что ни одно готовое решение не подходило.
Разработчики провели многократные испытания: ATMO выглядел более «живо» по сравнению с дронами, использующими трансформацию на земле, и доказал свою способность безопасно приземляться.
По материалам статьи разработчиков в издании Nature.