Камери допомогли поламаному дрону без гвинта приземлитися

Інженери навчилися рятувати дрон від падіння після відмови одного з пропелерів за допомогою камер. Так дрон зможе приземлитися навіть якщо крутиться зі швидкістю більшою за 20 радіан на секунду. За словами вчених в їхню систему можна пристосувати до будь-яких видів дронів, щоб вони могли оцінювати своє положення, не покладаючись на GPS, який не в усіх умовах працюватиме коректно. Більш детально розробку описали у статті, опублікованій у журналі IEEE Explore.

UZH

Як падають дрони?

Зазвичай мультикоптери мають три або більше гвинтів та рухаються завдяки зміні швидкості їхнього обертання. Вони, на жаль, і є найбільш ймовірною точкою поламки для будь-якого дрона. Стабільність польоту їм забезпечують гіроскопи, які контролюють положення апарата по крену, тангажу та обертанню навколо вертикальної осі. Однак, через свою конструкцію мультикоптери не зможуть приземлитися, наприклад, як планер, а тому у разі відмови двигуна чи поломки гвинта, коптер миттєво втрачає стабільність і падає. Ми могли б приземлити дрон безпечно, просто вимкнувши ротори, коли показання датчика дальності нижчі порогового значення, тобто коли коптер знаходиться близько до землі. Так, незважаючи на швидке обертання, напрям тяги коливається навколо вектора сили тяжіння, і таким чином дрон торкається землі вертикально, не пошкоджуючи інші компоненти. Однак, за відмови гвинта, зникає узгодженість крутних моментів, а тому дрон починає швидко обертатися на місці. Через це він не може самостійно стабілізуватися у повітрі, адже обертання і прискорення сильно впливає на показання його інерційних датчиків.

Як використовують GPS?

Для того, щоб дрон після пошкодження міг нормально приземлитися, йому потрібно мати метод оцінки свого положення, тобто мати явлення про те, у якому він взагалі стані і як воно змінюється з часом. Найзручнішим для цього видавалися датчики GPS. Але коли сигнал втрачається або погіршується, дрон, що покладається на GPS, використовує зміщені дані акселерометра для оцінки свого положення, що призводить до суттєвих похибок, які потім вводять в оману польотний контролер і призводять до неприємних приземлень. Це передусім зовнішня система, яка не залежить від устаткування самого дрона, а тому було б зручно оснастити пристрій своєю власною системою оцінки стану, яка була б набагато більш стійкою до відмов у роботі, і залежала б лише від нього.

Чим може допомогти камера?

Вчені запропонували систему, з якою дрон використовуватиме камеру, щоб залишатися стабільним і керованим навіть під час обертання. Дрон працюватиме завдяки відстеженню візуальних характеристик за допомогою спрямованої вниз камери, яка допоможе йому оцінити своє положення, навіть коли він обертатиметься зі швидкістю більше 20 радіан на секунду. У системі використали додатковий фільтр, який допомагає скоригувати обертання дрона після втрати гвинта та алгоритм оцінки положення на основі лічильника обертів та візуального датчика. Візуальним датчиком і служать камери, причому інженери проводили експерименти з двома різними пристроями — звичайною і подієвою камерами.

Звичайні камери збирають інформацію через рівні проміжки часу, використовуючи показання інтенсивності світла, отримані за ці проміжки. У той же час подієві камери записують інформацію асинхронно і тільки тоді, коли на них відбувається «подія», тобто зміна яскравості. З останньою дрон краще орієнтувався за поганого освітлення і мав більший динамічний діапазон зображення. Так алгоритм використовує дані з камер, щоб виявити якусь ознаку і сприймати її як орієнтир, щоб відстежувати положення землі під собою і таким чином розраховувати параметри свого обертання і поточний стан. Також для дрона розробили контролер польоту таким чином, щоб за відмови одного з гвинтів він переставав враховувати його у розрахунках і стабілізувався враховуючи лише три працюючі.

За словами вчених, їхня система сумісна і з іншими моделями квадрокоптерів, на яких вистачить обчислювальних ресурсів для обробки зображення з камер. Однак, поки у разі виходу з ладу двох сусідніх або більше роторів, алгоритм не зможе врятувати квадрокоптер і стабілізувати його.