Технології
Технології

Надкрила покращили аеродинаміку дрона і перевернули його після падіння

Інженери надихнулися сонечками та наділили дрона додатковими надкрилами, чим збільшили йому підіймальну силу під час злітання та зменшили імовірність падіння. Розкриваючись, надкрила дають змогу переорієнтувати дрон так, що він зміг повернутися у нормальне положення після падіння і на асфальт, і на гальку, і на пісок. Про спосіб врятувати дрони від марного лежання після падіння вчені повідомили у IEEE Robotics and Automation Letters.

EPFL-LIS

EPFL-LIS

До чого тут сонечка?

Поки дрони демонструють надзвичайний потенціал у найрізноманітніших сферах від перенесення вантажів до пошуку метеоритів та польотів на Марсі, вони досі лишаються не надто самостійними пристроями. Вони схильні до перекидання, яке робить їх недієздатними та часто вимагає допомоги людини, щоб знову злетіти. Тож дронам та літальним пристроям загалом було б корисно навчитися самостійно підводитися після падіння та злітати. Інженери вже давно займаються цим питанням, а тому у дронів періодично з'являються ніжки, виступи, гусеничні стрічки та навіть щось схоже на крила, з метою допомогти їм набути більшої самостійності у роботі. Втім, ці механізми зазвичай додають ваги і механічної складності, що значно знижує продуктивність. На відміну від сонечок, яким їхні надкрила (ті що у крапинку) тільки додають підіймальної сили під час польоту та можливість самовідновитися відразу після падіння на землю. Застрягши на спині, сонечка використовують свої надкрила, щоб стабілізувати себе, а потім штовхаються ніжками чи тими ж крилами, щоб нахилитися, перевернутися та продовжити політ.

Сонечко справляється після падіння самостійно. EPFLLIS / YouTube

Сонечко справляється після падіння самостійно. EPFLLIS / YouTube

Куди дрону чіпляти крила?

Оскільки дрони літають і без крил, то й три ступені свободи, необхідні комахам для полегшення помахів і складання, їм не потрібні. Тому вчені, моделюючи майбутні крила для дрона (їх створили просто масштабувавши структуру надкрил сонечка), полегшили конструкцію і лишили всього два. Штучні надкрила зробили з гібридного вуглецевого волокна і композитної тканини кевлара, а прикріпили за допомогою двох сервоприводів, що дозволяють відводити їх назад і нахиляти вперед на 180 градусів. Так дрон перевертається, якщо спочатку повернути крила назад, а потім нахилити їх вперед. А оскільки надкрила створюють і додаткову підіймальну силу під час польоту, вага конструкції компенсується створюваною ними силою для польоту. Але оскільки крутний момент, створюваний надкрилами на землі, безпосередньо пов'язаний з величиною прикладеної сили, довжина надкрила грає вирішальну роль у маневрі для самовідновлення. Тож і в експериментах з'ясувалося, що надкрила з великим розмахом забезпечують більш швидке самовідновлення, ніж надкрила з меншим розмахом, але без помітної різниці в аеродинамічних характеристиках. Тож немає потреби нехтувати самовідновленням після падіння заради аеродинаміки і навпаки.

Конструкція дрона / EPFL-LIS

Конструкція дрона / EPFL-LIS

Як дрон з ними впорався?

Дослідники створили й протестували штучні надкрила різної довжини (11, 14 і 17 сантиметрів), щоб визначити найбільш ефективну комбінацію для самовідновлення дрона. Експерименти показали, що, короткі крила розмахом 11 та 14 сантиметрів не дають змогу дрону самостійно випрямитися. Хоча середня довжина була на 83 відсотки більш успішною. Однак, надкрила розміром 17 сантиметрів були на 100 відсотків успішними незалежно від крутного моменту. З ними і вирішили запускати дрон на тротуар, піщаний ґрунт, дрібний пісок, каміння і траву. Так він без проблем підвівся на усіх ділянках окрім трави і дрібного піску, для яких, на думку вчених, необхідно оптимізувати конструкцію. Льотні випробування полягали в тому, щоб спочатку скинути дрон на землю так, щоб він приземлився в перевернутому положенні. При ударі надкрила поглинали посадкові навантаження і знерухомлювали дрон. Потім інженери вручну запускали функцію самовідновлення, яка за п'ять секунд запускала відхилення надкрил і перевертала дрон. Затим оператор знову вмикав мотор і дрон продовжував політ.

За словами дослідників, подібні системи, як-то карданні опори, ніжки або видовжені механізми виступу, хоч і мають аналогічну вагу, демонструють приблизно на 70 відсотків вищий опір під час польоту, при цьому ніяк не впливаючи на підіймальну силу. Залежно від необхідних аеродинамічних характеристик можна використовувати геометрію надкрила з різними рівнями опуклості або форми аеродинамічного профілю. Тим паче, що запропонована тут конструкція підійде для будь-яких дронів та навіть наземних і морських роботів, яким також потрібна здатність до самовідновлення, враховуючи, що вона не вимагає складних конструкційних матеріалів.

Дрон наслідує сонечко та самостійно перевертається. EPFLLIS / YouTube

Дрон наслідує сонечко та самостійно перевертається. EPFLLIS / YouTube

До речі це не перший дрон, якого намагаються захистити крилами. Наприклад, дрон із крилами жука-носорога, хоч і не вміє підводитися після падіння, може просто не падати після зіткнень — крила стабілізують його. А риби-їжаки надихнули інженерів на створення «подушки безпеки» для дрона, щоб захистити від ударів і його, і те, з чим він зіткнувся.