Инженеры из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработали необычный квадрокоптер, способный деформироваться при столкновении с препятствиями и продолжать полёт. Несмотря на гибкую конструкцию, аппарат разгоняется до 80 км/ч и сохраняет манёвренность обычных жёстких дронов.
Одна из главных проблем современных беспилотников — уязвимость при столкновениях. Даже незначительный контакт с деревом, стеной или другим препятствием может повредить пропеллеры, раму или электронные компоненты. Особенно остро эта проблема проявляется при работе в тесных помещениях, густой растительности и других сложных условиях.
Исследователи ETH Zurich предложили необычное решение: вместо того чтобы делать корпус максимально жёстким, они разработали конструкцию, которая способна изгибаться и поглощать энергию удара.
Новый беспилотник получил название FlexiQuad.
Как устроен гибкий дрон?
В отличие от традиционных квадрокоптеров с четырьмя жёсткими лучами, соединёнными с центральным корпусом, FlexiQuad имеет кольцеобразную раму. В её структуру интегрированы четыре ротора, аккумуляторы и модуль управления полётом.
Главная особенность конструкции заключается в сочетании гибкости и жёсткости в разных направлениях. При боковом столкновении рама может деформироваться, поглощая часть энергии удара. При этом в вертикальном направлении она сохраняет достаточную жёсткость, необходимую для эффективной работы двигателей и поддержания устойчивости.
Вдохновение для такого решения инженеры черпали у птиц и насекомых. Их крылья способны изгибаться под воздействием внешних сил, сохраняя при этом необходимую структурную устойчивость.
Результат оказался весьма интересным: FlexiQuad может менять форму при контакте с препятствием, но при этом не теряет способности выполнять манёвры и развивать высокую скорость.
Испытания: до 80 км/ч и столкновения на скорости 25 км/ч
Несмотря на необычную конструкцию, гибкий беспилотник демонстрирует характеристики, сопоставимые с традиционными квадрокоптерами.
Максимальная скорость FlexiQuad достигает 80 км/ч. Во время испытаний исследователи также проверяли способность аппарата выдерживать столкновения с препятствиями на скорости около 25 км/ч.
При ударе рама временно деформировалась, снижая нагрузку на конструкцию и установленные компоненты. После этого дрон мог продолжать полёт.
Более того, гибкая рама оказалась полезна не только для защиты от столкновений. Аппарат способен захватывать и переносить предметы. Во время демонстрации он поднял мягкую аптечку, перенёс её и аккуратно опустил в другом месте. Исследователям также удалось продемонстрировать подъём груза, масса которого превышала собственный вес беспилотника.
Где пригодится такая технология?
Способность переносить физические контакты с окружающими объектами открывает перед FlexiQuad несколько перспективных направлений применения.
В первую очередь речь идёт об обследовании труднодоступных пространств: например, балластных цистерн кораблей, густых лесных массивов и других мест, где обычным беспилотникам приходится постоянно маневрировать между препятствиями.
Ещё одна потенциальная область — поисково-спасательные операции внутри частично разрушенных зданий. Гибкая конструкция позволит аппарату лучше переносить случайные столкновения с элементами окружающих конструкций.
Инженеры также рассматривают возможность установки специальной сетки внутри кольцеобразной рамы. Это позволило бы использовать беспилотник для захвата других дронов.
Компактность и доступность конструкции
Разработчики предусмотрели и практические аспекты эксплуатации. FlexiQuad имеет модульную конструкцию, упрощающую транспортировку и сборку.
Раму можно раскрыть и сложить, уменьшив габариты аппарата настолько, чтобы он помещался в обычный чемодан среднего размера. В перспективе быстросъёмные крепления и аккумуляторы с системой быстрой установки позволят собирать беспилотник непосредственно на месте выполнения задачи.
Примечательно, что материалы для изготовления самой рамы обходятся менее чем в 15 швейцарских франков. Это создаёт предпосылки для дальнейшего снижения стоимости конструкции.
Главная проблема — автономность после столкновения
Впрочем, у технологии остаётся одна существенная проблема. Гибкая конструкция после удара может продолжать вибрировать, из-за чего изображение с камеры становится менее чётким, а навигационные системы получают дополнительные помехи.
Чтобы решить эту задачу, исследователи применяют обучение с подкреплением — метод машинного обучения, при котором система учится выбирать действия на основе обратной связи от окружающей среды.
Алгоритмы должны научить беспилотник самостоятельно стабилизироваться после столкновения, используя данные встроенных датчиков движения, а затем возвращаться к автономному выполнению полётного задания.
Кроме того, учёные изучают возможность использовать информацию о деформациях и вибрациях рамы непосредственно для управления полётом.
Таким образом, FlexiQuad представляет собой интересный пример того, как нестандартный подход к проектированию может изменить возможности беспилотной техники. Вместо того чтобы пытаться полностью исключить столкновения, инженеры создали аппарат, способный переносить их последствия и продолжать работу. Если исследователям удастся решить проблемы автономной навигации, подобные дроны могут найти применение там, где обычные квадрокоптеры пока слишком уязвимы.
