В Германии создан дрон Floaty использующий восходящие потоки воздуха вместо пропеллеров
В Германии разработан и протестирован новый тип летающего робота Floaty, который способен использовать восходящие воздушные потоки для зависания в воздухе с энергопотреблением примерно на 90% ниже, чем у традиционных многороторных дронов. По данным исследователей, эта технология может стать основой нового класса более энергоэффективной и устойчивой воздушной робототехники, в которой управление полётом основано не на постоянной работе двигателей, а на взаимодействии с атмосферными потоками.
Проект был создан учёными из Института интеллектуальных систем Макса Планка в Тюбингене и Университета Штутгарта. Разработка получила название Floaty и представляет собой летающего робота с изменяемой геометрией, способного адаптировать свою форму в реальном времени для управления движением в воздухе.
Основной принцип работы устройства существенно отличается от классических беспилотников. Вместо создания подъёмной силы с помощью воздушных винтов Floaty использует восходящие воздушные потоки и регулирует своё положение за счёт изменения аэродинамических характеристик корпуса. В верхней части устройства расположены четыре независимо управляемые подвижные аэродинамические поверхности, которые изменяют распределение воздушного потока вокруг корпуса. За счёт этого робот способен управлять смещением, устойчивостью и зависанием без использования тяговых двигателей.
Разработчики отмечают, что проблема энергопотребления традиционных дронов давно остаётся ключевым ограничением в их развитии. Многороторные системы, такие как квадрокоптеры, обеспечивают высокую манёвренность и возможность зависания, однако требуют значительных затрат энергии из-за постоянной работы пропеллеров. В то же время самолётные схемы обладают высокой эффективностью в горизонтальном полёте, но не способны к зависанию и требуют дополнительной инфраструктуры для взлёта и посадки. В этом контексте Floaty предлагает альтернативный подход, основанный на использовании естественных потоков воздуха.
Учёные сравнивают принцип работы системы с природными механизмами, используемыми птицами. Хищные птицы, такие как пустельга, способны зависать в воздухе, используя восходящие потоки и изменяя геометрию крыльев без значительных энергетических затрат. По словам одного из авторов исследования Гхадир Элмкайель из группы обучения и динамических систем MPI-IS, робот демонстрирует аналогичный принцип: он использует воздушные потоки как ресурс, а не как препятствие, и позволяет выполнять управляемое зависание с минимальными энергозатратами.
На ранних этапах разработки инженеры столкнулись с проблемой устойчивости конструкции. Первоначальная плоская форма робота приводила к его опрокидыванию в боковых потоках воздуха. Для решения этой проблемы исследователи изменили конструкцию, снизив центр тяжести устройства, что обеспечило эффект самовосстановления положения, аналогичный поведению маятника. Дополнительно были переработаны закрылки: в них добавили точный изгиб, который улучшил пассивную аэродинамическую устойчивость.
После внесённых изменений Floaty стал способен сохранять устойчивое положение в вертикальных воздушных потоках и автоматически компенсировать отклонения без активного вмешательства системы управления. При этом активная система управления, основанная на экспериментально полученной аэродинамической модели, позволяет роботу выполнять зависание, манёвры и восстанавливать равновесие после внешних воздействий, включая порывы ветра. В ходе испытаний при скорости воздушного потока до 10 метров в секунду устройство сохраняло управляемое зависание и успешно компенсировало возмущения.
Отдельно отмечается крайне низкое энергопотребление системы, которое составляет около 10 ватт на килограмм массы, что примерно на порядок ниже показателей аналогичных систем с тяговыми двигателями. Это делает Floaty потенциально значительно более энергоэффективным решением для задач длительного наблюдения и работы в условиях ограниченного энергоснабжения.
Исследователи также рассматривают возможные области применения технологии. Среди них — инспекция промышленных объектов, включая внутренние пространства дымовых труб, где постоянно присутствуют устойчивые восходящие потоки воздуха. Подобные условия могут быть использованы для безопасного и длительного мониторинга без необходимости использования традиционных дронов. Также рассматриваются перспективы применения в управлении метеорологическими аппаратами и более спекулятивные сценарии, включая контроль аэродинамики при входе космических аппаратов в атмосферу, где изменение формы может помочь стабилизации траектории.
По словам руководителя группы Майкла Мюлебаха, ключевая идея проекта заключается в переходе к новой парадигме воздушной робототехники, в которой ветер рассматривается не как препятствие, а как основной ресурс для движения и энергоэффективного полёта.
Работа в журнале npj Robotics.