Дрон научился садиться на ветки с помощью тактильных датчиков вместо камер
Исследователи Делфтского технического университета (TU Delft) разработали дрон, который способен находить и захватывать ветки с помощью тактильных датчиков, не полагаясь исключительно на камеры. При приближении к ветке дрон физически контактирует с ней и по сигналам датчиков определяет своё положение относительно поверхности. Это позволяет ему корректировать траекторию и ориентацию непосредственно во время захвата.
После того как дрон надёжно закрепляется на ветке, он может выключить двигатели и оставаться на месте. Такой подход снижает уровень шума и позволяет экономить заряд аккумулятора.
Технология может оказаться особенно полезной для небольших беспилотников, работающих в сложной среде, например в лесах, где ветви и другие препятствия затрудняют поиск подходящего места для посадки с помощью одной только системы компьютерного зрения.
Дрон, который «чувствует» ветку
Вместо того чтобы точно определять положение ветки с помощью камеры, разработанная система начинает с приблизительной оценки её расположения, а затем уточняет положение беспилотника непосредственно по результатам физического контакта.
Основным элементом системы стала лёгкая трёхпалая роботизированная кисть. Она одновременно обеспечивает механический захват и собирает информацию о контакте с поверхностью.
Каждый палец состоит из трёх округлых фаланг, соединённых вращательными шарнирами, что делает конструкцию похожей на человеческий палец. В шарнирах установлены торсионные пружины. Они обеспечивают пассивную упругость и возвращают пальцы в закрытое положение, благодаря чему для удержания ветки требуется меньше активного управления и энергии.
Пальцы изготовлены из сочетания жёстких и мягких материалов. Несущие части фаланг напечатаны на 3D-принтере из PLA-пластика, а контактные поверхности выполнены из мягкого силикона. Это позволяет одновременно обеспечить необходимую прочность, сцепление и способность адаптироваться к форме ветки.
В силиконовые элементы встроены ёмкостные датчики, расположенные в разных частях фаланг. Поэтому система может определять контакт сразу в нескольких точках, а не получать информацию только от одного сенсора.
Датчики используют медную фольгу, расположенную под силиконовой поверхностью. При соприкосновении сенсорной фаланги с проводящим объектом изменяется электрическая ёмкость. Контроллер MPR121 регистрирует эти изменения и преобразует их в сигналы о наличии или отсутствии контакта.
Тактильные датчики помогают найти ветку
Получаемая информация используется в замкнутой системе управления полётом. Дрон не просто летит к заранее заданной точке, а активно исследует область вокруг предполагаемого положения ветки.
Во время поиска он выполняет траекторию в форме синусоидальной восьмёрки, одновременно раскрывая и закрывая пальцы роботизированной кисти. Движение постепенно смещается по вертикали, благодаря чему система исследует больший объём пространства вокруг предполагаемой ветки.
Как только один из пальцев касается ветки, алгоритм меняет режим работы. Получив первые тактильные данные, система определяет положение дрона относительно ветки и начинает корректировать его координаты и ориентацию.
При этом датчики продолжают отслеживать контакты между пальцами и поверхностью. Это позволяет дрону постепенно занять правильное положение для надёжного захвата.
Алгоритм управления разделён на несколько последовательных состояний: взлёт, поиск, обнаружение контакта, сближение, позиционирование, поворот, завершение захвата, закрепление на ветке и прерывание манёвра.
Такой принцип позволяет беспилотнику реагировать на реальные физические контакты, а не выполнять заранее запрограммированное движение независимо от того, что происходит с веткой и самим дроном.
Особое значение имеет возможность определить, достаточно ли устойчив захват. Дрон завершает манёвр только после получения подходящей комбинации сигналов от датчиков. Если захват оказывается неудачным, беспилотник может отойти от ветки, вернуться в безопасное положение зависания и повторить попытку.
После посадки двигатели можно выключить
Разработанная система учитывает главное ограничение небольших беспилотников — ограниченный запас энергии. Дополнительные механизмы увеличивают массу аппарата, а постоянная работа двигателей быстро расходует заряд аккумулятора.
Поэтому исследователи использовали лёгкие материалы, пассивные механические элементы и малопотребляющие тактильные датчики. Пружины помогают удерживать пальцы в нужном положении без постоянной работы приводов.
После того как система подтверждает надёжность захвата, двигатели дрона можно полностью выключить. Беспилотник остаётся закреплённым на ветке и не расходует энергию на поддержание полёта.
Таким образом, тактильные датчики используются не просто для обнаружения столкновения. Они становятся полноценным источником информации, который помогает дрону находить ветку, корректировать своё положение, ориентироваться относительно неё и управлять захватом.
В будущем такой подход может позволить небольшим беспилотникам дольше работать в лесах и других сложных условиях, периодически закрепляясь на ветвях и других поверхностях для экономии энергии и снижения шума.