Инженеры создали дрон, который как мотылек летит на свет
Исследователи из Университета Цинциннати разработали дрон с машущими крыльями, который может находить и зависать в воздухе вокруг движущегося источника света, подобно мотыльку, летящему на свет. Проект, возглавляемый доцентом Колледжа инженерии и прикладных наук Университета Цинциннати Самехом Эйсой, может открыть путь к созданию небольших и эффективных дронов для скрытого наблюдения.
Эйса и его студенты аэрокосмического инжиниринга утверждают, что секрет заключается в подражании полету насекомых. Причиной интереса к такому дизайну является размер. Это более оптимальная конструкция, и таким маленьким роботам пришлось бы летать, как мотыльку. Мотыльки и другие парящие насекомые способны удерживать свою позицию в воздухе или даже летать назад. Они инстинктивно с высокой точностью подстраиваются под ветер и препятствия.
Дрон Эйсы делает то же самое, постоянно внося тонкие корректировки, чтобы сохранять дистанцию и ориентацию относительно света, даже когда этот источник света перемещается. Лаборатория Эйсы, «Лаборатория моделирования, динамики и управления», фокусируется на инженерии, вдохновленной природой. В более ранних исследованиях его команда изучала дроны, которые могли бы использовать динамическое парение, как альбатросы, для эффективного полета на большие расстояния.
Новый дрон, похожий на мотылька, черпает вдохновение в маневренном зависании насекомых, которое Эйса и аспирант Ахмед Эльгохари описывают с помощью математической структуры, известной как экстремальное управление с обратной связью. В своем исследовании ученые предполагают, что парящие насекомые используют аналогичные природные системы обратной связи. Проведенное моделирование показывает, что экстремальное управление может естественным образом воспроизводить стабильное поведение при зависании, наблюдаемое у насекомых, без использования искусственного интеллекта или сложных моделей. Эта система полагается на простой принцип обратной связи, свободный от моделей и работающий в реальном времени, что может объяснить, как маленькие существа летают так проворно, обладая ограниченными умственными способностями.
В отличие от традиционных дронов, которые зависят от GPS или искусственного интеллекта, этот машущий дрон корректирует свой полет в реальном времени, постоянно измеряя свою производительность. Система оптимизирует движение к цели, в данном случае к свету, посредством непрерывной обратной связи. Каждое крыло машет независимо для управления креном, тангажом и рысканием. Для невооруженного глаза быстрые взмахи крыльев выглядят как размытие, подобно крыльям колибри. Контур обратной связи дрона позволяет ему устойчиво зависать, даже воспроизводя легкое покачивание, наблюдаемое у мотыльков, шмелей, стрекоз, журчалок, коморов-долгоножек и колибри.
Эльгохари и аспирант Университета Цинциннати Рохан Палиникамар продемонстрировали дрон в летной лаборатории Эйсы, представляющей собой загороженное сеткой пространство, которое защищает как машину, так и операторов. Четырехкрылый дрон, сделанный из проволоки и ткани, может взлетать и удерживать позицию, используя систему экстремального управления. Ручное управление, по словам Эльгохари, значительно сложнее и менее стабильно. Покачивание, наблюдаемое во время полета, не является недостатком; это часть процесса. Эти небольшие колебания помогают дрону оценивать производительность и вносить микро-корректировки для обеспечения стабильности и направления.
Парящие насекомые, такие как бражник, двигают крыльями по траектории, напоминающей восьмерку, создавая подъемную силу при обоих взмахах. Их гибкие крылья деформируются с каждым ударом, обеспечивая им исключительный контроль и маневренность — принцип, который инженеры Университета Цинциннати теперь переводят в роботизированный дизайн. Эйса считает, что последствия выходят за рамки дронов. Это может изменить многое в биофизике. Если окажется, что парящие насекомые, подобные мотылькам, используют эквивалент нашей экстремальной обратной связи, то, вероятно, она эволюционировала и у других существ. Изучая самых маленьких летунов в природе, исследователи из Университета Цинциннати раскрывают, как точность и стабильность возникают из простоты, открывая уроки, которые могут преобразовать как технологию дронов, так и понимание самого полета.
Исследование опубликовано в журнале .