Специалисты из Делфтского технического университета (TU Delft) представили разработку – дрон, оснащённый системой поиска и удержания веток посредством тактильных сенсоров, что позволяет ему обходиться без постоянного использования камер. Приближаясь к ветке, беспилотник осуществляет физический контакт с ней, а встроенные датчики анализируют сигналы, определяя положение дрона относительно поверхности. На основе этих данных корректируется траектория и ориентация во время процесса захвата.

После надежной фиксации на ветке дрон способен деактивировать двигатели, что способствует снижению уровня шума и экономии энергии аккумулятора.

Предложенная технология может оказаться особенно эффективной для компактных беспилотных аппаратов, функционирующих в условиях сложного ландшафта, например, в лесных массивах, где обилие веток и других препятствий усложняет поиск подходящей посадочной площадки с использованием только системы компьютерного зрения.

Дрон, который «чувствует» ветку

Разработанная система, отказавшись от точного определения местоположения ветки посредством камеры, начинает с предварительной оценки её расположения и впоследствии корректирует положение беспилотника на основе данных физического взаимодействия.

Ключевым компонентом разработанной системы является лёгкая роботизированная конструкция кисти с тремя пальцами. Она выполняет функции как механического захвата, так и сбора информации о контакте с поверхностью.

Конструкция каждого пальца имитирует строение человеческого, состоящего из трёх округлых фаланг, соединённых шарнирами, позволяющими вращение. В этих шарнирах размещены торсионные пружины, обеспечивающие пассивную упругость и возвращающие пальцы в исходное закрытое состояние, что снижает потребность в активном управлении и энергозатраты для фиксации ветки.

Для изготовления пальцев используется комбинация жёстких и гибких материалов: несущие элементы фаланг созданы методом 3D-печати из PLA-пластика, а поверхности, обеспечивающие контакт, выполнены из мягкого силикона. Такой подход позволяет сочетать необходимую прочность, сцепление и способность адаптироваться к форме ветки.

В структуру силиконовых элементов интегрированы ёмкостные датчики, расположенные в различных зонах фаланг. Это обеспечивает возможность определения контакта сразу в нескольких точках, а не только на основе показаний одного сенсора.

В конструкции датчиков применяется медная фольга, находящаяся под слоем силикона. При касании сенсорной фаланги к проводящему предмету происходит изменение электрической ёмкости. Контроллер MPR121 фиксирует эти изменения и трансформирует их в сигналы, указывающие на наличие или отсутствие контакта.

Тактильные датчики служат для обнаружения веток.

Собранные данные используются в системе управления полётом замкнутого типа. Дрон не просто направляется к заранее определенной координате, но и активно сканирует пространство вокруг предполагаемого местоположения ветки.

В процессе поиска он движется по траектории, напоминающей синусоидальную восьмёрку, при этом пальцы роботизированной кисти последовательно раскрываются и сгибаются. Вертикальное смещение движения позволяет системе исследовать более обширный объём пространства вокруг предполагаемой ветки.

Столкновение хотя бы одного из пальцев с веткой запускает изменение в работе алгоритма. После получения первичных тактильных ощущений система выявляет местоположение дрона по отношению к ветке и приступает к корректировке его координат и ориентации.

В то же время, сенсоры продолжают фиксировать моменты соприкосновения между пальцами и поверхностью, что обеспечивает возможность для дрона постепенно занять оптимальную позицию для надёжного захвата.

Процесс управления разбит на несколько этапов, следующих один за другим: начало полёта, поиск цели, фиксация контакта, приближение к объекту, определение точной позиции, изменение направления, завершение процесса захвата, удержание на ветке и отмена маневра.

Благодаря такому подходу беспилотник способен реагировать на фактические физические взаимодействия, а не следовать заранее заданному маршруту, игнорируя изменения в положении ветки или самого дрона.

Ключевым аспектом является оценка надёжности захвата. Беспилотный аппарат завершает маневр лишь после анализа совокупности сигналов, поступающих от различных датчиков. В случае неуспешного захвата дрон может сместиться с ветки, перейти в режим безопасной зависания и предпринять повторную попытку.

После приземления двигатели могут быть деактивированы.

Предложенная система ориентирована на преодоление основного ограничения, характерного для малогабаритных беспилотных летательных аппаратов – ограниченность энергетических ресурсов. Внедрение дополнительных механизмов приводит к увеличению веса устройства, а непрерывная работа двигателей способствует быстрой разрядке аккумуляторной батареи.

В связи с этим, специалисты применили лёгкие материалы, пассивные механические компоненты и датчики тактильного типа с низким энергопотреблением. Элементы упругости обеспечивают фиксацию пальцев в требуемом положении без необходимости постоянного функционирования приводных механизмов.

Как только система удостоверяется в надёжности фиксации, двигатели дрона можно деактивировать. В этом случае беспилотное летательное устройство остаётся зафиксированным на ветке, не потребляя энергию для удержания в воздухе.

Следовательно, тактильные сенсоры выполняют функцию не только обнаружения препятствий. Они предоставляют комплексные данные, позволяющие дрону идентифицировать ветку, корректировать своё местоположение, определять ориентацию относительно неё и осуществлять управление процессом захвата.

В перспективе подобная технология позволит малогабаритным беспилотным аппаратам дольше оставаться в лесных массивах и других сложных средах, периодически фиксируясь на ветвях и иных поверхностях для экономии электроэнергии и уменьшения уровня акустического шума.