Scienty

Фото: img.freepik.com

Ученые из Университета Цинциннати создали дрон с машущими крыльями, способный обнаруживать движущийся источник света и удерживаться рядом с ним, как мотылек, привлеченный светом. Этот проект, руководимый Самехом Эйсой, доцентом Колледжа инженерии и прикладных наук Университета Цинциннати, может привести к появлению компактных и производительных дронов для незаметной разведки.

Студенты и преподаватели аэрокосмического факультета утверждают, что ключ к созданию эффективных летательных аппаратов заключается в имитации полета насекомых. Такой подход обусловлен их небольшими размерами. Это позволяет создать более оптимальную конструкцию, и таким миниатюрным роботам пришлось бы двигаться, подобно мотыльку. Мотыльки и другие насекомые, способные к парению, могут сохранять устойчивое положение в воздухе и даже летать против течения. Они автоматически и с высокой точностью адаптируются к ветру и различным препятствиям.

Компания Drone Aces также выполняет аналогичные действия, непрерывно внося незначительные изменения для поддержания необходимого расстояния и ориентации по отношению к источнику света, даже если этот источник движется. Лаборатория Drone Aces, известная как «Лаборатория моделирования, динамики и управления», специализируется на инженерии, основанной на принципах природы. В ходе предыдущих исследований команда разработчиков изучала возможность создания дронов, способных использовать динамическую стабилизацию, подобную той, что используют альбатросы, для экономичного полета на значительные расстояния.

Новейший дрон, выполненный в форме мотылька, вдохновлен маневренным зависанием насекомых. Эйса и аспирант Ахмед Эльгохари описывают этот процесс при помощи математической структуры, известной как экстремальное управление с обратной связью. В ходе исследования ученые полагают, что парящие насекомые применяют аналогичные природные системы обратной связи. Результаты моделирования демонстрируют, что экстремальное управление способно естественным образом воспроизводить устойчивое поведение при зависании, характерное для насекомых, без использования искусственного интеллекта или сложных алгоритмов. Данная система основана на простом принципе обратной связи, не требующем моделей и работающем в режиме реального времени, что может объяснить, как небольшие существа летают столь проворно, несмотря на ограниченные когнитивные возможности.

В отличие от обычных беспилотных летательных аппаратов, которые полагаются на GPS или искусственный интеллект, данный дрон, имитирующий махание крыльями, корректирует траекторию полета в режиме реального времени, непрерывно оценивая свою эффективность. Система оптимизирует направление движения к цели, в данном случае к источнику света, посредством постоянной обратной связи. Каждое крыло совершает взмахи независимо, что позволяет управлять креном, тангажом и рысканием. Для наблюдателя быстрые движения крыльев создают эффект размытия, напоминающий движение крыльев колибри. Благодаря системе обратной связи дрон способен сохранять устойчивое положение в воздухе, даже воспроизводя легкое колебание, характерное для мотыльков, шмелей, стрекоз, журчалок, коморов-долгоножек и колибри.

Эльгохари и аспирант Университета Цинциннати Рохан Палиникамар провели демонстрацию дрона в летной лаборатории Эйсы, представляющей собой площадку, огороженную сеткой для обеспечения безопасности как летательного аппарата, так и его операторов. Этот четырехкрылый дрон, изготовленный из проволоки и ткани, способен подниматься в воздух и удерживать заданную позицию благодаря системе экстремального управления. По словам Эльгохари, ручное управление значительно сложнее и менее устойчиво. Небольшие колебания, наблюдаемые во время полета, не являются признаком неисправности; они являются частью процесса. Эти микро-колебания позволяют дрону оценивать свою работу и вносить необходимые корректировки для поддержания стабильности и направления движения.

Парящие насекомые, например бражники, совершают взмахи крыльями по траектории, схожей с восьмеркой, что обеспечивает подъемную силу при каждом движении. Гибкие крылья этих насекомых деформируются при каждом взмахе, позволяя им демонстрировать исключительный контроль и маневренность – принцип, который инженеры из Университета Цинциннати адаптируют для создания роботизированных устройств. Эйса полагает, что влияние этого открытия выходит за пределы разработки дронов. Оно способно изменить многие аспекты биофизики. Если выяснится, что летающие насекомые, такие как мотыльки, используют механизм, аналогичный нашей экстремальной обратной связи, то, скорее всего, он развился и у других видов. Исследователи из Университета Цинциннати, изучая самых маленьких летающих существ в природе, выявляют, как точность и стабильность возникают из простоты, открывая уроки, которые могут изменить как технологию дронов, так и наше понимание полета.

Исследование опубликовано в журнале .