Надкрылья улучшили аэродинамику дрона и перевернули его после падения

Пока дроны демонстрируют чрезвычайный потенциал в различных сферах от переноса грузов к поиску метеоритов и полетов на Марсе, они до сих пор остаются не слишком самостоятельными устройствами. Они склонны к опрокидыванию, которое делает их недееспособными и часто требует помощи человека, чтобы снова взлететь. Поэтому дронам и летательным устройствам вообще было бы полезно научиться самостоятельно подниматься после падения и взлетать. Инженеры уже давно занимаются этим вопросом, а потому в беспилотников периодически появляются ножки, выступления, гусеничные ленты и даже что-то похожее на крылья, с целью помочь им приобрести большей самостоятельности в работе. Впрочем, эти механизмы обычно добавляют веса и механической сложности, что значительно снижает производительность. В отличие от божьих коровок, которым их надкрылья (те что в крапинку) только добавляют подъемной силы при полете и возможность самовосстановиться сразу после падения на землю. Застряв на спине, солнышка используют свои надкрылья, чтобы стабилизировать себя, а потом толкаются ножками или теми же крыльями, чтобы наклониться, перевернуться и продолжить полет.

Поскольку дроны летают и без крыльев, то и три степени свободы, необходимые насекомым для облегчения взмахов и сборки, им не нужны. Поэтому ученые, моделируя будущие крылья для дрона (их создали по масштабу структуры надкрыльев солнышка), и облегчили конструкцию. Искусственные надкрылья сделали из гибридного углеродного волокна и композитной ткани кевлара, и прикрепили с помощью двух сервоприводов, позволяющих отводить их назад и наклонять вперед на 180 градусов. Так дрон переворачивается, если сначала вернуть крылья назад, а затем наклонить их вперед. А поскольку надкрылья создают и дополнительную подъемную силу во время полета, вес конструкции компенсируется создаваемой ими силой для полета. Но поскольку крутящий момент, создаваемый надкрыльями на земле, непосредственно связан с величиной приложенной силы, длина надкрылья играет решающую роль в маневре для самовосстановления. Поэтому и в экспериментах выяснилось, что надкрылья с большим размахом обеспечивают более быстрое самовосстановление, чем надкрылья с меньшим размахом, но без заметной разницы в аэродинамических характеристиках. И нет необходимости пренебрегать самообновлением после падения ради аэродинамики и наоборот.

Исследователи создали и протестировали искусственные надкрылья различной длины (11, 14 и 17 сантиметров), чтобы определить наиболее эффективную комбинацию для самовосстановления дрона. Эксперименты показали, что, короткие крылья размахом 11 и 14 сантиметров не позволяют дрона самостоятельно выпрямиться. Хотя средняя длина была на 83% более успешной. Однако, надкрылья размером 17 сантиметров были на 100% успешными независимо от крутящего момента. С ними и решили запускать дрон на тротуар, песчаный грунт, мелкий песок, камни и траву. Так он без проблем поднялся на всех участках кроме травы и мелкого песка, для которых, по мнению ученых, необходимо оптимизировать конструкцию. Летные испытания заключались в том, чтобы сначала сбросить дрон на землю так, чтобы он приземлился в перевернутом положении. При ударе надкрылья поглощали посадочные нагрузки и останавливали дрон. Затем инженеры вручную запускали функцию самовосстановления, которая за пять секунд запускала отклонения надкрыльев и переворачивала дрон. Затем оператор снова включал мотор и дрон продолжал полет.

По словам исследователей, подобные системы, как-то карданные опоры, ножки или удлиненные механизмы выступления, хотя и имеют аналогичный вес, демонстрируют примерно на 7% выше сопротивление во время полета, при этом никак не влияя на подъемную силу. В зависимости от требуемых аэродинамических характеристик можно использовать геометрию надкрылья с различными уровнями выпуклости или формы аэродинамического профиля. Тем более, что предложенная здесь конструкция подойдет для любых дронов и даже наземных и морских роботов, которым также требуется способность к самовосстановлению, учитывая, что она не требует сложных конструкционных материалов.

Кстати это не первый дрон, которого пытаются защитить крыльями. Например, дрон с крыльями жука-носорога, хоть и не умеет подниматься после падения, может просто не падать после столкновений — крылья стабилизируют его. А рыбы-ежи вдохновили инженеров на создание «подушки безопасности» для дрона, чтобы защитить от ударов и его, и то, с чем он столкнулся.

Перевод материала nauka.ua