Очень спорно, очень необычно, очень странно, но работает! На стыке архитектуры, коллаборативной робототехники и беспилотных летательных аппаратов. Представляем: Tensodrone.
Tensodrone (Тенсодрон) беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа новой конструкции с защитой от столкновений, сделанный по принципу тенсегрити. Такой подход позволяет повысить устойчивость к ударам при меньшей массе, совместив защитную клетку и конструкцию несущей рамы.
Проект является ярким примером взаимодействия различных команд Центра компетенций НТИ по направлению Технологии компонентов робототехники и мехатроники на базе Университета Иннополис.
Дроны падают
Источник
Просто потому что летают. Системы управления, моторы, датчики, автопилоты, бортовые компьютеры и софт все это разработчики стараются делать как можно надежнее, но риск разбить коптер остается. А если это опытный образец, то сразу нужно изготавливать несколько (штук или десятков?) для отладки. Кроме внутренних факторов, очевидно, остаются и внешние: ветер, пассивные препятствия, активное воздействие.
Вряд ли кто-то будет спорить, дроны падают, сталкиваются, переворачиваются.
Можно стараться этого избегать, можно к этому подготовиться. Что лучше? Решать разработчику, пользователю и законодателю.
Я за совместное применение обоих подходов. Но в этой статье сконцентрируемся на том, как избежать последствий падения или столкновения БПЛА.
Защитные конструкции
Наиболее прямолинейный подход избежать последствий падения или столкновения БПЛА защитная клетка и прочие защитные конструкции. Здесь две задачи защищать дрон от повреждений и защищать среду, где работает дрон, и людей в ней от дрона.
Базовый вариант конструкции, относящейся скорее к защите людей от дрона, защита пропеллера.
Дрон AR.Drone 2.0 с защитой пропеллеров. Источник
Есть еще забавные решения, вдохновленные оригами, со складными гибкими конструкциями защиты пропеллеров (и даже конструкции рамы), развитие которым дала группа профессора Дарио Флореано в EPFL.
Превалирующей конструкцией защиты самого дрона (а вместе с тем и людей от него) является защитная клетка. Сам квадрокоптер находится внутри клетки.
Дрон Clover от российской COEX
Российская компания COEX делает дроны для учебных целей, которые по умолчанию имеют защиту пропеллеров, а опционально защитную клетку.
Дрон Flyability ELIOS
Швейцарская (Швейцария столица дроностроения?) компания Flyability выпускает, пожалуй, самый коммерчески успешный коптер ELIOS с защитной клеткой для выполнения инспекций внутри помещений. Оригинальность конструкции состоит в креплении защитной клетки к раме коптера на подвижном подвесе с возможностью стабилизации.
Дрон Dronistics
Стартап Dronistics из EPFL (опять Швейцария, это выходцы из группы Dario Floreano) предлагает дрон со складной клеткой для безопасной доставки грузов.
Все-таки разбиваются
Недостатком таких дронов является увеличение массы конструкции нужно носить с собой защитную клетку и элементы крепления к БПЛА. Стремление снизить массу защитной конструкции приводит к снижению ее прочности.
Дроны с изменяемой геометрией
Другое направление, связанное с идеей защищенного дрона (и не только), складные дроны и дроны с изменяемой геометрией (foldable и morphing). Имеется ввиду способность дрона изменять свою геометрию в полете. Складные конструкции делают для того, чтобы избежать повреждений дрона (например, дрон может съежиться перед ударом), а также дрон может, например, сложиться до компактного размера для пролета в узкие окна.
Возможно, вы видели крутой ролик с дроном с изменяемой геометрией из Швейцарии (да-да, снова ETH + EPFL + UZH). Нам эта идея тоже интересна и близка, дальше расскажу почему.
Дрон с изменяемой геометрией
Тенсегрити
Тенсегрити-стол. Источник
Тенсегрити способность каркасных конструкций использовать взаимодействия работающих на сжатие цельных элементов с работающими на растяжение составными элементами для того, чтобы каждый элемент действовал с максимальной эффективностью и экономичностью (Вики). Термин относительно новый, появился в 1960-х годах. Стол на картинке выше стоит (или висит) не имея ножек как раз за счет принципа тенсегрити.
Известно множество современных применений такого подхода в архитектуре, откуда он и появился, прежде всего при проектировании мостов.
Самый большой в мире мост, выполненный в стиле тенсегрити, Австралия. Источник
Альтернативные применения :)
Тенсегрити в робототехнике
Одно из старейших направлений робототехники промышленные манипуляторы сейчас переживает новую стадию своего развития, связанную с т.н. коллаборативной робототехникой. В речи специалистов в этой области можно с большой частотой услышать два термина stiffness и compliance.
В промышленной робототехнике термин compliance относится к гибкости и податливости. Неподатливый (non-compliant), жесткий (stiff) робот это устройство, которое работает независимо от того, какие внешние силы на него воздействуют. Энд-эффектор робота будет каждый раз следовать точно по одной и той же траектории. С другой стороны, энд-эффектор податливого робота может двигаться по различным траекториям для выполнения задачи и прилагать различные усилия к объекту. Например, робот может схватить яйцо, не раздавив его. Управляемая жесткость лежит в основе коллаборативной робототехники.
Идеи применения тенсегрити в робототехнике идут как раз из коллаборативной и мягкой (soft) робототехники. Тенсегрити структуры легкие, ударопрочные и дают возможность контролировать их жесткость (податливость) и конфигурацию (форму).
Наиболее известным примером применения тенсегрити в робототехнике является складной наземный робот NASA Super Ball Bot, который планировали использовать для исследования поверхностей планет. Благодаря сфероподобной структуре из кабелей и тросов робот может выдержать падение с большой высоты, когда его сбрасывают на планету с космического корабля. Оказавшись на поверхности, робот может перекатываться в любом направлении за счет управления длинами стержней.
Видео IEEE Spectrum о NASA SUPERball v2
Тенсегрити-роботы в Университете Иннополис
В УИ мы разрабатываем математический аппарат для моделирования, проектирования и управления робототехническими системами с напряженно-связанными структурами с переменной жесткостью (это и есть тенсегрити). Это фундаментальная работа, применение которой можно найти в самых разных роботах, например, тенсегрити-манипуляторах или шагающих роботах.
Тенсегрити-манипулятор и научный сотрудник и аспирант УИ Олег Балахнов
Олег первым у нас начал прототипировать тенсегрити-роботов сначала из деревянных палочек и резинок. Фото конструкции из палочек для суши, пожалуй, тоже еще хранит история чатов.
Тенсегрити-виброробот
Тенсегрити-виброробот
Тенсегрити-виброробот
Синергетический эффект
Вы, наверное, уже поняли
I have a drone, I have tensegrity. Ugh! (Tensodrone)
Проходил я как-то в нашем гараже мимо привлекающей глаз странной конструкции:
Спросил: Что это такое? Мне сказали: неубиваемая конструкция роняй, а она не ломается.
Я сломал (на самом деле просто скукожил изменил форму, потому что резинки были плохо закреплены и сместились). Но такая конструкция нам для дронов нужна! И мы начали авантюрный эксперимент.
Видео с тестом тенсегрити на выживаемость
Более жесткий тест
Squishy robotics стартап, который делает тенсегрити-роботов для спасательных операций в случае стихийных бедствий, дистанционного мониторинга и космических исследований, и сбрасывает их с коптера
Squishy robotics стартап, который делает тенсегрити-роботов для спасательных операций в случае стихийных бедствий, дистанционного мониторинга и космических исследований, и сбрасывает их с коптера
Авантюра
Сергей одобряет авантюрный эксперимент. Джефф Безос тоже
Сергей Савин старший научный сотрудник, доцент, серьезный ученый с кандидатской в 25 лет и множеством рейтинговых публикаций. Он один из отцов-основателей тенсегрити-робототехники в УИ, получил несколько грантов на развитие тенсегрити в робототехнике.
Игорь обдумывает идею
Дмитрий, Олег и Хэни собирают первого тенcодрона (что-то напоминает). Дмитрий Девитт GigaFlopsis научный сотрудник и аспирант Университета и тот, кто применил самые современные технологии карбоновые трубки и кевларовые нити, 3D-печать карбоном и мягким пластиком, все реализовал и заставил летать.
Процесс работы по сборке тенсодрона
Ура. получилось!
Летает!
Еще Дмитрий первый актер после тенсодрона в эпичных роликах его полетов. Оцените:
Игра двух актеров в ролях самих себя. Video by DeluuusiOn
Подробнее про конструкцию прототипа
Конструкция первого прототипа дрона получилась такая:
Конструкция прототипа тенсодрона Университета Иннополис
Использована базовая шестистержневая конструкция тенсегрити. В отличие от квадрокоптеров с жесткой рамой у нас две пары двигателей с винтами установлены на различных балках. Также ни один из них не соединен жестко с автопилотом, который расположен на нижней балке.
Бортовая электроника и электромеханические компоненты прототипа дрона включают в себя:
- Автопилот CUAV Pixhawk v5 mini;
- Аккумулятор 3s 1400 мАч;
- Регулятор Racerstar REV35 35A BLheliS 3-6S ESC;
- Моторы Racerstar Racing Edition BR2205 2300KV;
- IMU сенсоры MPU9250.
Тросы сделаны из кевларового волокна с изготовленными на заказ пружинами. Стержни изготовлены из карбоновых трубок. Торцевые колпачки и другие мелкие детали напечатаны на 3D-принтере.
Проблемы управления
Основная проблема управления по сравнению с обычным жестким дроном вибрации, которые, во-первых, больше по амплитуде, во-вторых, разные для контроллера и различных двигателей, т.к. они установлены на различных балках (хотя это же может быть и плюсом виброразвязка).
Ранние тесты тенсодрона на подвесе: вибрации (извините за вертикальное видео)
Ранние тесты тенсодрона в полете: вибрации
Мы не одиноки
Оказывается, у нас был конкурент.
Еще в начале (почти год назад), когда мы делали прототип, мы нашли это видео от ребят из Imperial College London:
Авторы пришли к той же идее, что и мы: применение тенсегрити для дронов это интересно.
Т.к. никаких подробностей по конструкции и, тем более, прототипа представлено не было, свои работы мы продолжили.
Уже потом, когда у нас был летающий образец, мы получили отчет той же группы:
Отчет Hayden Cotgrove, Christopher Turner, Zachary Yamaoka Tensegrity Drones. Ссылка уже не работает
Во-первых, прототип у них не полетел. Во-вторых, их конструкция это жесткий дрон внутри тенсегрити-клетки, у нас же элементы дрона встроены в тенсегрити-структуру, которая тем самым является и фреймом и клеткой одновременно. Таким образом, здесь как концептуальные проблемы, так и проблемы качественной реализации.
Возвращаемся к проблемам управления и вибрации. Вот, что написано в отчете Hayden Cotgrove, Christopher Turner, Zachary Yamaoka:
Еще в начале (почти год назад), когда мы делали прототип, мы нашли это видео от ребят из Imperial College London:
Авторы пришли к той же идее, что и мы: применение тенсегрити для дронов это интересно.
Т.к. никаких подробностей по конструкции и, тем более, прототипа представлено не было, свои работы мы продолжили.
Уже потом, когда у нас был летающий образец, мы получили отчет той же группы:
Отчет Hayden Cotgrove, Christopher Turner, Zachary Yamaoka Tensegrity Drones. Ссылка уже не работает
Во-первых, прототип у них не полетел. Во-вторых, их конструкция это жесткий дрон внутри тенсегрити-клетки, у нас же элементы дрона встроены в тенсегрити-структуру, которая тем самым является и фреймом и клеткой одновременно. Таким образом, здесь как концептуальные проблемы, так и проблемы качественной реализации.
Возвращаемся к проблемам управления и вибрации. Вот, что написано в отчете Hayden Cotgrove, Christopher Turner, Zachary Yamaoka:
Results
The drone was able to hover for short periods, thus proving that it is possible for tensegrity drones to fly. However, the propellers struggled to lift the drone for a couple of reasons:
- The tensegrity structure was much heavier than the corresponding rigid structure as it made mostly from thick MDF, rather than thin carbon-fibre
- The tensegrity structure vibrated a lot as the outside structure was not stiff enough, despite the motors being held on one rigid plane
- The payload also vibrated too much, occasionally colliding the propellers
Данные проблемы мы решаем с двух сторон улучшением конструкции для уменьшения вибраций при полете и разработкой алгоритмов управления и оценивания состояния с целью подавления вибраций и более качественного управления, в том числе с учетом дополнительных данных от IMU датчиков на балках и динамической модели тенсегрити-структуры.
Падение на пол с последующим взлетом, в помещении (без монтажа)
Еще несколько видео испытаний
Вот еще несколько видео наших испытаний,
когда вибрации уже на приемлемом уровне, для заинтересованных.
Поместил в спойлер, т.к. уж очень их много.
Падение на ступеньки (и все ок)
Тест автоматического полета по миссии на улице
Демо полета в помещении с ударом об стену
Падение на ступеньки (и все ок)
Тест автоматического полета по миссии на улице
Демо полета в помещении с ударом об стену
Что дальше?
Ресерч
Впереди еще много интересного:
Применение
Сейчас эта штука летает сама по заданной миссии (в том числе по GPS на улице, а в помещении будем использовать визуальную одометрию). Для нас очевидно дальнейшее применение для инспекции помещений.
За исключением управления низкого уровня и формы, тенсодрон это обычный дрон, мы интегрируем в него наши алгоритмы планирования движения для автономного обследования и картографирования помещений (exploration) с обходом препятствий.
Пример выполнения автоматической инспекции. Магистерский проект Виктора (Victor Massague), нашего выпускника и в ближайшем будущем, надеюсь, сотрудника из Барселоны
И снова ресерч
Потенциал конструкции тенсегрити-дрона гораздо больше простого дрона.
Помните Foldable Drone из видео выше? А SUPERball?
Так вот, если активно изменять длины стержней или натяжения тросов тенсегрити-дрона, можно управлять его конфигурацией (или, проще говоря, формой)!
Получается Foldable Morphing Tensodrone. Активно ведем исследования в этой области.
Тенсодрон с изменяемой в полете геометрией Университета Иннополис (концепт)
Применение тенсегрити для летательного аппарата открывает новые исследовательские задачи. Прототип конструкции уже сейчас показывает, что идея работает и её можно применять для защиты БПЛА.