Дрон выдерживает столкновения на 5 м/с без повреждений: пиковое ускорение всего 25.2 g

Дрон выдерживает столкновения на 5 м/с без повреждений: пиковое ускорение всего 25.2 g

Птицы и насекомые используют мягкие крылья для маневров, протискивания через узкие проходы и выдерживания столкновений. Обычные квадрокоптеры с жесткими рамами способны на агрессивные маневры, но уязвимы при столкновениях и не могут менять размер.

Исследователи из ETH Zürich создали FlexiQuad — квадрокоптер с мягкой рамой, вдохновленный биологическими системами. Конструкция использует два ключевых принципа: анизотропную жесткость (разная гибкость в разных направлениях) и распределенную массу энергии. Прототип массой 405 грамм в тысячу раз более гибкий, чем обычные квадрокоптеры, но способен на акробатические маневры со скоростью выше 80 км/ч.

FlexiQuad: биоинспирированный мягкий квадрокоптер с анизотропной жесткостью, демонстрирующий номинальную и деформированную конфигурации
FlexiQuad: биоинспирированный класс мягких квадрокоптеров. a, Крылья природных летунов сочетают жесткие и мягкие материалы, что приводит к структурам, на порядки более гибким, чем рамы традиционных квадрокоптеров. b, Внедрение мягких материалов в существующую морфологию рамы квадрокоптера приводит к ограниченной жесткости вне плоскости, вызывая чрезмерные изгибные деформации, которые в конечном счете снижают эффективность и маневренность. c, Вид в перспективе и сверху модели FlexiQuad в ее номинальной и полностью деформированной конфигурациях, с указанием ее радиуса (R), ширины полос рамы (w), массы (M), жесткости (k) и приводных блоков (AUs). Его гибкость позволяет полностью сжать его хрупким грифелем карандаша. d, Несмотря на высокую податливость, FlexiQuad сохраняет достаточную жесткость и благодаря своей анизотропной жесткости и децентрализации масс под роторами.

FlexiQuad состоит из тонкостенной мягкой кольцевой рамы из стекловолокна без центрального корпуса. Батареи, двигатели и управление распределены по окружности рамы в четырех блоках. Рама обеспечивает низкое сопротивление сжатию в плоскости, но примерно в 2.2 раза жестче против изгибающих нагрузок, направленных вдоль тяги винтов. Эта анизотропия позволяет дрону легко уменьшать горизонтальный размер для прохода через узкие отверстия и поглощать кинетическую энергию при столкновениях.

Прототип выдержал лобовые столкновения на скорости 5 м/с без повреждений, при этом пиковое ускорение составило всего 25.2 g. При скользящих столкновениях FlexiQuad уменьшает пиковые нагрузки в 39 раз, а дестабилизирующие моменты — в 15 раз по сравнению с жесткими дронами. Рама может полностью сжиматься, позволяя пролетать через щели шириной 70% от номинального размера дрона (180 мм против 254 мм). Активное сжатие осуществляется с помощью одного сервомотора массой 9 грамм и системы шкивов со струной.

Анализ показал, что FlexiQuad может воспроизводить ускорения жестких аналогов при соотношении тяги к весу до 8. Оптимальный диапазон жесткости конструкции составляет от 0.006 до 0.77 Н/мм — сравнимо с крыльями птиц и насекомых. В этом диапазоне модели FlexiQuad массой от 20 до 3000 грамм одновременно достигают маневренности, способности к сжатию и устойчивости к столкновениям. FlexiQuad расширяет возможности зависающих дронов в сложных условиях, обеспечивая надежные физические взаимодействия без ущерба для летных характеристик.

Источник новости и обложки: arxiv.org


Главред proglib.io. Опубликовал более 800 статей и создал популярные рассылки о нейросетях и разработке. Помимо редактуры пишу Python.

Аватар пользователя Мирослав Кунгуров