Исследователи из Чжэцзянского университета впервые создали автономную систему навигации для квадрокоптеров, способную продолжать полет даже при полном отказе одного из четырех роторов. Система работает в неизвестной местности без GPS, обеспечивая обнаружение поломки за 0.02 секунды и автоматическое планирование траектории с учетом изменившихся возможностей дрона.
Главная проблема заключается в том, что при отказе ротора квадрокоптер начинает неконтролируемо вращаться со скоростью до 11 радиан в секунду из-за дисбаланса крутящего момента. Это создает сильную вибрацию и размытие изображения с камер, делая навигацию практически невозможной. Инженеры решили эту проблему, установив 360-градусный LiDAR Livox MID-360 и специальные антиторковые пластины размером 35×77 мм на шасси дрона.
Система включает композитный алгоритм обнаружения неисправностей, который различает два типа поломок: остановку мотора (определяется за 0.028 секунды по показаниям RPM) и повреждение пропеллера (диагностируется за 0.184 секунды через анализ тяги). Для управления используется нелинейный предиктивный контроллер (NMPC), работающий на частоте 200 Гц на процессоре NVIDIA Jetson Orin NX.
В экспериментах квадрокоптер весом 1150 граммов успешно пролетал через густой лес с минимальной шириной прохода менее 1 метра, поддерживая скорость 0.8 м/с. Погрешность следования по траектории составила всего 0.09 мм даже при вращении со скоростью 12.6 рад/с. Интересно, что после отказа ротора доступная тяга снижается вдвое — с четырех моторов до двух работающих, поскольку противоположный неисправному мотор также приходится ограничивать для поддержания баланса.
Разработка открывает новые возможности для автономных дронов в критически важных миссиях — от спасательных операций до исследования пещер, где отказ оборудования не должен приводить к потере аппарата. Правда, система пока не справляется с одновременным отказом двух роторов, что станет следующим вызовом для исследователей.
Источник новости и обложки: arxiv.org