Инженеры EPFL представили робота HERMES, который интегрирует пассивное движение от ветра с активным управлением. В гибридном режиме система снижает потребление энергии на 48% и сокращает время прохождения маршрута на 37% по сравнению с полностью активным контролем. Конструкция способна переносить полезную нагрузку, превышающую собственную массу в 3.5 раза при ветре 4 м/с.
Пассивные системы часто останавливаются из-за случайности ветра и препятствий, в то время как активные роботы расходуют много энергии. Хотя гибриды дрон-ровер существуют, ни один из них ранее не был способен к пассивному перемещению. HERMES решает эту проблему, активируя двигатели только для выхода из стагнации или преодоления барьеров.
Рис.1: Графическая аннотация HERMES (Гибридный энергоэффективный механизм передвижения для исследовательских систем) — гибридного марсохода с навигацией по принципу перекати-поле. A: Предполагаемое использование HERMES с пассивным перекатыванием и активным маневрированием для избегания препятствий; и передача пространственно-временных данных в реальном времени через mesh-сеть. B: Динамика потока вокруг естественного перекати-поле в прямом и перевернутом состоянии, выявляющая новые принципы создания аэродинамического сопротивления, которые впоследствии были применены к биовдохновленной сфере. C: Оснащенная датчиками биовдохновленная сфера со встроенным GPS, микроконтроллером, аккумулятором и датчиками окружающей среды, со вставкой, показывающей изготовленный прототип. D, E: Картирование траектории с использованием данных GPS и наложения тепловых карт показаний датчиков вдоль пути. F, G: Встроенный квадрокоптер для активного управления. H: Активное перемещение по поверхности для прохождения лабиринта в лабораторном масштабе. I: Полевые испытания, демонстрирующие варианты преодоления препятствий — обход небольших преград путем перемещения по поверхности или более высоких препятствий путем перелета.Рисунок 2: Аэродинамическая характеристика перекати-поля. A: Масса и средняя округлость шести образцов перекати-поля (A–F). B: Зависящие от ориентации пороговые скорости ветра для различных образцов. C, F: 3D CFD-моделирование, показывающее величину скорости и линии тока для вертикальной (0°) и перевернутой (180°) ориентации перекати-поля в одинаковых ветровых условиях. D, G: 2D-CFD центрального поперечного сечения, показывающее расхождение потока и структуру следа; вертикальная ориентация создает след с большим углом, а перевернутая конфигурация генерирует двухдолевые зоны отрыва с более сильным низким давлением. E, H: Визуализация дымом в аэродинамической трубе, подтверждающая предсказанный моделированием отрыв потока. I: Измерения силы лобового сопротивления в зависимости от скорости ветра (n=3). J: Отношение давления к поверхностному сопротивлению на основе CFD, подтверждающее доминирование давления формы. K: Анализ оптической пористости, показывающий вертикальный градиент пористости. L, M: 2D-CFD пористых кругов, имитирующих градиент перекати-поля. N,O: Зависящие от ориентации сопротивление и подъемная сила, вызывающие смену поз (n=3). P, Q: Модели перемещения для низких и высоких скоростей ветра. В фазе подскока упругий отскок поднимает перекати-поле, а воздушный зазор усиливает подъемную силу. Наличие или отсутствие фазы подскока зависит от сжатия ветвей, скорости ветра и начального импульса.A: Проектная эволюция от сплошной сферы к биоинспирированной пористой сфере. B-i: Поля скоростей CFD, сравнивающие сплошную и пористую сферы. B-ii: Сравнение силы сопротивления при различных скоростях ветра для разных конструкций. C: Экспериментальные измерения силы сопротивления при различных скоростях ветра. D: Пороговая скорость ветра, необходимая для начала движения (n=3). E: Поступательная скорость в зависимости от скорости ветра для сплошной сферы, натурального перекати-поля и биоинспирированной сферы. F: Грузоподъемность биоинспирированной сферы и соответствующие поступательные скорости при различных скоростях ветра. G: Способность преодолевать склон биоинспирированной сферой с полезной нагрузкой 50 г при различных скоростях ветра. H: Конструкция сенсорной полезной нагрузки с GPS, микроконтроллером, аккумулятором и газовым датчиком. I: Полевое развертывание, демонстрирующее дисперсию узлов и GPS-траектории. J: Наложение тепловой карты сенсоров, иллюстрирующее распределенное картографирование окружающей среды.
Анализ аэродинамики выявил вертикальный градиент пористости, который изменяет динамику следа и усиливает сопротивление давления. Встроенный квадрокоптер позволяет выполнять маневры кувырка, вращения, планирования и полета. При ветре 12 м/с биоинспирированная сфера генерирует 2.15 Н тяги против 0.74 Н у сплошной сферы.
Устройства формируют Mesh-сеть, используя микроконтроллеры ESP32C3 и протокол PainlessMesh. Каждый узел функционирует как передатчик и приемник, обеспечивая ретрансляцию данных даже при дрейфе устройств. Полевые тесты подтвердили способность системы передавать геотегированные данные через децентрализованную сеть Wi-Fi.
