Pull to refresh
56.77
Rating
Город Иннополис
Город высоких технологий и IT

Как мы делали дрон, который не боится упасть, и что общего между архитектурой, роботом-манипулятором и коптером

Город Иннополис corporate blogRobotics development*RoboticsPopular scienceMulticopters
🔥 Technotext 2020
У нас было десять разбитых дронов за год, тестовые полеты два раза в день, три кандидата технических наук в команде, прототип из палочек для суши и желание найти способ больше не бить дроны.

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 тросов и/или 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 выпускник и научный сотрудник 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

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


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:

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


Что дальше?


Ресерч


Впереди еще много интересного: подача заявки на патент, написание научной статьи с подробными исследованиями, апробирование новых вариантов конструкции (ох, их у нас придумано много).

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.
Tags:БПЛАкоптердронтенсегрититенсодронTensodroneуниверситет иннополис
Hubs: Город Иннополис corporate blog Robotics development Robotics Popular science Multicopters
Total votes 33: ↑33 and ↓0+33
Views8.2K
Comments Comments 18

Information

Founded
Location
Россия
Website
innopolis.ru
Employees
1,001–5,000 employees
Registered

Habr blog