Інженери змусили безпілотників осідлати вітер, чим домоглися революційної енергоефективності

На відміну від звичайних мультикоптерів, дрони літакового типу мають крила, які дозволяють їм ефективно долати великі відстані. Новий алгоритм використовує переваги цієї конструкції, даючи змогу дронам зависати, використовуючи висхідні повітряні потоки, тим самим зменшуючи споживання енергії у 150 разів порівняно зі звичайним активним польотом.

Як це можливо?

Ключова особливість алгоритму полягає в його здатності адаптуватися до постійно мінливих вітрових режимів, зберігаючи при цьому стабільну висоту. Ця динамічна система управління має чудову здатність самостійно знаходити оптимальні точки у висхідних повітряних потоках, що дозволяє тривале зависання з мінімальним споживанням енергії.

Команда Де Круна застосувала інноваційний підхід для досягнення цієї мети.

• Замість звичайних PID-регуляторів (пропорційно-інтегрально-похідних) вони застосували метод інкрементної нелінійної динамічної інверсії.
• Таким чином інженерам вдалося полегшити контроль кутового прискорення, забезпечуючи вирівнювання до бажаних значень.

Примітно, що ця система управління плавно переходить з режиму зависання в режим польоту без ручного регулювання, що дозволяє безперешкодно адаптуватися до мінливих умов вітру.

Безпілотник самостійно знаходить оптимальну позицію у повітрі

Щоб знайти оптимальні точки зависання в полі вітру, інженери інтегрували алгоритм імітаційного відпалу. Цей алгоритм систематично досліджує вітрове поле, щоб визначити зони, де висхідний потік повітря нівелює швидкість зниження, забезпечуючи стабільний політ з мінімальною тягою двигуна. Завдяки випадковому вибору напрямку, алгоритм ефективно знаходить точки рівноваги, значно зменшуючи споживання енергії.

Для тестування інженери створили 3D-друкований прототип, взявши за основу радіокерований літак Eclipson Model C. Цей дрон мав розмах крил 1100 міліметрів і масу 716 грамів, включно з акумуляторною батареєю. Керування польотом здійснював пульт Pixhawk 4, доповнений датчиком швидкості, GPS-модулем та оптичною системою Optitrack для польотів на відкритому повітрі та в приміщенні.

Безпілотник для тестів на базі літака Eclipson Model C / Фото S. Hwang et al. / arXiv

Як все працює на практиці?

Інженери провели серію експериментів, перевіряючи роботу алгоритму в різних умовах.

• В одному експерименті вони регулювали швидкість повітряного потоку від 8,5 до 9,8 метрів на секунду під постійним кутом нахилу.
• В іншому – швидкість повітряного потоку залишалася постійною, а кут нахилу змінювався.

В обох сценаріях алгоритм довів свою ефективність, визначивши та утримуючи стабільне положення в полі вітру протягом більш ніж 25 хвилин. Примітно, що середня тяга двигуна, яка використовувалася під час цих випробувань, становила лише 0,25 відсотка від максимальної потужності, що свідчить про значний стрибок в енергоефективності.

Тест роботи нового алгоритму: дивіться відео

Команда перевірить розробку в полі

Досягнення команди в контрольованому середовищі заклали основу для більш амбітних випробувань на відкритому повітрі в найближчому майбутньому. Якщо ці результати вдасться відтворити в реальних умовах, це може прокласти шлях до нової ери енергоефективного застосування дронів у різних галузях.

Таким чином, інженери Делфтського технічного університету під керівництвом Гвідо де Круна розробили революційний алгоритм управління, який дозволяє дронам літакового типу ефективно ширяти, використовуючи природні вітрові потоки. Це досягнення не лише підвищує енергоефективність, але й відкриває двері для більш широких місій та застосувань безпілотників.