Этот дрон может летать, плавать и катиться, чтобы передвигаться

Эта статья является частью нашего эксклюзивного Серия просмотра журнала IEEE Journal в партнерстве с IEEE Xplore.

Вместо одного автономного робота для полета, другого для передвижения по суше и еще одного для навигации по воде, новый гибридный дрон может выполнять все три задачи. Для выполнения сложных миссий ученые все чаще экспериментируют с дронами, которые могут сделать больше чем просто лети.

Идея создания дрона, способного перемещаться по суше, воздуху и морю, возникла у исследователей из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби. Арабский центр климатических и экологических наук (ACCESS) отметили, что им нужен дрон, «способный летать в потенциально отдаленные места и брать пробы из водоемов», говорит ведущий автор исследования. Димитриос Чайкалисдокторант Нью-Йоркского университета в Абу-Даби.

Экологические исследования часто «опираются на сбор образцов из труднодоступных районов», — говорит Чайкалис. «Летающие аппараты могут легко перемещаться в такие районы, а способность приземляться на воду и перемещаться по поверхности позволяет проводить отбор проб в течение долгих часов с минимальными затратами энергии, прежде чем вернуться на свою базу».

Новый автономный аппарат представляет собой трикоптер с тремя парами несущих винтов для полета, тремя колесами для передвижения по суше и двумя двигателями для передвижения по воде. Резиновые колеса были напечатаны на 3D-принтере непосредственно вокруг корпуса основного колеса, что устраняет необходимость в металлических винтах и ​​шарикоподшипниках, которые подвергаются риску ржавчины после воздействия воды. Вся машина весит менее 10 килограммов, что соответствует требованиям к дронам.

Плавучий корпус из пенополистирола, вырезанный машиной, был помещен между верхней частью машины, которая удерживает несущие винты, и ее нижней частью, которая удерживает колеса и подруливающие устройства. Это плавсредство служило корпусом машины на воде и имело форму трилистник чтобы оставить место для воздушного потока роторов.

«Полученное транспортное средство способно преодолевать все доступные среды — воздух, воду, землю — а это означает, что в конечном итоге вы сможете развернуть автономные транспортные средства, способные преодолевать постоянно растущие трудности и препятствия», — говорит Чайкалис.

Дрон обладает двумя открытыми исходными кодами. ПХ4 системы автопилота: один для воздуха, другой для навигации по суше и воде. «Воздушная навигация сильно отличается от наземной или водной навигации, которые на самом деле имеют много общего друг с другом», — говорит Чайкалис. «Поэтому мы разработали наземную и водную навигацию для работы с одним и тем же автопилотом, меняя только мощность двигателя для каждого случая».

Ан Компьютер Intel NUC служил командным модулем. Компьютер может переключаться между двумя автопилотами по мере необходимости, а также взаимодействовать с радиоприемопередатчиком и GPS. Вся эта электроника была заключена в водонепроницаемый пластиковый корпус.

«Конечно, вам также необходимо приобрести водонепроницаемые моторы для колес наземной техники, поскольку на воде они будут полностью погружены», — говорит Чайкалис. «Такие двигатели оказалось трудно взаимодействовать с коммерческими устройствами автопилота, поэтому в итоге мы также разработали специальное оборудование и встроенное ПО для взаимодействия с такими коммуникациями».

Дрон может работать под радиоуправлением или автономно, выполняя заранее запрограммированные задачи. Литий-полимерные батареи обеспечивают время полета 18 минут.

В ходе экспериментов корпус из пенополистирола впитывал воду во время плавания, увеличивая свой вес на 20 процентов за 30 минут. Пенопласт действительно выделял эту воду во время полета, хотя и медленно, с потерей веса на 20 процентов через 100 минут. Ученые отмечают, что это значительное изменение веса необходимо учитывать при конструкции автопилота, иначе они могли бы добавить водостойкое покрытие, хотя это навсегда увеличило бы общий вес.

Кроме того, «несмотря на водонепроницаемость от брызг и легкого погружения, это еще не полностью погружная конструкция, а это означает, что выход из строя плавучего устройства потенциально может иметь катастрофические последствия», — говорит Чайкалис.

Исследователи отмечают, что в будущем они смогут оптимизировать корпус, чтобы сделать его достаточно прочным, чтобы выдерживать сложные маневры и минимизировать сопротивление воздуха во время полета. Они также хотели бы сделать дрон полностью модульным, чтобы можно было легко изменять его возможности, присоединяя или отсоединяя от него модули.

«Мы представляем себе, что способны, например, отказаться от наземного механизма, если это необходимо для экономии энергии, а затем вернуться к нему позже, чтобы приземлиться», — говорит Чайкалис. «Или позволить водному модулю перемещаться по воде, в то время как [unmanned aerial vehicle] возвращается на ближайшую базу для перезарядки и забирает его снова позже».

Заявка на патент на новый дрон находится на рассмотрении. Ученые подробно рассказали их выводы 9 июня в Международная конференция по беспилотным авиационным системам 2023 года в Варшаве.