Идея монокоптера, вдохновленная семенами

От дизайна, вдохновленного семенами до 26-минутного полета на одном роторе, новый монокоптер, разработанный исследователями Sutd, отмечает 10-летний путь к переопределению того, насколько эффективными могут быть малые летающие роботы.

Когда в 2015 году Сингапур отпраздновал свой 50 -й год независимости, команда студентов -исследователей во главе с доцентом Фонг Шаохуи из технологий и дизайна Университета Сингапура (SUTD) приступила к амбициозному вызову: разработать и создать беспилотник, способный на 50 минут устойчивого полета.

В то время большинство квадрокоптеров любителей едва ли могли справиться с этим. Проект с несколькими роторами SG50 удаслся, но для того, чтобы летать так долго, ремесло должно было быть большим, сложным и тяжелым.

Десять лет, доцент профессора Фонг достиг новой высоты в своем исследовании беспилотников – на этот раз, став маленьким и заняв совершенно другую стратегию. Вместо того, чтобы пытаться разработать многоораторный беспилотник, чтобы быть более эффективным, что по своей сути неэффективна по дизайну, он обратился к природе для вдохновения и разработал легкий монокоптер в стиле Самара, который достигает эффективного и полностью управляемого полета только с одним приводом.

В исследовании, опубликованном в IEEE Robotics и Automation Letters под названием “Проектирование и оптимизация легкого монокоптера, вдохновленного Самарой, для расширенной выносливости»он принял авторотацию и использовал аэродинамическая эффективность Над грубой тягой и продемонстрировал минималистский, но высокоэффективный дизайн: 32-граммовый, легкий монокоптер, который может зависать с полным автоматическим управлением в течение 26 минут, намного превосходя типичные дроны в своем классе.

По словам доктора Фонга, является частью более широкой попытки перевернуть дизайн летающих роботов с ног на голову, делая больше с меньшими затратами. Его новый дизайн сломал новую почву для роторного корпуса в этой весовой категории.

«Достижение полета становится все более неэффективным, когда вы уменьшаетесь. Маленькие дроны часто имеют плохую выносливость, потому что их небольшие винты генерируют ограниченную тягу и все же приносят значительную власть. Наша цель состояла в том, чтобы преодолеть это ограничение», – добавил он.

Решение, как выясняется, состояла в том, чтобы смотреть на природу. Самары, вращающиеся семена клена, которые аккуратно спирали на землю, предлагают убедительный аэродинамический режим, сочетая пассивную стабильность с эффективной генерацией подъема в прекрасно простой форме.

«Каждая часть семян клена способствует подъему. Мы черпали вдохновение из этого принципа и построили планер, где ничего не потрачено впустую», – пояснил профессор Фонг.

Стратегия использования семян самары в качестве вдохновения проистекала из наблюдения, ориентированного на человека-что-то, что ИИ не идентифицировал бы самостоятельно. Улучшенная конструкция крыла была затем достигнута с помощью оптимизации с AI, которая позволила команде эффективно исследовать возможности проектирования без исчерпывающего тестирования каждой конфигурации.

В отличие от обычных квадрокоптеров, которые управляют несколькими роторами, монокоптер команды достигает полета с одним приводом. Этот единственный двигатель водит крылатое тело в вращение, стабилизируя его через пассивную динамику, обеспечивая подъем через большую аэродинамическую профиль. Без размахивающих деталей, коробок передач или механических связей конструкция конструктивно проста и в то же время механически эффективна.

За успехом монокоптера находится обширный процесс оптимизации дизайна, который сочетает в себе классическую аэродинамическую теорию с реальным моделированием производительности. Исследователи SUTD использовали метод суррогатной оптимизации, своего рода алгоритм поиска, управляемый данными, чтобы тонко настроить форму крыла, угол качки и распределение массы.

Полученные беспилотники парят с силовой нагрузкой 9,1 грамма на ватт, опережая другие модернизируемые микро воздушные транспортные средства сопоставимого размера и веса.

«Это первое в своем роде достижение»,-отметил научный сотрудник Кай Синью. «Мы продемонстрировали, что при правильной аэродинамической и системной конструкции крошечный воздушный робот может достичь выносливости, которая соперничает с гораздо большими системами. Это показывает, что размер больше не должен быть ограничивающим фактором».

Выносливость и простота монокоптера являются благом для недорогих, длительных миссий. Среди изучаемых приложений-легкий, многоразовый радиозонд, баллонный инструмент для чувства и мониторинга погоды, который был победителем устойчивого развития на премии Джеймса Дайсона 2024.

В то время как текущий прототип использует коммерчески доступные компоненты, будущие работы будут рассматривать разработку индивидуальных деталей для дальнейшего продвижения производительности.

«Следующим шагом является увеличение пропускной способности и время полета без значительного увеличения веса», – общий Xinyu. “Мы также стремимся исследовать продвинутые материалы и вдохновленные биологическими морфологиями в процесс проектирования “.

История монокоптера команды также – это непрерывность. Последний прорыв отмечает 10-летнюю эволюцию после вызова выносливости SG50, и команда нацелилась на символическое продолжение: монокоптер, способный пролететь более 60 минут на 60-летие Сингапура.

По сравнению с большим квадрокоптером SG50, монокоптер SG60 превосходит во всех количественных показателях. Это меньше, проще и более чем в два раза больше, чем силовая.

«Эффективность обычно улучшается с увеличением масштаба. Здесь мы изменили это. Нам удалось сократить систему, заставляя ее работать более эффективно», – добавил доктор профессора.

Проект Monocopter является прекрасным примером того, как строгое инженерное и продуманное дизайнерское мышление может превратить вдохновленную природой идею в жизнеспособную технологическую платформу.

«Речь идет о понимании основной физики, добросовестному моделированию ее и использованию этого знания, чтобы раздвинуть границы того, что могут сделать небольшие воздушные роботы», – отразил доцент профессора Фонг. Это включает в себя применение дизайна ИИ-укрепление дизайна, ориентированного на человека с силой ИИ-растущей частью того, как команды SUTD создают и совершенствуют готовые к будущему решения.

«Благодаря дальнейшему развитию мы видим, как эта технология играет ключевую роль в различных устоявшихся и новых приложениях. Небо действительно ограничение».