Инженеры заставили беспилотников оседлать ветер, чем добились революционной энергоэффективности

В отличие от обычных мультикоптеров, дроны самолетного типа имеют крылья, позволяющие им эффективно преодолевать большие расстояния. Новый алгоритм использует преимущества этой конструкции, позволяя дронам зависать, используя восходящие воздушные потоки, тем самым уменьшая потребление энергии в 150 раз по сравнению с обычным активным полетом.

Читайте на сайте Пентагон покажет технологию уничтожения целых роев дронов в 2024 году

Как это возможно?

Ключевая особенность алгоритма заключается в его способности адаптироваться к постоянно меняющимся ветровым режимам, сохраняя при этом стабильную высоту Эта динамическая система управления имеет отличную способность самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках, что позволяет длительное зависание с минимальным потреблением энергии.

Команда Де Круна применила инновационный подход к достижению этой цели.

• Вместо обычных PID-регуляторов (пропорционально-интегрально-производных) они применили метод инкрементной нелинейной динамической инверсии.
• Таким образом, инженерам удалось облегчить контроль углового ускорения, обеспечивая выравнивание до желаемых значений.

Примечательно, что система управления плавно переходит из режима зависания в режим полета без ручной регулировки, что позволяет беспрепятственно адаптироваться к изменяющимся условиям ветра.

Беспилотник самостоятельно находит оптимальную позицию в воздухе

Чтобы найти оптимальные точки зависания в поле ветра, инженеры интегрировали алгоритм имитационного отжига. Этот алгоритм систематически исследует ветровое поле, чтобы определить зоны, где восходящий поток воздуха нивелирует скорость понижения, обеспечивая стабильный полет с минимальной тягой двигателя. Благодаря случайному выбору направления алгоритм эффективно находит точки равновесия, значительно уменьшая потребление энергии.

Для тестирования инженеры создали 3D-печатный прототип, взяв за основу радиоуправляемый самолет Eclipson Model C. Этот дрон имел размах крыльев 1100 миллиметров и массу 716 грамм, включая аккумуляторную батарею. Управление полетом осуществлял пульт Pixhawk 4, дополненный датчиком скорости, модулем GPS и оптической системой Optitrack для полетов на открытом воздухе и в помещении.

Беспилотник для тестов на базе самолета Eclipson Model C/ Фото S. Hwang et al. /arXiv

Как все работает на практике?

Инженеры провели серию экспериментов, проверяя работу алгоритма в разных условиях.

• В одном эксперименте они регулировали скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метра в секунду. под постоянным углом наклона.
• В остальном – скорость воздушного потока оставалась постоянной, а угол наклона изменялся.

В обоих сценариях алгоритм доказал свою эффективность, определив и удерживая стабильное положение в поле ветра в течение более 25 минут. Примечательно, что средняя тяга двигателя, которая использовалась при этих испытаниях, составляла лишь 0,25 процента от максимальной мощности, что свидетельствует о значительном скачке в энергоэффективности.

Тест работы нового алгоритма: смотрите видео

Команда проверит разработку в поле

Достижения команды в контролируемой среде заложили основу для более амбициозных испытаний на открытом воздухе в ближайшем будущем. Если эти результаты удастся воспроизвести в реальных условиях, это может проложить путь к новой эре энергоэффективного применения дронов в разных отраслях.

Смотрите также Китай введет экспортный контроль на беспилотники и связанное с ними оборудование, – Reuters

Таким образом, инженеры Делфтского технического университета под руководством Гвидо де Круна разработали революционный алгоритм управления, который позволяет дронам самолетного типа эффективно парить, используя естественные ветровые потоки. Это достижение не только повышает энергоэффективность, но открывает двери для более широких миссий и применений беспилотников.