Новый робот, получивший название ATMO (aerially transforming morphobot), использует для полета четыре двигателя, но кожухи, которые их защищают, становятся колесами системы в альтернативной конфигурации вождения. Вся трансформация основана на одном двигателе, приводящем в движение центральный шарнир, который переводит двигатели ATMO вверх в режим беспилотника или вниз в режим привода.

Исследователи описывают робота и сложную систему управления, которая им управляет, в статье, недавно опубликованной в журнале Communications Engineering.

"Мы спроектировали и построили новую роботизированную систему, вдохновленную природой - тем, как животные могут по-разному использовать свои тела для достижения различных типов передвижения", - говорит Иоаннис Мандралис (MS '22), аспирант аэрокосмического факультета Калифорнийского технологического института и ведущий автор новой статьи. Например, по его словам, птицы летают, а затем меняют морфологию своего тела, чтобы замедляться и избегать препятствий. "Способность трансформироваться в воздухе открывает множество возможностей для повышения автономности и надежности", - говорит Мандралис.

Но трансформация в воздухе также сопряжена с трудностями. Сложные аэродинамические силы вступают в игру как из-за того, что робот находится близко к земле, так и из-за того, что он меняет свою форму по мере трансформации.

"Несмотря на то, что это кажется простым, когда вы наблюдаете, как птица приземляется, а затем убегает, на самом деле это проблема, с которой аэрокосмическая промышленность борется, вероятно, уже более 50 лет", - говорит Мори Гариб (PhD '83), профессор аэронавтики и медицинской инженерии Ханса В. Липмана., директор Центра автономных систем и технологий Калифорнийского технологического института (CAST) и руководитель аэрокосмических лабораторий Калифорнийского технологического института (GALCIT). Все летательные аппараты испытывают сложные силы вблизи земли. Подумайте о вертолете, в качестве примера. Когда он заходит на посадку, его двигатели выталкивают большое количество воздуха вниз. Когда этот воздух ударяется о землю, некоторая его часть отскакивает обратно; если вертолет заходит на посадку слишком быстро, его может засосать в вихрь, образованный отраженным воздухом, в результате чего транспортное средство потеряет подъемную силу.

В случае с ATMO уровень сложности еще выше. Роботу не только приходится бороться со сложными наземными силами, но у него также есть четыре реактивных двигателя, которые постоянно изменяют степень их приближения друг к другу, создавая дополнительную турбулентность и нестабильность.

Чтобы лучше понять эти сложные аэродинамические силы, исследователи провели тесты в лаборатории беспилотных летательных аппаратов CAST. Они использовали так называемые эксперименты с тензодатчиками, чтобы увидеть, как изменение конфигурации робота при заходе на посадку влияет на его силу тяги. Они также провели эксперименты по визуализации дыма, чтобы выявить основные явления, которые приводят к таким изменениям в динамике.

Затем исследователи внедрили эти идеи в алгоритм, лежащий в основе новой системы управления, которую они создали для ATMO. Система использует усовершенствованный метод управления, называемый model predictive control, который работает путем непрерывного прогнозирования того, как система будет вести себя в ближайшем будущем, и корректировки ее действий, чтобы оставаться на прежнем курсе.

"Алгоритм управления - самое большое нововведение в этой статье", - говорит Мандралис. "Квадрокоптеры используют особые контроллеры из-за того, как расположены их двигатели и как они летают. Здесь мы представляем динамическую систему, которая ранее не изучалась. Как только робот начинает трансформироваться, вы получаете разные динамические связи - разные силы, взаимодействующие друг с другом. И система управления должна быть способна быстро реагировать на все это".