Содержание
Китайцы научили рой дронов летать через заросли бамбука
Китайские инженеры научили рой дронов передвигаться по лесу и продемонстрировали это на примере полета в зарослях бамбука. Беспилотники постоянно обмениваются информацией и летят как единый отряд, но при этом могут немного отклоняться от общей траектории, если на пути оказалось препятствие. Статья опубликована в Science Robotics.
Небольшие мультикоптеры ценны сами по себе, но если объединить их в рой, с помощью него можно быстро и эффективно решать разные задачи на большой территории. Особенно роями дронов интересуются военные, которые уже испытывают их для разведки. Часто отряды из нескольких дронов (или даже нескольких десятков) предлагают использовать в зданиях или в местах с множеством препятствий. Работа даже одного дрона в таких условиях не так проста и требует развитых алгоритмов для отслеживания объектов и перепланирования траектории «на лету», а в случае с роем к этим трудностям добавляется как вероятность столкновения дронов друг с другом, так и то, что они должны отклоняться от общей траектории, но при этом не выбиваться слишком далеко из группы.
Группа китайских инженеров, которую возглавили Чао Сюй (Chao Xu) и Фэй Гао (Fei Gao) из Чжэцзянского университета, разработала новый дрон и метод, позволяющий сразу нескольким таким аппаратам эффективно летать в качестве роя. Алгоритм получает от пользователя цель или последовательность целей и планирует траекторию так, чтобы перемещаться в сторону текущей цели. Помимо цели в виде местоположения у алгоритма есть другие цели, такие как наименьшие время полета и отклонения от заданных маршрута и формы роя, а также ограничения, такие как возникающие на пути препятствия. Разработанный авторами алгоритм рассматривает эти цели и ограничения как набор штрафов, и его задача заключается в построении такой траектории, чтобы минимизировать их. При этом вес каждого параметра может быть разным, например, у препятствий он максимальный, потому что столкновение с ними, скорее всего, приведет к концу полета.
Во время полета дроны используют визуально-инерциальную навигацию, то есть используют данные с камеры и блока с акселерометром и гироскопом.
Кроме того, они в реальном времени строят 3D-карту местности. Поскольку рой состоит из сразу нескольких дронов, не использующих GPS, в их навигационных показаниях могут накапливаться ошибки, которые могут привести к столкновению. Чтобы избежать этого, а также поддерживать заданную форму роя, инженеры встроили в дрон UWB-приемопередатчики, дающие дронам относительно точные данные о взаимном расположении.
Примечательно, что авторы создали свой дрон. Он построен по конструкции квадрокоптера и оснащен мощной электроникой: компьютером NVIDIA Xavier NX, камерой глубины Intel RealSense D430 и полетный контроллер PX4 autopilot. Масса дрона составляет 300 грамм, а его аккумулятора хватает на 11 минут полета.
Инженеры показали несколько роликов, в которых 10 дронов без предварительной карты и GPS-сигналов перемещаются по лесу, огибая препятствия и при этом глобально сохраняя структуру роя. Также они продемонстрировали, как дроны могут справляться с подвижными препятствиями и следовать за человеком.
Рои дронов могут пригодиться в самых разных ситуациях. Например, мы рассказывали о том, как их использовали в качестве распределенного набора датчиков, который помог найти место утечки газа.
Григорий Копиев
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Как летают дроны? Физика. * Журнал BORDER
Приблизительное время чтения: 8 минут
Что в статье:
Глянуть +Скрыть —
Популярность дронов резко возросла. Дети получают дроны в качестве подарков на день рождение. Кто то делает аэрофотосъемку с помощью дронов . Некоторые организации используют дрон как средство наблюдения. Какой бы ни была цель полета на квадрокоптере, сначала нужно узнать, как управлять дроном. И это не всегда понятная задача.
Но не волнуйтесь! Мы здесь, чтобы показать вам некоторые из основных шагов, которые позволят вам управлять своим квадрокоптером. Поскольку вы сделали первый шаг — купили дрон , мы уверены, что вы сможете научиться.
Далее инструкция от популярного сайта wikihow и Физика полетов дрона от Wired. Приятных полетов!
Что такое дрон
Дрон — это летательный аппарат, который управляется без пилота-человека на борту.
Поэтому их еще называют беспилотными летательными аппаратами или БПЛА.
Первоначально они были разработаны как способ попасть в места, которые считались слишком опасными или дорогостоящими для человека, например, для осмотра вражеской территории или попадания в самую гущу битвы.
Фактически, военные были первыми пользователями беспилотных технологий.
Как летает дрон видео
Как управлять маленьким дроном
Небольшие дроны идеально подходят для изучения основных маневров и техник без давления огромной цены. Прежде чем начать полет, проведите быструю проверку, чтобы убедиться, что все настроено правильно и пространство вокруг вас свободно. Чтобы отточить свои навигационные навыки, отрабатывайте основные маневры в помещении, пока не овладеете основами.
Затем самое время вывести свой маленький дрон на улицу и насладиться увлекательным полетом!
Основные 3 шага:
- Проверка перед полетом
- Основы дронов для начинающих
- Практика на открытом воздухе
Источник инструкции и иллюстраций с сайта https://www.wikihow.com/
Инструкция для начинающих
Если вы раньше не летали на квадрокоптере, лучший совет — начать с доступных моделей дронов, дешевого квадрокоптера для тренировок и оттачивать свои навыки без режима headless. Множество любителей врезаются в деревья и дома на mavic, потому что у них еще не выработалась мышечная память на управление.
Проверьте радиус действия передатчика вашего небольшого дрона.
Это важно для того, чтобы убедиться, что вы не позволите дрону вылететь за пределы радиуса действия и не потеряете его. Проверьте предел, указанный на упаковке дрона или в инструкции. Большинство производителей указывают рекомендуемый и максимальный радиус действия, поэтому обратите внимание на оба этих числа.
У маленьких дронов радиус действия передатчика обычно гораздо меньше, чем у средних и больших моделей, поэтому всегда держите свой дрон поблизости и в поле зрения.
Если вы не можете найти упаковку дрона или руководство по эксплуатации, сделайте быстрый поиск в Google по названию и модели вашего дрона, а также по ключевым словам «дальность действия передатчика». Вы сможете найти информацию для большинства дронов в Интернете!
Убедитесь, что батареи дрона и пульта заряжены.
Чтобы получить максимальную пользу от полета, сначала проверьте аккумуляторы. Поместите их на зарядное устройство и убедитесь, что зарядное устройство показывает, что они полны. Установите их обратно в передатчик и дрон, чтобы они были соединены и надежно зафиксированы.
У большинства нано- и микро- дронов время полной зарядки составляет 5-7 минут, а у маленьких/мини дронов время полета на полной батарее обычно составляет 20-25 минут.
Такое время полета может показаться коротким, но это все равно очень весело! За 5-7 минут можно пролететь достаточно большое расстояние.
Уберите все мелкие препятствия в зоне, где вы будете летать.
Новичкам важно тренироваться на чистом, открытом пространстве, пока вы не освоитесь с управлением. Перед началом занятий уберите из комнаты все лампы и стулья. Если поблизости есть люди или домашние животные, вы можете вежливо попросить их пересесть или просто поискать другое место для тренировки.
Вам также следует остерегаться любых бьющихся предметов декора, таких как вазы и рамки для картин.
Когда вы летаете на улице, будьте внимательны к своему окружению и избегайте препятствий, таких как здания, деревья, линии электропередач или автомобили.
Включите дрон и установите его так, чтобы задние фонари были направлены на вас.
Как только дрон будет включен, отойдите на несколько шагов назад, чтобы проверить свет. Они показывают, что батареи работают и дрон готов к полету. Также важно начинать полет с задней части дрона, обращенной к вам, чтобы органы управления соответствовали движениям дрона.
Делайте это в течение первых нескольких полетов, даже если ваш дрон может взлетать с других мест, например, со стола или вашей руки.
Включите пульт и убедитесь, что он подключен к дрону.
Если вы впервые управляете дроном, вам может потребоваться подключить его к пульту. Следуйте инструкции по эксплуатации для завершения этого процесса.
Если ваш дрон не соединяется с пультом, попробуйте сначала удерживать кнопку привязки на пульту, а затем включить его. Сигнал должен подключиться автоматически.
Если он по-прежнему не подключается, обратитесь за помощью к производителю.
Начните летать внутри пустой комнаты.
Так вам не придется беспокоиться о том, что вы будете бороться с ветром или потеряете контроль над маленьким дроном. Идеальным вариантом будет большая открытая комната с высокими потолками и как можно меньшим количеством препятствий.
Поскольку маленькие дроны имеют размер игрушки, они идеально подходят для использования в помещении.
Сложно безопасно летать в помещении на больших дронах.
Используйте левый джойстик для управления высотой полета дрона.
Слегка надавите на джойстик вперед, чтобы дрон поднялся, и назад, чтобы дрон опустился. Тщательно отработайте это движение, удерживая дрон ровно, без перекосов.
Обязательно используйте легкое прикосновение, на случай, если дрон более отзывчив, чем вы думаете.
Если вы все-таки переборщили, мягко подтолкните дрон, чтобы вернуть его в нейтральное, устойчивое положение.
Нажимайте на правый джойстик, чтобы управлять направлением движения дрона.
Осторожно переместите джойстик вправо, чтобы дрон двигался горизонтально вправо, и наоборот — влево. Затем потренируйтесь нажимать джойстик вверх, чтобы дрон двигался вперед по горизонтали, или вниз, чтобы он двигался назад по горизонтали.
Сохранять равновесие может быть непросто, поэтому старайтесь использовать мягкие движения, пока не освоите чувствительность своего дрона.
Потренируйтесь взлетать, зависать и садиться.
Установите маленький дрон на ровной поверхности, затем с помощью левого стика поднимите его в воздух, пока он не взлетит. Поднимите его так, чтобы он завис в воздухе на высоте не менее 30 см, и с помощью дросселя удерживайте его в этом положении настолько устойчиво, насколько сможете. Через несколько секунд плавно опустите его вниз, чтобы он приземлился на ровную поверхность. Практикуйте это, пока не научитесь!.
В момент приземления дайте еще немного газа, чтобы приземление было более плавным.
Поработайте над зависанием и стабилизацией.
Это будет особенно важно, когда вы будете тренироваться на улице, так как ветер может легко унести маленький дрон. Потренируйтесь взлетать и плавно направлять дрон вбок с помощью правого джойстика, затем остановитесь и зависните на месте.
Если дрон отклоняется от курса, внесите коррективы, слегка подталкивая его в противоположном направлении.
Следите за тем, чтобы корректировки были медленными и мягкими. Если вы резко повернете дрон, вы можете потерять над ним контроль.
Потренируйтесь делать несколько плавных поворотов с помощью правого джойстика.
Во время зависания осторожно нажимайте на правый джойстик влево и вправо, чтобы привыкнуть к ощущению поворота. Затем вы можете попрактиковаться в поворотах в форме коробки или круга, перемещая правый джойстик вправо, затем вперед, затем влево, затем назад.
Когда вы привыкнете к поворотам, потренируйтесь взлетать с заданного места, поворачивать в квадрат или круг, а затем приземляться на то же место.
Выведите дрон на улицу, в открытое место.
Поля и парки — прекрасные места для отработки навыков управления дроном. Избегайте крупных препятствий, таких как линии электропередач, здания и деревья, а также людей и животных. Это особенно важно, когда вы только начинаете!
Прежде чем включить дрон и передатчик и приступить к отработке навыков, убедитесь, что в районе полета никого нет.
Для лучших результатов летайте в ясные дни с небольшим или отсутствием ветра.
Маленькие дроны особенно подвержены уносу порывами ветра, поэтому ясная погода — идеальный вариант. Избегайте ветреной и штормовой погоды, которая может нарушить сигнал между пультом дистанционного управления и дроном или даже вывести дрон из зоны действия передатчика.
Если во время полета начинается шторм или сильный ветер, следует немедленно убрать дрон.
Используйте органы управления для балансировки дрона против легкого ветра.
Даже в ясный день небольшой ветерок может повлиять на баланс вашего маленького дрона. Заметьте, как легкий ветер толкает ваш дрон, затем компенсируйте это небольшим давлением на джойстик в противоположном направлении. Это поможет вашему дрону сбалансироваться и оставаться стабильным.
В целом, можно ожидать, что ветер повлияет на горизонтальное направление дрона, а также на его способность зависать на одном месте.
Ожидайте не менее 5-7 минут полета до того, как сядет аккумулятор.
Разные классы размеров дронов имеют разное время полета, но минимальное количество составляет около 5-7 минут для микро дронов. Обратите внимание на время работы батареи вашего дрона и убедитесь, что вы вернули его до того, как закончилось время.
Время полета, как правило, увеличивается в зависимости от размера дрона.
Не летайте на дроне над водой
Большинство небольших дронов не имеют усовершенствованной системы посадки на воду, которая есть у более крупных и дорогих дронов. Во время полета следите за ландшафтом и не направляйте дрон в сторону от водоемов.
Особенно следует избегать полетов над крупными водоемами, такими как реки, озера и океаны.
Физика полетов дронов-квадрокоптеров.
У меня есть дрон. Возможно, у вас тоже. Я использую свой, чтобы делать небольшие видео и бесить мою собаку.
Дроны сейчас крайне популярны, и вы можете купить неплохой, не тратя большие суммы денег. Ой! Я говорю о летающих радиоуправляемых аппаратах с четырьмя винтовыми двигателями, а не о больших дронах, которые используют ученые, чтобы следить за изменением климата и прочими важными вещами. Чтобы управлять небольшими дронами особых навыков не нужно, опытный пилот может управлять полетом, отправляя дрон в любом направлении. Именно поэтому их удобно использовать для съемки видео. Но как же дроны летают? Это отличная возможность вспомнить кое-что интересное из физики!
Вертикальное Движение квадрокоптера
Для движения и управления в дронах используются винтовые двигатели. Вы можете подумать, что они похожи на вентиляторы, ведь принцип их действия один и тот же — вращающиеся пропеллеры толкают воздух вниз. Конечно, как известно каждой силе воздействия соответствует сила противодействия. А значит с той же силой, с которой пропеллеры воздействуют на воздух, воздух воздействует на пропеллеры.
Эта идея лежит в основе подъема аппаратов. Все сводится к контролю сил воздействия. Чем быстрее вращаются двигатели, тем выше поднимается аппарат, и наоборот.
Итак, в движении дрон может — парить, подниматься вверх и опускаться вниз. Для того, чтобы дрон парил необходимо, чтобы суммарная тяга всех четырех двигателей, поднимающих дрон, была равна силе тяжести, которая тянет его вниз. Это легко. Но что насчет того, чтобы поднять дрон выше? Просто увеличьте тягу (скорость) всех четырех двигателей, чтобы создать силу, превышающую силу тяжести, действующую на аппарат.
После этого можно ненамного сбросить скорость, только нужно учитывать, что теперь на аппарат действую три силы: движущая сила тяги, сила тяжести и сопротивление воздуха. Поэтому тяга все равно должна быть несколько больше, чем при парении. Если необходимо снизить аппарат, то нужно делать противоположные вещи: нужно уменьшить тягу двигателей (скорость), чтобы равнодействующая сила уменьшилась.
Как дроны поворачивают?
Допустим ваш дрон планирует и движется на север, вы же хотите развернуть его лицом к востоку.
Как осуществить это движение, меняя скорость четырех двигателей? Прежде чем ответить, я нарисую схему, на которой будет изображен вид сверху на дрон, а его двигатели будут пронумерованы от 1 до 4.
Фото: https://www.wired.com/
На этом рисунке красные двигатели вращаются против часовой стрелки, а зеленые по часовой стрелке. Поскольку две пары двигателей вращаются в противоположных относительно друг друга направлениях, то их полный угловой момент равен нулю. Угловой момент, схож с линейным, и рассчитывается как произведение угловой скорости и момента инерции. Стоп! А что такое момент инерции? Это очень похоже на массу тела, просто он связан с вращением. Все очень сложно, понимаю! Но сейчас главное запомнить, что угловой момент зависит от скорости вращения двигателя.
Если на систему не действует крутящий момент (в нашем случае система – это дрон), то тогда полный угловой момент остается постоянным (то есть равен нулю). Чтобы упростить вам задачу договоримся, что красные двигатели, совершающие вращения против часовой стрелки, обладают положительным угловым моментом, а зеленые, совершающие вращения по часовой стрелке, обладают отрицательным угловым моментом.
Значение для каждого будет +2, +2, -2, -2 и в сумме они дают ноль (я специально не указал единицы измерения).
Допустим, вы хотите повернуть дрон вправо. Я должен уменьшить угловую скорость двигателя 1, так чтобы его угловой момент стал -1. Если кроме этого ничего другого не происходит, то общий угловой момент системы становится равным +1. Такого быть не может, а значит дрон должен повернуться по часовой стрелке, чтобы его угловой момент стал -1. Бум! Он развернулся!
Но постойте! Уменьшение скорости вращения двигателя 1 действительно помогло повернуть дрон, но еще это уменьшило тягу этого двигателя. А значит движущая сила тяги не компенсирует силу тяжести, действующую на аппарат, и дрон начинает снижаться. А что еще хуже силы тяги двигателей тоже не сбалансированы, а значит дрон начнет заваливаться со стороны двигателя 1. Не переживайте. Я все исправлю.
Давайте повернем наш дрон, не создавая всех этих проблем. Для этого увеличим скорость вращения двигателей 1 и 3, и сократим скорость вращения двигателей 2 и 4.
Полный угловой момент двигателей все еще не равен нулю, а значит дрон должен повернуться. Но поскольку движущая сила тяги двигателей компенсируют силу тяжести, воздействующую на дрон, то он продолжает парить. Поскольку двигатели с уменьшенной тягой расположены по диагонали друг от друга, дрон остается в сбалансированном состоянии.
Движение вперед и в бок
В чем разница между движением вперед и назад? Никакой, поскольку дрон симметричен. Тоже справедливо и для движения из стороны в сторону. По сути квадрокоптер как машина, у которой любая сторона может быть передом. Это означает, что если мы поймем как двигаться вперед, то поймем как двигаться и все остальные стороны.
Чтобы пролететь вперед необходимо, чтобы появилась дополнительная тяга роторов, двигающая дрон в этом направлении. Ниже представлен вид сбоку на дрон, который движется с постоянной скоростью.
Фото: https://www.wired.com/
Как сделать так, чтобы дрон встал в такую позицию? Вы можете увеличить скорость вращения двигателей 3 и 4 (задних) и уменьшить скорость вращения двигателей 1 и 2.
Суммарная сила тяги будет равна силе тяжести, а значит дрон останется на том же уровне. И поскольку один из задних двигателей вращается против часовой стрелки, а другой – по часовой стрелке, то суммарный угловой момент все еще будет равен нулю.
То же справедливо и для передних двигателей, благодаря чему дрон не вращается. Однако, тот факт, что в задней части дрона образуется большая сила, приводит к тому, что аппарат наклоняется вперед. И теперь небольшое увеличение тяги на всех двигателях приведет к тому, что движущая сила тяги скомпенсирует силу тяжести, благодаря дополнительному компоненту, связанному с движением вперед.
Использование компьютера.
Вы вероятно заметили, что каждое движение достигается за счет изменения скорости вращения одного или нескольких двигателей. Для этого требуется контроллер, который может увеличить или уменьшить напряжение, подаваемое на каждый двигатель. Настройка не так сложна. Но представьте себе, что у вас есть четыре контроллера. Например, если бы вам понадобился отдельный контроллер для каждого двигателя.
Вручную было бы практически невозможно настроить каждый двигатель, чтобы добиться желаемого движения.
Однако, если у вас есть система, с помощью которой можно управлять дроном, то все что от вас потребуется – нажать пальцем на джойстик, всю остальную работу выполнит компьютер. Акселерометр и гироскоп в беспилотном летательном аппарате помогут еще больше увеличить легкость и стабильность полета, помогая совершать небольшие корректировки мощности для каждого двигателя. Если вы даете компьютеру выполнить свою работу, то управлять дроном становиться крайне легко. Но если вы еще и понимаете физику процесса, то это приносит некое дополнительно удовольствие.
Спасибо!
Если обзор был полезен, ты можешь отблагодарить поделившись в соцсети и подпиской на канал яндекс дзен. На канале ты можешь найти еще больше рейтингов, техник, и обзоров, на тот или иной продукт.
Редактор BORDER
Редактор журнала BORDER. ❤ Любим дизайн во всех его проявлениях.