Пов'язані матеріали

   

Роботи

Літаючі роботи-квадролёти і їх перспективи

Будь-які роботи цікаві і будь-які роботи привертають увагу, будь то просто імітують живих істот, або провідні себе абсолютно протиприродно ім.

Саме до категорії №1 відносяться механізми від добре відомого в світі виробника роботів компанії Boston Dynamics. Роботи, вироблені цієї компанії, в буквальному сенсі лякають своїми надто «людськими» рухами. Але є й приклади зовсім іншого роду, наочною ілюстрацією яких, наприклад, стало з'явилося в Мережі відео: моторошний рій швидко і злагоджено летять зовсім мініатюрних квадролетов.

Людям властиво роїння і для них воно являє справжню загадку. Коли у нас не все гаразд у соціальній організації суспільства, ми будуємо ієрархії. Подражающие мурашкам і / або бджолам роботи - це явище з зовсім «іншої опери». Очевидно, що воно викликає у нас не тільки вельми неоднозначні почуття, але ще й масу питань.

Скажімо, відразу ж виникає питання про те, як влаштовані ці роботи? Управляються вони з єдиного централізованого центру або летять автономно один від одного, рухомі чимось всередині самих себе? Може бути, якщо в основі їх синхронного польоту лежить єдина програма, то це і не рий зовсім, а єдиний організм, до складу якого входять сотні елементів, що не потребують механічного зв'язку між собою. Останній варіант, до речі, не тільки цікавий ...

Інформацію про проекти компанії Boston Dynamics знайти непросто, оскільки вони ведуться на військові гроші. А от відшукати щось про рояться квадролетах можна без особливих зусиль. Всі інформацію про них регулярно у своїх працях публікують вчені, які працюють в лабораторії робототехніки, автоматизації, очувствленія і сприйняття університету Пенсільванії (абревіатура - GRASP) і «доклали руку» до їх створення.

Чимало цінних і цікавих фактів можна отримати, якщо познайомитися з їх публічними виступами, а також інтерв'ю в ЗМІ і в Інтернеті.

Якщо поглянути на квадролети GRASP більш детально, навіть не беручи до уваги їх прецікаві колективна поведінка, то ці пристрої цікаві й самі по собі.

Сам механізм пристрою важить ... 73 грами, включаючи батарейку і всю електроніку. Нагадаємо, що середній смартфон важить в півтора-два рази більше. При цьому квадролет вміщається на долоні дорослої людини: діаметр пропелерів (їх чотири) становить вісім сантиметрів, а вся конструкція в поперечнику займає всього 21 сантиметр.

Основна проблема з якою стикаються творці незвичайних квадролетов - це консервація енергії. Незважаючи на те, що акумулятор кожного квадролета займає чи не половину цього електричного апарату, дефіцит площ все одно залишається. Як би не хотілося творцям, щоб квадролети трималися в повітрі якомога довше, політ роботів не триває більше п'яти хвилин.

Конструктори міні-квадролётов GRASP зуміли добилися в цій області певних успіхів. Джерелом енергій для літаючих роботів цих моделей служить літій-полімерний акумулятор, що володіє ємністю 400 мА * год, вагою всього 23 грами. Так як енергоспоживання є максимально низьким з можливих, роботу апарату вдалося збільшити до одинадцяти хвилин.

Бортовий комп'ютер літаючого апарата заснований на процесорі ARM Cortex-M3, тактова частота якого не перевищує 700 МГц. Комп'ютер отримує і обробляє інформацію з датчиків, встановлених на тривісних акселерометрі і магентомере, двох гіроскопах, барометрі для висоти. Один з гіроскопів є двохосьовим і вимірює тангаж і крен. Що стосується іншого гіроскопа, то він - одноосьовий, а головне його завдання - вимірювання нишпорення пристрою.

Важливо підкреслити, що датчики передають інформацію тільки про переміщення конкретного «свого» квадролета, а про ситуацію, яка відбувається навколо, вони не повідомляють нічого. Конструктори не передбачили на них установку відеокамери або хоча б далекоміра.

Деякі квадрокоптера в GRASP доповнюють ще й камерою Kinect. У цьому випадку квадроптером стає можливим побудувати тривимірну картину того, що їх оточує. Але це не ті роботи, про які ми ведемо мову тут. Так як дослідників цікавила максимально можлива мініатюрність, вони мито істотні експерименти.

Орієнтація у просторі мініатюрних квадролётов GRASP забезпечується за допомогою зовнішньої системи захоплення руху, створеної в компанії Vicon. Саме ця система встановлена ​​в лабораторії і її використовують вчені, які працюють там. Дані, які збираються за допомогою цієї системи, спочатку обробляються на стаціонарній робочої станції, після чого по бездротовому протоколу ZigBee передаються квадролетам. Цікаво, що робоча станція і кожен літаючий робот обмінюються інформацією не менше ста разів за одну секунду.

Чому ж, все-таки, в цій компанії, та й не тільки в ній, так ганятися за мініатюрністю? Відповідь досить проста - чим менше квадролет, тим він маневреннее. Це робить руху квадролетов дивними, неприродними. Всього за півсекунди вони можуть зробити 360-градусний перекид, протягом секунди «стрибнути» в сторону на ширину рівну ширині власного корпусу, зробити п'ять і більше обертів навколо осі і т.п.

Що дає така чудова маневреність показує відео, регулярно публікується дослідниками. Квадролети здійснюють стрімкі стрибки, легко змінюють орієнтацію в просторі, виконують трюки, які, не володій вони настільки надприродною маневреністю, виконати було б просто неможливо. Так, всіх вражає, наскільки легко квадролети долають вузькі отвори, нахилившись на 90 градусів всього на частку секунди.

Відомо, що неприємним, побічним ефектом мініатюрності є дуже низька вантажопідйомність. Саме цей побічний ефект і стимулював конструкторів працювати з колективами роботів. Один невеликий квадролет дійсно дуже слабкий, але коли ми беремо велику групу роботів, то їй під силу вирішити чи не будь-яке завдання. Виступаючи на конференції TED, професор Віджай Кумар, який представляв лабораторію GRASP проілюстрував цю ідею унікальним відеороликом. Сюжет відеоролика розповідав про мурах, який спільно несли в мурашник вантаж, вага якого був абсолютно непідйомним для жодного з них.

На думку Кумара, організація спільної роботи великої кількості літаючих роботів повинна засновувати на трьох принципах:

  • Управляти роботами необхідно децентралізовано, тому ієрархія тільки ускладнить і недозволено сповільнить процес. Роботам важливо обходитися без лідерів, так як це відбувається в мурашиному співтоваристві.
  • Повинен дотримуватися принцип анонімності, роботи повинні бути не відрізняються один від одного і взаємозамінні.
  • Інформація, які повинні використовувати роботи, може бути доступна тільки локально.

Той факт, що цілком можливо здається неможливим без суворої організації злагоджене групове поведінка в якому немає централізованого управління, доведений. Ще в 1986 році це наочно довів фахівець з комп'ютерної графіки Крейг Рейндольс, який створив в ті роки стало знаменитим додаток Boids.

Кожен об'єкт, що існує в Boids виття власний шлях вибирає виходячи з трьох зовсім нескладних правил. Перше з них - тримай дистанцію між тобою і іншим об'єктом. Друге - рухайся туди, де розташовується наступний об'єкт. Третє - прагни до центру, туди, де концентрується група найближчих об'єктів.

Літаючі роботи-квадролёти і їх перспективи

В результаті об'єкти, представлені на на екрані Boids прекрасно самоорганізуються і групуються в рухливі групи. При цьому своїми пересуваннями вони дуже нагадують косяки риб і зграї птахів. Пізніше допрацьовані алгоритми Boids стали постійно використовуватися при створенні спецефектів у кіно, наприклад, у тих випадках, коли було потрібно зображення правдоподібного масової поведінки людей.

Так як літаючі роботи не потребують імітуванні косяків риб, вони обходяться менш складним алгоритмом. Для того щоб зіткнень в повітрі не відбувалося, їм необхідно лише строго підтримувати дистанцію між собою. Кожен з роботів, при цьому, виконують свою власну задачу, змінюючи траєкторію тільки тоді, коли реальною стає загроза зіткнення. Проблем з маневреністю у них не буває в силу тих технічних характеристик, якими вони спочатку наділені.

Але це всього лише теорія. Принципи, перераховані віджеєм Кумаром, безумовно, використовуються в GRASP в дослідженнях в області децентралізованого управління роботами, але не повною мірою.

У минулому році дослідники з лабораторії GRASP - Алекс Кушелєв, Деніел Меллінгер і Віджай Кумар опублікували свою роботу Towards A Swarm of Agile Micro Quadrotors. У цій роботі стверджується, що колектив літаючих роботів складається з декількох незв'язаних груп взаємодіючих децентралізовано. Проте всередині кожної з цих груп дисципліна, що називається, залізна.

Згідно вченим, існує два способи організації груп, адаптованих до різних ситуацій. У першому випадку - це політ ладом. Лад являє собою розташування роботів в певному порядку, і потім повторення всіх рухів лідерів. Другий спосіб організації - це ланцюжок. При цьому способі організації роботів першим летить лідер, а решта дисципліновано і з деякою витратою рухаються за ним. І в тому і в іншому випадку справа спрощує те, що необхідно лише прораховувати і враховувати траєкторію руху лідера. Автономні, в такому випадку, роботи? Кумар, відповідаючи на це питання пояснив, що централізованої є лише стратегія, тактично роботи можуть пересуватися цілком самостійно.

Слід очікувати, що в недалекому майбутньому рій літаючих міні-роботів не покине стіни лабораторій, т.к. їх корисність обмежується залежністю від зовнішніх датчиків і недостатнім часом автономної роботи цих пристроїв. Проте в цьому світі все можливо.

   
   

Цей проект є науково-популярним періодичним виданням, що покликаний висвітлювати нові технології і допомагати робити наше життя кращим. Знання - ось що є двигуном прогресу, не тільки лінь. Ми - це сайт наукових новин, ми регулярно збираємо і публікуємо новини в науці, техніці, медицині, космонавтиці, а також пишемо про все найцікавіше у світі науки.

Зображення