A Control Theoretic Study on Omnidirectional MAVs with Minimum Number of Actuators and No Internal Forces at Any Orientation
تقترح هذه الورقة وتتحقق من صحة فئة جديدة من المركبات الجوية متعددة المراوح متعددة الاتجاهات التي تتميز بهيكل متعدد الأجسام ذي وصلات سلبية، والتي تحقق التحكم الكامل في الوضعية باستخدام الحد الأدنى من المراوح أحادية الاتجاه ولا تولد أي قوى داخلية في حالة الاستقرار من خلال نموذج ديناميكي مشتق واستراتيجية تحكم بالخطيّة بالتغذية الراجعة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أن السماء عبارة عن ساحة رقص عملاقة وغير مرئية، وتحاول عليها روبوتات طائرة صغيرة تسمى "الدرونز" أداء رقصاتها. لفترة طويلة، كانت هذه الدرونز مثل الراقصين الخرقاء الذين لا يستطيعون سوى التحرك للأمام، وللخلف، والدوران في مكانهم. إذا أرادت التحرك جانبيًا أو الميل أثناء الطيران، فعليها أن تلتوي بأجسادها بالكامل بشكل غريب، مما يحد من قدراتها. وذلك لأن "أرجلها" (المراوح) جميعها مثبتة في نفس الاتجاه، مثل مجموعة من الأشخاص يحاولون دفع سيارة وهم يواجهون اتجاه الأمام فقط. لقد حاول العلماء بناء درونز يمكنها الرقص في أي اتجاه — جانبًا، أو مقلوبًا، أو مائلًا — دون أن تفقد توازنها. وهذا ما يسمى بـ "تعدد الاتجاهات" (omnidirectionality). وكان التحدي الكبير هو أن جعل الدرون يفعل ذلك يتطلب عادةً إضافة الكثير من المحركات، أو بطاريات ثقيلة، أو إهدار الطاقة في صراع مع نفسه لمجرد البقاء ثابتًا.
الآن، تخيل نوعًا جديدًا من الدرونز يحل هذا اللغز. بدلًا من الصندوق الصلب ذي المراوح الثابتة، تخيل جسمًا رئيسيًا متصلًا بأذرع عبر مفاصل تسمح لها بالتأرجح، ولكن مع مقاومة محددة (احتكاك لزوجي) بدلًا من كونها حرة تمامًا. وفي نهاية هذه الأذرع، توجد وحدات مراوح مثبتة على الأذرع، وليست تدور بحرية من تلقاء نفسها. لقد طرح الباحثون وراء هذه الدراسة، أحمد علي، وكيارا غابيلييري، وأنطونيو فرانكي، سؤالًا جريئًا: هل يمكننا بناء درون يمكنه الطيران في أي اتجاه باستخدام الحد الأدنى من عدد المحركات الممكنة، دون إهدار الطاقة في صراعات داخلية، ودون الحاجة إلى مراوح يمكنها الدفع والسحب؟
يقترح البحث تصميمًا جديدًا لهذه "المركبات الجوية متعددة المروحيات" (MAVs) يستخدم حيلة ذكية. فهم يقترحون هيكلًا يتكون من جسم رئيسي متصل بعدة أذرع (وصلات) عبر مفاصل سلبية. هذه المفاصل ليست مدعومة بمحركات؛ فهي تسمح للأذرع بالتأرجح فحسب، لكنها تخضع لاحتكاك لزوجي. ومع ذلك، تم تصميم الأذرع بحيث يخلق وزن الذراع ودفع المروحة توازنًا طبيعيًا. هناك نسختان من هذه الفكرة: نسخة حيث تتأرجح الأذرع من تلقاء نفسها (النوع 1)، ونسخة أكثر تقدمًا (النوع 2) حيث يتم التحكم في ذراع واحدة على الأقل بنشاط بواسطة محرك أو زوج خاص من المراوح التي يمكنها الدفع ضد بعضها البعض لخلق قوة دوران.
وجد الفريق أن النسخة الأولى (النوع 1) لا تعمل تمامًا من أجل حرية الحركة الكاملة؛ فهي تشبه الراقص الذي يمكنه الدوران ولكنه لا يستطيع الانزلاق جانبيًا. ومع ذلك، فإن النسخة الثانية (النوع 2) هي نجمة العرض. فمن خلال استخدام نظام تحكم ذكي (وصفة رياضية تسمى "تخطيط المدخلات/المخرجات الخطي" - Input/Output Feedback Linearization)، أثبتوا أن هذا الدرون يمكنه التحكم في موقعه وميله بدقة. يمكنه الحوّم في أي وضعية دون توليد أي قوى داخلية مهدرة (لا صراع مع نفسه) ويستخدم فقط مراوح تدفع في اتجاه واحد، وهي أرخص وأكثر كفاءة.
لم يكتف الباحثون بالحلم بهذا الأمر فحسب؛ بل بنوا نموذجًا رياضيًا لفيزياء الدرون وأجروا محاكاة حاسوبية لاختباره. وقد أظهروا أنه مع وجود العدد المناسب من المدخلات (المساوية لعدد الطرق التي يحتاج الدرون للتحرك بها)، يمكن للدرون أن يثبت نفسه ويتبع مسارًا. حتى أنهم اختبروا مدى قدرته على التعامل مع الأخطاء، مثل إذا كان وزن الدرون مختلفًا قليلاً عما هو متوقع أو إذا ضربت هبة ريح. أظهرت عمليات المحاكاة أنه بينما يكون الدرون حساسًا للتغيرات في وزنه، إلا أنه لا يزال قادرًا على التعافي والطيران جيدًا، خاصة إذا تغيرت الرياح بسرعة.
باختصار، تقدم هذه الورقة البحثية طريقة أكثر رشاقة لبناء الروبوتات الطائرة. فهي تثبت أنك لست بحاجة إلى سرب من المحركات أو مراوح باهظة الثمن وقابلة للعكس لجعل الدرون يمكنه الطيران في أي اتجاه. فمن خلال السماح لأذرع الدرون بالتأرجح بشكل طبيعي (مع احتكاك متحكم به) واستخدام "عقل" ذكي للتحكم فيها، تحصل على آلة أخف وزنًا، وأرخص ثمنًا، وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، قادرة على أداء رقصات جوية معقدة كانت مستحيلة سابقًا بالتصاميم القياسية. الباحثون واثقون في رياضياتهم ومحاكاتهم، مشيرين إلى أن هذا يعد خطوة صلبة للأمام، رغم ملاحظتهم أن الاختبار الواقعي في المختبر هو الخطوة الكبيرة التالية لمعرفة ما إذا كان سيطير في العالم الحقيقي بنفس جودة طيرانه على الكمبيوتر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.