A Control Theoretic Study on Omnidirectional MAVs with Minimum Number of Actuators and No Internal Forces at Any Orientation
Dieses Papier schlägt eine neue Klasse omnidirektionaler Multirotor-Luftfahrzeuge vor und validiert diese, welche eine Mehrkörperstruktur mit passiven Gelenken aufweist, die eine volle Pose-Kontrollierbarkeit unter Verwendung einer minimalen Anzahl unidirektionaler Propeller erreicht und durch ein abgeleitetes dynamisches Modell sowie eine Feedback-Linearisierungs-Regelstrategie keine internen Kräfte im stationären Zustand erzeugt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, der Himmel sei eine riesige, unsichtbare Tanzfläche und darauf versuchen winzige fliegende Roboter, die Drohnen, eine Performance zu zeigen. Lange Zeit waren diese Drohnen wie tollpatschige Tänzer, die sich nur vorwärts, rückwärts und auf der Stelle drehen konnten. Wenn sie seitlich fliegen oder sich neigen wollten, mussten sie ihre ganzen Körper ungeschickt verdrehen, was ihre Möglichkeiten einschränkte. Das lag daran, dass ihre „Beine“ (Propeller) alle in dieselbe Richtung zeigten, wie eine Gruppe von Menschen, die versuchen, ein Auto zu schieben, während sie alle nur nach vorne blicken. Wissenschaftler haben versucht, Drohnen zu bauen, die in jede beliebige Richtung tanzen können – seitwärts, kopfüber oder geneigt –, ohne das Gleichgewicht zu verlieren. Dies wird als „Omnidirektionalität“ bezeichnet. Die große Herausforderung bestand darin, dass das Bau einer solchen Drohne normalerweise zu vielen Motoren erforderte, schwere Batterien benötigte oder Energie verschwendete, indem sie gegen sich selbst ankämpfte, nur um stillzustehen.
Stellen Sie sich nun eine neue Art von Drohne vor, die dieses Rätsel löst. Anstatt eines starren Kastens mit festen Propellern stellen Sie sich einen Hauptkörper vor, der durch Gelenke mit Armen verbunden ist, die es den Armen ermöglichen zu schwingen, aber mit einem spezifischen Widerstand (viskoser Reibung), anstatt völlig lose zu sein. Am Ende dieser Arme befinden sich Propellereinheiten, die fest an den Armen montiert sind und nicht frei um ihre eigene Achse rotieren können. Die Forscher hinter dieser Studie, Ahmed Ali, Chiara Gabellieri und Antonio Franchi, stellten eine kühne Frage: Können wir eine Drohne bauen, die in jede Richtung fliegen kann, mit der minimalen Anzahl an Motoren, ohne Energie durch interne Kämpfe zu verschwenden und ohne Propeller zu benötigen, die drücken und ziehen können?
Das Paper schlägt ein neues Design für diese „Multirotor Aerial Vehicles“ (MAVs) vor, das einen klugen Trick verwendet. Sie schlagen eine Struktur vor, bei der ein Hauptkörper über passive Gelenke mit mehreren Armen (Gliedern) verbunden ist. Diese Gelenke werden nicht durch Motoren angetrieben; sie lassen die Arme lediglich schwingen, sind jedoch einer viskosen Reibung unterworzogen. Die Arme sind jedoch so konstruiert, dass das Gewicht des Arms und der Schub des Propellers ein natürliches Gleichgewicht erzeugen. Es gibt zwei Versionen dieser Idee: Eine, bei der die Arme einfach von selbst schwingen (Typ 1), und eine fortgeschrittenere Version (Typ 2), bei der mindestens ein Arm aktiv durch einen Motor oder ein spezielles Paar von Propellern gesteuert wird, die gegeneinander drücken können, um eine Drehbewegung zu erzeugen.
Das Team fand heraus, dass die erste Version (Typ 1) nicht ganz für die volle Bewegungsfreiheit ausreicht; es ist wie eine Tänzerin, die sich zwar drehen kann, aber nicht seitwärts gleiten kann. Die zweite Version (Typ 2) hingegen ist der Star der Show. Durch den Einsatz eines intelligenten Steuerungssystems (ein mathematisches Rezept namens „Input/Output Feedback Linearization“) bewiesen sie, dass diese Drohne ihre Position und Neigung perfekt kontrollieren kann. Sie kann in jeder Orientierung schweben, ohne unnötige interne Kräfte zu erzeugen (kein Kampf gegen sich selbst) und verwendet nur Propeller, die in eine Richtung drücken, was kostengünstiger und effizienter ist.
Die Forscher haben dies nicht nur erdacht; sie erstellten ein mathematisches Modell der Physik der Drohne und führten Computersimulationen durch, um sie zu testen. Sie zeigten, dass die Drohne mit genau der richtigen Anzahl an Eingaben (gleich der Anzahl der Wege, auf denen sich die Drohne bewegen muss), in der Lage ist, sich selbst zu stabilisieren und einem Pfad zu folgen. Sie testeten sogar, wie gut sie mit Fehlern umgeht, wie etwa wenn das Gewicht der Drohne etwas anders ist als erwartet oder wenn eine Windböe auftrifft. Die Simulationen zeigten, dass die Drohne zwar empfindlich auf Änderungen ihres Gewichts reagiert, aber dennoch in der Lage ist, sich zu erholen und gut zu fliegen, insbesondere wenn sich der Wind schnell ändert.
Kurz gesagt führt dieses Paper einen neuen, schlankeren Weg zum Bau fliegender Roboter ein. Es beweist, dass man keinen Schwarm von Motoren oder teure, umkehrbare Propeller benötigt, um eine Drohne zu bauen, die in jede Richtung fliegen kann. Indem man die Arme der Drohne natürlich schwingen lässt (mit kontrollierter Reibung) und ein intelligentes Gehirn zur Steuerung nutzt, erhält man eine Maschine, die leichter, günstiger und energieeffizienter ist und in der Lage ist, komplexe Flugtänze auszuführen, die mit Standarddesigns zuvor unmöglich waren. Die Autoren sind zuversichtlich in ihre Mathematik und Simulationen und deuten an, dass dies ein solider Schritt nach vorne ist, merken jedoch an, dass reale Tests in einem Labor der nächste große Schritt sind, um zu sehen, ob sie in der realen Welt genauso gut fliegt wie auf dem Computer.
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