A Control Theoretic Study on Omnidirectional MAVs with Minimum Number of Actuators and No Internal Forces at Any Orientation
यह शोध पत्र एक नए प्रकार के सर्वदिशीय (ओम्नीडायरेक्शनल) मल्टीरोटर हवाई वाहनों का प्रस्ताव और सत्यापन करता है जिसमें निष्क्रिय जोड़ों (पैसिव जॉइंट्स) वाला एक बहु-शरीर संरचना है, जो एक व्युत्पन्न गतिशील मॉडल और फीडबैक लीनियराइजेशन नियंत्रण रणनीति के माध्यम से न्यूनतम एकदिशीय प्रोपेलरों का उपयोग करके पूर्ण पोज़ नियंत्रणीयता प्राप्त करता है और स्थिर अवस्था में कोई आंतरिक बल उत्पन्न नहीं करता है।
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कल्पना कीजिए कि आकाश एक विशाल, अदृश्य डांस फ्लोर है, और उस पर, नन्हे उड़ने वाले रोबोट जिन्हें ड्रोन कहा जाता है, नृत्य करने की कोशिश कर रहे हैं। लंबे समय से, ये ड्रोन अनाड़ी नर्तकों की तरह रहे हैं जो केवल आगे, पीछे और एक ही जगह पर घूम सकते हैं। यदि वे उड़ते समय बगल में या झुककर हिलना चाहते हैं, तो उन्हें अपने पूरे शरीर को अजीब तरह से मरोड़ना पड़ता है, जो उनकी क्षमताओं को सीमित कर देता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उनके "पैर" (प्रोपेलर्स) सभी एक ही दिशा में इशारा करते हुए अटके हुए हैं, जैसे लोगों का एक समूह कार को धक्का देने की कोशिश कर रहा हो लेकिन वे केवल सामने की ओर ही देख रहे हों। वैज्ञानिक ऐसे ड्रोन बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो किसी भी दिशा में—बगल में, उल्टा, या झुके हुए—नृत्य कर सकें बिना अपना संतुलन खोए। इसे "ओम्नीडायरेक्शनैलिटी" (सर्वदिशीयता) कहा जाता है। बड़ी चुनौती यह रही है कि ड्रोन को ऐसा करने के लिए बनाने में आमतौर पर बहुत अधिक मोटर लगाने, भारी बैटरी का उपयोग करने, या खुद से ही लड़कर ऊर्जा बर्बाद करने की आवश्यकता होती है।
अब, एक नए प्रकार के ड्रोन की कल्पना करें जो इस पहेली को हल करता है। एक निश्चित प्रोपेलर्स वाले कठोर बॉक्स के बजाय, एक मुख्य शरीर की कल्पना करें जो जोड़ों द्वारा भुजाओं (आर्म्स) से जुड़ा हुआ है जो झूलने की अनुमति देते हैं, लेकिन एक विशिष्ट प्रतिरोध (विस्कस फ्रिक्शन) के साथ, न कि पूरी तरह से ढीले। इन भुजाओं के अंत पर प्रोपेलर इकाइयाँ हैं जो भुजाओं से स्थिर रूप से जुड़ी हुई हैं, न कि अपने आप स्वतंत्र रूप से घूम रही हैं। इस अध्ययन के पीछे के शोधकर्ताओं, अहमद अली, चियारा गैबेलेरी और एंटोनियो फ्रांची ने एक साहसी प्रश्न पूछा: क्या हम एक ऐसा ड्रोन बना सकते हैं जो न्यूनतम मोटरों का उपयोग करके किसी भी दिशा में उड़ सके, बिना आंतरिक संघर्ष के ऊर्जा बर्बाद किए, और बिना ऐसे प्रोपेलर्स के जो धक्का दे सकें और खींच सकें?
यह शोध पत्र इन "मल्टीरोटर एरियल व्हीकल्स" (MAVs) के लिए एक नए डिजाइन का प्रस्ताव देता है जो एक चतुर तरकीब का उपयोग करता है। वे सुझाव देते हैं कि एक ऐसी संरचना जहाँ एक मुख्य शरीर कई भुजाओं (लिंक्स) से निष्क्रिय जोड़ों (पैसिव जॉइंट्स) के माध्यम से जुड़ा होता है। ये जोड़ शक्ति चालित नहीं हैं; वे बस भुजाओं को झूलने देते हैं, लेकिन वे विस्कस फ्रिक्शन के अधीन होते हैं। हालाँकि, भुजाओं को इस तरह डिज़ाइन किया गया है कि भुजा का वजन और प्रोपेलर का धक्का एक प्राकृतिक संतुलन बनाता है। इस विचार के दो संस्करण हैं: एक जहाँ भुजाएँ अपने आप झूलती हैं (टाइप 1), और एक अधिक उन्नत संस्करण (टाइप 2) जहाँ कम से कम एक भुजा को एक मोटर या विशेष जोड़ी प्रोपेलर्स द्वारा सक्रिय रूप से नियंत्रित किया जाता है जो मुड़ने की शक्ति पैदा करने के लिए एक-दूसरे के विरुद्ध धक्का दे सकते हैं।
टीम ने पाया कि पहला संस्करण (टाइप 1) पूर्ण स्वतंत्रता के लिए पूरी तरह काम नहीं करता है; यह एक ऐसे नर्तक की तरह है जो घूम तो सकता है लेकिन बगल में फिसल नहीं सकता। हालाँकि, दूसरा संस्करण (टाइप 2) असली सितारा है। एक स्मार्ट नियंत्रण प्रणाली (एक गणितीय रेसिपी जिसे "इनपुट/आउटपुट फीडबैक लीनियराइजेशन" कहा जाता है) का उपयोग करके, उन्होंने साबित किया कि यह ड्रोन अपनी स्थिति और झुकाव को पूरी तरह से नियंत्रित कर सकता है। यह बिना किसी बर्बाद आंतरिक बल को उत्पन्न किए (खुद से लड़े बिना) किसी भी ओरिएंटेशन में स्थिर रह सकता है और केवल उन्हीं प्रोपेलर्स का उपयोग करता है जो एक ही दिशा में धक्का देते हैं, जो सस्ते और अधिक कुशल हैं।
शोधकर्ताओं ने केवल इसकी कल्पना नहीं की; उन्होंने ड्रोन के भौतिकी का एक गणितीय मॉडल बनाया और परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। उन्होंने दिखाया कि सही संख्या में इनपुट (उन तरीकों के बराबर जिनमें ड्रोन को हिलने की आवश्यकता होती है) के साथ, ड्रोन खुद को स्थिर कर सकता है और एक पथ का अनुसरण कर सकता है। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि वे गलतियों को कितनी अच्छी तरह संभालते हैं, जैसे कि यदि ड्रोन का वजन उम्मीद से थोड़ा अलग है या हवा का एक झोंका लग जाए। सिमुलेशन ने दिखाया कि हालांकि ड्रोन अपने वजन में बदलाव के प्रति संवेदनशील है, फिर भी यह उबर सकता है और अच्छी तरह से उड़ सकता है, खासकर यदि हवा तेजी से बदलती है।
संक्षेप में, यह शोध पत्र उड़ने वाले रोबोट बनाने का एक नया, हल्का तरीका पेश करता है। यह साबित करता है कि आपको किसी भी दिशा में उड़ने वाला ड्रोन बनाने के लिए बहुत सारे मोटरों या महंगे, परिवर्तनीय प्रोपेलर्स की आवश्यकता नहीं है। यह दिखाकर कि ड्रोन की भुजाओं को स्वाभाविक रूप से (नियंत्रित घर्षण के साथ) झूलने देना और उन्हें नियंत्रित करने के लिए एक स्मार्ट मस्तिष्क का उपयोग करना, आपको एक ऐसी मशीन मिलती है जो हल्की, सस्ती और अधिक ऊर्जा-कुशल है, जो उन जटिल हवाई नृत्यों को करने में सक्षम है जो मानक डिजाइनों के लिए पहले असंभव थे। लेखक अपने गणित और सिमुलेशन के प्रति आश्वस्त हैं, यह सुझाव देते हुए कि यह एक ठोस कदम है, हालांकि वे नोट करते हैं कि वास्तविक दुनिया में प्रयोगशाला में परीक्षण करना अगला बड़ा कदम है ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह वास्तविक दुनिया में कंप्यूटर की तरह ही अच्छा उड़ता है।
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