Блог Олега Сарычева

Мы как-то уже привыкли, что летающие роботы-вертолёты выполняются не по классической схеме с единственным главным ротором (или двумя) и, иногда, с небольшим хвостовым ротором, а имеют крестообразную конфигурацию и четыре ротора. И называются они квадрокоптерами. Робототехники “по умолчанию” считают, что у классического квадрокоптера должно быть столько двигателей, сколько роторов, т.е., четыре. А, поскольку, есть “мода” (или согласно ТРИЗ, Теории решения изобретательских задач линия развития) на “один – два – много”). В применении к роботам-вертолётам это означает увеличение количества роторов 1 – 2 – 4 (квадрокоптер) – 6 (гексакоптер) –8 -> (?).

Робототехники свято верят, что для приведения в действия каждого ротора нужно использовать свой двигатель. И по мере увеличения у робота количества роторов, пропорционально растёт и количество двигателей. Уже для квадрокоптера их нужно использовать четыре.  … И возникает здравая мысль – а не много ли?

В ТРИЗ существует такое понятие – “свёртывание” технических систем (ТС). В простейшем случае “свёртывание” выполняется так. Если в каком-то устройстве (ТС) используются несколько одинаковых узлов, блоков (подсистем), выполняющих одну и ту же функцию, то можно использовать только одну подсистему. Более радикально, из технической системы можно удалить подсистему, а её функции возложить на оставшиеся подсистемы. В применении к роботам вертолётам это означает – использовать для приведения в действие роторов робота-вертолёта минимально возможное количество двигателей.

Лаборатория робототехники университета штата Пенсильвании (Modular Robotics Laboratory at the University of Pennsylvania) предложила весьма интересные технические решения. Давайте посмотрим, каково минимальное число приводов необходимо для обеспечения управляемого полета.

Поясним технические детали. Когда нижний зафиксирован и не вращается, верхний ротор должен изменять угол атаки (наклона) своих лопастей каждый раз за один оборот ротора вокруг своей оси. А ротор вращается со скоростью 40 оборотов в секунду. Это очень трудно реализовать на практике.

В случае робота показанного на видео, для установки нужного угла атаки лопастей ротора используется пассивная связь, которая превращает угловое ускорение вала двигателя в изменение угла наклона лопастей ротора. “Пульсируя” двигатель (изменяя его скорость вращения импульсами) можно управлять углом атаки лопастей ротора достаточно быстро (в пределах одного оборота ротора), что позволяет получить хорошую управляемость летательного аппарата по продольному и поперечному крену.

У этого робота также есть второй двигатель, заставляющий нижний ротор вращаться и уравновешивать угловой момент первого ротора, а также управлять отклонением от курса.

Когда сокращается количество двигателей и приводов роторов, цена и масса робота существенно понижаются, а его надёжность повышается, что делает его намного более универсальным. И если нужно сделать много роботов, их низкая стоимость и простота становятся самыми важными конструктивными особенностями.