Инженеры из института динамических систем и управления Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) сконструировали летательный аппарат с одной движущейся частью, который называют «первым в мире» [на самом деле подобные эксперименты проводились и раньше, см. в комментариях — прим.].
У современного вертолёта тысячи движущихся частей. У первых самолётов было две подвижные части: винт и хвостовой поворотник. В ETH Zurich сделали управляемый летательный аппарат вообще с одной подвижной частью. Коптер под названием моноспинер (Monospinner) — механически самая простая управляемая летающая конструкция среди всех существующих. У него есть только воздушный винт, никаких дополнительных приводов или аэродинамических поверхностей.
Моноспинер не умеет зависать, как обычный мультикоптер. Его воздушный винт направлен не вверх, а в сторону. Тем не менее, инженерам удалось добиться равновесия между силой тяжести и подъёмной силой винта, рассчитав векторы всех сил.
Таким образом, моноспинер всё-таки способен сохранять динамическое равновесие и удерживать своё положение в пространстве примерно в одном месте, если будет сохранять постоянную угловую скорость и тягу винта.
Правда, пока это невозможно без обратной связи. На видео показано, что в автономном зависании без обратной связи равновесие быстро исчезает.
У моноспинера ещё один недостаток — он не может подняться в воздух из горизонтального положения, когда винт направлен вверх, так что его приходится всегда запускать с руки.
Сложно сказать, какие преимущества этот аппарат имеет перед обычными мультикоптерами, кроме более простой конструкции. Например, такая модель позволяет лучше сохранять динамическое равновесие в условиях сильных возмущений воздушной среды. Дрон умеет эффективно выходить из состояния неконтролируемого вращения.
Кстати, в институте динамических систем и управления Швейцарской высшей технической школы Цюриха проводят очень интересные эксперименты с летательными аппаратами нетрадиционной конструкции. Например, ещё одна из последних разработок — восьмивинтовой омникоптер с шестью степенями свободы.
«Омникоптер — это надёжный беспилотник будущего, — говорит профессор Рафаэло Д’Андреа (Raffaello D’Andrea), который возглавляет разработку необычных БПЛА в Швейцарской высшей технической школе Цюриха. — Если какая-то часть выходит из строя, двигатель или блок аккумуляторов, или одна из половин дрона полностью отключится, повреждённый омникоптер все еще будет лететь туда, куда должен. Если моноспиннер — это образец экономности, то этот аппарат, омникоптер с восемью винтами, — пример избыточности. Что нам дают все эти излишества? Обратите внимание, конструкция очень симметрична, поэтому для неё не имеет значения ориентация в пространстве. Это открывает необыкновенные возможности! Дрон может двигаться в воздухе безоотносительно того, где верх, а где низ и как он вращается. Правда, у дрона свои сложности, в основном связанные с взаимодействием потоков от восьми пропеллеров».
Недавно профессор Д’Андреа прочитал очень интересную лекцию на конференции TED2016 в Ванкувере (mp4, есть стенограмма на русском языке). Он представил омникоптер, Monospinner и другие необычные летательные аппараты.
В своём выступлении профессор ещё раз напомнил, что практическая польза — не главная цель в разработке новых летательных конструкций, да и вообще в любых научно-технических разработках: «Реальность такова, что трудно предсказать влияние новых технологий. Для людей вроде нас главная награда — сам процесс работы и радость творчества. Это постоянное напоминание, в какой замечательной и волшебной Вселенной мы живём — она позволяет умным изобретательным созданиям так эффектно и ярко творить. То, что эти технологии имеют огромный коммерческий и экономический потенциал, — это лишь вишенка на торте», — сказал он.
Комментарии (27)
mm3
03.05.2016 14:48как вариант такой подход в управлении можно использовать в квадрокоптерах в аварийных случаях в случае отказа всех винтов кроме одного
Sleepwalker_ua
03.05.2016 15:41это у коптера должен быть четырехкратный запас подъемной силы, угу. Мечта прямо. с учетом того, что сейчас коптеры на всех винтах еле-еле поднимают себя сухую + еще столько же в нагрузку, т.е. двухкратный запас. Не считая того, что сия машинка имеет особую форму и расположение деталей для соблюдения правильного центра масс, что в квадрике будет недостижимо
mm3
03.05.2016 15:57+3в аварийном режиме никто и не требует поднимать, если будет управляемый спуск, это будет лучше беспорядочного кувыркания, а расположение центров масс не обязательно единственно возможное, необходимые условия скорей всего будут уточняться, единственное что можно заметить, так это так это то что центры масс не лежат на одной прямой
Krypt
10.05.2016 17:43Электрические двигатели квадракоптеров могут работать на скорости, превышающей штатную.
Собственно, если посмотрите в нормальном магазине характеристики двигателей — вы уведите 2 цифры: максимальный потребляемый ток и максимально допустимый кратковременный ток (~10 секунд, после чего двигатель умирает от перегрева)
На счёт 1 двигателя mm3 погорячился, а вот системы, позволяющие посадить квадракоптер с одним неисправным двигателем действительно существуют.
vasimv
03.05.2016 17:26+1Невозможно практически, да и нафиг не нужно. Тут и запас по тяге, требуется и очень точное положение центра масс. Вообще это не летательный аппарат (так как неуправляем в принципе), а игрушка какая-то получается.
Вообще есть наработки по спуску квадракоптера без одного винта (когда его кружить начинает из-за невозможности компенсировать крутящий момент), простая модификация софта позволяет ему спуститься, кружась вокруг своей оси. Но тоже мало применимо на практике, так как в простых квадракоптерах банально не понять, когда один из моторов перестал работать (и какой). А для сложных коптеров — можно просто гекса или окто-коптер сделать.
speakingfish
04.05.2016 01:38Да, похоже что вся эта затея с монокоптерами и вырубанием половины винтов квадрокоптеров делается для исследования возможностей управления при потере части винтов.
В частности:
Квадрокоптер может выжить (войдя в контролируемое вращение)
1. при потере любого одного винта
2. при потере двух противоположных винтов в случае если они вращаются в одном направлении — это демонстрируется на видео.
Трикоптер может выжить (войдя в контролируемое вращение):
1. при потере до двух винтов кроме рулевого
6-винтовой омникоптер (третья схема, винты с переменным шагом или реверсом) выживает:
1. при потере любых двух винтов
2. при потере любых трёх винтов. Тут уж в зависимости от схемы и расположения повреждённых винтов — войдя в контролируемое вращение или без него. Могут возникнуть ситуации, либо как в монокоптере, либо как в квадрокоптере при потере противоположных винтов, либо всё спокойно и без вращения. Кстати на видео демонстрируется квадрокоптер из раздельных балок — как частный случай схемы 3. Но не рассматривается схема с винтами под 45градусов, что примерно соответствует квадрокоптерам с V-образным хвостом.
3. при потере четырёх винтов кроме противоположных — аналогично квадрокоптеру
4-х винтовой омникоптер (вторая схема — винты с переменным шагом, поворачивающиеся вокруг оси, проходящей через центр аппарата) выживает:
1. при потере двух любых винтов — без вращения
2. при потере трёх — с контролируемым вращением, аналогично монокоптеру
Вообще схема омникоптера с четырьмя поворачивающимися винтами избыточна, достаточно трёх. Четыре винта просто дают симметричность по всем направлениям.
А вот первая схема омникоптера с восемью винтами без переменного шага, (та, которая демонстрируется на видео) мне непонятна. Может кто-нть объяснить зачем это нужно? Они же только мешают друг другу. Почему нельзя было продемонстрировать схемы 2 и 3? Чем 8 винтов лучше?
Мои варианты:
1. Моторы без реверса, если винт повернут не той стороной, то он просто выключается, т.е. в любой момент времени работают только 4 винта. Но это не согласуется с фразой что они мешают друг другу.
2. Минимум 8 винтов в омникоптере могут уравновешивать угловой момент только за счёт вращения.
3. Проще сделать в кубе — жёсткость больше. Хотя мне в качестве основы более перспективным видится тенсегрити с выносами — всё жёстко + внутри много места для подвеса, а тут всё в центре пересекается.
4. Хотели сделать без винтов переменного шага, обойтись одним реверсом, но реверс происходит слишком долго, поэтому для устойчивости пришлось увеличить число винтов.
5. Винт под большим углом к потоку ведёт себя не так как хотелось бы.
Siper
03.05.2016 16:37+1камеру закрепить на таком будет проблемой
Amtell
03.05.2016 19:44зато если прикрепить заместо камеры сканер или локатор, отпадет необходимость задавать ему вращение
beeruser
03.05.2016 19:45Нужно вот такую штуку на вращающейся платформе закрепить
https://twitter.com/Shitty_Future/status/720222427796660224
rifin
03.05.2016 19:44+3моноспинер почти готовая мина противотанковая.У нас вроде с ураганов расбрасывають такие контейнеры на парашутах на танковую колонну. Тож вращается на спуске и сканирует под собой поверхность.А тут еще и привод, можно точнее прицеливать. А то и перелетать на сотни метров в сторону.
А вот этот " восьмивинтовой омникоптер с шестью степенями свободы." — практически готовое НЛО. Система управления уже есть фактически. Ждемс появления нового привода и источника энергии.И готово.
Arxitektor
03.05.2016 20:28Мечта прямо. с учетом того, что сейчас коптеры на всех винтах еле-еле поднимают себя сухую + еще столько же в нагрузку
В основном так. те которые летают минут по 10-20.
Но если брать гоночный то при весе в 700 гр тяга 1 мотора до 1 кило.
не хилая динамика выходит но летает мало
Опять все дело в батарейках. Одна из проблем человечества мощный компактный и недорогой источник энергии.
Как обычно можно выбрать 2 из 3. и то и 1 из 3.
Usper
03.05.2016 22:00Почему первый в мире? Идея монокоптера известна уже лет 100, пытались строить даже пилотируемые аппараты.
Shtucer
03.05.2016 22:23+22009 год
www.youtube.com/watch?v=u23Hqq8QbeElopatoid
04.05.2016 04:00В видео 2 движущиеся части: пропеллер и крыло. Движение крыла видно на 1:04 и на 1:56. В обсуждаемой же статье только одна подвижная часть.
Commun_Era
03.05.2016 22:52Видимо настаёт эра нового класса световых ночных шоу… Многоразовые летающие стаи дронов вместо фейерверков.
rPman
03.05.2016 23:35Сделать аккумулятор сменным (автоматически), разработать базу для посадки, перезарядки и взлета… и вот вам уже автономная система, работающая больше чем 5-10 минут… и стоящая как самолет :(
Commun_Era
03.05.2016 23:49Фейерверки как-бы тоже редко дольше 10 минут длятся, а с учётом одноразовости каждого выстрела, стоимость весьма приличная на ветер спускается.
Sleepwalker_ua
04.05.2016 13:56нанять команду пиротехников, оплатить расходники, выбить все разрешения, оборудовать безопасную площадку (согласитесь, что пара кг пороха, упавших с неба, гораздо опаснее, чем пара кг пластика, углеволокна и небольшого кол-ва электроники), организовать крутое пирошоу на 10 минут — это стоит тоже как самолет. причем примерно половина суммы (от 35 до 70%, если точнее, смотря какая сложность фигур и все такое) — это тупо расходники, которые эффектно взрываются в небе.
Так что сотня танцующих дронов, при изначально высокой стоимости (скажем, по 1000 у.е. каждый, с учетом допоборудования, т.е. 100к$ + еще столько же сверху на наземную СУ, обслуживание, аккумуляторы, фургончик с запчастями и квалифицированных операторов) довольно быстро окупятся из-за дешевизны эксплуатации — вряд ли за одно представление будет помирать больше 1-2 дронов, а аккумуляторов в таком случае будет хватать как минимум на десяток-другой выступлений с учетом репетиций и контрольных прогонов.rPman
04.05.2016 17:48Нужно тысячу дронов чтобы по качеству приблизиться к феерверкам, хотя да, даже сотня дронов может такое, чего не сможет дорогой феерверк.
p.s. конечно, дроны в конечном счете эффективнее траты чем жечь порох… так как 'гореть' будут аккумуляторы и электроэнергия
tormozedison
Вроде бы, игрушка «летающая фея» тоже с одной подвижной частью. Но она не может самостоятельно двигаться вбок.
tormozedison
Или она с двумя? Два пропеллера вращаются в противоположных направлениях, но у обоих лопасти развёрнуты так, чтобы воздушный поток был направлен вниз?
vivlav
У дочери была с одним. Само тело вращается, но не сильно, благодаря вертикальным крыльям, как у бабочки.
blind_oracle
Там соосная схема, как у Ка-52 :) У дочки сейчас такая. Плюс грузики для поддержки вертикального положения.
vasimv
Это разные феи. Есть обычные соосные вертолеты (с автоматом перекоса, да) в корпусе феи, а есть просто висящие в воздухе игрушки, у которых один «винт» и никакой стабилизации, кроме гироскопического эффекта и грузика внизу.
ilya42
Да, она неуправляемая. Там просто тормозится корпус за счёт крылышек. Чтобы в такой схеме можно было «рулить», пришлось бы добавить к винту полноценный автомат перекоса. А эта штука может управлять полетом, варьируя обороты пропеллера в зависимости от своего положения в пространстве.