Шмели — одни из самых маневренных существ в природе. Они зависают в воздухе, мгновенно разворачиваются и меняют направление. Секрет — в вихревой аэродинамике: каждый взмах создает устойчивые вихри, которые дают подъемную силу.
Но машущий полет сам по себе крайне неустойчив. В природе нервная система шмеля непрерывно корректирует движения крыльев. У цифровой модели или робота равновесие теряется при малейшем порыве ветра.
Ученые Московского физико-технического института и Сколтеха создали алгоритм, который стабилизирует полет миниатюрных роботов с машущими крыльями. Система управляет тремя параметрами: амплитудой взмаха, наклоном траектории крыла и углом поворота крыла вокруг своей оси. На каждом шаге алгоритм рассчитывает, как изменить эти параметры, чтобы сохранить курс и быстро вернуть аппарат к устойчивому движению после возмущения.
Чтобы виртуальный шмель быстро восстанавливал устойчивость после порывов ветра, мы использовали нелинейный контроллер на основе дискретной функции Ляпунова. Алгоритм оценивает текущее состояние модели и вычисляет такие изменения кинематики крыльев, которые уменьшают отклонение от заданного курса
Алгоритм проверили в цифровой аэродинамической трубе. Обычный линейный контроллер удерживал модель только при ветре силой до 50–60% от веса объекта. Новый гибридный алгоритм справился с порывами, сила которых в полтора раза превышала вес аппарата. Время стабилизации — от 3 до 6 с.
Наш метод позволяет роботу сохранять устойчивый полет в гораздо более широком диапазоне условий. Это особенно важно для микророботов, которым предстоит работать в экстремальной среде: между деревьями, внутри зданий, в поисково-спасательных операциях, при мониторинге инфраструктуры или опылении растений в теплицах
Вычислительная среда построена по архитектуре «восприятие — вычисление — воздействие» и совместима с обучением с подкреплением. Это позволяет сравнивать классические регуляторы, нейросети и гибридные схемы. В будущем ученые планируют усложнить модель и объединить гибридный контроллер с нейросетями для полностью автономной навигации крылатых микророботов. Исследование опубликовано в журнале Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation.
Ранее Наука Mail писала о том, что робот-шмель в будущем сможет опылять растения на Марсе.