Исследование было опубликовано 26 февраля 2015 года в журнале Bioinspiration. Биомиметика.
Все самолеты, от дронов до пусковой установки Ariane, в настоящее время оснащены инерциальным измерительным блоком, включая акселерометры. Это позволяет этим самолетам стабилизировать крен и тангаж относительно горизонта или, скорее, относительно его перпендикуляра: направления на центр Земли. Акселерометр измеряет все ускорения самолета, включая гравитацию, которая всегда направлена к центру Земли.
Однако этому важному инструменту нет аналогов у насекомых, которые без этой информации прекрасно летают.Поэтому исследователи Фабьен Эксперт и Франк Руффье вдохновились крылатыми насекомыми для создания BeeRotor, привязанного летающего робота1, способного впервые регулировать свою скорость и следовать по местности без акселерометра и без измерения скорости или высоты. При весе 80 грамм и длине 47 сантиметров он может самостоятельно преодолевать вертикальные препятствия в туннеле с движущимися стенами.
Чтобы добиться этого, исследователи имитировали способность насекомых использовать проходящий ландшафт во время полета. Это известно как оптический поток, принцип которого можно легко наблюдать при движении по автомагистрали: вид спереди достаточно стабильный, но если смотреть в обе стороны, пейзаж проходит все быстрее и быстрее, достигая максимума под углом. под углом 90 градусов к траектории движения автомобиля.Для измерения оптического потока BeeRotor оснащен всего 24 фотодиодами (или пикселями), расположенными вверху и внизу его глаза. Это позволяет ему обнаруживать контрасты в окружающей среде, а также их движение.
Как и в случае с насекомыми, скорость, с которой объект в пейзаже перемещается от одного пикселя к другому, обеспечивает угловую скорость потока. Когда поток увеличивается, это означает, что скорость робота также увеличивается или что расстояние относительно препятствий уменьшается.В качестве мозга BeeRotor имеет три петли обратной связи2, которые действуют как три разных рефлекса, которые напрямую используют оптический поток. Первый контур обратной связи заставляет его изменять высоту, чтобы следовать за полом или крышей.
Второй контролирует скорость робота, чтобы приспособить ее к размеру туннеля, по которому он летит. Третья петля стабилизирует глаз по отношению к местному уклону с помощью специального двигателя. Это позволяет роботу всегда получать наилучшее поле зрения независимо от угла наклона. Таким образом, BeeRotor может избегать препятствий с очень крутым уклоном без акселерометра и без измерения скорости или высоты.
В конце 2013 года на эту технологию был получен патент.Таким образом, с помощью BeeRotor можно выдвинуть новую, биологически правдоподобную гипотезу, объясняющую, как насекомые могут летать без акселерометра: крылатые насекомые могут использовать сигналы оптического потока, чтобы оставаться стабильными, благодаря петлям обратной связи, аналогичным тем, которые используются роботом.Это первое в мире устройство также имеет промышленное применение.
Акселерометры и, следовательно, инерциальные системы отсчета3, которые их содержат, слишком тяжелы и громоздки для очень маленьких роботов. При массе порядка одного грамма они не подходят для роботов весом около десяти граммов, которые можно было бы использовать, например, для проверки трубопроводов. Легкость также требуется в космической отрасли, где каждый килограмм, отправляемый в космос, имеет значительную стоимость.
Без необходимости замены акселерометров, оптические датчики потока могут использоваться в качестве сверхлегкой резервной системы в случае сбоя в космической миссии4.(1) Робот, который имеет 3 степени свободы (шаг, высота, вперед), летает вокруг оси, к которой он прикреплен рукой, управляемой самим роботом.(2) Контур обратной связи использует выходные данные процесса, в данном случае оптический поток, для вычисления входных данных, в данном случае скорости каждого ротора. Это известно как петля отрицательной обратной связи, которая снижает колебания оптического потока.
(3) Инерциальная система отсчета — это инструмент, используемый в навигации, который может обрабатывать измерения движения устройства (ускорение и угловую скорость), чтобы оценить его ориентацию (углы крена, тангажа и курса).(4) Тема, частично затронутая в следующей статье, опубликованной в прессе: Субоптимальная посадка на Луну GNC с использованием биоиндуцированных оптических датчиков потока без кардана, Г. Сабирон, Т. Рахариджаона, Л. Берлион, Э. Кервендал, Э. Борншлегл. и Ф. Руффье, IEEE TAES, 2015.