Исследователи из МФТИ и Сколтеха скопировали аэродинамику шмеля и построили цифровую трубу. Новый алгоритм стабилизирует полёт даже при порывах, которые в полтора раза превышают собственный вес аппарата. Об этом сообщает «Хайтек».
Шмели мгновенно зависают, разворачиваются на месте и летят в любую сторону. Секрет в вихрях, которые создают подъёмную силу. Но сам по себе машущий полёт крайне неустойчив. В природе нервная система шмеля непрерывно считывает сигналы от глаз, усиков и органов равновесия и тут же подстраивает движения крыльев. Стоит перенести ту же аэродинамику на робота или цифровую модель, и она теряет равновесие от малейшего толчка.
Аспирант МФТИ Павел Коноплев и его коллеги построили вычислительную среду, которая позволяет испытывать алгоритмы управления в условиях порывистого ветра. Система управляет тремя параметрами крыла: амплитудой взмаха, наклоном траектории и углом поворота вокруг собственной оси. На каждом шаге алгоритм рассчитывает, как изменить эти три величины, чтобы сохранить скорость и как можно быстрее вернуть аппарат к устойчивому движению после удара.
Для быстрого восстановления учёные применили нелинейный контроллер. Он оценивает текущее состояние модели и вычисляет такие поправки кинематики крыльев, которые уменьшают отклонение от курса.
Эффективность проверили в цифровой аэродинамической трубе. Виртуального шмеля запускали с сильным вертикальным порывом. Обычный линейный контроллер удерживал насекомое, только если сила ветра не превышала 50–60 процентов от веса тела. Новый гибридный алгоритм стабилизировал полёт даже при ударах, которые были в полтора раза тяжелее самого робота. Время стабилизации в таких условиях составило от трёх до шести секунд.
Доцент МФТИ Николай Ефанов пояснил, что метод позволяет роботу сохранять устойчивый полёт в гораздо более широком диапазоне условий. Это важно для микророботов, которым предстоит работать между деревьями, внутри зданий, на 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 в равных условиях классические регуляторы, нейросетевые алгоритмы и гибридные схемы, где аналитический расчёт сочетается с машинным обучением. Ранее та же группа разработала аэродинамическую модель, которая рассчитывает силы крыльев, и проверила её по скоростной видеосъёмке реальных шмелей. Новый алгоритм управления позволит проверить, какие каналы управления и сенсоры нужны для стабилизации. Дальше команда планирует усложнить модель и испытать гибридный контроллер в связке с нейросетями для полностью автономной навигации. Работа опубликована в журнале Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation.
Обложка: концепция робота-шмеля в представлении художника. Источник: пресс-службы МФТИ
