Wer sind Roboter?
Vor ein paar Jahren tauchte auf Reddit etwas Cooles auf – Wissenschaftler beschrieben den Komplex
Robotik ist eine synergetisch angewandteAnwendungsbereich. Es besteht aus Programmierung, Mechatronik und Kybernetik. Mechatronik ist etwas, das mit der realen Welt interagiert. Und die Kybernetik ist eine vielgliedrige Wissenschaft, die vor allem die Verwaltung erstellter Programme umfasst.
Was ist ein Roboter?Vor 15 Jahren hätten viele gesagt, dass dies ein Roboterarm ist, der in einer Fabrik arbeitet und schweißt oder lackiert. Eine weitere beliebte Antwort ist der Android-Roboter aus der Filmwelt. Aber ist ein Rollwagen oder ein unbemanntes Fahrzeug ein Roboter? Ja, das ist auch einer der Bereiche der Robotik. Flugzeuge sind auch Roboter, einige der neuesten Entwicklungen beinhalten intelligente Technologien und sind tatsächlich autonome Roboter.
Der mobile Wagen ist auch ein Roboter
Es gibt auch einen solchen Bereich der Robotik wie das FeldRobotik - "mobile Robotik". Dazu gehören alle Roboter, die sich auf einem Feld, in Gebäuden oder unter Wasser bewegen. Die interessanteste Anwendung ist meiner Meinung nach die Landwirtschaft.
Geschichte des Flugzeugs
Die Geschichte der Flugzeuge begann in der VergangenheitJahrhundert. Davor flogen nur Ballons ohne Motor, und es war schwierig, sie Roboter zu nennen. Zu Beginn des letzten Jahrhunderts funktionierten zwei Arten von Flugzeugen - Luftschiffe und Flugzeuge. Der erste kontrollierte Flug wurde von den Gebrüdern Wright durchgeführt. Außerdem erschien der erste Autopilot ziemlich schnell, fast 10 Jahre später, und half, den Flug zu stabilisieren.
Die aktuelle Richtung der Robotik ist verwandtEntwicklung und Verfügbarkeit neuer offener Autopiloten wie PixHawk (PixHawk ist offene Hardware für Controller, Drohnen und andere UAVs. Sie wird für akademische, Amateur- und professionelle Zwecke verwendet). Ein Beispiel für die Ankunft von Drohnen im Leben eines jeden Menschen ist die Lieferung von Pizza durch die Firma Dodo Pizza zusammen mit Copt Express - dies geschah im Jahr 2014.
Geschichte des Flugzeugs
Wie die Drohne gesteuert wird
Moderne Flugzeuge verwenden eineder drei Prinzipien der Auftriebserzeugung - aerostatisch, Jet oder aerodynamisch. Das aerodynamische Prinzip des Fluges und der Auftriebserzeugung (Abwurf eines Teils der Luft) kann entweder durch die Bewegung des gesamten mit einer festen Lagerfläche (Flügel) ausgestatteten Apparates oder durch die Bewegung einzelner Lagerteile realisiert werden des Apparates (Hauptrotor, Ventilator) relativ zur Luft.
Wie Geräte fliegen
Die Drohne hat einen Propeller, der Auftrieb erzeugt.Nach dem Abheben beginnt das Gerät, den Propeller schneller zu bewegen und steigt nach oben. Aber die Wirkungskraft ist gleich der Reaktionskraft. Wenn sich der Propeller dreht, entsteht ein Moment in die entgegengesetzte Richtung - das ist das Design von Hubschraubern und Koptern. Wenn der Hubschrauber einen Propeller hat, ist er nicht stabil. Daher verwendet das Gerät entweder ein Zwei-Rotor-Schema oder einen Heckrotor.
Der Quadcopter hat ein sehr einfaches Design -Es hat normalerweise vier Schrauben, von denen sich zwei in die eine und zwei in die andere Richtung drehen. Wenn der Benutzer sich vorwärts bewegen muss, drehen sich einige Propeller langsamer, während andere schneller drehen. Und wenn der Nutzer drehen möchte, beschleunigen einige schräg platzierte Schrauben, während andere bremsen.
Wie ein Quadcopter fliegt
Die Bewegungen des Kopters in den Ecken hängen mit der Bewegung entlang der Kurve zusammenKoordinaten. Wenn der Pilot sich vorwärts bewegen möchte, müssen wir die Drohne zunächst nach vorne neigen und sie dann, während das elektrische Gerät nach vorne zieht, an dem Punkt stabilisieren, an dem wir bleiben möchten.
Dies ist ein Diagramm eines der beliebtesten Autopiloten,auf deren Grundlage neue Geräte hergestellt werden können. Es verbindet sich mit allen Motoren und Sensoren. Außerdem verfügen die Motoren über ein eigenes Steuergerät, den ESC-Regler – Electronic Speed Controller, der die Drehzahl des Motors regelt.
Von den Sensoren gibt es GPS, damit die Drohne kannArbeiten Sie im Freien, fliegen Sie zu Punkten und stabilisieren Sie die Position. Aber im Autopiloten selbst gibt es auch eine IMU – ein Trägheitssensormodul, das es ihm ermöglicht, Fluglagewinkel zu bestimmen. Es gibt auch einen Kommunikationskanal, eine Bodenkontrollstation und eine Batterie.
UAV-Gerät
Wie oben erwähnt, gibt es eine EbeneMotorsteuerung - wir können bedenkenlos die Drehzahl einstellen. Die restlichen Level funktionieren nach dem gleichen Prinzip: Der nächste ist die Orientierungskontrolle.
Aber zuerst müssen wir die Rotationsgeschwindigkeit steuern- Auf dieser Ebene fliegen FPV-Copter (Geräte, mit denen Sie das Bild der Drohnenkamera in Echtzeit aus der ersten Person betrachten können (FPV - First Person View). Erfahrene Piloten stellen die Rotationsgeschwindigkeit ein und steuern ständig mit dem Joystick. Das nächste Phase ist, wenn der Benutzer den Winkel stabilisieren kann, aber die Drohne sich immer noch bewegt. Als nächstes kommt die Geschwindigkeitskontrolle, und die höchste ist die Positionskontrolle, Manöver, um sich zu einem Punkt zu bewegen oder sich entlang einer bestimmten Flugbahn zu bewegen.
Wer programmieren, bauen undSteuerung von Drohnen - sollte auf den Open-Source-Autopiloten von PIX4 achten. Es gibt eine ganze Community rund um die Luftrobotik (ROS - Robotic Operating System oder Open Robotics), es gibt Simulatoren für Drohnen. Daher können viele Experimente im Simulator durchgeführt werden, ohne die Drohne selbst zu haben.
Entwicklungsstadien von Drohnen
Forscher beginnen mit einem konzeptionellenModellierung, und dann müssen sie ein genaues Modell des Geräts erstellen. Ohne auf die Formel einzugehen, ist ein Copter-Modell im Wesentlichen ein Starrkörpermodell. Dies ist Newtons zweites Gesetz, das auf Teilchensysteme ausgedehnt wird. Es gibt Translations- und Rotationsbewegungen, es gibt Bewegungskinematik und -dynamik, und um das Modell eines bestimmten Geräts zu beschreiben, müssen wir hier die Gleichung der Kräfte hinzufügen, die auf eine bestimmte Drohne wirken.
Wie UAVs modelliert werden
Der nächste Schritt ist die Entwicklung des SystemsManagement. Gehen wir den klassischen Weg: Wir ermitteln zunächst das exakte mathematische Modell und synthetisieren auf dessen Basis bereits den Regelalgorithmus oder neue Formeln. Alle Ebenen können in die Steuerung einbezogen werden: Bewegungsplanung, Umfeldwahrnehmung, Zustandsschätzung mit Hilfe von Sensoren. Algorithmen ermöglichen es uns, unsere Koordinaten und Daten zu verfeinern.
Drohnen-Steuerungssystem
Wenn es einen Steueralgorithmus gibt, kann dies sofort erfolgenbeantragen, aber das ist ziemlich teuer. Schon beim kleinsten Fehler stürzen Geräte ab – dies muss berücksichtigt und Backups erstellt werden. Zum Testen werden Simulatoren eingesetzt.
Nachfolgend finden Sie eine virtuelle Tour durch Innopolisist ein Produkt unserer Hochschule, es steht auf GitHub zum Download bereit. Dies ist nicht nur eine visuelle Komponente, sondern auch die Daten aller Sensoren des Geräts. Es hat alle Positionssensoren, es wird wie eine Drohne gesteuert und kann alle Steueralgorithmen debuggen.
Wie Drohnen in der Simulation lernen
Wenn basierend auf Erfahrungen mit dem Simulator erscheintmehr Vertrauen - Sie können mit der Hardwareimplementierung fortfahren. Seine Komponenten werden hier gezeigt: die Herstellung des Geräts aus Kohlenstoff und Verbundwerkstoff, die Erstellung der Elektronik, die Platzierung von Motoren, ihre Befestigung.
Tests beginnen nicht auf der Straße:Zunächst werden die Geräte an einer Aufhängung oder einem speziellen Ständer getestet. Sie können verwendet werden, um Elemente der Funktionsweise eines unbemannten Luftfahrzeugs zu debuggen. Hier ist beispielsweise ein vertikal startendes und landendes Flugzeug zu sehen – dabei handelt es sich um einen Hybrid aus Copter und Flugzeug. Im Video können Sie sehen, wie es mit äußeren Störungen umgeht und den Winkel beibehält. Auf der rechten Seite sehen Sie ein ziemlich verrücktes Experiment, bei dem Sie fünf Motoren gleichzeitig starten und sehen, wie das Steuerungssystem damit umgeht.
Wie Drohnen gebaut werden
Nach dem Testen gehen sie weiter zu Flügen -kleine Starts bei niedrigen Geschwindigkeiten, kontrollierte Bewegung mit einem Piloten, der die Kontrolle übernehmen kann. Der Schlussakkord ist ein komplett unbemannter Flug.
Das Gerät hebt senkrecht ab -„Wie ein Hubschrauber“, dann schaltet sich sein Hauptmotor ein, die Drohne beschleunigt, wechselt in den Flugmodus und entwickelt ausreichend Geschwindigkeit, damit der Flügel funktioniert. Dann werden die Konturpropeller abgeschaltet und es fliegt wie ein Flugzeug – der Landevorgang erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.
Was ist los mit Drohnen
Eine der Aufgaben, die modernWissenschaftler – Umgehung von Hindernissen im Flug. Einige Drohnen wissen bereits, wie das geht, aber die Aufgabe ist etwas umfassender – Sie müssen den Geräten beibringen, sich in einer Umgebung mit Hindernissen so schnell wie möglich zu bewegen. Und es gibt noch Raum, um die Algorithmen zu verbessern und zu verbessern.
Ein weiteres Beispiel für solche Tests ist ein Flug nachWald. Es gibt einen sehr interessanten Ansatz – hier kommen nicht nur neue Algorithmen zum Einsatz, sondern auch Sensoren – eine Ereigniskamera. Dies ist eine sehr hochfrequente Kamera, die den Unterschied zwischen Einzelbildern in jeder Zeiteinheit überträgt: Dies ermöglicht Ihnen, Hindernisse schnell zu steuern und darauf zu reagieren.
Im Bereich Drohnen-Bewegungsplanung,Wettbewerb: Wer schafft es schneller? Die Aufgabe besteht darin, ein unbekanntes Gebiet zu kartieren, seine dreidimensionale Darstellung zu erstellen und Objekte darauf zu finden. Wir sind an der Universität geflogen, haben aber auch das Problem der Objektsuche gelöst. Unsere Ergebnisse waren sogar besser als bekannte veröffentlichte Algorithmen.
Es gibt Wettbewerbe im Rennen der Drohnen.Sie werden auf Geräten mit einer Kamera gemacht, wenn der Pilot eine Brille trägt und die Drohne steuert, um so schnell wie möglich durch das Tor zu fliegen. Ein ziemlich spektakuläres Ereignis, bei dem die gleiche Aufgabe im automatischen Modus ausgeführt werden muss. Leider hat es der Computer bisher nur im Schach geschafft, eine Person zu besiegen, und der Drohnenroboter konnte einen menschlichen Piloten nicht überholen, obwohl die Fortschritte bereits ziemlich ernst sind. Eine Drohne mit Hilfe eines Bildverarbeitungsalgorithmus kann solche Aufgaben erledigen, die Arbeit besteht nur darin, die Geschwindigkeit zu erhöhen.
Ein weiterer Wettbewerb ist Microsoft Games ofDrohnen, wird es in einem Simulator durchgeführt. Einer der berühmten führenden Wettbewerbe in Saudi-Arabien findet in derselben Gegend statt. Die Teilnehmer werden dort für drei Jahre im Voraus rekrutiert.
Für Drohnenshows werden unbemannte Geräte eingesetzt- Das sind spektakuläre Ereignisse, die heute das Feuerwerk ersetzen. Aber das ist nicht die einzige Gruppennutzung – sie können einen größeren Bereich inspizieren.
Wo gelten
Damit es nicht ausschließlich wissenschaftlich aussiehtEntwicklung finden Sie unten eine Demo der Skydio-Drohne. Jetzt ist dies das fortschrittlichste Gerät in Bezug auf Autonomie. Dies ist ein Beispiel dafür, wie moderne Technologien - Kartografie, Hindernisvermeidung, Verkehrsplanung - zusammen in einem Produkt verwendet werden, das dem Benutzer bereits zur Verfügung steht.
Eine andere Richtung sind neue DesignsFlugzeug. Eine davon sind faltbare Drohnen. Ein solches Gerät kann nach einem Unfall zur Inspektion in enge Räume fliegen. Ein weiteres Beispiel ist eine Drohne, die sich entfalten kann. Er kann zum Beispiel aus einer engen Rohrpost ausfliegen und dann wie gewohnt fliegen.
Wir haben auch ein Projekt in diesem Bereich - das istweiches Tensodron. Dies ist die erste Softshell-Drohne, die fliegt. Das Vergnügen ist, dass Sie es fallen lassen können und es intakt bleibt. Darüber hinaus können Sie die Länge der Balken und die Spannung der Kabel ändern.
Zwei Beispiele, die zum Leben erwachenbald. Erstens die Lieferung mittels Drohnen. Jetzt gibt es eine sehr interessante Umsetzung, bei der wir ein Paketterminal und eine Drohnenlandestation kombinieren – in diesem Fall müssen wir uns keine Gedanken darüber machen, wann die Drohne ankommt, wo sie landet, damit wir sie erreichen können Nehmen Sie sich Zeit und holen Sie die Ladung ab, bevor sie gestohlen wird. Das zweite Beispiel ist ein fliegendes Taxi. Dies ist der spannendste Entwicklungsbereich und es gibt bereits funktionierende Prototypen. Aber das wird erst im nächsten Jahrzehnt passieren.
Welche Entwicklungen im Bereich Flugtaxis haben sich in den letzten 6 Jahren ergeben:
- Die Firma "Hover" stellte ein Gerät mit vorgeräuscharmer Elektromotor und kompakte Abmessungen - wie ein Auto. Er hebt in einer Höhe von 150 m ab und landet auf einem Standardparkplatz. Die Drohne ist für zwei Passagiere ausgelegt, die maximale Nutzlast beträgt 300 kg, die Geschwindigkeit 200 km/h.
— 2016 das russische Unternehmen Hoversurfzeigte ein Hoverbike, das man mitnehmen und jederzeit von einem normalen Stadtparkplatz abheben kann. Er erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h, die Hubhöhe ist aus Sicherheitsgründen zwangsweise auf 5 Meter begrenzt.
— Im Jahr 2018 von Airbus Passenger entwickeltDas Alpha One VTOL-Flugzeug stieg auf eine Höhe von 5 Metern und blieb 53 Sekunden in der Luft. Der Benutzer kann das UAV über die Anwendung anrufen und sowohl innerhalb der Stadt als auch darüber hinaus von einem Punkt zum anderen gelangen.
— Im Jahr 2020 wurde das CityAirbus-Lufttaxi hergestellterster Freiflug. Die Tests fanden in den Vororten von Paris, der Stadt Ile-de-France statt.Das CityAirbus-Flugzeug kann sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 120 km/h über eine Entfernung von bis zu 30 km bewegen. Das Flugtaxi wiegt mehr als 2,2 Tonnen, CityAirbus ist mit drei Passagiersitzen und einem Fahrersitz ausgestattet.
- Im Jahr 2022 stellte das chinesische Startup Pantuo Aviation den T1 vor, einen Flugtaxi-Demonstrator mit Luftkanal. Es wird mit Geschwindigkeiten von über 300 km/h fliegen und eine Reichweite von 250 km haben.
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