วิศวกรของคุณเอง: วิธีสร้างโดรนของคุณเองและควบคุมการเคลื่อนที่ของมัน

หุ่นยนต์คือใคร?

ไม่กี่ปีที่ผ่านมา สิ่งเจ๋งๆ ปรากฏบน Reddit - นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าซับซ้อน

ค้นคว้าด้วยวลีง่ายๆ เพียงวลีเดียว หากคุณขอให้ฉันทำสิ่งนี้ ฉันจะบอกว่าวิทยาการหุ่นยนต์เป็นสาขาที่คุณสามารถดูได้ว่าโค้ดเคลื่อนไหวอย่างไร

วิทยาการหุ่นยนต์เป็นการทำงานร่วมกันด้านกิจกรรม ประกอบด้วยการเขียนโปรแกรม เมคคาทรอนิกส์ และไซเบอร์เนติกส์ เมคคาทรอนิกส์เป็นสิ่งที่โต้ตอบกับโลกแห่งความเป็นจริง และไซเบอร์เนติกส์เป็นวิทยาศาสตร์แบบมัลติลิงค์ ซึ่งรวมถึง อย่างแรกเลย การจัดการโปรแกรมที่สร้างขึ้น

หุ่นยนต์คืออะไร?15 ปีที่แล้ว หลายคนคงบอกว่านี่คือแขนหุ่นยนต์ที่ทำงานในโรงงานและทำงานเชื่อมหรือทาสี อีกคำตอบยอดนิยมคือหุ่นยนต์ Android จากโลกภาพยนตร์ แต่รถเข็นเคลื่อนที่หรือยานพาหนะไร้คนขับเป็นหุ่นยนต์หรือไม่? ใช่ นี่เป็นหนึ่งในพื้นที่ของวิทยาการหุ่นยนต์ด้วย เครื่องบินก็เป็นหุ่นยนต์เช่นกัน การพัฒนาล่าสุดบางส่วนรวมถึงเทคโนโลยีอัจฉริยะและที่จริงแล้วเป็นหุ่นยนต์อัตโนมัติ

รถเข็นเคลื่อนที่ก็เป็นหุ่นยนต์

นอกจากนี้ยังมีพื้นที่ของหุ่นยนต์เช่นสนามวิทยาการหุ่นยนต์ - "หุ่นยนต์เคลื่อนที่" ซึ่งรวมถึงหุ่นยนต์ทั้งหมดที่เคลื่อนที่ในสนาม อาคาร หรือใต้น้ำ แอปพลิเคชั่นที่น่าสนใจที่สุดในความคิดของฉันคือการเกษตร

ประวัติเครื่องบิน

ประวัติของเครื่องบินเริ่มขึ้นในอดีตศตวรรษ. ก่อนหน้านั้นมีเพียงบอลลูนที่ไม่มีเครื่องยนต์เท่านั้นที่บินได้ และเป็นการยากที่จะเรียกพวกมันว่าหุ่นยนต์ ในตอนต้นของศตวรรษที่ผ่านมา เครื่องบินสองประเภททำงาน - เรือบินและเครื่องบิน การบินควบคุมครั้งแรกทำโดยพี่น้องไรท์ ยิ่งไปกว่านั้น นักบินอัตโนมัติตัวแรกปรากฏขึ้นอย่างรวดเร็ว เกือบ 10 ปีหลังจากนั้น มันช่วยให้เที่ยวบินมีเสถียรภาพ

ทิศทางปัจจุบันของหุ่นยนต์เกี่ยวข้องกับการพัฒนาและความพร้อมใช้งานของออโตไพลอตแบบเปิดใหม่ เช่น PixHawk (PixHawk เป็นฮาร์ดแวร์แบบเปิดสำหรับตัวควบคุม โดรน และ UAV อื่นๆ ซึ่งใช้สำหรับวัตถุประสงค์ทางวิชาการ มือสมัครเล่น และระดับมืออาชีพ) ตัวอย่างของการมาถึงของโดรนในชีวิตของทุกคนคือการส่งพิซซ่าโดยบริษัท Dodo Pizza ร่วมกับ Copt Express ซึ่งเกิดขึ้นในปี 2014

ประวัติเครื่องบิน

วิธีควบคุมโดรน

เครื่องบินสมัยใหม่ใช้อย่างใดอย่างหนึ่งของหลักสามประการในการสร้างลิฟต์ - แอโรสแตติก เจ็ต หรือแอโรไดนามิก หลักการแอโรไดนามิกของการบินและการสร้างลิฟต์ (การโยนส่วนหนึ่งของอากาศ) สามารถทำได้เนื่องจากการเคลื่อนไหวของอุปกรณ์ทั้งหมดพร้อมกับพื้นผิวแบริ่งคงที่ (ปีก) หรือเนื่องจากการเคลื่อนไหวของชิ้นส่วนแบริ่งแต่ละชิ้น ของอุปกรณ์ (โรเตอร์หลัก พัดลม) ที่สัมพันธ์กับอากาศ

อุปกรณ์บินอย่างไร

โดรนมีใบพัดที่สร้างแรงยกเมื่อหลุดออกจากพื้น อุปกรณ์จะเริ่มเคลื่อนใบพัดเร็วขึ้นและสูงขึ้น แต่แรงกระทำเท่ากับแรงปฏิกิริยา เมื่อใบพัดหมุน ช่วงเวลาหนึ่งจะถูกสร้างขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม - นี่คือการออกแบบของเฮลิคอปเตอร์และคอปเตอร์ ถ้าเฮลิคอปเตอร์มีใบพัดเดียว มันจะไม่เสถียร ดังนั้นอุปกรณ์จึงใช้โครงร่างสองโรเตอร์หรือโรเตอร์หาง

quadcopter มีการออกแบบที่เรียบง่ายมาก -โดยปกติแล้วจะมีสกรูสี่ตัว สองตัวหมุนไปในทิศทางเดียวและอีกสองตัวหมุนไปในทิศทางอื่น หากผู้ใช้ต้องก้าวไปข้างหน้า ใบพัดบางตัวจะหมุนช้าลงในขณะที่บางตัวหมุนเร็วขึ้น และหากผู้ใช้ต้องการหมุน สกรูบางตัวจะเร่งความเร็วในแนวทแยง ในขณะที่บางตัวจะหมุนช้าลง

ควอดคอปเตอร์บินอย่างไร

การเคลื่อนไหวของคอปเตอร์ในมุมสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ไปพร้อมกันพิกัด. หากนักบินต้องการก้าวไปข้างหน้า เราต้องเอียงโดรนไปข้างหน้าก่อน จากนั้นเมื่ออุปกรณ์ไฟฟ้าดึงไปข้างหน้า ให้ทรงตัวโดรน ณ จุดที่เราต้องการที่จะอยู่ต่อไป

นี่คือไดอะแกรมของหนึ่งในนักบินอัตโนมัติที่ได้รับความนิยมมากที่สุดบนพื้นฐานของอุปกรณ์ใหม่ที่สามารถทำได้ เชื่อมต่อกับมอเตอร์และเซ็นเซอร์ทั้งหมด นอกจากนี้ มอเตอร์ยังมีชุดควบคุมของตัวเอง ตัวควบคุม ESC - Electronic Speed ​​​​Controller ซึ่งควบคุมความเร็วของมอเตอร์

ของเซ็นเซอร์มี GPS เพื่อให้โดรนสามารถทำงานกลางแจ้ง บินไปยังจุดต่างๆ และรักษาตำแหน่งให้มั่นคง แต่ภายในออโตไพลอตนั้นยังมี IMU ซึ่งเป็นโมดูลเซ็นเซอร์เฉื่อยที่ช่วยให้กำหนดมุมทัศนคติได้ นอกจากนี้ยังมีช่องทางการสื่อสาร สถานีควบคุมภาคพื้นดิน และแบตเตอรี่

อุปกรณ์ UAV

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วมีระดับการควบคุมเครื่องยนต์ - เราสามารถตั้งค่าความเร็วในการหมุนได้โดยไม่ลังเล ระดับที่เหลือทำงานบนหลักการเดียวกัน: ระดับถัดไปคือการควบคุมการวางแนว

แต่ก่อนอื่นเราต้องควบคุมความเร็วในการหมุน- คอปเตอร์ FPV บินได้ระดับนี้ (อุปกรณ์ที่ให้คุณดูภาพจากกล้องโดรนแบบเรียลไทม์จากคนแรก (FPV - First Person View) นักบินที่มีประสบการณ์ตั้งค่าความเร็วในการหมุนและบังคับทิศทางด้วยจอยสติ๊กอย่างต่อเนื่องต่อไป ระยะคือเมื่อผู้ใช้สามารถปรับมุมให้นิ่งได้ แต่โดรนยังคงเคลื่อนที่ ต่อไปคือการควบคุมความเร็ว และการควบคุมตำแหน่งสูงสุด การเคลื่อนที่เพื่อเคลื่อนที่ไปยังจุดหนึ่งหรือเคลื่อนที่ไปตามวิถีที่กำหนด

ผู้ที่ต้องการโปรแกรมสร้างและควบคุมโดรน - ควรใส่ใจกับออโตไพลอตโอเพ่นซอร์ส PIX4 มีชุมชนทั้งหมดเกี่ยวกับหุ่นยนต์ทางอากาศ (ROS - ระบบปฏิบัติการหุ่นยนต์หรือหุ่นยนต์แบบเปิด) มีเครื่องจำลองสำหรับโดรน ดังนั้น การทดลองจำนวนมากสามารถทำได้ในเครื่องจำลองโดยไม่ต้องมีตัวโดรนเอง

ขั้นตอนการพัฒนาโดรน

นักวิจัยเริ่มต้นด้วยแนวคิดการสร้างแบบจำลองแล้วพวกเขาจำเป็นต้องสร้างแบบจำลองที่แม่นยำของอุปกรณ์ โมเดลคอปเตอร์ถือเป็นโมเดลลำตัวแข็งโดยพื้นฐานแล้ว โดยไม่ต้องคำนึงถึงสูตร นี่เป็นกฎข้อที่สองของนิวตันที่ขยายไปสู่ระบบอนุภาค มีการเคลื่อนที่แบบแปลนและแบบหมุน มีจลนศาสตร์และไดนามิกของการเคลื่อนที่ และเพื่ออธิบายแบบจำลองของอุปกรณ์เฉพาะ เราต้องเพิ่มสมการของแรงที่กระทำต่อโดรนเฉพาะที่นี่

UAV ถูกสร้างแบบจำลองอย่างไร

ขั้นตอนต่อไปคือการพัฒนาระบบการจัดการ. หากเราใช้แบบคลาสสิก: ขั้นแรกเราจะค้นหาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่แน่นอน และบนพื้นฐานของมัน เราได้สังเคราะห์อัลกอริทึมการควบคุมหรือสูตรใหม่แล้ว สามารถรวมทุกระดับไว้ในระบบควบคุม: การวางแผนการเคลื่อนไหว การรับรู้สภาพแวดล้อม การประมาณสถานะด้วยความช่วยเหลือของเซ็นเซอร์ อัลกอริทึมช่วยให้เราปรับแต่งพิกัดและข้อมูลของเราได้

ระบบควบคุมโดรน

เมื่อมีอัลกอริธึมควบคุมก็สามารถทำได้ทันทีสมัครแต่การทำเช่นนั้นค่อนข้างแพง อุปกรณ์ขัดข้องด้วยข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อย - จะต้องนำมาพิจารณาและทำการสำรองข้อมูล เครื่องจำลองใช้สำหรับการทดสอบ

ด้านล่างนี้คือทัวร์เสมือนจริงของ Innopolisเป็นผลิตภัณฑ์ของมหาวิทยาลัยของเรา สามารถดาวน์โหลดได้บน GitHub นี่ไม่ใช่แค่องค์ประกอบภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึงข้อมูลของเซ็นเซอร์ทั้งหมดของอุปกรณ์ด้วย มันมีเซ็นเซอร์ตำแหน่งทั้งหมด มันถูกควบคุมเหมือนโดรนและสามารถดีบักอัลกอริธึมการควบคุมทั้งหมดได้

โดรนเรียนรู้อย่างไรในการจำลอง

เมื่ออิงจากประสบการณ์กับเครื่องจำลองปรากฏขึ้นมั่นใจมากขึ้น - คุณสามารถก้าวไปสู่การใช้งานฮาร์ดแวร์ได้ ส่วนประกอบของมันแสดงอยู่ที่นี่: การผลิตอุปกรณ์จากคาร์บอนและคอมโพสิต, การสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, ตำแหน่งของเครื่องยนต์, การยึด

การทดสอบไม่ได้เริ่มบนถนน:ขั้นแรก ให้ทดสอบอุปกรณ์ต่างๆ บนระบบกันสะเทือนหรือขาตั้งแบบพิเศษ สามารถใช้เพื่อแก้ไขข้อบกพร่ององค์ประกอบของการทำงานของยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องบินขึ้นและลงจอดในแนวดิ่งแสดงอยู่ที่นี่ - นี่คือลูกผสมของคอปเตอร์และเครื่องบิน ในวิดีโอคุณสามารถดูว่ามันรับมือกับการรบกวนจากภายนอกและรักษามุมได้อย่างไร ทางด้านขวาเป็นการทดลองที่ค่อนข้างบ้า โดยที่คุณยิงเครื่องยนต์ 5 เครื่องพร้อมกันและดูว่าระบบควบคุมจัดการมันอย่างไร

โดรนถูกสร้างขึ้นอย่างไร

หลังจากทดสอบแล้ว พวกเขาก็ย้ายไปเที่ยวบิน -บินขึ้นเล็กน้อยด้วยความเร็วต่ำ ควบคุมการเคลื่อนไหวด้วยนักบินที่สามารถควบคุมได้ คอร์ดสุดท้ายเป็นเที่ยวบินไร้คนขับอย่างสมบูรณ์

อุปกรณ์จะถอดออกในแนวตั้ง -“เหมือนคอปเตอร์” จากนั้นเครื่องยนต์หลักของมันก็เปิดขึ้น โดรนจะเร่งความเร็ว สลับไปที่โหมดเครื่องบิน และพัฒนาความเร็วที่เพียงพอสำหรับให้ปีกทำงานได้ จากนั้นใบพัดรูปร่างจะถูกปิด และมันก็บินได้เหมือนเครื่องบิน - กระบวนการลงจอดจะดำเนินการในลำดับย้อนกลับ

เกิดอะไรขึ้นกับโดรน

หนึ่งในงานที่ทันสมัยนักวิทยาศาสตร์ — ข้ามสิ่งกีดขวางในการบิน โดรนบางคนรู้วิธีการทำเช่นนี้แล้ว แต่ภารกิจนั้นกว้างกว่าเล็กน้อย - คุณต้องสอนอุปกรณ์ให้เคลื่อนที่โดยเร็วที่สุดในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งกีดขวาง และยังมีที่ว่างให้มุ่งมั่นและปรับปรุงอัลกอริทึม

อีกตัวอย่างหนึ่งของการทดสอบดังกล่าวคือเที่ยวบินไปยังป่า. มีวิธีการที่น่าสนใจมาก - ไม่เพียงแต่ใช้อัลกอริธึมใหม่เท่านั้น แต่ยังใช้เซ็นเซอร์ด้วย - กล้องเหตุการณ์ นี่คือกล้องความถี่สูงมากที่ส่งความแตกต่างระหว่างเฟรมในทุกหน่วยเวลา: ช่วยให้คุณควบคุมและตอบสนองต่อสิ่งกีดขวางได้อย่างรวดเร็ว

ในด้านการวางแผนการเคลื่อนที่ของโดรนนั้นการแข่งขัน: ใครจะทำได้เร็วกว่า ภารกิจคือการทำแผนที่พื้นที่ที่ไม่รู้จัก สร้างการแสดงสามมิติ ค้นหาวัตถุบนพื้นที่นั้น เราบินที่มหาวิทยาลัย แต่ยังแก้ปัญหาการค้นหาวัตถุ ผลลัพธ์ของเราดีกว่าอัลกอริธึมที่เผยแพร่ที่รู้จัก

มีการแข่งขันในการแข่งขันของโดรนพวกเขาถูกสร้างขึ้นบนอุปกรณ์ที่มีกล้องเมื่อนักบินมีแว่นตาและเขาควบคุมเสียงพึมพำเพื่อบินผ่านประตูโดยเร็วที่สุด ค่อนข้างเป็นเหตุการณ์ที่น่าตื่นเต้นซึ่งต้องทำงานเดียวกันในโหมดอัตโนมัติ น่าเสียดายที่จนถึงตอนนี้คอมพิวเตอร์สามารถเอาชนะคนได้เพียงหมากรุกเท่านั้นและหุ่นยนต์โดรนไม่สามารถแซงนักบินมนุษย์ได้แม้ว่าความคืบหน้าจะค่อนข้างร้ายแรงอยู่แล้ว โดรนด้วยความช่วยเหลือของอัลกอริธึมวิชันซิสเต็มสามารถทำงานดังกล่าวได้ งานนี้เป็นเพียงการเพิ่มความเร็วเท่านั้น

การแข่งขันอีกอย่างคือ Microsoft Games ofโดรน มันถูกดำเนินการในเครื่องจำลอง ในพื้นที่เดียวกัน มีการจัดการแข่งขันชั้นนำที่มีชื่อเสียงแห่งหนึ่งในซาอุดิอาระเบีย ผู้เข้าร่วมมีการคัดเลือกล่วงหน้าสามปี

อุปกรณ์ไร้คนขับใช้สำหรับการแสดงโดรน- สิ่งเหล่านี้เป็นเหตุการณ์ที่น่าตื่นเต้นซึ่งปัจจุบันได้กลายมาแทนที่ดอกไม้ไฟ แต่นั่นไม่ใช่การใช้งานแบบกลุ่มเพียงอย่างเดียว - สามารถตรวจสอบพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ 

สมัครที่ไหน

เพื่อไม่ให้ดูเหมือนเป็นวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะการพัฒนาด้านล่างเป็นการสาธิตของโดรน Skydio นี่คืออุปกรณ์ที่ทันสมัยที่สุดในแง่ของความเป็นอิสระ นี่คือตัวอย่างของเทคโนโลยีสมัยใหม่ - การทำแผนที่ การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง การวางแผนการจราจร ถูกนำมาใช้ร่วมกันในผลิตภัณฑ์ที่มีให้ผู้ใช้อยู่แล้ว

อีกทิศทางหนึ่งคือการออกแบบใหม่อากาศยาน. หนึ่งในนั้นคือโดรนแบบพับได้ อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถบินเข้าไปในพื้นที่แคบเพื่อตรวจสอบหลังเกิดอุบัติเหตุได้ อีกตัวอย่างหนึ่งคือโดรนที่สามารถกางออกได้ เช่น เขาสามารถบินออกจากท่อลมแคบๆ แล้วบินได้ตามปกติ

เรามีโครงการในบริเวณนี้ด้วย - นี่คือTensodrone ที่อ่อนนุ่ม นี่คือโดรนซอฟต์เชลล์ตัวแรกที่บินได้ ความสุขคือคุณสามารถวางมันลงและมันจะยังคงเหมือนเดิม นอกจากนี้ คุณสามารถเปลี่ยนความยาวของคาน ความตึงของสายเคเบิล

สองตัวอย่างที่จะมีชีวิตขึ้นมาเร็วๆ นี้. ประการแรก การจัดส่งโดยใช้โดรน ขณะนี้มีการใช้งานที่น่าสนใจมากโดยเรารวมสถานีพัสดุและสถานีลงจอดด้วยโดรน - ในกรณีนี้ เราไม่ต้องกังวลว่าโดรนจะมาถึงเมื่อใด และจะลงจอดที่ไหน เพื่อที่เราจะไปถึงมันได้ เวลาและรับสินค้าก่อนที่จะถูกขโมย ตัวอย่างที่สองคือแท็กซี่บินได้ นี่เป็นพื้นที่การพัฒนาที่น่าตื่นเต้นที่สุดและมีต้นแบบที่ใช้งานได้อยู่แล้ว แต่สิ่งนี้จะเกิดขึ้นในทศวรรษหน้าเท่านั้น

การพัฒนาด้านแท็กซี่บินได้ในช่วง 6 ปีที่ผ่านมามีอะไรบ้าง:

- บริษัท "โฮเวอร์" นำเสนออุปกรณ์ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเสียงรบกวนต่ำและขนาดกระทัดรัดเหมือนรถยนต์ รถวิ่งได้สูงถึง 150 เมตร และจอดในที่จอดรถมาตรฐาน โดรนออกแบบมาสำหรับผู้โดยสารสองคน รับน้ำหนักบรรทุกสูงสุด 300 กก. และความเร็ว 200 กม./ชม.

— ในปี 2559 บริษัท Hoversurf . ของรัสเซียแสดงโฮเวอร์ไบค์ที่คุณสามารถพกพาติดตัวและขึ้นจากที่จอดรถประจำเมืองได้ตลอดเวลา ความเร็วสูงสุดถึง 100 กม. / ชม. และความสูงในการยกถูก จำกัด ไว้ที่ 5 เมตรเพื่อความปลอดภัย

— ในปี 2018 พัฒนาโดยผู้โดยสารแอร์บัสเครื่องบิน Alpha One VTOL ปีนขึ้นไปสูง 5 เมตรและอยู่ในอากาศเป็นเวลา 53 วินาที ผู้ใช้จะสามารถเรียก UAV ผ่านแอปพลิเคชันและรับจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งทั้งในและนอกเมือง

— ในปี 2020 แอร์แท็กซี่ของ CityAirbus ทำขึ้นฟรีเที่ยวบินแรก การทดสอบเกิดขึ้นในเขตชานเมืองของกรุงปารีส เมือง Ile-de-France เครื่องบิน CityAirbus สามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงถึง 120 กม./ชม. ในระยะทางสูงสุด 30 กม. น้ำหนักของแท็กซี่บินได้มากกว่า 2.2 ตัน CityAirbus มีที่นั่งผู้โดยสารสามที่นั่งและที่นั่งคนขับหนึ่งที่นั่ง

- ในปี 2022 บริษัทสตาร์ทอัพสัญชาติจีน Pantuo Aviation ได้เปิดตัว T1 ซึ่งเป็นเครื่องสาธิตแท็กซี่บินได้พร้อมท่ออากาศ มันจะบินด้วยความเร็วมากกว่า 300 กม./ชม. และมีระยะ 250 กม.

อ่านเพิ่มเติม:

ยานสำรวจอวกาศอยู่ห่างจากดาวพุธเป็นระยะทาง 200 กม. ดูสิ่งที่เขาเห็น

นักวิทยาศาสตร์เปิดเผยว่าวิตามินส่งผลต่ออุบัติการณ์ของมะเร็งอย่างไร

หมวกกันน็อคอ่านใจของจีนส่งเสียงเตือนเมื่อมีคนเห็นเนื้อหาลามก