Дрон-мотылек без ИИ: инновации в навигации

Ученые из Университета Цинциннати работают над созданием дрона с машущими крыльями, который способен не только находить движущийся источник света, но и зависать рядом с ним, подобно мотыльку, притягиваемому пламенем.

Доцент Сэмэх Эйса и его студенты-аэрокосмисты из Колледжа инженерии и прикладных наук университета заинтересованы в подобных дронах из-за их высокой эффективности полета, которая может быть масштабирована для использования в скрытом наблюдении.

Мотыльки обладают поразительной способностью зависать на месте или даже летать назад. Они автоматически вносят тонкие корректировки, чтобы компенсировать ветер или препятствия, сохраняя неподвижность или следуя за движущимся объектом. Аналогичным образом, дрон Эйсы, имитирующий мотылька, выполняет точные настройки для поддержания желаемой ориентации и дистанции от источника света, даже когда он движется.

"Причина нашего интереса – размер. Это более оптимальная конструкция. Такие маленькие роботы должны летать как мотыльки", – поясняет Эйса.

В своей лаборатории моделирования, динамики и управления Эйса изучает инженерию, вдохновленную животными. Ранее он исследовал дроны, способные использовать динамическое парение для более эффективного преодоления огромных расстояний, подобно альбатросам.

Для своего последнего проекта, опубликованного в журнале Physical Review E, Эйса и аспирант Ахмед Элгохари выдвинули гипотезу, что зависающие насекомые летают так искусно, потому что используют эквивалент систем обратной связи для поиска экстремума. Эти системы позволяют дронам навигировать в реальном времени без сложных вычислений, оборудования глобального позиционирования или искусственного интеллекта, просто постоянно корректируя управляющие входы, такие как количество взмахов в секунду.

Дроны с машущими крыльями управляют креном, тангажом и рысканьем путем независимого взмахивания крыльями. Однако это независимое взмахивание происходит слишком быстро, чтобы его можно было наблюдать невооруженным глазом. Вместо этого крылья выглядят как размытое изображение крыльев колибри.

"Наши симуляции показывают, что управление методом поиска экстремума может естественным образом воспроизводить стабильное поведение зависания, наблюдаемое у насекомых, – без ИИ или сложных моделей", – говорит Элгохари, ведущий автор исследования.

"Это простой принцип обратной связи, не требующий модели и работающий в реальном времени, который может объяснить, как эти маленькие существа достигают такой маневренности при очень ограниченной мозговой активности".

Дрон одновременно измеряет эффективность любой запрограммированной функции, такой как поиск источника света, чтобы корректировать свой курс в постоянном цикле обратной связи, что обеспечивает удивительно стабильный полет.

Насколько стабилен? Дрон смог воспроизвести тонкое, но уникальное покачивание из стороны в сторону, характерное для каждого из зависающих насекомых, которое он призван имитировать: мотыльков, шмелей, стрекоз, мух-журчалок, комаров, а также колибри.

"Мотыльки делают это так легко", – говорит Эйса. "Причина, по которой мы используем методы поиска экстремума, заключается в том, что они кажутся биологически правдоподобными".

Зависающие насекомые, такие как любительница нектара мотылек-колибри, совершают уникальные движения крыльями в форме восьмерки, что позволяет им получать подъемную силу как при движении крыла вниз, так и при движении вверх. Гибкие крылья деформируются во время каждого взмаха, чтобы максимизировать подъемную силу и маневренность.

Элгохари и аспирант Рохан Паланикумар из Университета Цинциннати продемонстрировали работу дрона-флаппера в летной лаборатории Эйсы, окруженной мягкой сеткой для защиты дронов и людей от случайных столкновений. Дрон имеет четыре "крыла" из проволоки и ткани.

Ручное управление чувствительным дроном намного сложнее и менее надежно, чем использование его собственной системы поиска экстремума, отмечает Элгохари. Но после активации дрон-флаппер поднимался в воздух и зависал на месте, хотя и немного неустойчиво. Эта неустойчивость является преднамеренной и обеспечивает возмущения, необходимые системе для оценки изменений производительности, чтобы она могла постоянно корректировать курс для оптимизации полета.

Эйса считает, что исследование интересно не только из-за его потенциального значения для новых автономных беспилотных летательных аппаратов, но и потому, как эти крошечные насекомые управляют своей удивительной аэробатикой, имея мозги размером с пыльцу. "Это может изменить многое в биофизике. Если зависающие насекомые, такие как мотыльки, используют эквивалент нашей обратной связи для поиска экстремума, то, вероятно, это развилось и у других существ", – заключает он.