Учёные создали роботизированную пустельгу для разработки устойчивых дронов

Биологический дизайн для авиации будущего

Учёные Университета RMIT (Австралия) и Бристольского университета (Великобритания) разработали роботизированную модель, имитирующую полёт австралийской пустельги, чтобы создать новое поколение беспилотных летательных аппаратов, способных выдерживать порывистый ветер и турбулентность.

Почему дронам сложно противостоять ветру

Малые беспилотные летательные аппараты широко применяются для аэрофотосъёмки, спасательных операций и доставки, однако часто вынуждены приземляться из-за турбулентности. На малых высотах, где работают БПЛА, особенно распространены вертикальные порывы ветра, способные изменять подъёмную силу в 25–100 раз в зависимости от формы крыла. С учётом изменения климата ситуация может стать только хуже.

Природа же нашла решение этой задачи миллионы лет назад. Австралийская пустельга способна зависать в воздухе даже при порывистом ветре, не направляя значительных усилий на борьбу с ветром.

Разбор птичьих механизмов устойчивости

Исследователи поместили живую пустельгу в промышленную аэродинамическую трубу RMIT и с помощью технологии захвата движений отслеживали каждое микродвижение птицы в настоящей турбулентности. Выяснилось, что секрет кроется в комплексном подходе.

Для корректировки положения в полёте пустельга задействует 22 степени свободы, тогда как у типичного дрона их лишь четыре. Важным аспектом является также распределение веса: масса тела птицы сосредоточена в туловище, что позволяет ей корректировать траекторию полёта в ответ на порыв ветра примерно вдвое быстрее, чем дрону аналогичного размера.

При турбулентности пустельга постоянно корректирует положение крыльев и хвоста. «Естественная гибкость её перьев и суставов работает как амортизатор, поглощая внезапные порывы ветра», — объясняет Мэтт Пенн из RMIT.

Секрет взаимодействия крыльев и хвоста

Когда крылья и хвост расправляются одновременно, увеличение подъёмной силы оказывается больше, чем сумма эффектов от двух движений по отдельности. Крылья создают дополнительную подъёмную силу, а хвост предотвращает нежелательное вращение. В результате птица получает подъёмную силу для противодействия порыву ветра, не меняя своего положения в воздухе.

Хвост действует также как регулятор устойчивости: в расправленном состоянии он эффективно противодействует порывам ветра, стремящимся опрокинуть птицу носом вверх или вниз. Пустельга в реальном времени переключается между двумя режимами — сохраняет устойчивость при удержании позиции во время порыва ветра или снижает её, когда нужно изменить направление.

Обычный дрон, использующий для коррекции мощность двигателя или угол наклона управляющих поверхностей, неизбежно опрокидывается в условиях сильной турбулентности.

Тестирование роботизированной модели

Чтобы проверить теории и измерить точные силы, действующие на крылья, специалисты создали роботизированную копию пустельги на основе компьютерной томографии реальных особей. Робот воспроизводит движения крыльев и хвоста — его протестировали в аэродинамической трубе при порывах ветра со скоростью 7 м/с.

«Создав роботизированную копию, мы смогли точно измерить, как эти движения гасят вибрацию. Мы обнаружили уникальные методы, которые потенциально могут значительно улучшить манёвренность небольших летательных аппаратов», — говорит доктор Марио Мартинес Гроувс-Рейнс.

У пустельги также есть мощная система обратной связи: перья в реальном времени обнаруживают вибрации и точки отрыва потока, а рецепторы в суставах непрерывно отслеживают структурные нагрузки. Ни один современный дрон не обладает такой системой.

Перспективы применения технологии

По словам старшего научного сотрудника RMIT Абдугани Мохамеда, исследование демонстрирует, чего можно достичь, когда инженеры обращаются к природе за решениями: «Наши результаты открывают новые возможности для проектирования летательных аппаратов, способных лучше справляться с турбулентностью».

В ближайшей перспективе учёные хотят изучить, как птица воспринимает окружающую среду, в том числе тонкие сигналы турбулентности, позволяющие ей предугадывать порывы ветра. Это может лечь в основу системы прогнозирующего управления.

Хотя технология требует доработки, команда планирует упростить собранные данные, чтобы адаптировать биологические принципы не только для малых БПЛА, но и для более крупных летательных аппаратов. К проекту также приглашают представителей промышленности.