Роботизированная птица поможет дронам справляться с сильным ветром

Исследователи из Королевского технологического института Мельбурна в Австралии и Бристольского университета в Великобритании детально изучили полет австралийской пустельги. Эта небольшая хищная птица способна неподвижно зависать в воздухе даже при сильных порывах ветра. На основе полученных данных инженеры планируют создать новое поколение беспилотных летательных аппаратов, устойчивых к сложным погодным условиям.

Проблема чувствительности дронов к ветру

Сильный порыв ветра зачастую вынуждает операторов прекращать полет и сажать беспилотник. Это существенное аэродинамическое ограничение актуально как для коммерческих квадрокоптеров с камерами, так и для грузовых или военных аппаратов. Результаты исследований, опубликованные в научном журнале Journal of the Royal Society Interface, показывают, что вертикальные порывы ветра вызывают колебания подъемной силы крыла малого БПЛА в 25–100 раз сильнее, чем горизонтальные. Именно такие воздушные потоки преобладают на малых высотах, где обычно летают гражданские дроны, а изменения климата в ближайшие десятилетия лишь усугубят эту проблему.

Секрет устойчивости австралийской пустельги

Чтобы понять, как птицы справляются с турбулентностью, авторы исследования использовали технологию захвата движения в аэродинамической трубе. Выяснилось, что пустельга обладает огромным преимуществом перед искусственными аппаратами благодаря анатомическим особенностям:

• Высокая подвижность: птица задействует более 22 степеней свободы для корректировки положения тела в полете, тогда как у стандартного квадрокоптера их всего четыре.
• Оптимальное распределение веса: основная масса тела пустельги сосредоточена в корпусе. Это позволяет ей реагировать на порывы ветра и восстанавливать баланс примерно в два раза быстрее БПЛА аналогичного размера, у которых тяжелые элементы распределены по всей раме.
• Естественная амортизация: гибкие перья и суставы птицы поглощают резкие изменения воздушного потока.
• Развитая сенсорная система: нитевидные перья улавливают малейшие вибрации и изменения давления, а механорецепторы в суставах постоянно контролируют механическую нагрузку.

Испытания роботизированного аналога

Для детального измерения действующих сил инженеры создали высокоточную роботизированную копию птицы на основе компьютерной томографии реальных образцов. Робот в точности воспроизводит совместные движения крыльев (сгибание в запястьях и локтях) и хвоста. Устройство протестировали в аэродинамической трубе при скорости ветра 7 метров в секунду (около 25 километров в час).

Тестирование показало, что ключевым фактором стабильности пустельги является синхронная работа крыльев и хвоста. Когда птица одновременно раскрывает их, подъемная сила увеличивается, а нежелательные колебания корпуса взаимно компенсируются. Обычный дрон при попытке увеличить подъемную силу за счет изменения оборотов двигателей неизбежно наклоняется, тогда как пустельга сохраняет стабильное горизонтальное положение.

Хвост птицы выполняет функцию регулятора устойчивости. В полностью раскрытом состоянии он эффективно противодействует наклонам носа вверх или вниз. Сложенный хвост снижает автоматическую стабилизацию, но делает птицу чрезвычайно маневренной. Пустельга способна мгновенно переключаться между этими режимами, адаптируясь к текущим условиям полета. Современные беспилотники такой способностью пока не обладают.

Перспективы применения технологии

По словам исследователей, создание полноценного аналога живой птицы представляет собой сложную инженерную задачу, так как высокая стабильность пустельги достигается за счет одновременной работы множества механизмов. Воспроизвести их в легкой и недорогой конструкции БПЛА — главная цель дальнейшей работы.

На следующем этапе специалисты планируют изучить, как пустельга анализирует окружающую среду и предугадывает порывы ветра еще до того, как они столкнутся с ее телом. В перспективе эти данные помогут разработать прогностические системы управления для малых дронов, а в дальнейшем — применить эти принципы в крупной авиации.