Микровоздушные аппараты: разработка и применение

Введение

Класс очень маленьких беспилотных летательных аппаратов

Микровоздушное транспортное средство (МАВ) или микролетательный аппарат – это класс переносных миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), размер которых позволяет использовать их на малых высотах для поддержки в ближнем бою и наблюдения. Современные МAV могут быть размером всего 5 сантиметров – для сравнения, см. Нановоздушное транспортное средство. Разработка ведется коммерческими, исследовательскими, государственными и военными организациями, и, по сообщениям, в будущем ожидается появление аппаратов размером с насекомых. Эти небольшие аппараты позволяют дистанционно наблюдать за опасными средами или районами, недоступными для наземного транспорта. Энтузиасты создают МAV для таких применений, как соревнования по аэророботике и аэрофотосъемка. МAV могут обеспечивать автономные режимы полета.

Практические реализации

В 2008 году Университет ТУ Делфт в Нидерландах разработал самый маленький орнитоптер, оснащенный камерой, DelFly Micro, третью версию проекта DelFly, который начался в 2005 году. Эта версия имеет длину 10 сантиметров и вес 3 грамма, немного больше (и шумнее), чем стрекоза, на которой она была смоделирована. Важность камеры заключается в возможности дистанционного управления, когда DelFly находится вне поля зрения. Однако эта версия еще не была успешно протестирована на открытом воздухе, хотя она хорошо работает в помещении. Исследователь Дэвид Лентинк из Университета Вагенингена, участвовавший в разработке предыдущих моделей DelFly I и DelFly II, считает, что для имитации возможностей насекомых, с их низким энергопотреблением и множеством датчиков – не только глаз, но и гироскопов, датчиков ветра и многого другого – потребуется по крайней мере полвека. Он утверждает, что орнитоптеры размером с муху должны быть возможны, при условии, что хвост будет хорошо спроектирован. Рик Руйсинк из TU Delft называет вес батареи самой большой проблемой: литий-ионная батарея в DelFly Micro весит один грамм, что составляет треть от общей массы аппарата. К счастью, разработки в этой области идут очень быстро благодаря спросу в различных коммерческих сферах. Руйсинк говорит, что цель этих аппаратов – понять принципы полета насекомых и найти практическое применение, например, летать через трещины в бетоне для поиска жертв землетрясений или исследовать радиоактивно загрязненные здания. Разведывательные службы и военные также видят потенциал в использовании таких небольших машин в качестве шпионов и разведчиков. Роберт Вуд из Гарвардского университета разработал еще меньший орнитоптер, всего 3 сантиметра в длину, но он не является автономным, поскольку получает питание по проводам. Группа добилась управляемого зависания в 2013 году, а также посадки и взлета с различных выступов в 2016 году (оба испытания проводились в среде отслеживания движения). T Hawk MAV, микро-БПЛА с канальным вентилятором и возможностью вертикального взлета и посадки, был разработан американской компанией Honeywell и поступил на вооружение в 2007 году. Этот БПЛА используется армией и подразделением обезвреживания взрывчатых веществ ВМС США для поиска самодельных взрывных устройств на дорогах и осмотра целей. Устройство также было развернуто на АЭС "Фукусима Дайити" в Японии для получения видео- и радиометрических данных после землетрясения и цунами в Тохоку в 2011 году. В начале 2008 года Honeywell получила одобрение FAA на экспериментальную эксплуатацию своего БПЛА, обозначенного как gMAV, в национальном воздушном пространстве. gMAV стал четвертым БПЛА, получившим такое одобрение. Honeywell gMAV использует канальную тягу для подъема, что позволяет ему вертикально взлетать и приземляться, а также зависать в воздухе. По словам компании, он также способен к "высокоскоростному" горизонтальному полету, однако данные о производительности не разглашаются. Компания также заявляет, что аппарат достаточно легкий, чтобы его мог нести человек. Изначально он был разработан в рамках программы DARPA, и предполагается, что его первое применение будет в полицейском департаменте округа Майами-Дейд, штат Флорида. В январе 2010 года Университет Тамканга (TKU) на Тайване реализовал автономное управление высотой полета 8-граммового, 20-сантиметрового БПЛА с машущими крыльями. Лаборатория MEMS (MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS) TKU разрабатывала БПЛА в течение нескольких лет, а в 2007 году к исследовательской группе присоединилась лаборатория космической и динамики полета (SFD) для разработки автономных БПЛА. Вместо традиционных датчиков и вычислительных устройств, которые слишком тяжелы для большинства БПЛА, SFD объединила систему стереовидения с наземной станцией для управления высотой полета, что сделало его первым БПЛА с машущими крыльями весом менее 10 граммов, способным к автономному полету. В 2012 году британская армия развернула 16-граммовый беспилотный летательный аппарат Black Hornet Nano в Афганистане для поддержки пехотных операций.

In 2008, the TU Delft University in the Netherlands developed the smallest ornithopter fitted with a camera, the DelFly Micro, the third version of the DelFly project that started in 2005. This version measures 10 centimeters and weighs 3 grams, slightly larger (and noisier) than the dragonfly on which it was modeled. The importance of the camera lies in remote control when the DelFly is out of sight. However, this version has not yet been successfully tested outside, although it performs well indoors. Researcher David Lentink of Wageningen University, who participated in the development of previous models, DelFly I and DelFly II, says it will take at least half a century to mimic the capabilities of insects, with their low energy consumption and multitude of sensors—not only eyes, but gyroscopes, wind sensors, and much more. He says fly size ornithopters should be possible, provided the tail is well designed. Rick Ruijsink of TU Delft cites battery weight as the biggest problem; the lithium ion battery in the DelFly micro, at one gram, constitutes a third of the weight. Luckily, developments in this area are still going very fast, due to the demand in various other commercial fields. Ruijsink says the purpose of these crafts is to understand insect flight and to provide practical uses, such as flying through cracks in concrete to search for earthquake victims or exploring radioactivity contaminated buildings. Spy agencies and the military also see potential for such small vehicles as spies and scouts. Robert Wood at Harvard University developed an even smaller ornithopter, at just 3 centimeters, but this craft is not autonomous in that it gets its power through a wire. The group has achieved controlled hovering flight in 2013 as well as landings on and takeoffs from different overhangs in 2016 (both inside a motion tracking environment). The T Hawk MAV, a ducted fan VTOL Micro UAV, was developed by the United States company Honeywell and entered service in 2007. This MAV is used by the US Army and US Navy Explosive Ordnance Division to search areas for roadside bombs and inspect targets. The device was also deployed at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in Japan to provide video and radioactivity readings after the 2011 Tōhoku earthquake and tsunami. In early 2008, Honeywell received FAA approval to operate its MAV, designated as gMAV in the national airspace on an experimental basis. The gMAV is the fourth MAV to receive such approval. The Honeywell gMAV uses ducted thrust for lift, allowing it to take off and land vertically and to hover. It is also capable of "high speed" forward flight, according to the company, but no performance figures have been released. The company also states that the machine is light enough to be carried by a man. It was originally developed as part of a DARPA program, and its initial application is expected to be with the police department of Miami Dade County, Florida. In January 2010, Tamkang University (TKU) in Taiwan realized autonomous control of flight altitude of an 8 gram, 20 centimeter wide, flapping wing MAV. The MEMS (MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS) Lab of TKU had been developing MAVs for several years, and in 2007 the Space and Flight Dynamics (SFD) Lab joined the research team for the development of autonomous flight MAVs. Instead of traditional sensors and computational devices, which are too heavy for most MAVs, the SFD combined a stereo vision system with a ground station to control the flight altitude, making it the first flapping wing MAV under 10 grams that realized autonomous flight. In 2012, the British Army deployed the sixteen gram Black Hornet Nano Unmanned Air Vehicle to Afghanistan to support infantry operations.

Практические ограничения

Хотя в настоящее время настоящих MAV (т.е. действительно микроскопических летательных аппаратов) не существует, DARPA предприняла попытку разработать еще меньшие Нановоздушные аппараты (NAV) с размахом крыльев 7,5 сантиметров. Однако, до 2009 года, когда AeroVironment продемонстрировала управляемое зависание NAV с машущими крыльями, разработанного для DARPA, не было представлено ни одного NAV, соответствующего первоначальным требованиям программы DARPA. Помимо трудностей в разработке MAV, немногие конструкции адекватно решают вопросы управления. Небольшой размер MAV делает телеуправление непрактичным, поскольку пилот наземной станции не может видеть аппарат на расстоянии более 100 метров. Бортовая камера, позволяющая пилоту наземной станции стабилизировать и перемещать аппарат, была впервые продемонстрирована на AeroVironment Black Widow, но по-настоящему микроскопические воздушные аппараты не могут нести достаточно мощные бортовые передатчики для обеспечения телеуправления. По этой причине некоторые исследователи сосредоточились на полностью автономном полете MAV. Одним из таких устройств, изначально спроектированным как полностью автономный MAV, является Entomopter, вдохновленный биологией и разработанный в Технологическом институте Джорджии по контракту DARPA Робертом С. Микельсоном. Учитывая возможность автономного управления MAV, сохраняются значительные проблемы, связанные с испытаниями и оценкой. Некоторые из проблем, которые могут возникнуть при использовании физических аппаратов, решаются путем моделирования этих моделей.

Био-вдохновение

Новая тенденция в сообществе MAV – черпать вдохновение в летающих насекомых или птицах для достижения беспрецедентных летных возможностей. Биологические системы интересны инженерам MAV не только благодаря использованию неустойчивой аэродинамики с машущими крыльями, но и все чаще вдохновляют их на разработку других аспектов, таких как распределенное зондирование и управление, синтез данных с датчиков и обработка информации. Недавние исследования, проводимые ВВС США, были сосредоточены на разработке механизма, имитирующего способ приземления птиц. Механизм наземного передвижения и удержания, вдохновленный когтями птиц, был недавно разработан компаниями Vishwa Robotics и MIT при поддержке Исследовательской лаборатории ВВС США. Различные симпозиумы, объединяющие биологов и специалистов по аэроробототехнике, проводятся с возрастающей частотой с 2000 года, и в последнее время были опубликованы несколько книг по этой теме. Биоинспирация также применялась при разработке методов стабилизации и управления группами из нескольких MAV. Исследователи вдохновлялись наблюдаемым поведением косяков рыб и стай птиц для управления искусственными роями MAV, а также правилами, наблюдаемыми в группах перелетных птиц, для стабилизации компактных формаций MAV.