Совместное развитие сенсорики и робототехники

В случае хождения на двух ногах различие статической и динамической походки может быть проиллюстрировано рисунком (рис. 4.28).

Рис. 4.28. Статический (а) и динамический (б) варианты походки

Колесные роботы могут иметь жесткозащемленную^{13 Жесткое защемление или жесткая заделка в механике определяет условия, когда концы балки жестко зафиксированы на опоре и, в отличие от шарнирного закрепления, повернуться не могут} плоскую раму (рис. 4.29 (а)) и шарнирную (рис. 4.29 (б)) раму. Во втором случае робот состоит из двух или более секций, каждая из которых сое- динена шарнирами, позволяющими машине изгибаться, обеспечивая возможность лучше преодолевать пересеченную местность или подниматься по крутым склонам.

Рис. 4.29. Рама колесного робота с жесткой заделкой (а) и шарнирная рама (б)

Очевидно, что для каждого ландшафта существуют свои варианты оптимальной конструкции машины. Шагающие роботы ожидаемо являются наиболее тихоходными, однако проявляют высокую мобильность в неструктурированной среде. Они могут передвигаться по заснеженным склонам, лестницам, по неровной поверхности и т. п. Напротив, колесные роботы обеспечивают максимальную скорость, но только в условиях хорошей (структурированной) дороги (см. рис. 4.30).

Рис. 4.30. Сравнение роботов с разными механизмами передвижения. Источник: Luca Bruzzone

Беспилотные летательные аппараты (летающие роботы)

В данном разделе будем рассматривать такую широкую категорию как БПЛА ^{14Также широко встречается в отечественной терминологии аббревиатура БВС (беспилотные воздушные суда). Отметим, что данный термин ближе к оригинальному UAV Unmanned Aerial Vehicles. Есть также аббревиатура БЛА (беспилотные летательные аппараты). Некоторым специалистам наличие буквы "П" кажется малообоснованным. Есть также аббревиатура БАС - беспилотная авиационная система. БАС - это система, состоящая из дрона (или нескольких дронов), его бортового оборудования и наземного управления. (Прим. ред.)} - летательные аппараты, которые используются как внутри, так и вне помещения в широком спектре гражданских и военных применений.

Классифицируя БПЛА по весу и дальности, Международная ассоциация по беспилотным системам AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International) выделяет семь категорий [ "Источники использованной литературы" ] от микро- и мини-БПЛА ближнего действия (до 5 кг и до 10 км) до тяжелых БПЛА большой продолжительности полета (более 1500 кг и с дальностью действия более 500 км).

Говоря о классификации БПЛА по способу полета, полезно обратиться к рис. 4.31, согласно которому все БПЛА можно разделить на 5 категорий.

Рис. 4.31. Классификация БПЛА по типу полета.

БПЛА самолетного типа с неподвижным крылом - это аппараты горизонтального взлета и посадки, которые движутся по взлетно-посадочной полосе в горизонтальном направлении подобно большинству пассажирских самолетов. Достаточно часто для обозначения данных конструкций используется аббревиатура HTOL (от англ. Horizontal take-off and landing).

Мультироторные БПЛА (мультикоптеры) - это аппараты вертикального взлета и посадки, способные взлетать и садиться вертикально, без использования взлетно-посадочной полосы, а также зависать в воздухе. Роторов может быть два, три и более (квадрокоптеры, пентакоптеры и т. п.). Для обозначения аппаратов вертикального взлета используется сокращение VTOL (Vertical take-off and landing).

Однороторные БПЛА вертолетного типа тоже обладают возможностью вертикального взлета, зависания и посадки.

Категория "гибридные БПЛА" включает устройства, которые обладают как возможностями VTOL, так и HTOL аппаратов. Например, гибридный VTOL c неподвижным крылом имеет две независимые системы: для зависания (подъемные роторы) и для горизонтального полета (толкающие). При вертикальном взлете летательный аппарат использует подъемные роторы. На этом этапе толкающий двигатель отключается, и летательный аппарат ведет себя как квадрокоптер. После набора заданной высоты БПЛА переходит на толкающий двигатель для набора скорости. После достижения нужной высоты подъемные роторы выключаются, и аппарат ведет себя как самолет с фиксированным крылом. Существуют конструкции с поворотным крылом, соответственно, имеющие возможность поворачивать ротор вместе с крылом. Также существуют модели с поворотными роторами.

Прочие БПЛА - это, например, аппараты аэростатного типа (летательные аппараты легче воздуха) или биовдохновленные махолеты.

Хотя к настоящему времени беспилотные летательные аппараты и мультикоптеры, в частности, стали обычным явлением в таких областях, как фотосъемка или топографическая съемка, разработчикам еще предстоит провести большую исследовательскую работу в тех областях, где летательные аппараты должны воздействовать на окружающую среду, вступая с ней в прямой контакт, осуществляя так называемую "воздушную манипуляцию". Под воздушной манипуляцией предполагаются захват, транспортировка, позиционирование, сборка и разборка механических частей, измерительных приборов и любых объектов, выполняемые с помощью БПЛА, оснащенных небольшой роботизированной рукой (руками) и захватом (захватами). Подобные системы носят в значительной степени гибридный характер, совмещая программно-аппаратный комплекс как для полетов, так и для роботов-манипуляторов.

Водные мобильные роботы

Предназначенны для использования на воде и под водой. Водные роботы могут различаться по размеру, глубине погружения, степени автономности и по принципу движения в воде.

Авторы статьи [ "Источники использованной литературы" ] выделяют три типа роботов, перемещающихся в воде, - это плавающие по воде, плавающие под водой и передвигающиеся по дну (под водой). Плавающие по воде могут использовать реактивный двигатель, гребной винт, плавники, паруса, частично погружаясь в воду или осуществляя скольжение по поверхности воды. Плавающие под водой осуществляют движение с помощью гребного винта, плавников, волнообразного движения тела или реактивного движения. Перемещающиеся по дну могут двигаться с помощью ног, гусениц или присосок, осуществляя ходьбу, ползанье или качение.

Существует большое разнообразие водных биовдохновленных роботов, имитирующих действия различных животных, обитающих в водной стихии: дельфинов, кальмаров, змей, рыб.

Водные роботы находят массу применений как в гражданских приложениях (для осмотра морских нефтяных платформ, трубопроводов и для научных исследований), так и в военных целях.

От управляемой к автономной навигации

Мы уже отметили в начале данной лекции, что тренд на рост автономности мобильных роботов не отменяет роста спроса на телеуправляемых роботов. Тем не менее вектор, связанный с развитием мобильной автономности, - это одно из важнейших направлений развития робототехники.

При этом важно отметить, что переход от управляемой навигации к беспилотной происходит постепенно, в силу чего классификация мобильных роботов в ряде случаев осложняется.

Заметим, что термин БПЛА относится как к автономным, так и телеуправляемым летательным аппаратам, которые могут функционировать без присутствия пилота на борту. В режиме телеупраления пилот или оператор на земле управляет летательным аппаратом с помощью дистанционного управления, используя команды и обратную связь. Несмотря на то что в данном случае летательный аппарат управляется оператором, его все равно относят к категории БПЛА, поскольку он не имеет человека на борту ^{15 Мы уже отмечали, что граница между БПЛА и летающими роботами четко не определена. Ряд авторов полагают, что часть телеуправляемых БПЛА, имеющих минимальную автономность и отсутствие рабочих органов, таких как, например, средства выгрузки полезной нагрузки, не следует называть роботами, другие причисляют к роботам большую часть БПЛА}.

При этом выделяют пять градаций, так скажем, "беспилотности" БПЛА (см. табл. 4.2).

Причем ровно столько же уровней выделяется и в эволюции беспилотного автомобиля (табл. 4.3).