Крошечный дрон ощупывает стены усами из нитинола

Крыса в тёмной норе не видит стен, но точно знает, где они: она ощупывает их усами. Инженеры из Делфта дали такие же усы дрону весом 44 грамма, и теперь он летает вдоль стен в полной темноте и облетает стекло, которое не замечают камеры.

Слишком маленький для лидара

Крошечные дроны легче ста граммов могли бы залетать туда, куда человеку не пробраться: в задымлённое здание, тёмную пещеру, тесный технический тоннель. Мешает им то, что у них почти нет «органов чувств». Камере нужен свет, а дым и пыль её слепят. Лазерные дальномеры путаются на прозрачных и зеркальных поверхностях. Лидар для такой машины слишком тяжёл, а вычислительных ресурсов на борту совсем мало.

Чаосян Е, Гвидо де Крон и Салуа Хамаза из Делфтского технического университета в Нидерландах решили зайти с другой стороны и научить дрон осязанию. Образцом послужили животные, которые ориентируются вибриссами, — крысы и кроты.

Похожим образом устроены и кошачьи усы, длина которых примерно равна ширине кошки: по ним животное понимает, пролезет ли оно в щель.

Ус из проволоки с памятью формы

Каждый ус — проволока из нитинола, сплава никеля и титана, длиной 20 сантиметров и толщиной 0,4 миллиметра. Она достаточно гибкая, чтобы мягко касаться поверхности и не толкать при этом дрон. Корень уса сидит в напечатанной на 3D-принтере капсуле, залитой смолой, — это аналог волосяного фолликула у животного. Вокруг расположены три крошечных барометра. Когда ус гнётся, давление на них меняется, и по разнице показаний система вычисляет, насколько глубоко ус «упёрся» в препятствие. Весь сенсорный узел весит 3,2 грамма.

Носителем стал серийный мини-дрон Crazyflie шведской компании Bitcraze. Сам он с аккумулятором весит 33,4 грамма, а с усами, креплениями и дополнительными датчиками — 44,1 грамма. В такой комплектации он держится в воздухе около семи минут.

Два уса торчат вперёд на расстоянии пяти сантиметров друг от друга. Угол установки подбирали опытным путём. Дрон проводил усами вдоль стены на скоростях от 0,1 до 0,5 метра в секунду, и при горизонтальных усах его разворачивало и роняло. При наклоне в 15 градусов вверх тоже: под собственным весом ус провисает примерно на 10 градусов и оказывается почти горизонтальным. Лучше всего показал себя угол 45 градусов — ни одного падения и самые слабые рывки.

Как отличить касание от ветра

Главная трудность — винты. Они гонят воздух, ус дрожит, показания «плывут» из-за потоков воздуха, а после касания сигнал не сразу возвращается к исходному. Для этого написали отдельный алгоритм, который вычищает дрейф и звон сигнала. Затем небольшая нейросеть переводит показания барометров в расстояние до стены, а фильтр Калмана сводит его с данными о движении самого дрона. Точность определения глубины касания — миллиметры.

Всё это работает на борту, на микроконтроллере STM32F405 с 192 килобайтами памяти. Сами алгоритмы занимают 34 килобайта — меньше, чем средняя фотография в телефоне.

Стекло, флаг и выход из комнаты

В первом опыте дрон летел вперёд со скоростью 20 сантиметров в секунду и натыкался на три прозрачные перегородки из акрила. Нащупав стену, он переходил в режим полёта вдоль неё, огибал препятствие и двигался дальше. На стекле усы определяли расстояние точнее, чем бортовой лазерный дальномер, у которого на прозрачной поверхности растёт шум.

Во втором дрон в полной темноте облетал твёрдую стену и висящий флаг. С тканью было сложнее: она шершавая, собирается складками, и дрон заметно раскачивался. Но прошёл вдоль флага, не упав.

Самый сложный опыт — разведка незнакомого помещения. Дрон двигался вдоль стен, по точкам касания строил карту и сам выбирал, куда лететь дальше, чтобы уменьшить неопределённость. В итоге он находил выход.

Что пока не получается

Ограничения авторы перечисляют сами. При долгом ощупывании дрейф датчиков накапливается и точность падает. Усы смотрят только вперёд, поэтому препятствие сбоку дрон не заметит. И быстро лететь через неизвестное пространство он не может: чтобы узнать о стене, нужно сначала её коснуться.

Ещё одна проблема — производство. Мелкие различия в барометрах и сборке не позволяют просто перенести обученную модель с одного дрона на другой. Каждый экземпляр приходится калибровать: пять-шесть проходов вдоль стены под присмотром внешних датчиков, около 15–20 минут.

Работа опубликована в журнале Nature Communications. Применение авторы видят в поисково-спасательных операциях, инспекции тесных конструкций и полётах там, где нет ни света, ни спутниковой навигации.