Atklāts ātrgaitas lidošanas manevrēšanas spējas pamatlikums

Putnu un sikspārņu neparastā spēja ātri lidot cauri pārblīvētām vidēm, piemēram, mežiem, jau sen ir fascinējusi cilvēkus. Tas rada acīmredzamu jautājumu: kā šīs radības to dara?

Skaidrs, ka viņiem ir jāatpazīst šķēršļi un precīzi jākontrolē savas kustības, lai izvairītos no sadursmēm, vienlaikus tiecoties pēc sava mērķa. Un viņiem tas jādara neparastā ātrumā.

No parastā vadības un kontroles viedokļa tas ir grūts uzdevums. Objektu atpazīšana un attāluma noteikšana ir smagas problēmas, un maršruta plānošana ir vēl grūtāka.

Pat ar milzīgajiem skaitļošanas resursiem, kas cilvēkiem ir pieejami, nav skaidrs, kā risināt šo problēmu. Tātad, kā lidojošie dzīvnieki to pārvalda ar nekustīgām acīm, fiksēta fokusa optiku un daudz ierobežotāku datu apstrādi, ir mīkla.

Šodien Kens Sebesta un Džons Beiljēls no Bostonas Universitātes atklāj, kā viņi to uzlauzuši. Šie puiši saka, ka lidojošie dzīvnieki izmanto salīdzinoši vienkāršu algoritmu, lai izkļūtu cauri juceklim, un tas viņiem ir ļāvis iegūt pamatlikumu, kas nosaka veiklā lidojuma robežas.

Viņu pieeja balstās uz ideju, ko sauc par optisko plūsmas sensoru, kam pēdējos gados ir pievērsta arvien lielāka uzmanība. Ideja šeit ir domāt par redzes lauku, nevis kā atsevišķu objektu kopumu dažādos attālumos, bet vienkārši kā punktu masīvu, kas pārvietojas pa redzes lauku.

Kustības ātrums pa redzes lauku ir atkarīgs no tādiem faktoriem kā objekta izmērs un attālums, kā arī lidojuma ātrums.

Tomēr redzes optika ievērojami vienkāršo noteiktus aprēķinus par šo sistēmu. Jo īpaši tas ļauj ļoti vienkārši noteikt nenovēršamu sadursmi.

Izrādās, ka, ņemot vērā, ka acs ābols ar nemainīgu ātrumu lido virzienā uz objektu, objekta attēla izmēra maiņas ātrums uz acs ābola tīklenes nosaka trieciena laiku. Tas ir vienkāršs aprēķins, kam nav vajadzīgas zināšanas par objekta izmēru, attālumu vai pat aizvēršanās ātrumu.

Pēc tam kļūst samērā vienkārši noteikt, kad sadursme ir nenovēršama, un attiecīgi pielāgot kursu. Tas ir kaut kas, ko var izdarīt ar tiešu atgriezenisko saiti no optiskās sistēmas ļoti efektīvā veidā.

Sebesta un Baillieul darbs ir vispārināt šo aprēķinu jebkuram redzes lauka punktam un aprēķināt ne tikai tad, kad ir nenovēršama sadursme, bet arī tad, kad acs ābols šķērso objektu.

Pēc tam viņi izmanto šo metodi redzes laukam kopumā, lai noteiktu, kad ir iespējamas sadursmes, un izveidotu vadības sistēmu, kas ļauj pielāgot kursu.

Viņu secinājums ir tāds, ka optiskās plūsmas pieeja rada būtisku ierobežojumu liela ātruma lidojuma veiklībai. Faktori, kas to nosaka, ir šķēršļu lielums un blīvums jucekli laukā, kā arī daudzums, ko Sebesta un Baillieul sauc par vadības iestādi, būtībā lidotāja pagrieziena rādiuss.

Izrādās, ka ir manevrēšanas spējas kritiskais līmenis. Tiek parādīts, ka ir kritiski stūres spējas līmeņi, zem kuriem ir gandrīz neiespējami šķērsot šķēršļu lauku un nedaudz virs kuriem ir gandrīz droši, ka būs iespējams realizēt bez sadursmēm ceļu, saka viņi.

Tas ir aizraujošs rezultāts. Tas nosaka būtisku ierobežojumu jebkura lidotāja spējai ātri orientēties vidē. Tas arī ļauj izstrādāt salīdzinoši vienkāršu algoritmu, lai sasniegtu šo ierobežojumu vai kaut ko tuvu tam, izmantojot attēla datu atgriezenisko saiti.

Patiešām, Sebesta un Baillieul to jau izmanto pēc pasūtījuma izgatavotā bezpilota lidaparātā, kura pamatā ir populārais kvadrakoptera ietvars, kas aprīkots ar kustības sensoriem, iebūvētu kameru un Gumstix Fire Single Board Computer. Viņi saka, ka mūsu laboratorija pašlaik veic iekštelpu bezmaksas lidojumu testus kopā ar atsevišķiem piesietiem āra lidojumu testiem.

Tas paver iespēju autonomiem mikrogaisa transportlīdzekļiem, piemēram, zvirbuļvanakiem pa mežu, slīdēt un nirt cauri pārblīvētām vidēm. Un darot to ne pārāk tālā nākotnē.

Atsauce: arxiv.org/abs/1203.2816 : Dzīvnieku iedvesmots veikls lidojums, izmantojot optisko plūsmas sensoru

paslēpties