このドローンは飛行、浮遊、回転して移動できます

この記事は、IEEE Xplore と提携した独占的な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。

1 台の自律ロボットが飛行し、もう 1 台が陸上を走行し、もう 1 台が水上を航行するのではなく、新しいハイブリッド ドローンは 3 つすべてを実行できます。 複雑なミッションを実行するために、科学者は飛行するだけではないドローンの実験を行っています。

陸、空、海を航行できるドローンのアイデアは、ニューヨーク大学アブダビのアラビア気候環境科学センター（ACCESS）の研究者らが、「潜在的に遠隔地に飛行してサンプリングできるドローンが欲しい」と述べたときに生まれた。 」と研究主著者でニューヨーク大学アブダビ校の博士課程候補者ディミトリオス・チャイカリス氏は言う。

環境研究は多くの場合、「到達困難な地域からのサンプル収集に依存している」とチャイカリス氏は言う。 「飛行体はそのような地域に簡単に移動できますが、水面に着陸して地表を航行できるため、最小限のエネルギー消費で長時間サンプリングしてから基地に戻ることができます。」

新しい自動運転車は、飛行用の 3 対のローター、陸上を移動するための 3 つの車輪、および水上での移動を補助する 2 つのスラスターを備えたトリコプターです。 ゴム製ホイールは、メインホイールフレーム本体の周囲に直接 3D プリントされており、水にさらされると錆びるリスクがある金属製のネジやボール ベアリングが不要になりました。 ドローン規制に準拠するため、機体全体の重さは10kg未満となっている。

ローターを保持するマシンの上部と、ホイールとスラスターを保持するマシンの下部の間に、機械でカットされた浮力のある発泡スチロールの本体が配置されました。 この浮力装置は水中で機械の船体として機能し、ローターの空気の流れのためのスペースを残すために三つ葉のような形をしていました。

「結果として得られる車両は、空気、水、地面など、利用可能なあらゆる媒体を横断することができます。つまり、最終的には、増え続ける困難や障害を克服できる自動運転車両を配備できることになります」とチャイカリス氏は言います。

このドローンには 2 つのオープンソース PX4 自動操縦システムが搭載されており、1 つは空中用で、もう 1 つは陸と水の両方を航行するためのものです。 「航空ナビゲーションは地上や水面のナビゲーションとは大きく異なりますが、実際には相互に多くの類似点があります」とチャイカリス氏は言います。 「そこで、私たちは地表と水面のナビゲーションを両方とも同じオートパイロットで動作するように設計し、それぞれのケースでモーターの出力のみを変更しました。」

Intel NUC コンピューターがコマンド モジュールとして機能しました。 コンピュータは、必要に応じて 2 つの自動操縦を切り替えることができるほか、無線トランシーバーや GPS とインターフェースすることもできます。 これらすべての電子機器は防水プラスチック ケース内に固定されていました。

「もちろん、地上車両の車輪用の防水モーターも入手する必要があります。水上では車輪が完全に水没してしまうためです」とチャイカリス氏は言う。 「このようなモーターは市販のオートパイロットユニットと接続するのが難しいことが判明したため、最終的にはそのような通信を接続するためのカスタムハードウェアとファームウェアも設計することになりました。」

ドローンは無線制御下で動作することも、事前にプログラムされたミッションで自律的に動作することもできます。 リチウムポリマーバッテリーによる飛行時間は18分です。

実験では、発泡スチロールの船体が浮上中に水を吸収し、30分以内に重量が20パーセント増加しました。 発泡スチロールは飛行中にゆっくりとはいえこの水を放出し、100分後には重量が20パーセント減少した。 科学者らは、自動操縦装置の設計でこの重量の大幅な変動を考慮する必要があると指摘している。そうしないと、全体の重量が永続的に増加することになるが、耐水性コーティングを追加することも可能だという。

さらに、「水しぶきや軽い水没に対しては防水ですが、これはまだ完全に水没可能な設計ではないため、浮揚装置の故障は潜在的に致命的なものになる可能性があります」とチャイカリス氏は言います。

研究者らは、将来的には船体を最適化して、複雑な操縦に耐えられる強度を持たせ、飛行中の空気抵抗を最小限に抑えることができると述べている。 また、ドローンを完全にモジュール化して、モジュールを取り付けたり取り外したりすることで機能を簡単に変更できるようにしたいと考えています。