Létající roboti

Tohle je quadrotor. Jmenuje se quadrotor podle čtyř rotujících vrtulí vytvářejících vztlak. Pilot jej ovládá rádiovým vysílačem. To je parádní, ale když přejdeme cestu, samozřejmě se podíváme, zda nic nejede, přijdeme na místo, kde quadrotory létají samostatně - bez lidské pomoci. Vůbec nepotřebují pilota. Tento robot létá s extrémní přesností v malých prostorech.

Také umí pár vychytávek. Zajímá-li vás, jak naučit robota létat, jste tu správně. Létající roboti! Rychlokurs. Rychlokurs asi není vhodný termín. Létající roboti! Zrychlené školení. K pochopení létajících robotů je třeba znát fyziku quadrotorů, jak je lidé pilotují, jak použít počítač k pilotování a proč tito roboti dokáží i složitější věci.

Pojďme se podívat na fyziku, díky které quadrotory létají. Rotující vrtule tlačí dolů na vzduch. Dle 3. Newtonova zákona i vzduch tlačí na vrtule v opačném směru. Když tato síla vyrovná gravitaci, quadrotor se vznáší. Pro naklonění se jedna vrtule točí rychleji než ta naproti, což vede k dodatečné horizontální síle, a quadrotor se nakloní.

Jak ale může quadrotor rotovat kolem vertikální osy? Newtonův 3. zákon platí i pro rotační sílu neboli moment síly. Když se tyto dvě vrtule točí, působí na vzduch po směru ručiček a vzduch působí na vrtule proti směru ručiček. Zbylé dva motory se ale točí v opačném směru a reakční síla pohne quadrotorem po směru ručiček. Když jsou zaplé všechny 4 vrtule, momenty sil se vyruší.

Během letu se vozidlo otočí, pokud se dva motory točí rychleji než zbylé dva. To byla základní fyzika quadrotorů. Než z nich ale uděláme roboty, musíme vědět, jak je řídit. Nejdřív si ukážeme, jak to dělají lidé. Proces lze rozdělit na 4 klíčové kroky. 1. Pilot očima zjistí polohu a natočení quadrotoru. Teď například pilot vidí, že quadrotor padá. Pak se pilot rozhodne, jaké příkazy quadrotoru dá.

Chce zabránit pádu, a proto zvýší rychlost všech 4 vrtulí. Použije k tomu rádiový vysílač, což je jen efektní dálkové ovládání. Quadrotor poslechne rádiové příkazy a nastaví dle nich rychlost každého motoru. Teď se podíváme, jak se tyto 4 kroky změní u robotických quadrotorů. V prvním kroku použijeme specializovanou kameru místo očí.

Kamera vysílá infračervené světlo. To se odráží od reflexivních značek a dorazí zpět do kamery. Boční kamera zjistí polohu značky ve vertikálním a jednom horizontálním směru. Horní kamera určí pozici v obou horizontálních směrech. S trochou složitější matematiky a pomocí 12 různých kamer určíme přesnou 3D polohu značek. Toto se opakuje mnohokrát za sekundu k určení polohy značek - a tedy quadrotoru - v reálném čase.

Nyní použijeme počítač místo mozku k výpočtu příkazů. Program tvoří pár set řádků C++ kódu napsaného studenty, kteří moc nechodí ven. Dělá skoro to samé co pilot. Z určené pozice vyhodnotí příkazy. Dělá to ale mnohem rychleji a méně dramaticky. V třetím kroku použijeme podobný rádiový vysílač, jen menší a bez páček.

Čtvrtý krok je stejný jako předtím. Quadrotor poslouchá příkazy a nastaví dle nich rychlost motorů. Upravili jsme tedy všechny 4 kroky, aby quadrotor mohl létat samostatně. Teď stačí jen zmáčknout tlačítko a voila... Roboti létají lépe než lidé, protože se tato informační neboli zpětná smyčka, vyhodnocuje mnohem rychleji na počítači. V našem případě 200krát za sekundu.

To umožňuje dělat husté věci. Můžeme například řídit šest najednou. Nebo rovnou deset! Můžeme roboty naučit, jak si automaticky měnit baterie nebo vyrovnat kývání kyvadla. Umí také dělat přemety, třeba tenhle... ...nebo tento... ...nebo tenhle...

A nemusíme mít jen quadrotory. Stejná technologie se uplatní i na tyhle tříkřídlá letadla. Nebo normálnější letadla s pevnými křídly, třeba tohle... ...nebo tohle... a tenhle dokonce umí přemet. Snad jste se dozvěděli, jak mohou roboti létat. Tímto končím rychlokurs - tedy zrychlené školení. Přeložil: Liedan www.videacesky.cz