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