Le robot se transforme en plein vol pour passer du vol au roulage sur terrain
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Les robots spécialisés, capables à la fois de voler et de se déplacer, atterrissent généralement sur terre avant de tenter de se transformer et de s'envoler. Mais lorsque le terrain d'atterrissage est accidenté, ces robots restent parfois bloqués et ne peuvent plus continuer à fonctionner. Une équipe d'ingénieurs de Caltech a développé un Transformer réaliste, doté du « cerveau » nécessaire pour se transformer en plein vol, permettant à ce robot semblable à un drone de rouler en douceur et de commencer ses opérations terrestres sans interruption. L'agilité et la robustesse accrues de ces robots pourraient être particulièrement utiles pour les systèmes de livraison commerciaux et les explorateurs robotiques.
Le nouveau robot, baptisé ATMO (morphobot aérien transformable), utilise quatre propulseurs pour voler, mais les carénages qui les protègent deviennent les roues du système dans une configuration de conduite alternative. La transformation repose sur un seul moteur qui actionne une articulation centrale qui élève les propulseurs d'ATMO en mode drone ou les abaisse en mode propulsion.
Les chercheurs décrivent le robot et le système de contrôle sophistiqué qui le pilote dans un article récemment publié dans la revue Communications Engineering .
« Nous avons conçu et construit un nouveau système robotique inspiré de la nature, par la façon dont les animaux utilisent leur corps de différentes manières pour réaliser différents types de locomotion », explique Ioannis Mandralis (MS 2022), étudiant diplômé en aérospatiale à Caltech et auteur principal de la nouvelle étude. Par exemple, explique-t-il, les oiseaux volent puis modifient leur morphologie corporelle pour ralentir et éviter les obstacles. « La capacité de se transformer dans les airs ouvre de nombreuses possibilités d'amélioration de l'autonomie et de la robustesse », conclut Mandralis.
Mais la transformation en plein vol pose également des défis. Des forces aérodynamiques complexes entrent en jeu, à la fois parce que le robot est proche du sol et parce qu'il change de forme au fil de sa transformation.
« Même si cela paraît simple lorsqu'on observe un oiseau se poser puis s'enfuir, il s'agit en réalité d'un problème auquel l'industrie aérospatiale se débat depuis probablement plus de 50 ans », explique Mory Gharib (Ph. D. 1983), professeur d'aéronautique et de génie médical titulaire de la chaire Hans W. Liepmann, directeur et titulaire de la chaire Booth-Kresa Leadership du Centre pour les systèmes et technologies autonomes (CAST) de Caltech, et directeur des Laboratoires d'études supérieures en aérospatiale du California Institute of Technology (GALCIT).
Tous les véhicules volants subissent des forces complexes à proximité du sol. Prenons l'exemple d'un hélicoptère. Lors de son atterrissage, ses propulseurs propulsent une grande quantité d'air vers le bas. Lorsque cet air touche le sol, une partie rebondit vers le haut ; si l'hélicoptère atterrit trop rapidement, il peut être aspiré dans un tourbillon formé par cet air réfléchi, ce qui entraîne une perte de portance.
Dans le cas d'ATMO, la difficulté est encore plus grande. Non seulement le robot doit faire face à des forces terrestres complexes, mais il dispose également de quatre jets dont la distance de projection varie constamment, créant ainsi des turbulences et une instabilité supplémentaires.
Pour mieux comprendre ces forces aérodynamiques complexes, les chercheurs ont effectué des tests dans le laboratoire de drones du CAST. Ils ont utilisé des expériences de cellules de charge pour observer l'impact des modifications de configuration du robot lors de l'atterrissage sur sa force de poussée. Ils ont également réalisé des expériences de visualisation de fumée pour révéler les phénomènes sous-jacents à ces changements de dynamique.
Les chercheurs ont ensuite intégré ces informations à l'algorithme d'un nouveau système de contrôle créé pour ATMO. Ce système utilise une méthode de contrôle avancée appelée contrôle prédictif par modèle, qui prédit en permanence le comportement du système dans un avenir proche et ajuste ses actions pour maintenir le cap.
« L'algorithme de contrôle constitue la principale innovation de cet article », explique Ioannis Mandralis. « Les quadrirotors utilisent des contrôleurs spécifiques en raison du positionnement de leurs propulseurs et de leur mode de vol. Nous introduisons ici un système dynamique inédit. Dès que le robot commence à se transformer, on observe différents couplages dynamiques, c'est-à-dire différentes forces interagissant entre elles. Le système de contrôle doit pouvoir réagir rapidement à tout cela. »
Les autres auteurs de Caltech pour l'article « ATMO : un morphobot à transformation aérienne pour une transition dynamique sol-air » sont Reza Nemovi, ingénieur concepteur en aérospatiale ; et Richard M. Murray (BS '85), professeur Thomas E. et Doris Everhart de contrôle, de systèmes dynamiques et de bio-ingénierie. Le co-auteur, Alireza Ramezani, professeur associé de génie électrique et informatique à l'Université Northeastern, est actuellement chercheur invité en aérospatiale à Caltech. Ces travaux ont été financés par le Centre pour les systèmes et technologies autonomes de Caltech.