Квадрокоптер скрестили с дирижаблем: больше часа в воздухе и аварийный переход в обычный multirotor
Гибридный БПЛА JANUS в 15 испытаниях распознавал резкий разрыв несущего баллона максимум за 66 мс и переводил четыре ротора в вертикальную конфигурацию за 0.362 с в 90% запусков. До отказа гелий снимает основную нагрузку с силовой установки, после отказа аппарат удерживается как обычный квадрокоптер. Цена такой страховки — масса механизма, сопротивление крупного баллона и ограниченная работа на ветру.
Гибридный БПЛА JANUS переводит роторы из горизонтального положения в вертикальное после разрыва гелиевого баллона. В серии из 15 контролируемых испытаний событие обнаруживалось во всех случаях: средняя задержка составила 38 мс, максимум — 66 мс. В 90% опытов полный переход в конфигурацию квадрокоптера занимал 0.362 с.
JANUS развивает платформу BEAVIS, представленную в 2023 году. Исходный аппарат построен вокруг 90-см латексного баллона и четырёх бесколлекторных роторов, оси которых лежат в горизонтальной плоскости. Баллон компенсирует почти весь вес конструкции, поэтому тяга винтов расходуется главным образом на горизонтальное движение и коррекцию положения. Для BEAVIS заявлено увеличение времени работы в 11.36 раза относительно идентичного мультикоптера в условиях авторского эксперимента.
Вертикальное управление у BEAVIS реализовано через поле давления под рамой. Одновременная работа четырёх винтов формирует избыточное давление и подталкивает баллон с аппаратом вверх. Два противоположных ротора создают область пониженного давления, обеспечивая снижение. Такая схема избавляет от отдельного вертикального привода, однако сильно зависит от формы оболочки, расстояния между винтами и баллоном, а также от внешних потоков воздуха.
Первый прототип был крайне лёгким: масса платформы составляла 68.8 г, демонстрационный балласт — 57.4 г, взлётная масса — 126.2 г. Питание обеспечивал LiPo 4.2 В ёмкостью 300 мА·ч. В контроллере использованы STM32F405, инерциальный модуль BMI088, дальномер VL53L1X и оптический датчик потока PMW3901. Результат с полётом длительностью более часа относится к этой конкретной геометрии, аккумулятору и спокойным условиям испытаний. Авторы отдельно отмечали чувствительность конструкции к сильному ветру.
У JANUS масса выросла до 159 г. Аппарат испытывался с гелиевыми латексными баллонами диаметром 60 и 90 см, четырьмя моторами класса 1202, контроллером Crazyflie Bolt и Li-ion аккумулятором 3000 мА·ч. Каждый моторный луч разворачивается на 90° системой с катушкой, леской, муфтой, червячным редуктором и линейной сервой. Штатная конфигурация сохраняет воздушную плавучесть и управляемое движение, аварийная создаёт вертикальную тягу, достаточную для продолжения полёта после потери оболочки.
Разрыв распознаётся объединением сигналов датчика приближения, пьезоплёнки и акселерометра. Микрофон также проверялся, однако чувствительность к материалу баллона сделала этот канал ненадёжным. После срабатывания применяется нелинейный geometric PID-контроллер, компенсирующий резкое изменение инерции, аэродинамики и доступного вектора тяги. Целевой сценарий включает внезапный разрыв или отрыв оболочки; медленная утечка гелия в алгоритм аварийной защиты не входит.
Полевые эксперименты JANUS проводились в лесу для мобильного сбора биоакустических данных. Крупный баллон добавляет лобовое сопротивление и ограничивает скорость, поэтому платформа рассчитана на продолжительное медленное патрулирование и сенсорные задачи, а не на динамичный полёт. Механизм трансформации решает наиболее опасный отказ гибридной схемы, однако не отменяет её зависимость от погоды и ветрового сноса.