211service.com
Lotna fantazja
Półtorametrowy helikopter stoi na stole w piwnicy Budynku 33. Zamiast eleganckiej skorupy z włókna szklanego, jego korpus jest z grubsza lutowaną metalową ramą z wykończeniem zestawu Erector. Jest utylitarna, nie ozdobna, ale to, czego brakuje w stylu, nadrabia treścią. Ten minikopter potrafi robić rzeczy, których nie potrafią większe helikoptery. A co ważniejsze, potrafi je wykonać na autopilocie. Jest to zasadniczo latający robot. Oprócz startu i lądowania, wszystkie jego ruchy są sterowane równaniami matematycznymi.
Zeszłej jesieni maszyna, nazwana Panem Chopper, wkroczyła na nowy teren, gdy jako pierwszy helikopter wykonała manewr typu split-S – półkoł, a następnie półpętla – bez interwencji człowieka. Manewr był zwieńczeniem wielu osiągnięć zespołu badawczego z Wydziałów Lotnictwa i Astronautyki oraz Elektrotechniki i Informatyki. Zespół kierowany przez profesora nadzwyczajnego aeronautyki i astronautyki Erica Ferona koncentruje się na zwiększeniu zwinności samolotu, aby maszyny latające mogły wykonywać pętle i skręty w ciasnych przestrzeniach. Członkowie twierdzą, że w ciągu najbliższych 10 lat zwinne, bezzałogowe pojazdy, takie jak Mr. Chopper, będą mogły być wykorzystywane do wojskowego zwiadu i filmowania.
Myślę, że to prawdopodobnie najbardziej szalony projekt latania w całym kraju w środowisku uniwersyteckim, mówi Feron, który rozpoczął pracę z minikopterami w 1998 roku po tym, jak zobaczył, jak pilot zdalnie sterowanego helikoptera kieruje helikopterem przez kilka sztuczek kaskaderskich. Wcześniej Feron studiował automatyczne systemy sterowania i zaintrygował go pomysł zautomatyzowania lotu helikopterem. Zatrudnił dwóch absolwentów, Alexa Shterenberga, MNG ‘00, oraz doktoranta lotnictwa i astronautyki Vlada Gavrilets’a, SM ‘98, do zbudowania skrzynki awioniki, która teraz kieruje ruchami Choppera.
Czteroipółkilogramowa skrzynka awioniki działa jak oczy kontrolera na niebie, stale mierząc i przesyłając dane o locie na ziemię. Umocowane pod trzykilogramowym korpusem helikoptera pudełko zawiera trzy czujniki, odbiornik Globalnego Systemu Pozycjonowania, wysokościomierz i komputer sterujący lotem. Komunikuje się poprzez Ethernet z komputerem naziemnym, który również zbudowali doktoranci.
To, co Vlad i jego współpracownicy zrobili, to dosłownie zbudowali cały system komputerowy, znajdujący się pod helikopterem, z podstawowych komponentów, mówi Feron. Musi pracować w środowisku, które mocno się trzęsie i nie tylko oblicza, ale także wysyła rozkazy do urządzeń fizycznych.
Aby zebrać dane, które kierują helikopterem podczas zautomatyzowanego lotu, Shterenberg i Gavrilets wyposażyli statek w specjalnie zbudowaną skrzynkę do akwizycji danych. Pilot helikoptera zdalnie sterowanego Raja Bortcosh przeprowadził helikopter przez niezliczone manewry, a skrzynka zarejestrowała jego polecenia i sygnały wyjściowe z czujników helikoptera. Korzystając z tych danych, mówi Gavrilets, byliśmy w stanie zrekonstruować sposób, w jaki pilot kieruje helikopterem w celu wykonania manewrów. I wtedy udało nam się zbudować pierwszy model dynamiczny – model matematyczny – śmigłowca w locie akrobacyjnym, czego nigdy wcześniej nie robiono. Po zrekonstruowaniu poleceń lotu jako równań matematycznych, badacze, wraz ze współpracownikiem podoktoranckim Bernardem Mettlerem, absolwentem lotnictwa i astronautyki Ioannisem Martinosem oraz absolwentką elektrotechniki i informatyki Kara Sprague '01, MEng '02, zaprogramowali informacje w Komputer pana Choppera, pozwalający maszynie na samodzielne powielanie manewrów.
Mettler, którego badania doktoranckie na Carnegie Mellon University koncentrowały się na modelowaniu i technikach sterowania miniaturowymi helikopterami, zauważa, że osiągnięcie biegłości w sterowaniu helikopterem zajmuje lata, więc nie jest łatwo powielić te umiejętności za pomocą komputera. Mówi, że grupa autonomicznych helikopterów MIT, wykonując z powodzeniem manewry akrobacyjne, osiągnęła nowy stan wiedzy w zakresie osiągów w locie pod kontrolą komputera.
Aby przetestować swoje modele matematyczne, naukowcy zbudowali symulator lotu ze zduplikowaną skrzynką awioniki i interfejsem. Dzięki symulatorowi mogą oglądać trójwymiarowy obraz helikoptera poruszającego się tam, gdzie kierują go ich modele. Zespół stara się wyeliminować wszystkie nieścisłości matematyczne na symulatorze, zanim przetestuje polecenia za pomocą śmigłowca.
Na polu, za pomocą wybranego algorytmu matematycznego zaprogramowanego w śmigłowcu, pilot steruje śmigłowcem podczas startu z ziemi. Kierując go, aby zawisł w określonej lokalizacji i określonej wysokości, pilot przełącza przełącznik, który przełącza helikopter w tryb autopilota. Śmigłowiec postępuje zgodnie z instrukcjami algorytmu i wykonuje manewr w zaleconych parametrach wysokości, prędkości i odległości, a przez cały czas naukowcy monitorują jego dane lotu na komputerze naziemnym. Po wykonaniu manewru śmigłowiec powraca do pozycji zawisu, a pilot przejmuje sterowanie ręczne i ląduje śmigłowcem.
Dzięki symulatorowi i zdolności naukowców do testowania modeli matematycznych przed wzbiciem się w przestworza, śmigłowiec rozbił się tylko dwa razy w swojej czteroletniej historii, mimo że, jak mówi Feron, okienka do popełniania błędów i dochodzenia do siebie są bardzo wąskie. Obie awarie były spowodowane awariami sprzętu, a nie błędami liczbowymi.
Jednak zeszłej jesieni członkowie zespołu zaobserwowali nieoczekiwany test procedur odzyskiwania awaryjnego, zaprogramowanych instrukcji, które kierują helikopter w odpowiedzi na czasami błędne dane z czujników. Testowali algorytm, który do tej pory był testowany tylko na symulatorze. Model miał nakazać helikopterowi wykonanie dwóch automatycznych manewrów pod rząd: lotka – manewr przypominający korkociąg, po którym następuje split-S. Ale kiedy nadszedł czas na wykonanie manewrów, pojawił się problem: gdy śmigłowiec wychodził z toru, otrzymał błędne dane o swojej pozycji i zareagował, wykonując spiralne nurkowanie. Zamiast próbować przejąć i uratować helikopter, zespół czekał, aby sprawdzić, czy czujniki statku otrzymają prawidłowe dane, na podstawie których będzie mógł działać. Ku ich radości tak właśnie się stało. Helikopter bez pomocy wyszedł z nurkowania i powrócił do pozycji wyjściowej.
Jeden z najbardziej dramatycznych momentów lotu nastąpił, gdy helikopter po raz pierwszy wykonał split-S. Naukowcy przewidzieli, że po wyjściu z split-S spadnie o 36,5 metra w 2,5 sekundy, i tak się stało. Jednak upadek, podobny do upadku swobodnego wywołanego błędem, był bardziej denerwujący, niż się spodziewano. Na symulatorze nie wygląda to tak dramatycznie, jak w rzeczywistości, mówi Gavrilets. To było naprawdę dzikie!
Dzięki swojej zdolności do wykonywania ciasnych zakrętów, pętli i kołysania miniaturowy helikopter doskonale nadaje się do pokonywania miejskich i naturalnych krajobrazów, mówi Mettler. Został już wykorzystany do nakręcenia filmu w Nowym Jorku, chociaż w tym celu pan Chopper działał pod kontrolą człowieka. Kamera przymocowana do podstawy rejestrowała gołębie w locie w nagrodzonym 2000 Emmy filmie dokumentalnym autorstwa National Geographic . Wbudowany w śmigłowiec system wibroizolacji, który amortyzuje komputer awioniki podczas lotu, pozwalał na równomierne filmowanie. Zdolność do ciągłego strzelania statku i jego zwrotność przyciągają zainteresowanie branży rozrywkowej, ponieważ maszyna może być używana do niedrogiego filmowania kaskaderskich wydarzeń.
Ale Feron i jego zespół najczęściej omawiają zastosowania wojskowe. W końcu projekt finansuje NASA, Biuro Badań Morskich i Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony. Jesienią ubiegłego roku zespół opracował program pokazów lotniczych, którego celem jest zademonstrowanie, że śmigłowiec może samodzielnie wykonywać zaplanowaną misję, co jest umiejętnością niezbędną do takich zastosowań wojskowych, jak rozpoznanie.
Powiązane prace (na większych helikopterach) trwają na innych uniwersytetach, w tym w Carnegie Mellon i Georgia Institute of Technology, ale tamtejsi badacze dostrzegają postępy MIT. Docent Georgia Tech Eric Johnson, SM ‘95, mówi: Moim zdaniem wpływ ostatnich wyników Erica Ferona i jego zespołu jednoznacznie pokazał, że bezzałogowe statki powietrzne są w stanie działać bardziej jak samoloty załogowe.