tailsitter je letadlo s pevnými křídly, které startuje a přistává svisle (stojí ocasem na přistávací ploše) a poté se nakloní vodorovně, aby letělo vpřed. Tato všestranná letadla, rychlejší a efektivnější než drony kvadrokoptér, mohou létat nad velkou oblastí jako letadlo, ale také se vznášet jako vrtulník, takže se dobře hodí pro úkoly, jako je pátrání a záchrana nebo doručování balíků.
Výzkumníci MIT vyvinuli nové algoritmy pro plánování a řízení trajektorie tailsitter, které využívají manévrovatelnosti a všestrannosti tohoto typu letadla. Jeho algoritmy mohou provádět náročné manévry, jako je let do stran nebo vzhůru nohama, a jsou tak výpočetně efektivní, že mohou plánovat složité trajektorie v reálném čase.
Jiné metody obvykle zjednodušují dynamiku systému ve svém algoritmu plánování trajektorie nebo používají dva různé modely, jeden pro režim vrtulníku a druhý pro režim letadla. Žádný z přístupů nemůže plánovat a provádět trajektorie tak agresivně jako ty, které předvedl tým MIT.
“Opravdu jsme chtěli využít všechnu sílu, kterou systém má. Tato letadla, i když jsou velmi malá, jsou poměrně výkonná a schopná vzrušujících akrobatických manévrů. S naším přístupem, s použitím jednoho modelu, můžeme pokrýt celou letovou obálku – všechny podmínky, za kterých může vozidlo létat,“ říká Ezra Tal, vědecký pracovník z Laboratoře informačních a rozhodovacích systémů (LIDS) a hlavní autor nového článku popisujícího práci.
Tal a jeho spolupracovníci použili své algoritmy pro generování trajektorie a řízení, aby předvedli hlídačů, kteří prováděli složité manévry, jako jsou smyčky, náklony a stoupání, a dokonce představili závod dronů, kde tři hlídači zrychlili vzduchovými branami a provedli několik synchronizovaných akrobatických manévrů.
Tyto algoritmy by mohly umožnit hlídačům autonomně provádět složité pohyby v dynamických prostředích, jako je vlétnutí do zřícené budovy a vyhýbání se překážkám během rychlého hledání přeživších.
K Talovi se v článku připojují Gilhyun Ryou, postgraduální student na katedře elektrotechniky a informatiky (EECS); a hlavní autor Sertac Karaman, docent letectví a kosmonautiky a ředitel LIDS. IEEE transakce v robotice.
Vypořádání se s trajektoriemi tailsitterů
Design tailsitteru vynalezl Nikolaj Tesla v roce 1928, ale nikdo se vážně nepokusil sestrojit až téměř 20 let poté, co byl podán jeho patent. I dnes, kvůli složitosti pohybu tailsitter, se výzkum a komerční aplikace zaměřují spíše na letadla, která se snadněji ovládají, jako jsou kvadrokoptéry.
Algoritmy generování trajektorie a řízení, které existují pro tailsittery, se zaměřují především na plynulé trajektorie a pomalé přechody, spíše než na rychlé akrobatické manévry, kterých jsou tato letadla schopna.
S tak náročnými letovými podmínkami Tal a jeho spolupracovníci věděli, že budou muset navrhnout algoritmy plánování trajektorie a řízení speciálně pro agilní trajektorie s rychle se měnícími zrychleními, aby těmto jedinečným letadlům umožnili dosáhnout špičkového výkonu.
Použili k tomu model globální dynamiky, tedy model, který platí pro všechny letové podmínky, od svislého vzletu až po let vpřed, nebo i příčný. Poté využili technické vlastnosti známé jako diferenciální plochost, aby zajistili, že model bude fungovat efektivně.
Při generování trajektorie je zásadním krokem zajistit, aby letadlo skutečně mohlo letět po plánované trajektorii – možná má minimální poloměr otáčení, který znemožňuje obzvláště ostrou zatáčku. Protože zadní hlídače jsou složité systémy s klapkami a rotory a vykazují tak komplikované pohyby vzduchu, je často zapotřebí více výpočtů, aby se zjistilo, zda je trajektorie proveditelná, což ztěžuje tradiční plánovací algoritmy.
Využitím diferenciální plochosti mohou výzkumníci MIT použít matematickou funkci k rychlé kontrole, zda je trajektorie proveditelná. Jeho přístup se vyhýbá mnoha komplikovaným systémům dynamiky a vykresluje trajektorii gardy jako matematickou křivku prostorem. Algoritmus pak používá diferenciální plochost k rychlé kontrole životaschopnosti této trajektorie.
„Tato kontrola je výpočetně velmi levná, takže s naším algoritmem můžete plánovat trajektorie v reálném čase,“ vysvětluje Tal.
Tyto trajektorie mohou být velmi složité, rychle přecházejí mezi vertikálním a horizontálním letem, přičemž zahrnují boční a obrácené manévry, protože výzkumníci navrhli svůj algoritmus takovým způsobem, že rovnoměrně zohledňuje všechny tyto různé letové podmínky.
„Mnoho výzkumných týmů se zaměřilo na kvadrokoptéru, která je velmi běžnou konfigurací pro téměř všechny spotřebitelské drony. Tailsitteři jsou na druhou stranu mnohem efektivnější v dopředném letu. těžší létat,“ říká Karaman.
Letecká show tailsitterů
Testovali svou metodu plánováním a prováděním série náročných trajektorií pro společníky ve vnitřním letovém prostoru MIT. V jednom testu předvádějí tailsitter při převrácení, kdy se letadlo otočí doleva a poté rychle zrychlí a nakloní se zpět doprava.
Předvedli také tailsitter „air show“, ve které tři synchronizovaní tailsitteři předváděli smyčky, ostré zatáčky a bezchybně prolétli vzdušnými branami. Tyto manévry by nebylo možné plánovat v reálném čase bez použití diferenciální rovinnosti ve vašem modelu, říká Tal.
“Diferenciální plochost byla vyvinuta a aplikována za účelem generování hladkých trajektorií pro základní mechanické systémy, jako je poháněné kyvadlo. Nyní, o více než 30 let později, jsme ji aplikovali na letadla s pevnými křídly. Může existovat mnohem více aplikací, na které bychom to mohli použít v budoucnost,“ dodává Ryou.
Dalším krokem pro výzkumníky MIT je rozšíření jejich algoritmu tak, aby jej bylo možné efektivně využít pro plně autonomní venkovní lety, kde vítr a další podmínky prostředí mohou drasticky ovlivnit dynamiku letadla s pevnými křídly.
Tato práce byla částečně podporována Úřadem pro výzkum americké armády.