211service.com
Vluchten van Fancy
Op een tafel in de kelder van Gebouw 33 staat een anderhalve meter lange helikopter. In plaats van een strak omhulsel van glasvezel is het lichaam een ruw gesoldeerd metalen frame met de afwerking van een Erector-set. Het is utilitair, niet decoratief, maar wat het aan stijl mist, compenseert het in wezen. Deze minicopter kan dingen die grotere helikopters niet kunnen. En nog belangrijker, het kan ze op de automatische piloot doen. Het is in wezen een vliegende robot. Afgezien van het opstijgen en landen, worden alle bewegingen gecontroleerd door wiskundige vergelijkingen.
Afgelopen herfst was de machine, genaamd Mr. Chopper, baanbrekend toen het de eerste helikopter was die een split-S-manoeuvre uitvoerde - een halve rol gevolgd door een halve lus - zonder menselijke tussenkomst. De manoeuvre dekte een groot aantal prestaties af van een onderzoeksteam van de afdelingen Luchtvaart en Ruimtevaart en Elektrotechniek en Computerwetenschappen. Onder leiding van universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart Eric Feron, is het team gericht op het verbeteren van de behendigheid van vliegtuigen, zodat vliegmachines lussen en bochten kunnen maken in krappe ruimtes. Leden zeggen dat in de komende 10 jaar wendbare, onbemande voertuigen zoals Mr. Chopper kunnen worden gebruikt voor militaire verkenningen en het filmen van films.
Ik denk dat het waarschijnlijk het gekste vliegproject in het hele land is in de universitaire omgeving, zegt Feron, die in 1998 met minicopters begon te werken nadat hij had gezien hoe de piloot van een op afstand bestuurbare helikopter een helikopter door verschillende stunts leidde. Eerder had Feron automatische besturingssystemen bestudeerd en het idee om helikoptervluchten te automatiseren intrigeerde hem. Hij schakelde twee afgestudeerde studenten, Alex Shterenberg, MNG '00, en luchtvaart- en ruimtevaart-promovendus Vlad Gavrilets, SM '98, in om de avionica-doos te bouwen die nu de bewegingen van de heer Chopper stuurt.
De vier-en-een-halve kilogram avionica-box fungeert als de ogen van de controller in de lucht door continu vluchtgegevens te meten en naar de grond te verzenden. De doos is bevestigd onder het drie kilo zware lichaam van de helikopter en bevat drie sensoren, een Global Positioning System-ontvanger, een hoogtemeter en een vluchtcontrolecomputer. Het communiceert via Ethernet met een grondcomputer, die de afgestudeerde studenten ook hebben gebouwd.
Wat Vlad en zijn collega's hebben gedaan, is letterlijk een heel computersysteem bouwen, zittend onder de helikopter, van basiscomponenten, zegt Feron. Het moet werken in een omgeving die veel schudt en niet alleen dingen berekent, maar ook bestellingen naar fysieke apparaten stuurt.
Om de gegevens te verzamelen die de helikopter aansturen tijdens geautomatiseerde vlucht, hebben Shterenberg en Gavrilets het vaartuig uitgerust met een op maat gemaakte data-acquisitiebox. Op afstand bestuurbare helikopterpiloot Raja Bortcosh leidde de helikopter door talloze manoeuvres, en de box registreerde zijn commando's en de sensoruitgangen van de helikopter. Met die gegevens konden we volgens Gavrilets reconstrueren hoe de piloot de helikopter aanstuurt om de manoeuvres uit te voeren. En toen waren we in staat om het eerste dynamische model-wiskundig model-van de helikopter in aerobatic vlucht te bouwen, wat nog nooit eerder was gedaan. Nadat ze de vluchtcommando's hadden gereconstrueerd als wiskundige vergelijkingen, programmeerden de onderzoekers, samen met postdoctoraal medewerker Bernard Mettler, afgestudeerde luchtvaart- en ruimtevaartstudent Ioannis Martinos en afgestudeerde elektrotechniek en computerwetenschappen Kara Sprague '01, MEng '02 de informatie in Mr. Chopper's computer, waardoor de machine de manoeuvres zelf kan dupliceren.
Mettler, wiens promotieonderzoek aan de Carnegie Mellon University gericht was op modellering en besturingstechnieken voor miniatuurhelikopters, merkt op dat het jaren duurt om bedreven te worden in het besturen van een helikopter, dus het is niet eenvoudig om deze vaardigheden met een computer te dupliceren. De autonome helikoptergroep van het MIT heeft, door met succes kunstvliegmanoeuvres uit te voeren, een nieuwe stand van zaken bereikt op het gebied van vliegprestaties onder computerbesturing, zegt hij.
Om hun wiskundige modellen te testen, bouwden de onderzoekers een vluchtsimulator met een dubbele avionica-box en interface. Via de simulator kunnen ze een 3D-beeld van een helikopter zien bewegen waar hun modellen hem ook naartoe sturen. Het team probeert alle wiskundige onnauwkeurigheden op de simulator te elimineren voordat het de commando's met de helikopter test.
Op het veld, met het geselecteerde wiskundige algoritme geprogrammeerd in de helikopter, bestuurt de piloot de helikopter terwijl deze van de grond opstijgt. De piloot stuurt hem om op een specifieke locatie en hoogte te zweven en zet een schakelaar om die de helikopter op de automatische piloot zet. De helikopter volgt de instructies van het algoritme en voert de manoeuvre uit binnen de voorgeschreven parameters van hoogte, snelheid en afstand, terwijl de onderzoekers de vluchtgegevens op de grondcomputer monitoren. Na het voltooien van de manoeuvre keert de helikopter terug naar zijn zweefpositie en neemt de piloot de handmatige bediening over en landt de helikopter.
Dankzij de simulator en het vermogen van de onderzoekers om de wiskundige modellen te testen voordat ze de lucht in gaan, is de helikopter in zijn vierjarige geschiedenis slechts twee keer neergestort, ondanks het feit dat, zoals Feron zegt, de vensters voor het maken van fouten en het herstellen van ze zijn extreem smal. Beide crashes waren te wijten aan hardwarestoringen, niet aan numerieke fouten.
Maar afgelopen herfst zagen teamleden een onverwachte test van noodherstelprocedures, de geprogrammeerde instructies die de helikopter sturen om te reageren op soms foutieve sensorgegevens. Ze probeerden een algoritme uit, dat tot dan toe alleen op de simulator was getest. Het model was om de helikopter te sturen om twee automatische manoeuvres achter elkaar uit te voeren, een rolroer - een kurkentrekkerachtige manoeuvre - gevolgd door een split-S. Maar toen het tijd was om de manoeuvres daadwerkelijk uit te voeren, was er een probleem: toen de helikopter uit de rol kwam, ontving hij foutieve gegevens over zijn positie en reageerde door in een spiraalduik te gaan. In plaats van te proberen de helikopter over te nemen en te redden, wachtte het team af of de sensoren van het vaartuig de juiste gegevens zouden ontvangen waarop het zou kunnen reageren. Tot hun vreugde is dat precies wat er gebeurde. Zonder hulp herstelde de helikopter zich van de duik en keerde terug naar zijn startpositie.
Een van de meest dramatische vliegmomenten kwam toen de helikopter voor het eerst een split-S uitvoerde. De onderzoekers hadden voorspeld dat hij 36,5 meter zou vallen in 2,5 seconden toen hij uit de split-S kwam, en dat gebeurde ook. Maar de val, vergelijkbaar met een door fouten veroorzaakte vrije val, was zenuwslopender dan verwacht. Op een simulator ziet het er lang niet zo dramatisch uit als wanneer je het echt ziet, zegt Gavrilets. Het was echt wild!
Met zijn vermogen om krappe bochten, lussen en rollen uit te voeren, is de miniatuurhelikopter perfect geschikt voor het besturen van stedelijke en natuurlijke landschappen, zegt Mettler. Het is al gebruikt om te helpen bij het filmen van een film in New York City, hoewel meneer Chopper daarvoor onder menselijke controle opereerde. Een camera bevestigd aan de basis nam duiven tijdens de vlucht op voor een 2000 Emmy-winnende documentaire van National Geographic . Het ingebouwde trillingsisolatiesysteem van de helikopter, dat de avionica-computer tijdens de vlucht dempt, maakte zelfs filmen mogelijk. De constante opnamecapaciteit en de manoeuvreerbaarheid van het vaartuig trekken de belangstelling van de entertainmentindustrie, omdat de machine goedkoop kan worden gebruikt om stunts te filmen.
Maar Feron en zijn team bespreken meestal militaire toepassingen. Immers, NASA, het Office of Naval Research en het Defense Advanced Research Projects Agency financieren het project. Afgelopen herfst heeft het team een vliegshowprogramma ontwikkeld om aan te tonen dat de helikopter autonoom een geplande missie kan uitvoeren - een vaardigheid die nodig is voor militair gebruik als verkenning.
Aanverwant werk (aan grotere helikopters) is aan de gang bij andere universiteiten, waaronder Carnegie Mellon en het Georgia Institute of Technology, maar onderzoekers daar erkennen de vorderingen van MIT. Georgia Tech assistent-professor Eric Johnson, SM '95, zegt: Naar mijn mening is de impact van de recente resultaten van Eric Feron en zijn team geweest om ondubbelzinnig aan te tonen dat onbemande luchtvaartuigen in staat zijn om meer als bemande vliegtuigen te opereren.