Transactions on Robotics: Новый тейлситтер cможет выполнять сложные маневры

Тейлситтер — это самолет, который взлетает и садится вертикально — хвостом на посадочную площадку, а в полете наклоняется горизонтально. Более быстрые и эффективные, чем квадрокоптеры, эти универсальные летательные аппараты могут летать на большие расстояния, как самолет, но при этом зависать, как вертолет, что делает их удобными для решения таких задач, как поиск и спасение людей или доставка посылок.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новые алгоритмы планирования траектории и управления тейлситтером, использующие преимущества маневренности и универсальности этого типа летательных аппаратов. Алгоритмы позволяют выполнять сложные маневры, такие как полет в боковом или перевернутом положении, и настолько эффективны в вычислительном отношении, что позволяют планировать сложные траектории в режиме реального времени.

Как правило, другие методы либо упрощают динамику системы в алгоритме планирования траектории, либо используют две различные модели: одну для вертолетного режима, другую для самолетного. Ни один из этих подходов не позволяет планировать и выполнять траектории, столь агрессивные, как те, которые продемонстрировала команда Массачусетского технологического института.

Мы хотели действительно использовать всю мощь системы. Эти самолеты, даже если они очень маленькие, достаточно мощные и способны на захватывающие акробатические маневры. С помощью нашего подхода, используя одну модель, мы можем охватить всю огибающую полета — все условия, в которых может летать аппарат, — говорит Эзра Таль, научный сотрудник Лаборатории систем информации и принятия решений (LIDS) и ведущий автор новой статьи, описывающей эту работу.

Тал и его коллеги использовали свои алгоритмы генерации траекторий и управления для демонстрации тейлситтеров, выполняющих сложные маневры, такие как петли, крены и повороты с подъемом, и даже продемонстрировали гонку беспилотников, в которой три тейлситтера пронеслись через воздушные ворота и выполнили несколько синхронизированных акробатических маневров.

Потенциально эти алгоритмы могут позволить тейлситтерам автономно выполнять сложные движения в динамичной среде, например, влетать в обрушившееся здание и избегать препятствий во время быстрого поиска выживших.

Вместе с Талем над статьей работали Гилхьюн Рю, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники (EECS), и старший автор Сертак Караман, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики и директор LIDS. Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Transactions on Robotics.

Решение проблемы траекторий тейлситтеров

Проект тейлситтера был изобретен Николаем Теслой в 1928 году, но никто не пытался всерьез построить его почти 20 лет после получения патента. Даже сегодня из-за сложности движения тейлситтера в исследованиях и коммерческих приложениях основное внимание уделяется более простым в управлении летательным аппаратам, например дронам-квадрокоптерам.

Существующие алгоритмы генерации траекторий и управления тейлситтерами в основном ориентированы на спокойные траектории и медленные переходы, а не на быстрые и акробатические маневры, которые способны совершать эти летательные аппараты.

Учитывая столь сложные условия полета, Тал и его соавторы поняли, что для достижения максимальной производительности этих уникальных летательных аппаратов необходимо разработать алгоритмы планирования траекторий и управления, специально предназначенные для маневренных траекторий с быстро меняющимися ускорениями.

Для этого они использовали модель глобальной динамики, то есть модель, применимую ко всем условиям полета — от вертикального взлета до полета вперед и даже вбок. Далее для обеспечения эффективности модели использовалось техническое свойство, известное как дифференциальная плоскостность.

При построении траектории ключевым этапом является обеспечение реальной возможности полета самолета по запланированной траектории — возможно, он имеет минимальный радиус разворота, который делает невозможным прохождение особенно крутого поворота. Поскольку тейлситтеры представляют собой сложные системы с закрылками и роторами и демонстрируют столь сложные движения в воздухе, для определения целесообразности траектории обычно требуется множество расчетов, что затрудняет работу традиционных алгоритмов планирования.

Используя дифференциальную плоскостность, исследователи из Массачусетского технологического института могут с помощью математической функции быстро проверить, является ли траектория выполнимой. Их подход позволяет избежать многих сложных моментов динамики системы и спланировать траекторию движения тейлситтера в виде математической кривой в пространстве. Затем алгоритм использует дифференциальную плоскостность для быстрой проверки осуществимости этой траектории.

Эта проверка очень дешева с вычислительной точки зрения, поэтому с помощью нашего алгоритма можно планировать траектории в реальном времени, — поясняет Таль.

Эти траектории могут быть очень сложными, быстро переходящими от вертикального к горизонтальному полету и включающими в себя маневры в сторону и перевертывание, поскольку исследователи разработали свой алгоритм таким образом, чтобы он равномерно учитывал все эти разнообразные условия полета.

Многие исследовательские группы ориентировались на квадрокоптер, который является очень распространенной конфигурацией практически для всех потребительских беспилотников. С другой стороны, тейлситтеры гораздо эффективнее в прямом полете. Я думаю, что их не так часто использовали, потому что ими гораздо сложнее управлять, — говорит Караман.

Но разработанная нами технология автономного полета неожиданно делает их доступными во многих областях применения — от потребительских технологий до крупномасштабных промышленных инспекций.

Авиашоу тейлситтеров

Они испытали свой метод на практике, спланировав и выполнив ряд сложных траекторий для тейлситтеров в крытом летном поле Массачусетского технологического института. В одном из тестов тейлситтер демонстрирует выполнение скоростного разворота, при котором самолет поворачивает влево, затем быстро ускоряется и снова поворачивает вправо.

Также было продемонстрировано «авиашоу», в ходе которого три синхронизированных тейлситтера выполняли петли, резкие повороты и беспрепятственно пролетали через воздушные ворота. По словам Таля, эти маневры было бы невозможно спланировать в реальном времени, если бы в их модели не использовалась дифференциальная плоскостность.

Дифференциальная плоскостность была разработана и применена для создания гладких траекторий для базовых механических систем, таких как маятник с электроприводом. Теперь, более 30 лет спустя, мы применили его для самолетов. Возможно, в будущем мы сможем найти множество других применений, — добавляет Рю.

Следующим шагом исследователей из Массачусетского технологического института является расширение алгоритма, чтобы его можно было эффективно использовать для полностью автономного полета на открытом воздухе, где ветер и другие условия окружающей среды могут существенно повлиять на динамику самолета.

23.08.2023