211service.com
Flights of Fancy
En halvanden meter lang helikopter sidder på et bord i kælderen i Bygning 33. I stedet for en slank glasfiberskal er dens krop en groft loddet metalramme med finish som et Erector-sæt. Den er utilitaristisk, ikke dekorativ, men hvad den mangler i stilen, kompenserer den for indholdsmæssigt. Denne minikopter kan gøre ting, som større helikoptere ikke kan. Og endnu vigtigere, det kan gøre dem på autopilot. Det er i bund og grund en flyvende robot. Bortset fra start og landing styres alle dens bevægelser af matematiske ligninger.
Sidste efterår brød maskinen, kaldet Mr. Chopper, ny vej, da den blev den første helikopter, der udførte en split-S-manøvre-en halv rul efterfulgt af en halv loop-uden menneskelig indblanding. Manøvren dækkede et væld af resultater af et forskerhold fra afdelingerne for luftfart og astronautik og elektroteknik og datalogi. Ledet af aeronautik og astronautik lektor Eric Feron er holdet fokuseret på at forbedre flys smidighed, så flyvende maskiner kan lave sløjfer og vendinger i trange rum. Medlemmer siger, at i løbet af de næste 10 år vil smidige, ubemandede køretøjer som Mr. Chopper kunne bruges til militær rekognoscering og optagelse af film.
Jeg tror, det nok er det skøreste flyveprojekt i hele landet i universitetsmiljøet, siger Feron, der begyndte at arbejde med minikoptere i 1998 efter at have set piloten på en fjernstyret helikopter dirigere en helikopter gennem flere stunts. Tidligere havde Feron studeret automatiske kontrolsystemer, og tanken om at automatisere helikopterflyvning fascinerede ham. Han hyrede to kandidatstuderende, Alex Shterenberg, MNG '00, og luftfarts- og astronautik-ph.d.-kandidat Vlad Gavrilets, SM '98, til at bygge flyelektronikboksen, der nu styrer Mr. Choppers bevægelser.
Den fire og et halvt kilo tunge flyelektronikkasse fungerer som flyvelederens øjne på himlen ved løbende at måle og sende flyvedata til jorden. Kassen er fastgjort under helikopterens tre kilogram krop og indeholder tre sensorer, en Global Positioning System-modtager, en højdemåler og en flyvekontrolcomputer. Den kommunikerer via Ethernet med en jordcomputer, som afgangseleverne også byggede.
Det, Vlad og hans kolleger har gjort, er bogstaveligt talt at bygge et helt computersystem, der sidder under helikopteren, af grundlæggende komponenter, siger Feron. Det skal fungere i et miljø, der ryster meget og ikke kun beregner ting, men også sender ordrer til fysiske enheder.
For at indsamle de data, der dirigerer helikopteren under automatiseret flyvning, udstyrede Shterenberg og Gavrilets fartøjet med en specialbygget dataindsamlingsboks. Fjernstyret helikopterpilot Raja Bortcosh førte helikopteren gennem utallige manøvrer, og boksen registrerede hans kommandoer og helikopterens sensorudgange. Ved at bruge disse data, siger Gavrilets, var vi i stand til at rekonstruere den måde, piloten dirigerer helikopteren til at udføre manøvrerne. Og så var vi i stand til at bygge den første dynamiske model-matematiske model af helikopteren i kunstflyvning, hvilket aldrig var blevet gjort før. Da de havde rekonstrueret flykommandoerne som matematiske ligninger, programmerede forskerne sammen med postdoktor Bernard Mettler, aeronautics and astronautics kandidatstuderende Ioannis Martinos og elektroingeniør- og datalogistuderende Kara Sprague '01, MEng '02 informationen ind i Mr. Choppers computer, så maskinen kan duplikere manøvrerne på egen hånd.
Mettler, hvis doktorgradsforskning ved Carnegie Mellon University fokuserede på modellering og kontrolteknikker for miniaturehelikoptere, bemærker, at det tager år at blive dygtig til at kontrollere en helikopter, så det er ikke let at duplikere disse færdigheder med en computer. Den autonome helikoptergruppe MIT opnåede ved at udføre aerobatiske manøvrer en ny state of the art inden for flyveydelse under computerkontrol, siger han.
For at teste deres matematiske modeller byggede forskerne en flysimulator med en dublet flyelektronikboks og interface. Gennem simulatoren kan de se et 3-D-billede af en helikopter bevæge sig, uanset hvor deres modeller dirigerer den. Holdet forsøger at eliminere alle matematiske unøjagtigheder på simulatoren, før det tester kommandoerne med helikopteren.
På banen, med den valgte matematiske algoritme programmeret ind i helikopteren, styrer piloten chopperen, når den letter fra jorden. Piloten dirigerer den til at svæve på et bestemt sted og i højden og drejer på en kontakt, der sætter helikopteren på autopilot. Helikopteren følger instruktionerne fra algoritmen og udfører manøvren inden for foreskrevne parametre for højde, hastighed og afstand, og alt imens overvåger forskerne dens flyvedata på jordcomputeren. Efter at have gennemført manøvren vender chopperen tilbage til sin svævende position, og piloten tager manuel kontrol og lander chopperen.
Takket være simulatoren og forskernes evne til at teste de matematiske modeller, inden den tager til himlen, er helikopteren kun styrtet to gange i sin fire-årige historie, på trods af at, som Feron siger, vinduerne til at lave fejl og komme sig fra de er ekstremt smalle. Begge nedbrud skyldtes hardwarefejl, ikke numeriske fejl.
Men sidste efterår observerede teammedlemmer en uventet test af nødhjælpsprocedurer, de programmerede instruktioner, der leder helikopteren til at reagere på lejlighedsvis fejlagtige sensordata. De prøvede en algoritme, som indtil da kun var blevet testet på simulatoren. Modellen skulle dirigere helikopteren til at udføre to automatiske manøvrer i træk, en aileron roll-en proptrækker-lignende manøvre efterfulgt af en split-S. Men da det blev tid til rent faktisk at udføre manøvrerne, var der et problem: Da chopperen kom ud af rullen, modtog den fejlagtige data om sin position, og den reagerede ved at gå ind i et spiraldyk. I stedet for at forsøge at overtage og redde helikopteren, ventede holdet på at se, om fartøjets sensorer ville modtage korrekte data, som det kunne handle efter. Til deres glæde var det præcis, hvad der skete. Helikopteren kom uden hjælp fra dykket og vendte tilbage til sin startposition.
Et af de mest dramatiske flyveøjeblikke kom, da helikopteren første gang udførte et split-S. Forskerne havde forudsagt, at den ville falde 36,5 meter på 2,5 sekunder, da den kom ud af split-S, og det gjorde den. Men faldet - svarende til et fejlinduceret frit fald - var mere nervepirrende end forventet. På en simulator ser det ikke nær så dramatisk ud, som når du rent faktisk ser det, siger Gavrilets. Det var virkelig vildt!
Med sin evne til at udføre snævre sving, sløjfer og ruller er miniaturehelikopteren perfekt egnet til at forhandle by- og naturlandskaber, siger Mettler. Den er allerede blevet brugt til at hjælpe med at filme en film i New York City, selvom Mr. Chopper opererede under menneskelig kontrol. Et kamera knyttet til sin base optog duer i flugt til en 2000 Emmy-vindende dokumentar af national geografi . Helikopterens indbyggede vibrationsisoleringssystem, som dæmper flyelektronikcomputeren under flyvningen, gjorde det muligt at filme jævnt. Håndværkets steady-shot-evne og dets manøvredygtighed tiltrækker underholdningsindustriens interesse, fordi maskinen kan bruges til at filme stunts billigt.
Men Feron og hans team diskuterer oftest militære applikationer. Når alt kommer til alt, finansierer NASA, Office of Naval Research og Defense Advanced Research Projects Agency projektet. Sidste efterår udviklede holdet et luftopvisningsprogram designet til at demonstrere, at helikopteren selvstændigt kan udføre en planlagt mission - en evne, der er nødvendig for militære formål som rekognoscering.
Relateret arbejde (på større helikoptere) foregår på andre universiteter, herunder Carnegie Mellon og Georgia Institute of Technology, men forskere der anerkender MIT's fremskridt. Georgia Tech assisterende professor Eric Johnson, SM '95, siger: Efter min mening har virkningen af Eric Feron og hans teams seneste resultater været at utvetydigt vise, at ubemandede luftfartøjer er i stand til at operere mere som bemandede fly.