Когда самолет слишком сильно отклоняется вверх, уменьшение подъемной силы и увеличение лобового сопротивления может вызвать внезапное падение. Это явление, известное как срыв, побудило многих производителей дронов проявлять крайнюю осторожность при планировании автономных полетов своих транспортных средств.
Для беспилотных летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой большинство производителей программируют самолет так, чтобы его корпус поворачивался очень медленно при переходе от режима зависания к полету вперед и наоборот.
Командование развития боевых возможностей армии США, ныне именуемое DEVCOM, Армейская исследовательская лаборатория в сотрудничестве с исследователями из Политехнического института Ренсселера создали планировщик траектории, который значительно сокращает время, необходимое для выполнения этого важного перехода беспилотным летательным аппаратом с вертикальным взлетом и посадкой.
Команда разработала планировщик траектории специально для армейской платформы Common Research Configuration, квадрокоптера-биплана, который используется для тестирования новых конструктивных особенностей и изучения фундаментальной аэродинамики.
«Целью этой работы было использование основанного на модели планировщика траектории, который мог бы в достаточной мере улавливать динамические характеристики квадрокоптера, при этом выполняясь достаточно быстро, чтобы обеспечивать траектории в полете», — сказал д-р Жан-Поль Реддингер, армейский аэрокосмический инженер в лаборатории Vehicle Управление технологий. «По сути, мы строим кинестетическую модель собственной динамики самолета, на которую он может ссылаться».
По словам Реддингера, «хвостовые части» вертикального взлета и посадки обычно полагаются на эвристический подход всякий раз, когда они переходят между парением и прямым полетом, где они следуют очень медленному, но очень безопасному заранее определенному набору действий. В отличие от этого, планировщик траектории может найти оптимальную последовательность движений полета для этих переходов, которая адаптируется к каждой ситуации.
Исследователи обнаружили доступность этих более быстрых маневров, когда они смоделировали уникальное взаимодействие между следом от роторов транспортного средства и аэродинамикой его крыльев.
«Если это транспортное средство парит, крылья направлены вверх, а роторы постоянно вращаются над ним; если вы хотите начать движение вперед, вы будете эффективно тащить это крыло в воздухе», — сказал Реддингер. «Можно подумать, что это вызывает большое сопротивление, но на самом деле, из-за того, что воздух попадает в крыло, на самом деле оно не вызывает большого сопротивления».
По словам Реддингера, в результате этого дополнительного смыва с несущих винтов хвостовые части вертикального взлета и посадки могут справиться с более агрессивным переходом между парением и прямым полетом, чем можно было бы предположить.
Посредством моделирования исследователи обнаружили, что включение ротора при помехах от ветра в след в планировщике траектории позволило CRC переходить в режим зависания и приземления за половину времени по сравнению с традиционным подходом.
Команда считает, что планировщик траектории может в конечном итоге позволить CRC интеллектуально переключаться между полетом в режиме зависания и полетом вперед, когда он перемещается по плотным или городским районам.
«Прямо сейчас он находится в состоянии, когда вы задаете ему начальное состояние, которое хотите — возможно, у вас есть определенная высота или скорость, с которой вы начинаете — и он проложит путь, который приведет вас из этого начального состояния в желаемое конечное состояние максимально эффективно «, — сказал Реддингер. «Направление, в котором мы пытаемся двигаться, — это включить препятствия и дополнительные ограничения на его маневренность».
Реддингер сравнил автономное поведение CRC с поведением людей и то, как знание наших собственных возможностей позволяет нам эффективно перемещаться из одного места в другое.
Точно так же включение более сложных моделей полета в планировщик траектории позволит CRC лучше понять сложную аэродинамическую среду во время движения.
«Например, если на пути было здание, имеет ли смысл летать над ним или вокруг него?» — спросил Реддингер. «Вы хотите перейти, чтобы увеличить скорость, а затем вернуться назад, или вы просто остаетесь в режиме зависания? Существует ряд возможностей, и идея состоит в том, чтобы всегда выбирать лучший».
После того, как планировщик траектории пройдет больше испытаний на моделировании, исследователи планируют подключить программное обеспечение к моделям оборудования, чтобы обеспечить высокий уровень надежности, прежде чем они начнут летные испытания.
Реддингер считает, что более быстрый и эффективный переход между парящим и прямым полетом в конечном итоге поможет армии разработать новые машины для разведки, наблюдения и разведки, а также для операций по пополнению запасов с воздуха.
«Чтобы извлечь выгоду из летных возможностей появления новых конфигураций, нам нужны автономные пилоты, способные максимально использовать маневренность и летные качества, на которые рассчитаны эти самолеты», — сказал Реддингер. «Этот метод планирования траектории на основе моделей является шагом в направлении интеграции автономии высокого уровня с динамикой платформы».
Исследователи опубликовали свою статью «Оптимальная траектория для хвостового оперения квадрокоптера-биплана» в материалах 76-го ежегодного форума Общества вертикального полета.
Источник истории:
Материалы предоставлены Исследовательской лабораторией армии США . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
