211service.com
Flights of Fancy
En en och en halv meter lång helikopter sitter på ett bord i källaren i byggnad 33. Istället för ett snyggt skal av glasfiber är dess kropp en grovlödd metallram med finish som ett Erector-set. Det är utilitaristiskt, inte prydnadsföremål, men vad det saknar i stil, kompenserar det i sak. Den här minikoptern kan göra saker som större helikoptrar inte kan. Och ännu viktigare, det kan göra dem på autopilot. Det är i grunden en flygande robot. Förutom start och landning styrs alla dess rörelser av matematiska ekvationer.
Förra hösten bröt maskinen, kallad Mr. Chopper, ny mark när den blev den första helikoptern att utföra en split-S-manöver-en halvrulle följt av en halv loop-utan mänsklig inblandning. Manövern avslutade en mängd prestationer av ett forskarlag från institutionerna för flygteknik och astronautik och elektroteknik och datavetenskap. Leds av docenten Eric Feron för flygteknik och astronautik, är teamet fokuserat på att förbättra flygplanens smidighet så att flygande maskiner kan göra slingor och svängar i trånga utrymmen. Medlemmar säger att under de kommande 10 åren kan smidiga, obemannade fordon som Mr. Chopper användas för militär spaning och inspelning av filmer.
Jag tror att det förmodligen är det galnaste flygprojektet i hela landet i universitetsmiljön, säger Feron, som började arbeta med minikoptrar 1998 efter att ha sett piloten på en fjärrstyrd helikopter dirigera en helikopter genom flera stunts. Tidigare hade Feron studerat automatiska styrsystem, och tanken på att automatisera helikopterflyget fängslade honom. Han värvade två doktorander, Alex Shterenberg, MNG '00, och flyg- och astronautik doktorand Vlad Gavrilets, SM '98, för att bygga flygelektroniklådan som nu styr Mr. Choppers rörelser.
Avioniklådan på fyra och ett halvt kilo fungerar som flygledarens ögon i himlen genom att kontinuerligt mäta och överföra flygdata till marken. Fäst under helikopterns tre kilogram kropp innehåller lådan tre sensorer, en Global Positioning System-mottagare, en höjdmätare och en flygkontrolldator. Den kommunicerar via Ethernet med en markdator, som doktoranderna också byggt.
Vad Vlad och hans medarbetare har gjort är att bokstavligen bygga ett helt datorsystem, sittande under helikoptern, av grundläggande komponenter, säger Feron. Det måste fungera i en miljö som skakar mycket och som inte bara beräknar saker, utan också skickar order till fysiska enheter.
För att samla in data som styr helikoptern under automatiserad flygning, utrustade Shterenberg och Gavrilets farkosten med en specialbyggd datainsamlingslåda. Fjärrstyrd helikopterpilot Raja Bortcosh ledde helikoptern genom otaliga manövrar, och lådan registrerade hans kommandon och helikopterns sensorutgångar. Med hjälp av dessa data, säger Gavrilets, kunde vi rekonstruera hur piloten styr helikoptern att utföra manövrarna. Och sedan kunde vi bygga den första dynamiska modellen - matematisk modell - av helikoptern i aerobatisk flygning, vilket aldrig hade gjorts tidigare. När de hade rekonstruerat flygkommandona som matematiska ekvationer, programmerade forskarna tillsammans med postdoktor Bernard Mettler, flyg- och astronautikstudent Ioannis Martinos och elteknik- och datavetenskapsstudent Kara Sprague '01, MEng '02 informationen till Mr. Choppers dator, så att maskinen kan duplicera manövrarna på egen hand.
Mettler, vars doktorandforskning vid Carnegie Mellon University fokuserade på modellering och kontrolltekniker för miniatyrhelikoptrar, noterar att det tar år att bli skicklig på att kontrollera en helikopter, så det är inte lätt att duplicera dessa färdigheter med en dator. Den autonoma helikoptergruppen MIT, genom att framgångsrikt utföra aerobatiska manövrar, uppnådde ett nytt toppmodernt flygprestanda under datorkontroll, säger han.
För att testa sina matematiska modeller byggde forskarna en flygsimulator med en dubblett av avioniklåda och gränssnitt. Genom simulatorn kan de se en 3D-bild av en helikopter som rör sig vart deras modeller än riktar den. Teamet försöker eliminera alla matematiska felaktigheter på simulatorn innan de testar kommandona med helikoptern.
På fältet, med den valda matematiska algoritmen programmerad i helikoptern, styr piloten helikoptern när den lyfter från marken. Piloten styr den att sväva på en specifik plats och höjd och vänder på en strömbrytare som sätter helikoptern på autopilot. Helikoptern följer instruktionerna från algoritmen och utför manövern inom föreskrivna parametrar höjd, hastighet och avstånd, och hela tiden övervakar forskarna dess flygdata på markdatorn. Efter att ha avslutat manövern återgår helikoptern till sitt svävande läge och piloten tar manuell kontroll och landar helikoptern.
Tack vare simulatorn och forskarnas förmåga att testa de matematiska modellerna innan de åker till skyarna har helikoptern bara kraschat två gånger under sin fyraåriga historia, trots att, som Feron säger, fönstren för att göra misstag och återhämta sig från de är extremt smala. Båda krascherna berodde på hårdvarufel, inte numeriska fel.
Men i höstas observerade teammedlemmar ett oväntat test av nödåterställningsprocedurer, de programmerade instruktionerna som styr helikoptern att reagera på ibland felaktiga sensordata. De testade en algoritm, som fram till dess endast hade testats på simulatorn. Modellen var att styra helikoptern att utföra två automatiska manövrar i rad, ett skevroder rulla en korkskruvsliknande manöver följt av ett split-S. Men när det var dags att faktiskt utföra manövrarna fanns det ett problem: när choppern kom ut ur rullen fick den felaktiga uppgifter om sin position och den svarade genom att gå in i ett spiraldyk. Istället för att försöka ta över och rädda helikoptern, väntade teamet för att se om farkostens sensorer skulle få korrekta data som de kunde agera på. Till deras glädje var det precis vad som hände. Helikoptern återhämtade sig utan hjälp från dyket och återvände till sin startposition.
Ett av de mest dramatiska flygögonblicken kom när helikoptern först utförde en split-S. Forskarna hade förutspått att den skulle falla 36,5 meter på 2,5 sekunder när den kom ut ur split-S, och det gjorde den. Men fallet - liknande ett felinducerat fritt fall - var mer nervkittlande än väntat. På en simulator ser det inte alls lika dramatiskt ut som när du faktiskt ser det, säger Gavrilets. Det var riktigt vilt!
Med sin förmåga att utföra snäva svängar, loopar och rullningar är miniatyrhelikoptern perfekt lämpad för att ta sig fram i urbana och naturliga landskap, säger Mettler. Den har redan använts för att hjälpa till att filma en film i New York City, även om Mr. Chopper för det opererade under mänsklig kontroll. En kamera fäst vid basen registrerade duvor i flykt för en 2000 Emmy-vinnande dokumentär av nationella geografiska . Helikopterns inbyggda vibrationsisoleringssystem, som dämpar flygelektronikdatorn under flygningen, möjliggjorde jämn filmning. Hantverkets kapacitet och dess manövrerbarhet lockar underhållningsindustrins intresse eftersom maskinen kan användas för att filma stunts billigt.
Men Feron och hans team diskuterar oftast militära tillämpningar. När allt kommer omkring finansierar NASA, Office of Naval Research och Defense Advanced Research Projects Agency projektet. I höstas utvecklade teamet ett flyguppvisningsprogram utformat för att visa att helikoptern självständigt kan utföra ett planerat uppdrag - en förmåga som är nödvändig för militär användning som spaning.
Relaterat arbete (på större helikoptrar) pågår vid andra universitet, inklusive Carnegie Mellon och Georgia Institute of Technology, men forskare där erkänner MIT:s framsteg. Georgia Tech biträdande professor Eric Johnson, SM '95, säger: Enligt min åsikt har effekten av Eric Feron och hans teams senaste resultat varit att otvetydigt visa att obemannade flygfarkoster kan fungera mer som bemannade flygplan.