Flüge von Fancy

Auf einem Tisch im Keller des Gebäudes 33 sitzt ein eineinhalb Meter langer Helikopter. Statt einer glatten Glasfaserhülle ist sein Körper ein grob gelöteter Metallrahmen im Finish eines Erector-Sets. Es ist utilitaristisch, nicht ornamental, aber was ihm an Stil fehlt, macht es durch seine Substanz wett. Dieser Minicopter kann Dinge, die größere Hubschrauber nicht können. Und was noch wichtiger ist, es kann sie auf Autopilot ausführen. Es ist im Wesentlichen ein fliegender Roboter. Abgesehen von Start und Landung werden alle seine Bewegungen durch mathematische Gleichungen gesteuert.

Im vergangenen Herbst betrat die Maschine mit dem Namen Mr. Chopper Neuland, als sie als erster Hubschrauber ein Split-S-Manöver - eine halbe Rolle gefolgt von einer halben Schleife - ohne menschliches Eingreifen durchführte. Das Manöver krönte eine Vielzahl von Leistungen eines Forschungsteams aus den Fachbereichen Luft- und Raumfahrt sowie Elektrotechnik und Informatik. Das Team unter der Leitung von Aeronautics and Astronautics Associate Professor Eric Feron konzentriert sich darauf, die Agilität von Flugzeugen zu verbessern, damit Flugmaschinen Loopings und Turns auf engstem Raum ausführen können. Mitglieder sagen, dass in den nächsten 10 Jahren wendige, unbemannte Fahrzeuge wie Mr. Chopper für militärische Aufklärung und Filmaufnahmen eingesetzt werden könnten.

Ich denke, es ist das wahrscheinlich verrückteste Flugprojekt im ganzen Land im universitären Umfeld, sagt Feron, der 1998 mit der Arbeit mit Minicoptern begann, nachdem er beobachtet hatte, wie der Pilot eines ferngesteuerten Hubschraubers einen Hubschrauber durch mehrere Stunts steuerte. Zuvor hatte Feron automatische Kontrollsysteme studiert, und die Idee, den Hubschrauberflug zu automatisieren, faszinierte ihn. Er beauftragte zwei Doktoranden, Alex Shterenberg, MNG '00, und den Luft- und Raumfahrt-Doktoranden Vlad Gavrilets, SM '98, um die Avionik-Box zu bauen, die jetzt Mr. Choppers Bewegungen steuert.



Die viereinhalb Kilogramm schwere Avionikbox fungiert als Auge des Lotsen am Himmel, indem sie kontinuierlich Flugdaten misst und an den Boden überträgt. Unterhalb des drei Kilogramm schweren Körpers des Helikopters angebracht, enthält die Box drei Sensoren, einen Global Positioning System-Empfänger, einen Höhenmesser und einen Flugsteuerungscomputer. Es kommuniziert über Ethernet mit einem Bodenrechner, den die Doktoranden ebenfalls gebaut haben.

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Vlad und seine Mitarbeiter haben buchstäblich ein komplettes Computersystem unter dem Helikopter aus Basiskomponenten aufgebaut, sagt Feron. Es muss in einer Umgebung funktionieren, die stark wackelt und nicht nur Dinge berechnet, sondern auch Befehle an physische Geräte sendet.

Um die Daten zu sammeln, die den Hubschrauber während des automatisierten Fluges steuern, statteten Shterenberg und Gavrilets das Flugzeug mit einer speziell angefertigten Datenerfassungsbox aus. Der ferngesteuerte Hubschrauberpilot Raja Bortcosh führte den Hubschrauber durch unzählige Manöver, und die Box zeichnete seine Befehle und die Sensorausgaben des Hubschraubers auf. Mit diesen Daten, sagt Gavrilets, konnten wir rekonstruieren, wie der Pilot den Helikopter anleitet, um die Manöver auszuführen. Und dann konnten wir das erste dynamische Modell - mathematisches Modell - des Hubschraubers im Kunstflug bauen, was noch nie zuvor gemacht wurde. Nachdem sie die Flugbefehle als mathematische Gleichungen rekonstruiert hatten, programmierten die Forscher zusammen mit dem Postdoktoranden Bernard Mettler, dem Luft- und Raumfahrt-Doktoranden Ioannis Martinos und der Elektrotechnik- und Informatik-Doktorandin Kara Sprague '01, MEng '02 die Informationen in Mr. Choppers Computer, der es der Maschine ermöglicht, die Manöver selbstständig zu duplizieren.

Mettler, dessen Doktorarbeit an der Carnegie Mellon University sich auf Modellierungs- und Steuerungstechniken für Miniaturhubschrauber konzentrierte, merkt an, dass es Jahre dauert, um einen Hubschrauber zu steuern, sodass es nicht einfach ist, diese Fähigkeiten mit einem Computer zu kopieren. Die autonome Hubschraubergruppe des MIT habe durch die erfolgreiche Durchführung von Kunstflugmanövern einen neuen Stand der Technik in der Flugleistung unter Computersteuerung erreicht, sagt er.

Um ihre mathematischen Modelle zu testen, bauten die Forscher einen Flugsimulator mit einer doppelten Avionikbox und einer Schnittstelle. Über den Simulator können sie ein 3-D-Bild eines Hubschraubers beobachten, der sich dorthin bewegt, wo seine Modelle ihn dirigieren. Das Team versucht alle mathematischen Ungenauigkeiten am Simulator zu beseitigen, bevor es die Kommandos mit dem Helikopter testet.

Auf dem Feld steuert der Pilot mit dem ausgewählten mathematischen Algorithmus, der in den Hubschrauber einprogrammiert ist, den Helikopter, während er vom Boden abhebt. Der Pilot weist ihn an, an einem bestimmten Ort und in einer bestimmten Höhe zu schweben, und legt einen Schalter um, der den Hubschrauber auf Autopilot schaltet. Der Helikopter folgt den Anweisungen des Algorithmus und führt das Manöver innerhalb der vorgeschriebenen Parameter Höhe, Geschwindigkeit und Entfernung aus, während die Forscher seine Flugdaten am Bodencomputer überwachen. Nach Abschluss des Manövers kehrt der Hubschrauber in seine Schwebeposition zurück, und der Pilot übernimmt die manuelle Steuerung und landet den Hubschrauber.

Dank des Simulators und der Fähigkeit der Forscher, die mathematischen Modelle vor dem Abheben in den Himmel zu testen, ist der Hubschrauber in seiner vierjährigen Geschichte nur zweimal abgestürzt, obwohl, wie Feron sagt, die Zeitfenster für Fehler und Erholung von sie sind extrem schmal. Beide Abstürze waren auf Hardwarefehler zurückzuführen, nicht auf numerische Fehler.

Aber im vergangenen Herbst beobachteten Teammitglieder einen unerwarteten Test von Notfallwiederherstellungsverfahren, den programmierten Anweisungen, die den Hubschrauber anweisen, auf gelegentlich fehlerhafte Sensordaten zu reagieren. Sie probierten einen Algorithmus aus, der bis dahin nur am Simulator getestet wurde. Das Modell sollte den Hubschrauber anweisen, zwei automatische Manöver hintereinander auszuführen, ein Querruderrollen – ein korkenzieherartiges Manöver – gefolgt von einem Split-S. Doch als es an der Zeit war, die Manöver tatsächlich auszuführen, gab es ein Problem: Als der Chopper aus der Rolle kam, erhielt er fehlerhafte Daten über seine Position und reagierte mit einer Steilspirale. Anstatt zu versuchen, den Hubschrauber zu übernehmen und zu retten, wartete das Team ab, ob die Sensoren des Fluggeräts korrekte Daten erhalten würden, auf die es reagieren konnte. Zu ihrer Freude geschah genau das. Ohne Hilfe erholte sich der Helikopter vom Tauchgang und kehrte in seine Ausgangsposition zurück.

Einer der dramatischsten Flugmomente war, als der Helikopter zum ersten Mal ein Split-S durchführte. Die Forscher hatten vorhergesagt, dass es in 2,5 Sekunden um 36,5 Meter fallen würde, wenn es aus dem Split-S kam, und das tat es auch. Aber der Sturz – ähnlich einem fehlerinduzierten freien Fall – war nervenaufreibender als erwartet. Auf einem Simulator sieht es nicht annähernd so dramatisch aus, wie wenn man es tatsächlich sieht, sagt Gavrilets. Es war wirklich wild!

Mit seiner Fähigkeit, enge Kurven, Loopings und Rollen auszuführen, ist der Miniatur-Helikopter perfekt geeignet, um Stadt- und Naturlandschaften zu bewältigen, sagt Mettler. Es wurde bereits verwendet, um einen Film in New York City zu drehen, obwohl Mr. Chopper dafür unter menschlicher Kontrolle operierte. Eine Kamera, die an ihrer Basis befestigt ist, zeichnete Tauben im Flug für einen 2000 Emmy-prämierten Dokumentarfilm von . auf National Geographic . Das eingebaute Schwingungsisolationssystem des Helikopters, das den Avionikcomputer während des Fluges dämpft, ermöglichte ein gleichmäßiges Filmen. Die Steady-Shot-Fähigkeit des Fahrzeugs und seine Manövrierfähigkeit ziehen das Interesse der Unterhaltungsindustrie auf sich, da die Maschine kostengünstig zum Filmen von Stunts verwendet werden könnte.

Aber Feron und sein Team diskutieren am häufigsten über militärische Anwendungen. Schließlich finanzieren die NASA, das Office of Naval Research und die Defense Advanced Research Projects Agency das Projekt. Im vergangenen Herbst entwickelte das Team ein Flugshow-Programm, um zu demonstrieren, dass der Hubschrauber eine geplante Mission autonom durchführen kann – eine Fähigkeit, die für militärische Zwecke wie die Aufklärung erforderlich ist.

Ähnliche Arbeiten (an größeren Hubschraubern) laufen an anderen Universitäten, darunter Carnegie Mellon und das Georgia Institute of Technology, aber die Forscher dort erkennen die Fortschritte des MIT an. Georgia Tech Assistant Professor Eric Johnson, SM '95, sagt: Meiner Ansicht nach haben die jüngsten Ergebnisse von Eric Feron und seinem Team eindeutig gezeigt, dass unbemannte Luftfahrzeuge in der Lage sind, eher wie bemannte Flugzeuge zu operieren.

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