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Voli di fantasia
Un elicottero lungo un metro e mezzo siede su un tavolo nel seminterrato dell'Edificio 33. Invece di un elegante guscio in fibra di vetro, il suo corpo è una struttura di metallo grossolanamente saldata con la finitura di un set Erector. È utilitaristico, non ornamentale, ma ciò che manca nello stile, lo compensa nella sostanza. Questo minicottero può fare cose che gli elicotteri più grandi non possono fare. E ancora più importante, può farli con il pilota automatico. È essenzialmente un robot volante. A parte il decollo e l'atterraggio, tutti i suoi movimenti sono controllati da equazioni matematiche.
Lo scorso autunno la macchina, soprannominata Mr. Chopper, ha aperto nuovi orizzonti quando è diventato il primo elicottero ad eseguire una manovra a S divisa, un mezzo rollio seguito da un mezzo giro, senza l'intervento umano. La manovra ha coronato una serie di risultati ottenuti da un gruppo di ricerca dei dipartimenti di aeronautica e astronautica e di ingegneria elettrica e informatica. Guidato dal professore associato di aeronautica e astronautica Eric Feron, il team si concentra sul miglioramento dell'agilità degli aerei in modo che le macchine volanti possano fare giri e virate in spazi ristretti. I membri affermano che nei prossimi 10 anni, veicoli agili e senza equipaggio come Mr. Chopper potrebbero essere utilizzati per la ricognizione militare e le riprese di film.
Penso che sia probabilmente il progetto di volo più folle in tutto il paese nell'ambiente universitario, afferma Feron, che ha iniziato a lavorare con i minicotteri nel 1998 dopo aver visto il pilota di un elicottero telecomandato dirigere un elicottero attraverso diverse acrobazie. In precedenza, Feron aveva studiato i sistemi di controllo automatico e l'idea di automatizzare il volo in elicottero lo intrigava. Ha arruolato due studenti laureati, Alex Shterenberg, MNG '00, e il dottorando in aeronautica e astronautica Vlad Gavrilets, SM '98, per costruire la scatola avionica che ora dirige i movimenti di Mr. Chopper.
La scatola avionica da quattro chilogrammi e mezzo funge da occhi del controller nel cielo misurando e trasmettendo continuamente i dati di volo a terra. Attaccato sotto il corpo di tre chilogrammi dell'elicottero, la scatola contiene tre sensori, un ricevitore del sistema di posizionamento globale, un altimetro e un computer di controllo del volo. Comunica via Ethernet con un computer di terra, costruito anche dagli studenti laureati.
Quello che Vlad e i suoi colleghi hanno fatto è letteralmente costruire un intero sistema di computer, seduto sotto l'elicottero, da componenti di base, dice Feron. Deve funzionare in un ambiente che trema molto e non solo calcola le cose, ma invia anche ordini a dispositivi fisici.
Per raccogliere i dati che dirigono l'elicottero durante il volo automatizzato, Shterenberg e Gavrilets hanno dotato il velivolo di una scatola di acquisizione dati personalizzata. Il pilota di elicottero radiocomandato Raja Bortcosh ha guidato l'elicottero attraverso una miriade di manovre e la scatola ha registrato i suoi comandi e le uscite dei sensori dell'elicottero. Usando quei dati, dice Gavrilets, siamo stati in grado di ricostruire il modo in cui il pilota dirige l'elicottero per eseguire le manovre. E poi siamo riusciti a costruire il primo modello dinamico - modello matematico - dell'elicottero in volo acrobatico, cosa mai fatta prima. Dopo aver ricostruito i comandi di volo come equazioni matematiche, i ricercatori, insieme al socio postdottorato Bernard Mettler, allo studente laureato in aeronautica e astronautica Ioannis Martinos e allo studente laureato in ingegneria elettrica e informatica Kara Sprague '01, MEng '02, hanno programmato le informazioni in Il computer di Mr. Chopper, permettendo alla macchina di duplicare da sola le manovre.
Mettler, la cui ricerca di dottorato presso la Carnegie Mellon University si è concentrata sulla modellazione e sulle tecniche di controllo per elicotteri in miniatura, osserva che ci vogliono anni per diventare abili nel controllo di un elicottero, quindi non è facile duplicare queste abilità con un computer. Il gruppo di elicotteri autonomi del MIT, eseguendo con successo manovre acrobatiche, ha raggiunto un nuovo stato dell'arte nelle prestazioni di volo sotto il controllo del computer, afferma.
Per testare i loro modelli matematici, i ricercatori hanno costruito un simulatore di volo con una scatola e un'interfaccia avionica duplicate. Attraverso il simulatore, possono guardare un'immagine 3D di un elicottero che si muove ovunque i loro modelli lo dirigano. Il team cerca di eliminare tutte le imprecisioni matematiche sul simulatore prima di testare i comandi con l'elicottero.
Sul campo, con l'algoritmo matematico selezionato programmato nell'elicottero, il pilota controlla l'elicottero mentre decolla da terra. Dirigendolo a librarsi in una posizione e ad un'altitudine specifiche, il pilota aziona un interruttore che mette l'elicottero sul pilota automatico. L'elicottero segue le istruzioni dell'algoritmo ed esegue la manovra entro parametri prescritti di altitudine, velocità e distanza, e per tutto il tempo i ricercatori monitorano i dati di volo sul computer di terra. Dopo aver completato la manovra, l'elicottero ritorna in posizione di volo stazionario e il pilota prende il controllo manuale e fa atterrare l'elicottero.
Grazie al simulatore e alla capacità dei ricercatori di testare i modelli matematici prima di prendere il volo, l'elicottero si è schiantato solo due volte nei suoi quattro anni di storia, nonostante, come dice Feron, le finestre per sbagliare e riprendersi da loro sono estremamente stretti. Entrambi gli arresti anomali erano attribuibili a guasti hardware, non a errori numerici.
Ma lo scorso autunno i membri del team hanno osservato un test inaspettato delle procedure di ripristino di emergenza, le istruzioni programmate che indirizzano l'elicottero a rispondere a dati dei sensori occasionalmente errati. Stavano provando un algoritmo, che fino a quel momento era stato testato solo sul simulatore. Il modello doveva dirigere l'elicottero per eseguire due manovre automatiche di fila, un rollio dell'alettone, una manovra simile a un cavatappi, seguito da uno split-S. Ma quando è arrivato il momento di eseguire effettivamente le manovre, c'è stato un problema: mentre l'elicottero stava uscendo dal rollio, ha ricevuto dati errati sulla sua posizione e ha risposto andando in picchiata a spirale. Invece di tentare di prendere il controllo e salvare l'elicottero, il team ha aspettato per vedere se i sensori del velivolo avrebbero ricevuto i dati corretti su cui avrebbe potuto agire. Con loro grande gioia, è esattamente quello che è successo. Senza aiuto, l'elicottero si è ripreso dall'immersione ed è tornato alla posizione di partenza.
Uno dei momenti di volo più drammatici è stato quando l'elicottero ha eseguito per la prima volta una doppia S. I ricercatori avevano previsto che sarebbe sceso di 36,5 metri in 2,5 secondi quando usciva dallo split-S, e così è stato. Ma la caduta, simile a una caduta libera indotta da un errore, è stata più snervante del previsto. Su un simulatore, non sembra così drammatico come quando lo vedi effettivamente, dice Gavrilets. Era davvero selvaggio!
Con la sua capacità di eseguire curve strette, loop e roll, l'elicottero in miniatura è perfettamente adatto per negoziare paesaggi urbani e naturali, afferma Mettler. È già stato utilizzato per girare un film a New York City, anche se per questo il signor Chopper ha operato sotto il controllo umano. Una telecamera attaccata alla sua base ha registrato i piccioni in volo per un documentario vincitore di un Emmy nel 2000 di National Geographic . Il sistema di isolamento delle vibrazioni integrato nell'elicottero, che ammortizza il computer avionico durante il volo, ha consentito di effettuare riprese uniformi. La capacità di ripresa costante del velivolo e la sua manovrabilità stanno attirando l'interesse dell'industria dell'intrattenimento perché la macchina potrebbe essere utilizzata per filmare acrobazie a buon mercato.
Ma Feron e la sua squadra discutono più spesso di applicazioni militari. Dopotutto, la NASA, l'Office of Naval Research e la Defense Advanced Research Projects Agency finanziano il progetto. Lo scorso autunno il team ha sviluppato un programma di spettacolo aereo progettato per dimostrare che l'elicottero può svolgere autonomamente una missione pianificata, un'abilità necessaria per usi militari come la ricognizione.
Lavori correlati (su elicotteri più grandi) sono in corso in altre università, tra cui Carnegie Mellon e il Georgia Institute of Technology, ma i ricercatori riconoscono i progressi del MIT. L'assistente professore della Georgia Tech Eric Johnson, SM '95, afferma: 'Secondo me, l'impatto dei recenti risultati di Eric Feron e del suo team è stato quello di dimostrare inequivocabilmente che i veicoli aerei senza equipaggio sono in grado di operare più come aerei con equipaggio.