211service.com
Vols de fantaisie
Un hélicoptère d'un mètre et demi de long est posé sur une table au sous-sol du bâtiment 33. Au lieu d'une coque en fibre de verre élégante, son corps est un cadre métallique grossièrement soudé avec la finition d'un ensemble de montage. C'est utilitaire, pas ornemental, mais ce qui lui manque de style, il le compense en substance. Ce minicoptère peut faire des choses que les hélicoptères plus gros ne peuvent pas faire. Et encore plus important, il peut les faire sur pilote automatique. C'est essentiellement un robot volant. Hormis le décollage et l'atterrissage, tous ses mouvements sont contrôlés par des équations mathématiques.
L'automne dernier, la machine, surnommée M. Chopper, a innové lorsqu'elle est devenue le premier hélicoptère à effectuer une manœuvre S Split-un demi-tonneau suivi d'une demi-boucle-sans intervention humaine. La manœuvre a couronné une foule de réalisations par une équipe de recherche des départements d'aéronautique et d'astronautique et de génie électrique et informatique. Dirigée par le professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique Eric Feron, l'équipe se concentre sur l'amélioration de l'agilité des avions afin que les machines volantes puissent effectuer des boucles et des virages dans des espaces restreints. Les membres disent qu'au cours des 10 prochaines années, des véhicules sans pilote agiles comme M. Chopper pourraient être utilisés pour la reconnaissance militaire et le tournage de films.
Je pense que c'est probablement le projet de vol le plus fou du pays dans le milieu universitaire, dit Feron, qui a commencé à travailler avec des minicoptères en 1998 après avoir vu le pilote d'un hélicoptère télécommandé diriger un hélicoptère à travers plusieurs cascades. Auparavant, Feron avait étudié les systèmes de contrôle automatique, et l'idée d'automatiser le vol des hélicoptères l'intriguait. Il a enrôlé deux étudiants diplômés, Alex Shterenberg, MNG '00, et le doctorant en aéronautique et astronautique Vlad Gavrilets, SM '98, pour construire la boîte avionique qui dirige maintenant les mouvements de M. Chopper.
La boîte avionique de quatre kilos et demi agit comme les yeux du contrôleur dans le ciel en mesurant et en transmettant en continu les données de vol au sol. Attachée sous le corps de trois kilogrammes de l'hélicoptère, la boîte contient trois capteurs, un récepteur du système de positionnement global, un altimètre et un ordinateur de contrôle de vol. Il communique via Ethernet avec un ordinateur au sol, que les étudiants diplômés ont également construit.
Ce que Vlad et ses collègues ont fait, c'est littéralement construire un système informatique entier, assis sous l'hélicoptère, à partir de composants de base, dit Feron. Il doit fonctionner dans un environnement qui tremble beaucoup et non seulement calcule les choses, mais envoie également des commandes aux appareils physiques.
Pour collecter les données qui dirigent l'hélicoptère pendant le vol automatisé, Shterenberg et Gavrilets ont équipé l'engin d'un boîtier d'acquisition de données sur mesure. Le pilote d'hélicoptère télécommandé Raja Bortcosh a dirigé l'hélicoptère à travers une myriade de manœuvres, et la boîte a enregistré ses commandes et les sorties des capteurs de l'hélicoptère. En utilisant ces données, dit Gavrilets, nous avons pu reconstituer la façon dont le pilote dirige l'hélicoptère pour effectuer les manœuvres. Et puis nous avons pu construire le premier modèle dynamique - modèle mathématique - de l'hélicoptère en vol acrobatique, ce qui n'avait jamais été fait auparavant. Une fois qu'ils ont reconstitué les commandes de vol sous forme d'équations mathématiques, les chercheurs - rejoints par l'associé postdoctoral Bernard Mettler, l'étudiant diplômé en aéronautique et astronautique Ioannis Martinos, et l'étudiante diplômée en génie électrique et informatique Kara Sprague '01, MEng '02- ont programmé les informations dans L'ordinateur de M. Chopper, permettant à la machine de dupliquer les manœuvres par elle-même.
Mettler, dont la recherche doctorale à l'Université Carnegie Mellon s'est concentrée sur les techniques de modélisation et de contrôle des hélicoptères miniatures, note qu'il faut des années pour maîtriser le contrôle d'un hélicoptère, il n'est donc pas facile de dupliquer ces compétences avec un ordinateur. Le groupe d'hélicoptères autonomes du MIT, en exécutant avec succès des manœuvres acrobatiques, a atteint un nouvel état de l'art en matière de performances de vol sous contrôle informatique, dit-il.
Pour tester leurs modèles mathématiques, les chercheurs ont construit un simulateur de vol avec une boîte et une interface avioniques en double. Grâce au simulateur, ils peuvent regarder une image 3D d'un hélicoptère se déplacer là où leurs modèles le dirigent. L'équipe essaie d'éliminer toutes les imprécisions mathématiques sur le simulateur avant de tester les commandes avec l'hélicoptère.
Sur le terrain, avec l'algorithme mathématique sélectionné programmé dans l'hélicoptère, le pilote contrôle l'hélicoptère au moment où il décolle du sol. Le dirigeant pour qu'il vole à un endroit et à une altitude spécifiques, le pilote actionne un interrupteur qui met l'hélicoptère en pilote automatique. L'hélicoptère suit les instructions de l'algorithme et effectue la manœuvre dans les paramètres prescrits d'altitude, de vitesse et de distance, et pendant ce temps, les chercheurs surveillent ses données de vol sur l'ordinateur au sol. Une fois la manœuvre terminée, l'hélicoptère revient à sa position de vol stationnaire et le pilote prend le contrôle manuel et fait atterrir l'hélicoptère.
Grâce au simulateur et à la capacité des chercheurs à tester les modèles mathématiques avant de s'envoler, l'hélicoptère ne s'est écrasé que deux fois au cours de ses quatre années d'existence, malgré le fait que, comme le dit Feron, les fenêtres pour faire des erreurs et se remettre de elles sont extrêmement étroites. Les deux plantages étaient attribuables à des pannes matérielles et non à des erreurs numériques.
Mais l'automne dernier, les membres de l'équipe ont observé un test inattendu des procédures de récupération d'urgence, les instructions programmées qui ordonnent à l'hélicoptère de répondre à des données de capteur parfois erronées. Ils essayaient un algorithme, qui jusqu'alors n'avait été testé que sur simulateur. Le modèle consistait à ordonner à l'hélicoptère d'effectuer deux manœuvres automatiques d'affilée, un roulis d'ailerons - une manœuvre en tire-bouchon - suivi d'un split-S. Mais quand est venu le temps d'exécuter les manœuvres, il y a eu un problème : alors que l'hélicoptère sortait du rouleau, il a reçu des données erronées sur sa position, et il a répondu en se lançant dans une plongée en spirale. Au lieu d'essayer de reprendre et de sauver l'hélicoptère, l'équipe a attendu de voir si les capteurs de l'engin recevraient des données correctes sur lesquelles il pourrait agir. Pour leur plus grand plaisir, c'est exactement ce qui s'est passé. Sans aide, l'hélicoptère s'est remis de la plongée et est revenu à sa position de départ.
L'un des moments de vol les plus dramatiques est survenu lorsque l'hélicoptère a effectué pour la première fois un split-S. Les chercheurs avaient prédit qu'il chuterait de 36,5 mètres en 2,5 secondes à la sortie du split-S, et c'est ce qu'il a fait. Mais la chute, semblable à une chute libre induite par une erreur, était plus éprouvante pour les nerfs que prévu. Sur un simulateur, cela n'a pas l'air aussi dramatique que lorsque vous le voyez réellement, dit Gavrilets. C'était vraiment sauvage !
Avec sa capacité à effectuer des virages serrés, des boucles et des tonneaux, l'hélicoptère miniature est parfaitement adapté pour négocier des paysages urbains et naturels, explique Mettler. Il a déjà été utilisé pour aider à filmer un film à New York, bien que pour cela, M. Chopper ait opéré sous contrôle humain. Une caméra attachée à sa base a enregistré des pigeons en vol pour un documentaire primé aux Emmy 2000 par Géographie nationale . Le système d'isolation des vibrations intégré de l'hélicoptère, qui amortit l'ordinateur avionique pendant le vol, a permis un tournage uniforme. La capacité de prise de vue stable de l'engin et sa maniabilité suscitent l'intérêt de l'industrie du divertissement, car la machine pourrait être utilisée pour filmer des cascades à moindre coût.
Mais Feron et son équipe discutent le plus souvent des applications militaires. Après tout, la NASA, l'Office of Naval Research et la Defense Advanced Research Projects Agency financent le projet. L'automne dernier, l'équipe a développé un programme de spectacle aérien conçu pour démontrer que l'hélicoptère peut effectuer de manière autonome une mission planifiée, une capacité nécessaire pour des utilisations militaires telles que la reconnaissance.
Des travaux connexes (sur de plus gros hélicoptères) sont en cours dans d'autres universités, dont Carnegie Mellon et le Georgia Institute of Technology, mais les chercheurs y reconnaissent les avancées du MIT. Le professeur adjoint de Georgia Tech, Eric Johnson, SM '95, déclare : À mon avis, l'impact des résultats récents d'Eric Feron et de son équipe a été de montrer sans ambiguïté que les véhicules aériens sans pilote sont capables de fonctionner davantage comme des avions avec pilote.