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机智的首席飞行员解释了如何在火星上驾驶直升机

2021-07-07 来源:永州机械信息网

机智的首席飞行员解释了如何在火星上驾驶直升机

火星直升机的创造力将首次登上火星的天空。它会完全根据需要完全自主地进行操作-喷气推进实验室的Ingenuity的飞行员与火星上的Jezero Crater之间的时间延迟使手动甚至监督控制变得不可能。

因此,JPL员工可以做的最好的事情就是在模拟中尽可能多地练习,然后希望直升机能够自己处理所有事情中国机械网okmao.com。

在地球上,仿真是许多机器人应用程序的关键工具,因为它不依赖于访问昂贵的硬件,并且是非破坏性的,并且可以并行运行并且以高于实时的速度运行,从而专注于解决特定问题。

一旦您认为已在仿真中找到了所有解决方案,就可以随时在真实的机器人上进行尝试,看看距离您有多近。

如果它在现实生活中可行,那就太好了!如果没有,那么您可以在模拟中进行一些调整,然后重试。

对于火星直升机而言,仿真更为重要,赌注也更高。在地球上实际上不可能在与在火星上能找到的条件相匹配的条件下测试火星直升机。

JPL已经在火星大气条件下飞行过工程模型,并且他们已经使用可操纵的系绳来模拟火星的重力,但是直到他们实际在火星上飞行之前,没有办法知道在火星上飞行会是什么样子。

考虑到这一点,Ingenuity团队一直高度依赖模拟,因为这是他们为火星飞行做准备的最佳工具之一。

我们与Ingenuity的首席飞行员H?vardGrip进行了交谈,以了解其工作原理。

独创事实:

身体大小:一盒纸巾

大脑:高通Snapdragon 801

重量:1.8公斤

推进:两个1.2m碳纤维转子

导航传感器:VGA摄像头,激光高度计,测斜仪

Ingenuity计划在4月11日之前进行首次飞行。在起飞之前,Ingenuity团队将进行各种飞行前检查,包括验证控制系统的响应能力以及将叶片旋转至全速(2,537 rpm)不提起。

如果一切看起来都不错,则首飞包括每秒1米的爬升至3米,在3米处悬停30秒并稍微旋转一下然后下降到降落。

如果Ingenuity做到这一点,那将使它的整个任务取得成功。在接下来的几周内,将会有更多的飞行,但是只需要证明一架可以在火星上进行自动直升机飞行。

上个月,我们与Mars直升机运营负责人Tim Canham谈了Ingenuity的硬件,软件和自主性,但我们想了解更多有关Ingenuity团队如何将仿真应用于从车辆设计到飞行计划的所有内容的信息。

为了回答我们的问题,我们与JPL的HvardGrip进行了交谈,后者领导了Ingenuity的导航和飞行控制系统的开发。

格里普(Grip)还拥有Ingenuity Chief Pilot的头衔,这真是太棒了。他将此角色概括为“操作飞行控制系统以使直升机完成我们想要做的事情。”

IEEE Spectrum:您能告诉我JPL用于Ingenuity的飞行计划的模拟环境吗?

霍瓦尔德·格里普(HvardGrip):我们在JPL上自行开发了火星直升机仿真模型,该模型基于JPL也开发的多体仿真框架DARTS / DSHELL。JPL已经开发了大约30年的系统,并且已经在许多任务中使用了该系统。

因此,我们采用了该多体仿真框架,并在此基础上构建了自己的Mars直升机仿真,汇总了自己的转子模型,我们的空气动力学模型以及仿真直升机所需的所有其他信息。NASA Ames和NASA Langley的旋翼飞机专家也提供了很多帮助。

独创性

JPL飞行模拟器的独创性。

如果无法在火星上进行测试,您可以对模拟中看到的内容进行多少验证?

我们可以做很多,但是需要大量的计划。当我们制作第一个真实的原型(带有看起来像我们打算放在火星上的全尺寸转子)时,我们首先花了很多时间设计它,并使用仿真工具来指导该设计。

并且当我们有足够的信心时我们已经足够亲密,并且对它了解得足够多了,那么我们实际上是在建造一个东西并在真空室中设计了一整套测试,在这里我们可以复制火星的大气条件。

这些测试是在我们尝试驾驶直升机之前进行的-它们专门针对我们所谓的系统识别,这与弄清楚系统的真实特性和真实动力有关,而与我们在我们的假设中相比,楷模。这样我们就可以看到我们的模型做得如何,

在最初的首次升力测试之后,我们真正开始了模拟工作,这就是我们得以解开所有秘密的原因,从而可以制造出可以在火星上飞行的直升机。

—聪明才智的首席飞行员HvardGrip

我们做了很多这样的测试。这是一个很大的运动,分几个阶段进行。但是,当然有些事情是您无法完全复制的,并且您确实依赖于仿真来将它们捆绑在一起。例如,我们不能真正在地球上复制火星重力。

我们可以复制大气层,但不能复制重力,因此我们在飞行时必须做各种事情-使直升机非常轻便,或者我们必须用绳子将其拉起以减轻一些负担,以提供一些帮助的重量。这些东西并不能完全复制火星上的样子。

我们也无法同时复制火星的空气动力学环境以及直升机将要飞行的物理和视觉环境。在这些地方,模拟工具无疑非常有用,能够进行从A到B的全面飞行测试,

模拟能在多大程度上真正弥补您在地球上无法进行的各种物理测试?

它为您提供了几种不同的可能性。我们可以在地球上进行某些测试,在其中复制环境的关键元素,例如大气或视觉环境,并且您可以根据可以在地球上测试的那些参数验证仿真。

然后,您可以在仿真中将这些内容结合起来,从而使您能够设置任意方案并进行大量测试。

我们可以做蒙特卡洛的事情,我们可以连续飞行一千次,并在各种参数的微小扰动下弄清楚我们对这些东西的敏感性。这些都是您无法通过物理测试完成的事情,这不仅是因为您无法完全复制环境,而且还因为需要连续执行一千次相同的操作所需的资源。

由于我们在地球上可以进行的物理测试受到限制,因此我们知道有些元素存在更多不确定性。

在不确定性很高的那些方面,我们尝试建立足够的余量以处理各种问题。仿真使您可以处理这些参数,并将其置于外部极限,并在超出实际参数的范围之外进行测试,以确保即使在那些极端情况下也具有鲁棒性。

如何确保您不会过多地依赖仿真,尤其是在某些方面,它是您唯一的选择?

这是将其锚定在实际数据中的,我们在物理测试中做了很多工作。我认为您指的是使您的模拟过于完美,并且我们谨慎地对重要的事物进行建模。

例如,我们使用的模拟传感器在其中具有逼真的模拟噪声和偏差水平,导航摄像机图像具有在实际水平上的退化,而我们则受到阵风的干扰。

如果您没有适当地考虑到这些问题,那么您将丢失重要的细节。因此,我们尝试尽可能地做到准确,并通过在不确定性较高的区域中越界来捕获这一点。

您对火星直升机进行了什么样的模拟挑战,您如何决定将这些挑战推向多远?

一个例子是,我们可以模拟在更粗糙的地形上行驶。我们可以推动这一步,看看我们能走多远,仍然让直升机按照我们希望的方式运行。或者,我们可以注入可能是真实传感器看不到的噪声水平,但是您只想看看可以将物体推到多远,并确保它仍然坚固。

我们对此施加限制的地方以及我们认为切合实际的地方通常是一个挑战。我们会逐案考虑-如果您要处理的传感器,则尝试对其进行测试以表征其特性并尽可能了解其性能,并建立起一定的信心这样您就可以找到适当的平衡。

当涉及到诸如地形不平整之类的东西时,情况有所不同,因为我们实际上是在选择要驾驶直升机的位置。我们已经做出了选择,并且我们知道我们周围的地形是什么样子,所以我们不必再对此感到惊讶了。

机巧飞行区

机巧飞行区的卫星图像。

我们试图在操作上解决此问题的方法是,我们应该在此时进行工程设计。除了在这里和那里进行一些检查之外,我们不依赖于返回并重新模拟事物。

在模拟过程中您是否学到了一些导致硬件或任务发生变化的东西的例子?

您知道,这是一段旅程。作为对直升机进行建模的一部分,我们发现的早期事情之一是,对于火星上的直升机而言,旋翼动力学有很大不同,特别是在旋翼对叶片上下弯曲的反应方面,不完全僵化。

该运动对直升机的整体飞行动力学有非常重要的影响,我们在开始建模时发现,该运动在火星上的阻尼要小得多。诸如此类的阻尼振荡不足的情况,您可能会想出一个控制问题,就是这种情况:如果您像在地球上直升飞机那样天真地设计它,而没有考虑到这一点,那么您可以拥有一个系统控制输入??的响应变得非常缓慢。

火星直升机的设计周期-就像我们不能制造东西然后将其拿到后院进行尝试,然后再进行修改(如果它不起作用)。要构建一些东西并开发一个测试程序,需要用真空室对其进行测试,这是一项更大的工作。因此,您真的希望在第一次迭代时尽可能早地接近,而不必回到基础上来。

那么,您能够在直升机设计的第一次迭代中实现多近的距离?

一个非常早期的演示,它或多或少地做了一些假设,只是假设事物的行为将像在地球上一样,并且我们能够在火星大气中飞行,只需更快地旋转转子,并获得非常轻的直升机。我们基本上只是试图证明我们可以产生足够的升力。

您会看到直升机在跳来跳去,有人试图操纵它,但事实证明,这很难控制。

这是在进行我之前提到的任何建模之前。但是一旦我们开始认真地专注于建模和仿真,我们便开始制造原型车,该车的全尺寸转子非常接近将在火星上飞行的转子。区别在于原型仅在下部转子上具有循环控制,

您认为在模拟方面还有多少改进的余地,这对将来有什么帮助?

我们拥有的工具绝对足以完成建造可以在火星上飞行的直升机所需的工作。但是仿真是计算密集型的事情,因此,我认为,如果您具有计算能力,则肯定有更高保真度仿真的空间。

对于未来的火星直升机,您可以通过将高保真空气动力学模型与大型多体模型更紧密地结合在一起,并以快速的方式进行操作,从而快速迭代,从而获得一些好处。当然,优化事物还有更大的潜力。

独创性

巧思为飞行做准备。

观看Ingenuity的首次飞行,很可能就像观看毅力降落一样,我们将能够与Ingenuity团队一起跟随他们向直升机发送命令并接收数据,尽管时间上的延误意味着任何直接控制将是不可能的。

如果一切按预期进行,Ingenuity可能希望进行一些初步遥测,但听起来我们可能必须等到4月12日才能获得航班本身的图片或视频。

由于火星不在乎地球现在几点,因此飞行实际上将在4月12日非常早进行,而JPL任务控制直播将在美国东部时间凌晨3:30(美国太平洋时间凌晨12:30)开始。详细信息在这里。

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