Algorithmen verbessern die Leistung von Quadrotor-Drohnen

Wenn ein Flugzeug zu stark nach oben dreht, kann die Abnahme des Auftriebs und die Zunahme des Luftwiderstands dazu führen, dass das Fahrzeug plötzlich abstürzt. Dieses als Stall bezeichnete Phänomen hat viele Drohnenhersteller dazu veranlasst, bei der Planung der autonomen Flugbewegungen ihrer Fahrzeuge auf äußerste Vorsicht zu setzen. Für Tailsitter-Drohnen mit vertikalem Start und Landung (VTOL) programmieren die meisten Hersteller das Flugzeug so, dass sich die Fahrzeugkarosserie sehr langsam dreht, wenn sie vom Schwebeflug in den Vorwärtsflug und umgekehrt übergeht.

Forscher haben einen Trajektorienplaner entwickelt, der die Zeit, die VTOL-Tailsitter-Drohnen für diesen entscheidenden Übergang benötigen, erheblich verkürzt. Der Flugbahnplaner wurde für einen Quadrotor-Doppeldecker-Tailsitter entwickelt, der zum Testen neuer Konstruktionsmerkmale und zum Studium der grundlegenden Aerodynamik verwendet wird.

VTOL-Schwanzsitter verlassen sich normalerweise auf einen heuristikbasierten Ansatz, wenn sie zwischen Schweben und Vorwärtsflug wechseln, wo sie einem sehr langsamen, aber sehr sicheren, vorbestimmten Satz von Aktionen folgen. Der Trajektorienplaner dagegen kann für diese Übergänge situationsgerecht die optimale Abfolge der Flugbewegungen finden. Forscher entdeckten die Verfügbarkeit dieser agileren Manöver, als sie die einzigartige Wechselwirkung zwischen dem Nachlauf der Rotoren des Fahrzeugs und der Aerodynamik seiner Flügel modellierten.

Wenn das Fahrzeug schwebt, sind die Flügel nach oben gerichtet und die Rotoren drehen sich ständig darüber; Um es vorwärts zu bewegen, würde man den Flügel effektiv flach gegen die Luft ziehen. Da die Luft auf den Flügel geblasen wird, sieht er in Wirklichkeit nicht viel Luftwiderstand. Als Ergebnis dieses zusätzlichen Abwinds von den Rotoren können VTOL-Tailsitter einen aggressiveren Übergang zwischen Schwebe- und Vorwärtsflug bewältigen, als man angenommen hätte.

Durch Simulation fanden die Forscher heraus, dass die Einbeziehung von Rotor-on-Wind-Wake-Interferenzen in den Trajektorienplaner es der Drohne ermöglichte, im Vergleich zum herkömmlichen Ansatz in halb so viel Zeit in den Schwebezustand überzugehen und zu landen. Das Team glaubt, dass der Flugbahnplaner es der Drohne schließlich ermöglichen könnte, intelligent zwischen Schweben und Vorwärtsflug zu wechseln, wenn sie durch dichte oder städtische Gebiete navigiert.

Die Einbeziehung von ausgefeilteren Flugmodellen in den Flugbahnplaner wird der Drohne ein besseres Verständnis der komplexen aerodynamischen Umgebung während ihrer Bewegung vermitteln; Wenn beispielsweise ein Gebäude im Weg wäre, wäre es sinnvoller, über das Gebäude hinweg oder um das Gebäude herum zu fliegen?

Sobald der Trajektorienplaner weiteren Simulationsversuchen unterzogen wird, planen die Forscher, die Software mit Hardwaremodellen zu verbinden, um ein hohes Maß an Robustheit sicherzustellen, bevor sie mit den Flugtests beginnen. Ein schnellerer, effizienterer Übergang zwischen Schwebe- und Vorwärtsflug wird der Armee schließlich helfen, neue Fahrzeuge für Geheimdienst-, Überwachungs- und Aufklärungsmissionen sowie Versorgungsoperationen aus der Luft zu entwickeln.