Fortgeschrittene Algorithmen steigern Quadrotor-Drohnenleistung

Wenn ein Flugzeug zu stark nach oben abkippt, kann der Auftriebsverlust und der Anstieg des Widerstands dazu führen, dass das Fahrzeug plötzlich abstürzt. Dieses Phänomen, Strömungsabriss genannt, hat viele Drohnenhersteller veranlasst, bei der Planung autonomer Flugbewegungen extrem vorsichtig zu sein. Bei VTOL-Heckstarter-Drohnen (Vertical Takeoff and Landing) programmieren die meisten Hersteller das Flugzeug so, dass der Fahrzeugkörper sehr langsam dreht, wann immer er vom Schwebeflug in den Vorwärtsflug und umgekehrt übergeht.

Forscher haben einen Trajektorienplaner entwickelt, der die Zeit, die VTOL-Heckstarter-Drohnen für diesen entscheidenden Übergang benötigen, signifikant verkürzt. Der Trajektorienplaner wurde für einen Quadrotor-Doppeldecker-Heckstarter entworfen, der zum Testen neuer Designfeatures und zur Untersuchung grundlegender Aerodynamik verwendet wird.

VTOL-Heckstarter verlassen sich typischerweise auf einen heuristischen Ansatz, wann immer sie zwischen Schwebeflug und Vorwärtsflug übergehen, wo sie einer sehr langsamen, aber sehr sicheren vorbestimmten Aktionsfolge folgen. Im Gegensatz dazu kann der Trajektorienplaner die optimale Sequenz von Flugbewegungen für diese Übergänge finden, die auf jede Situation zugeschnitten ist. Forscher entdeckten die Verfügbarkeit dieser wendigeren Manöver, als sie die einzigartige Wechselwirkung zwischen dem Nachlauf der Fahrzeugrotoren und der Aerodynamik seiner Flügel modellierten.

Wenn das Fahrzeug schwebt, zeigen die Flügel nach oben und die Rotoren drehen sich ständig darüber; um vorwärts zu bewegen, würde man den Flügel effektiv flach gegen die Luft ziehen. In Wirklichkeit sieht der Flügel wegen der nach unten geblasenen Luft nicht viel Widerstand. Als Ergebnis dieses zusätzlichen Downwash von den Rotoren können VTOL-Heckstarter einen aggressiveren Übergang zwischen Schwebeflug und Vorwärtsflug bewältigen, als man annehmen würde.

Durch Simulation fanden die Forscher heraus, dass die Einbeziehung von Rotor-Wind-Nachlauf-Interferenz in den Trajektorienplaner es der Drohne ermöglichte, in halb so viel Zeit in den Schwebeflug überzugehen und zu landen wie beim konventionellen Ansatz. Das Team glaubt, dass der Trajektorienplaner die Drohne eventualmente in die Lage versetzen könnte, intelligent zwischen Schwebeflug und Vorwärtsflug zu wechseln, während sie durch dichte oder urbane Gebiete navigiert.

Die Einbeziehung anspruchsvollerer Flugmodelle in den Trajektorienplaner wird der Drohne ein besseres Verständnis der komplexen aerodynamischen Umgebung geben, während sie sich bewegt; beispielsweise, wenn ein Gebäude im Weg wäre, würde es mehr Sinn machen, über oder um das Gebäude zu fliegen?

Sobald der Trajektorienplaner weitere Simulationstests durchlaufen hat, planen die Forscher, die Software an Hardwaremodelle anzuschließen, um ein hohes Maß an Robustheit sicherzustellen, bevor sie Flugtests beginnen. Ein schnellerer, effizienterer Übergang zwischen Schwebeflug und Vorwärtsflug wird eventualmente der Army helfen, neue Fahrzeuge für Aufklärung, Überwachung und Reconnaissance-Missionen sowie Luftversorgungsoperationen zu entwickeln.