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El Quadrotor Biplane de Common Research Configuration Research realiza una transición autónoma entre el vuelo estacionario y el vuelo hacia adelante para aprovechar las ventajas de ambos modos de vuelo. Crédito: Ejército de EE. UU.
Los investigadores desarrollan algoritmos para permitir que los drones cambien rápidamente entre vuelo estacionario y vuelo hacia adelante.
Cuando una aeronave vira demasiado hacia arriba, la disminución de la sustentación y el aumento de la resistencia pueden hacer que el vehículo se desplome repentinamente. Este fenómeno, conocido como estancamiento, ha llevado a muchos fabricantes de drones a pecar de extrema precaución cuando planifican los movimientos de vuelo autónomos de sus vehículos.
Para los drones verticales de despegue y aterrizaje, la mayoría de los fabricantes programan la aeronave para que la carrocería del vehículo gire muy lentamente cada vez que pasa de vuelo estacionario a vuelo hacia adelante y viceversa.
El Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., Ahora denominado DEVCOM, colaboró con investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer para crear un planificador de trayectoria que acorta significativamente el tiempo que tardan los drones VTOL en realizar esta transición crucial.
Crédito: Ejército de EE. UU.
El equipo diseñó el planificador de trayectoria específicamente para la plataforma de configuración de investigación común del Ejército, un piloto de cola biplano cuadrotor que se utiliza para probar nuevas características de diseño y estudiar la aerodinámica fundamental.
«El objetivo de este trabajo era utilizar un planificador de trayectorias basado en modelos que pudiera capturar las características dinámicas del quadrotor lo suficiente mientras se ejecuta lo suficientemente rápido para proporcionar trayectorias en vuelo», dijo el Dr. Jean-Paul Reddinger, ingeniero aeroespacial del ejército en el vehículo del laboratorio Dirección de Tecnología. «Básicamente, estamos construyendo un modelo cinestésico de la propia dinámica de la aeronave al que puede hacer referencia».
Según Reddinger, los observadores de la cola de VTOL generalmente confían en un enfoque basado en la heurística cada vez que hacen la transición entre el vuelo estacionario y el vuelo hacia adelante, donde siguen un conjunto de acciones predeterminadas muy lentas pero muy seguras. Por el contrario, el planificador de trayectorias puede encontrar la secuencia óptima de movimientos de vuelo para estas transiciones que se adapten a cada situación.
Los investigadores descubrieron la disponibilidad de estas maniobras más ágiles cuando modelaron la interacción única entre la estela de los rotores del vehículo y la aerodinámica de sus alas.
“Si este vehículo está suspendido, las alas apuntan hacia arriba y los rotores giran sobre él constantemente; si quisieras empezar a moverla hacia adelante, estarías arrastrando esta ala efectivamente plana contra el aire ”, dijo Reddinger. «Uno pensaría que esto causa mucha resistencia, pero en realidad, debido a que el aire sopla hacia el ala, en realidad no se ve mucha resistencia».
Como resultado de esta descarga adicional de los rotores, los asistentes de cola de VTOL pueden manejar una transición más agresiva entre el vuelo estacionario y el vuelo hacia adelante de lo que se hubiera supuesto, dijo Reddinger.
A través de la simulación, los investigadores encontraron que la incorporación del rotor en la interferencia de la estela del viento en el planificador de trayectorias permitió que el CRC pasara a flotar y aterrizar en la mitad de tiempo en comparación con el enfoque convencional.
El equipo cree que el planificador de trayectorias puede eventualmente permitir que el CRC cambie de manera inteligente entre vuelo estacionario y hacia adelante mientras navega a través de áreas urbanas o densas.
“En este momento, está en un estado en el que le da el estado inicial que desea, tal vez tenga una altitud o velocidad específica en la que está comenzando, y trazará una ruta que lo llevará desde ese estado inicial hasta el deseado estado final de la manera más eficiente posible ”, dijo Reddinger. «La dirección en la que estamos tratando de tomar esto es incorporar obstáculos y tipos adicionales de restricciones en su maniobrabilidad».
Reddinger comparó el comportamiento autónomo del CRC con el de los humanos y cómo el conocimiento de nuestras propias capacidades nos permite movernos de manera eficiente de un lugar a otro.
Del mismo modo, la incorporación de modelos de vuelo más sofisticados en el planificador de trayectorias proporcionará al CRC una mejor comprensión del complejo entorno aerodinámico a medida que se mueve.
Crédito: Ejército de EE. UU.
«Por ejemplo, si hubiera un edificio en el camino, ¿tiene más sentido volar sobre el edificio o alrededor del edificio?» Preguntó Reddinger. “¿Quieres hacer la transición para aumentar la velocidad y luego regresar o simplemente te quedas en modo flotante? Hay un abanico de posibilidades y la idea es elegir siempre la mejor «.
Una vez que el planificador de trayectorias se somete a más pruebas de simulación, los investigadores planean conectar el software a los modelos de hardware para garantizar un alto nivel de robustez antes de comenzar las pruebas de vuelo.
Reddinger cree que una transición más rápida y eficiente entre el vuelo estacionario y el vuelo hacia adelante eventualmente ayudará al Ejército a desarrollar nuevos vehículos para misiones de inteligencia, vigilancia y reconocimiento, así como operaciones de reabastecimiento aéreo.
«Para capitalizar las capacidades de vuelo de la aparición de configuraciones novedosas, necesitamos pilotos autónomos que sean capaces de aprovechar al máximo la agilidad y el rendimiento que estos aviones están diseñados para permitir», dijo Reddinger. «Este método de planificación de trayectorias basado en modelos es un paso en la dirección de integrar la autonomía de alto nivel con la dinámica específica de la plataforma».
Los investigadores publicaron su artículo en las Actas del 76º Foro Anual de la Vertical Flight Society.
Referencia: “Generación de trayectoria óptima para un tailsitter biplano cuadrrotor” por Kristoff McIntosh, Sandipan Mishra, Di Zhao, Instituto Politécnico Rensselaer; Jean-Paul Reddinger y el Laboratorio de Investigación del Ejército CCDC, Actas del 76o Foro Anual de Vertical Flight Society.
Financiamiento: Oficina de Investigación Naval (ONR), Programa del Centro de Investigación de Elevación Vertical del Ejército / Marina / NASA (VLRCOE).