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Vuelos de fantasía
Un helicóptero de un metro y medio de largo se encuentra en una mesa en el sótano del Edificio 33. En lugar de una elegante carcasa de fibra de vidrio, su cuerpo es un armazón de metal toscamente soldado con el acabado de un conjunto Erector. Es utilitario, no ornamental, pero lo que le falta de estilo, lo compensa en sustancia. Este minicóptero puede hacer cosas que los helicópteros más grandes no pueden hacer. Y lo que es más importante, puede hacerlo en piloto automático. Es esencialmente un robot volador. Aparte del despegue y aterrizaje, todos sus movimientos están controlados por ecuaciones matemáticas.
El otoño pasado, la máquina, apodada Mr. Chopper, abrió nuevos caminos cuando se convirtió en el primer helicóptero en realizar una maniobra en S dividida (medio giro seguido de medio bucle) sin intervención humana. La maniobra coronó una serie de logros de un equipo de investigación de los Departamentos de Aeronáutica y Astronáutica e Ingeniería Eléctrica e Informática. Dirigido por el profesor asociado de aeronáutica y astronáutica Eric Feron, el equipo se centra en mejorar la agilidad de la aeronave para que las máquinas voladoras puedan hacer vueltas y vueltas en espacios reducidos. Los miembros dicen que en los próximos 10 años, vehículos ágiles y no tripulados como el Sr. Chopper podrían usarse para reconocimiento militar y filmación de películas.
Creo que es probablemente el proyecto de vuelo más loco en todo el país en el entorno universitario, dice Feron, quien comenzó a trabajar con minicópteros en 1998 después de ver al piloto de un helicóptero de control remoto dirigir un helicóptero a través de varias acrobacias. Anteriormente, Feron había estudiado sistemas de control automático y la idea de automatizar el vuelo en helicóptero lo intrigaba. Reclutó a dos estudiantes graduados, Alex Shterenberg, MNG '00, y el candidato a doctorado en aeronáutica y astronáutica Vlad Gavrilets, SM '98, para construir la caja de aviónica que ahora dirige los movimientos del Sr. Chopper.
La caja de aviónica de cuatro kilogramos y medio actúa como los ojos del controlador en el cielo midiendo y transmitiendo continuamente datos de vuelo al suelo. Colocada debajo del cuerpo de tres kilogramos del helicóptero, la caja contiene tres sensores, un receptor del Sistema de Posicionamiento Global, un altímetro y una computadora de control de vuelo. Se comunica a través de Ethernet con una computadora de tierra, que también construyeron los estudiantes de posgrado.
Lo que Vlad y sus compañeros de trabajo han hecho es, literalmente, construir un sistema informático completo, sentado debajo del helicóptero, a partir de componentes básicos, dice Feron. Tiene que funcionar en un entorno que se sacude mucho y no solo computa cosas, sino que también envía órdenes a dispositivos físicos.
Para recopilar los datos que dirigen el helicóptero durante el vuelo automatizado, Shterenberg y Gavrilets equiparon la nave con una caja de adquisición de datos personalizada. El piloto de helicóptero a control remoto Raja Bortcosh dirigió el helicóptero a través de innumerables maniobras, y la caja registró sus comandos y las salidas de los sensores del helicóptero. Usando esos datos, dice Gavrilets, pudimos reconstruir la forma en que el piloto dirige al helicóptero para realizar las maniobras. Y luego pudimos construir el primer modelo dinámico -modelo matemático- del helicóptero en vuelo acrobático, lo que nunca se había hecho antes. Una vez que reconstruyeron los comandos de vuelo como ecuaciones matemáticas, los investigadores, junto con el asociado postdoctoral Bernard Mettler, el estudiante graduado en aeronáutica y astronáutica Ioannis Martinos, y la estudiante graduada en ingeniería eléctrica e informática Kara Sprague '01, MEng '02, programaron la información en La computadora del Sr. Chopper, lo que permite que la máquina duplique las maniobras por sí sola.
Mettler, cuya investigación doctoral en la Universidad Carnegie Mellon se centró en técnicas de modelado y control de helicópteros en miniatura, señala que se necesitan años para dominar el control de un helicóptero, por lo que no es fácil duplicar estas habilidades con una computadora. El grupo de helicópteros autónomos del MIT, al ejecutar con éxito maniobras acrobáticas, logró un nuevo estado de la técnica en el rendimiento de vuelo bajo control informático, dice.
Para probar sus modelos matemáticos, los investigadores construyeron un simulador de vuelo con una caja e interfaz de aviónica duplicadas. A través del simulador, pueden ver una imagen en 3-D de un helicóptero moverse hacia donde lo dirijan sus modelos. El equipo intenta eliminar todas las inexactitudes matemáticas en el simulador antes de probar los comandos con el helicóptero.
En el campo, con el algoritmo matemático seleccionado programado en el helicóptero, el piloto controla el helicóptero mientras despega del suelo. Dirigiéndolo a flotar en una ubicación y altitud específicas, el piloto acciona un interruptor que pone el helicóptero en piloto automático. El helicóptero sigue las instrucciones del algoritmo y realiza la maniobra dentro de los parámetros prescritos de altitud, velocidad y distancia, y mientras tanto, los investigadores monitorean sus datos de vuelo en la computadora de tierra. Después de completar la maniobra, el helicóptero regresa a su posición de vuelo estacionario, y el piloto toma el control manual y aterriza el helicóptero.
Gracias al simulador y a la capacidad de los investigadores para probar los modelos matemáticos antes de volar, el helicóptero se ha estrellado solo dos veces en sus cuatro años de historia, a pesar de que, como dice Feron, las ventanas para cometer errores y recuperarse de son extremadamente estrechos. Ambos accidentes se atribuyeron a fallas de hardware, no a errores numéricos.
Pero el otoño pasado, los miembros del equipo observaron una prueba inesperada de los procedimientos de recuperación de emergencia, las instrucciones programadas que dirigen al helicóptero a responder a datos de sensores ocasionalmente erróneos. Estaban probando un algoritmo, que hasta entonces solo se había probado en el simulador. El modelo consistía en dirigir el helicóptero para que realizara dos maniobras automáticas seguidas, un giro de alerones (una maniobra similar a un sacacorchos) seguido de un split-S. Pero cuando llegó el momento de ejecutar realmente las maniobras, surgió un problema: cuando el helicóptero salía del rollo, recibió datos erróneos sobre su posición y respondió en picada en espiral. En lugar de intentar tomar el control y rescatar el helicóptero, el equipo esperó para ver si los sensores de la nave recibirían datos correctos sobre los cuales podría actuar. Para su deleite, eso es exactamente lo que sucedió. Sin ayuda, el helicóptero se recuperó de la inmersión y regresó a su posición inicial.
Uno de los momentos de vuelo más dramáticos se produjo cuando el helicóptero realizó por primera vez un split-S. Los investigadores habían predicho que caería 36,5 metros en 2,5 segundos cuando saliera del split-S, y así fue. Pero la caída, similar a una caída libre inducida por un error, fue más estresante de lo previsto. En un simulador, no se ve tan dramático como cuando realmente lo ves, dice Gavrilets. ¡Fue realmente salvaje!
Con su capacidad para realizar giros cerrados, vueltas y vueltas, el helicóptero en miniatura es perfectamente adecuado para sortear paisajes urbanos y naturales, dice Mettler. Ya se ha utilizado para ayudar a filmar una película en la ciudad de Nueva York, aunque para eso, Chopper operó bajo control humano. Una cámara conectada a su base grabó palomas en vuelo para un documental ganador del Emmy 2000 de National Geographic . El sistema de aislamiento de vibraciones incorporado en el helicóptero, que amortigua la computadora de aviónica durante el vuelo, permitió una filmación uniforme. La capacidad de disparo constante de la nave y su maniobrabilidad están atrayendo el interés de la industria del entretenimiento porque la máquina podría usarse para filmar acrobacias a bajo costo.
Pero Feron y su equipo discuten con mayor frecuencia aplicaciones militares. Después de todo, la NASA, la Oficina de Investigación Naval y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa financian el proyecto. El otoño pasado, el equipo desarrolló un programa de exhibición aérea diseñado para demostrar que el helicóptero puede llevar a cabo de forma autónoma una misión planificada, una capacidad necesaria para usos militares como el reconocimiento.
Se están realizando trabajos relacionados (en helicópteros más grandes) en otras universidades, incluidas Carnegie Mellon y el Instituto de Tecnología de Georgia, pero los investigadores reconocen los avances del MIT. El profesor asistente de Georgia Tech, Eric Johnson, SM '95, dice: En mi opinión, el impacto de los resultados recientes de Eric Feron y su equipo ha sido demostrar sin ambigüedades que los vehículos aéreos no tripulados son capaces de operar más como aviones tripulados.