规划算法使tailsitter飞机能够高效飞行

麻省理工学院的研究人员开发了用于固定翼“尾座”飞机轨迹规划和控制的新算法，该算法比传统的四旋翼无人机更快、更高效

tailsitter是一种固定翼飞机，它垂直起飞和降落(它的尾巴放在着陆台上)，然后水平倾斜向前飞行。这些多功能飞机比四轴飞行器更快、更高效，既能像飞机一样在大范围内飞行，又能像直升机一样盘旋，非常适合执行搜救或包裹递送等任务。

麻省理工学院的研究人员开发了一种新的算法，利用这种飞机的机动性和多功能性，来规划和控制飞机的轨迹。他们的算法可以执行具有挑战性的操作，比如横向或颠倒飞行，并且计算效率很高，可以实时规划复杂的轨迹。

通常，其他方法要么在其轨迹规划算法中简化系统动力学，要么使用两种不同的模型，一种用于直升机模式，一种用于飞机模式。这两种方法都不能像麻省理工学院团队展示的那样，计划和执行具有侵略性的轨迹。

“我们想真正利用这个系统的所有功能。这些飞机虽然很小，但却非常强大，能够进行令人兴奋的杂技动作。通过我们的方法，使用一个模型，我们可以覆盖整个飞行包膜——飞行器可以飞行的所有条件，”信息和决策系统实验室(LIDS)的研究科学家 Ezra Tal说。

Tal和他的合作者使用他们的轨迹生成和控制算法来演示执行复杂动作的滑翔器，如盘旋、翻滚和爬升转弯，他们甚至展示了一场无人机比赛，在比赛中，三名滑翔器快速通过空中大门，并执行了几个同步的杂技动作。

这些算法有可能使自动驾驶汽车在动态环境中自主执行复杂动作，比如飞进倒塌的建筑物，在快速搜索幸存者时避开障碍物。

尼古拉·特斯拉(Nikolai Tesla)在1928年发明了一辆tailsitter的设计，但直到他申请专利近20年后，才有人试图真正制造。即使在今天，由于飞机运动的复杂性，研究和商业应用也倾向于把重点放在更容易控制的飞机上，比如四轴无人机。

现有的轨迹生成和控制算法主要关注平稳的轨迹和缓慢的过渡，而不是这些飞机能够做出的快速和杂技般的动作。

在如此具有挑战性的飞行条件下，Tal和他的合作者知道他们需要设计专门针对快速变化加速度的敏捷轨迹的轨迹规划和控制算法，以使这些独特的飞机达到最 佳性能。

为了做到这一点，他们使用了一个全局动力学模型，这意味着它适用于所有的飞行条件，从垂直起飞到向前飞行，甚至是横向飞行。接下来，他们利用一种被称为差分平坦度的技术特性来确保模型能够有效地执行。

在轨迹生成中，关键的一步是确保飞机能够按照计划轨迹飞行——也许它有一个最小的转弯半径，使得一个特别急转弯不可行。由于飞机是一个复杂的系统，有襟翼和旋翼，并表现出如此复杂的空中运动，通常需要大量的计算来确定一个轨迹是否可行，这阻碍了传统的规划算法。

通过使用微分平坦度，麻省理工学院的研究人员可以使用数学函数来快速检查轨迹是否可行。他们的方法避免了许多复杂的系统动力学，并为“tailsitter”规划了一条轨迹，就像一条穿越空间的数学曲线。然后，该算法使用微分平坦度快速检查该轨迹的可行性。

这些轨迹可能非常复杂，在垂直和水平飞行之间快速转换，同时结合侧面和倒立机动，因为研究人员设计了他们的算法，它统一考虑了所有这些不同的飞行条件。

“许多研究团队专注于四轴飞行器，这是几乎所有消费级无人机的常见配置。另一方面，坐在后排的人在向前飞行时效率要高得多。我认为它们没有被广泛使用是因为它们更难驾驶，”Karaman说，“但是，我们开发的这种自动驾驶技术突然使它们可以在许多应用中使用，从消费技术到大规模工业检查。”

他们通过在麻省理工学院的室内飞行空间中规划和执行一些具有挑战性的轨迹来测试他们的方法。在一项测试中，他们演示了一名飞行员执行爬升转弯，飞机向左转向，然后迅速加速，然后向右倾斜。

他们还展示了一场“飞行表演”，在表演中，三名同步的飞行员表演了盘旋、急转弯，并无缝地飞过了空中的大门。Tal说，如果他们的模型没有使用差分平坦度，这些操作就不可能实时规划。

微分平面度被发展并应用于基本机械系统的光滑轨迹，如电动摆。现在，30多年过去了，我们把它应用到固定翼飞机上。将来我们可能会把它应用到许多其他的应用中，”Ryou补充道。

麻省理工学院研究人员的下一步是扩展他们的算法，使其能够有效地用于完全自主的户外飞行，在这种情况下，风和其他环境条件会极大地影响固定翼飞机的动力学。