可從垂直起降(VTOL)轉(zhuǎn)換為固定翼飛行的混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)在軍事和民用應(yīng)用中都越來(lái)越受歡迎。但是,由于這種飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)在飛行過(guò)程中會(huì)發(fā)生巨大變化,因此控制這種設(shè)計(jì)非常困難?,F(xiàn)在,科學(xué)家正在使用人工智能(AI)來(lái)幫助自動(dòng)設(shè)計(jì)任何此類混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的遙控器。
固定翼飛機(jī)可以比多旋翼飛機(jī)更高效,從而在類似功率的情況下具有更長(zhǎng)的航程,更大的續(xù)航能力和更高的速度。另一方面,多旋翼飛機(jī)不僅可以低速盤旋和飛行,而且還可以在沒(méi)有跑道或復(fù)雜的發(fā)射和恢復(fù)裝置的情況下起降。
能夠在固定翼和VTOL飛行之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的混合動(dòng)力飛機(jī)具有兩者的許多優(yōu)點(diǎn),這使得它們對(duì)于平民來(lái)說(shuō)具有潛在的用處,比如說(shuō)他們可以在不需要著陸帶的情況下將它們從農(nóng)場(chǎng)上飛下來(lái),就像在軍事上一樣,它們可以以相同的自由度從叢林,山脈,艦船甲板和城市戰(zhàn)場(chǎng)飛出。這些可轉(zhuǎn)換式飛機(jī)種類繁多,例如傾斜式機(jī)翼(裝有螺旋槳的機(jī)翼可在垂直和水平位置之間旋轉(zhuǎn))和尾座機(jī),其尾翼起降并著陸,可水平傾斜以向前飛行。
轉(zhuǎn)換演變
自1950年代以來(lái),美國(guó)軍方就開(kāi)始研究可轉(zhuǎn)換飛機(jī),但是有人駕駛的原型機(jī)經(jīng)常會(huì)遭受機(jī)械復(fù)雜性和其他問(wèn)題的困擾,例如傾斜機(jī)翼在從一種飛行形式轉(zhuǎn)換為另一種飛行形式時(shí)如何經(jīng)常失速,或者后座保鏢如何顯得笨拙讓飛行員在起飛和降落時(shí)坐在那里。鑒于無(wú)人飛行器通常比同等大小的載人飛行器具有更少的機(jī)械復(fù)雜性和有效載荷約束,無(wú)人駕駛飛行器(UAV)的出現(xiàn)重新引起了人們對(duì)混合動(dòng)力飛機(jī)的興趣。電動(dòng)機(jī)效率的現(xiàn)代提高和電子組件的日益小型化也使混合動(dòng)力汽車比以往任何時(shí)候都更可行。
然而,遠(yuǎn)程控制混合無(wú)人機(jī)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)??紤]到旋翼和機(jī)翼如何活躍,當(dāng)空氣動(dòng)力學(xué)特別復(fù)雜時(shí),科學(xué)家通常不僅要為直升機(jī)和飛機(jī)模式開(kāi)發(fā)控制器,還要為這些模式之間的轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)控制器。因此,設(shè)計(jì)混合無(wú)人機(jī)的控制器目前需要專家“手動(dòng)調(diào)整數(shù)百個(gè)參數(shù),”麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位的研究員許潔說(shuō)。
此外,鑒于各種類型的混合無(wú)人機(jī)之間通常存在巨大差異,研究人員通常無(wú)法將控制器從一種轉(zhuǎn)移到另一種,因此他們需要從頭開(kāi)始為每種新型混合無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)控制器。所有這些勞動(dòng)強(qiáng)度大,耗時(shí)的工作有助于迄今為止到目前為止僅探索了可能的混合無(wú)人機(jī)的一小部分。
人工智能解決方案
現(xiàn)在,Xu和他的同事們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)設(shè)計(jì)混合無(wú)人機(jī)的控制器的方法。他們的系統(tǒng)可以為混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的所有不同飛行模式設(shè)計(jì)單個(gè)控制器,并且可以應(yīng)用于任何類型的混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)。
研究人員采用了一種稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI系統(tǒng),其中被稱為“神經(jīng)元”的組件被饋送數(shù)據(jù)并協(xié)作解決諸如識(shí)別人臉的問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反復(fù)調(diào)整其神經(jīng)元之間的連接,并查看所產(chǎn)生的行為模式是否更能解決問(wèn)題。隨著時(shí)間的流逝,網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)哪種模式最適合計(jì)算解決方案。然后,它將這些作為默認(rèn)值,模仿人腦中的學(xué)習(xí)過(guò)程。
在新系統(tǒng)中,用戶首先通過(guò)從數(shù)據(jù)集中選擇組件來(lái)設(shè)計(jì)混合無(wú)人機(jī)的幾何形狀。然后,系統(tǒng)通過(guò)模擬器運(yùn)行該設(shè)計(jì),以計(jì)算該設(shè)計(jì)的飛行性能。該模擬器考慮了現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,例如隨機(jī)傳感器噪聲和控制信號(hào)延遲。然后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)開(kāi)始學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)的控制器如何在仿真中達(dá)到最佳性能。
研究人員使用激光切割和3D打印技術(shù)制造了三種不同類型的混合無(wú)人機(jī),從而驗(yàn)證了他們的系統(tǒng),并使用所得的控制器成功進(jìn)行了實(shí)際飛行測(cè)試。“這項(xiàng)工作的最大優(yōu)勢(shì)是加快了混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程,” Xu說(shuō)。“每個(gè)人都可以使用這種新型的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)。”
控制器無(wú)需區(qū)分直升機(jī)模式和飛行模式,也無(wú)需明確處理模式之間的轉(zhuǎn)換。例如,控制器將純粹根據(jù)其速度自動(dòng)調(diào)整尾槳混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的方向,將其設(shè)置為低速時(shí)為直升機(jī)模式,高速時(shí)為飛機(jī)模式。
徐告誡說(shuō),該系統(tǒng)目前僅支持簡(jiǎn)單飛行。研究人員計(jì)劃研究增加設(shè)計(jì)可操作性的方法,例如通過(guò)轉(zhuǎn)子或機(jī)翼的位置或形狀,以便系統(tǒng)“可以計(jì)算出更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)”。
研究人員已在軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)GitHub上公開(kāi)了其系統(tǒng)的代碼。“我們希望對(duì)這項(xiàng)技術(shù)感興趣的所有人都能共享這項(xiàng)技術(shù),”徐說(shuō)。
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