由美国海军资助的研究人员致力于在波涛汹涌的海面上实现飞机着陆自动化

 

将直升机降落在舰船的飞行甲板上是海军飞行员要求进行的最具挑战性和最复杂的演习之一。与跑道不同，任何船只的着陆区域都很小，并且是一个随着大海摇摆的不断移动的目标。已经提出了自动化船舶着陆的解决方案。尽管如此，没有人能有效地应对直升机飞行员在大自然带来阵风时面临的额外挑战，尤其是在船舶、低能见度和其他具有挑战性的环境中。

美国海军正在寻求一种能够适应这些困难条件的解决方案，并正在转向德克萨斯A&M大学的研究人员开发下一代全自动垂直起降（VTOL）飞机。通过将最佳飞机设计与强大的机器学习算法相结合，研究人员提出了一种在波涛汹涌的海面上自动降落飞机的新方法。

“当直升机飞行员试图降落在船甲板上时，他们实际上并没有看到移动的甲板，”德克萨斯A&M航空航天工程系副教授，该项目的首席研究员（PI）Moble Benedict博士说。“如果他们看移动的甲板，它会让飞行员迷失方向，所以他们被训练去看船上一种叫做地平线条的专用设备，这是一个绿色的、发光的、陀螺稳定的条带，为飞行员提供了一个人造地平线。

最近的研究重点是通过使用摄像头，GPS和激光雷达来跟踪移动的船舶并调整飞机以匹配其运动来跟踪船舶的甲板而不是地平线。相反，Benedict和电气与计算机工程系助理教授Dileep Kalathil博士以及该项目的联合PI，正在通过模仿飞行员的行为来自动化着陆过程，同时跟踪地平线。

“强化学习是一类机器学习，用于开发自治系统的控制算法，”Kalathil说。“我们正在开发一种强化学习控制算法，非常精确，即使车辆正在改变路线或存在大风，它仍然可以跟踪地平线杆。

合并学科

Benedict和Kalathil已经证明在使用强化学习在各种条件下跟踪和安全降落无人机系统（UAS）的成功，包括适度的水平风，雾能见度以及航向和速度的变化。现在，他们正在合并各自的航空航天工程和电气与计算机工程学科，以建立这些进步。

“我的重点是设计新一代无人机系统，以实现强大的舰载操作和高效率，同时了解其飞行动力学，”本尼迪克特说。“Kalathil博士的重点是使用强化学习，使这种自主过程在高度不确定的环境中更加稳健。

最终，海军对三个要素感兴趣：独立于跑道的飞机，这意味着它可以垂直起飞和降落;巡航效率，使飞机可以一次长时间飞行;最后，能够安全成功地降落在移动的船甲板上。

本尼迪克特正在运用他在旋翼机方面的专业知识来设计耐阵风和高效的垂直起降飞机概念，其中可能包括从垂直飞行过渡到固定翼巡航时的可折叠机翼。通过模拟、风洞测试和飞行测试，他将分析这些概念的性能和动力学，以建立一个子尺度模型，以补充Kalathil开发的控制系统。

利用他在强化学习方面的专业知识，Kalathil正在开发一种算法，该算法足够强大，可以处理恶劣的条件，并经过优化，可以使用实时数据快速适应，反应类似于飞行员。

“自主船舶着陆的主要挑战之一是波涛汹涌的大海的不可预测性，”卡拉蒂尔说。“但是，如果我们在UAS组件中有一个风传感器来测量风的速度和方向，那么我们就可以使用这些信息来抵消这种特定条件。

这种适应性解决了其他开发项目面临的模拟与现实的差距。Kalathil还在考虑使用协作控制台来控制多个UAS。

海军正在资助这个为期三年的项目，以开发一种强大的解决方案，用于自动垂直起降飞机舰艇着陆。Benedict和Kalathil期待继续在德克萨斯A&M进行跨学科合作，以致力于这一解决方案。