机智号火星直升机实际飞行的控制和气动力学分析

机智号火星直升机实际飞行的控制和空气动力学性能根据美国JPL喷气动力试验室公布信息整理
在“机智号”火星直升机飞行的时候，直升机是靠自己控制的，并依赖于在地球上开发的一套飞行控制算法，这些算法甚至早于“机智号”发射到火星之前。

为了开发这些算法，JPL进行了详细的建模和计算机模拟，以了解直升机在火星环境中的行为。

JPL为此还建造了一个25米高，直径7.5米的真空室以进行测试，在里面复制了火星的大气层。

但在所有这些工作中，事先只能大致了解环境的某些方面。

现在“机智”号已经在火星上飞行了，下面是飞行控制系统在火星上的一些关键性能数据。

1、起飞阶段
与许多普通民用无人机不同，“机智号”无人机不是通过改变旋翼速度来控制的，而是通过改变桨叶的倾斜角度，从而影响机翼的“攻角”，决定以多大的“咬”桨叶带走空气。

咬入越大，产生的升力(和阻力)就越大。

像传统直升机，可以以两种方式：一是通过使用“集体控制”，即在整个叶片旋转过程中均匀地改变叶片的俯仰；二是通过“循环控制”，即在机器的一侧上下倾斜叶片。

机智号起飞时，转子已经以每分钟2537转的设定速度旋转。

起飞时，两个转子的“集体控制”突然增加以促使机器“助推”离开地面。

在最初的起飞阶段，限制控制系统只响应角速率，这样做的原因是不想让控制系统与地面作战，这可能会导致未预料的情况发生。

最初的起飞阶段只持续一秒钟，一旦直升机仅仅爬升了5厘米，系统就对直升机的位置、速度和姿态进行完全控制。

此刻，直升机以垂直速度是1米/秒的速度加速爬升。

为评估飞行中的运动，使用了一套传感器，包括一个激光测距仪(用于测量高度)和一个相机。

直到达到1米的高度后才使用这些传感，因为担心它们可能会被地面附近的灰尘掩盖。

最初只依赖一个测量加速度和角速度的惯性测量单元(IMU)，然后将这些测量数据整合起来，以估计直升机的运动。

这是一种“航位推测”法导航——相当于通过计算步数来衡量你走了多远，时间久了它不是很准确，但由于机智号只需要几秒钟就能达到1米，就可以正常使用它。

能源问题
大家很好奇的一件事是，如何“自信地”脱离地面达到第一个5厘米的门槛。

前三次飞行的数据显示，爬升部分的时间约为0.25秒，这与预期非常一致，这表明机智号飞机在起飞时的推力没有问题。

在这个最初的推进过程中，大家希望看到一个转子系统所需的尖峰功率，第二次飞行的峰值约为310瓦(W)——远低于电池的最大容量，它可以承受高达510瓦的峰值。

起飞后，“机智号”用了大约2秒钟到达1米的高度，开始使用全套传感器。

话虽这么说，虽然确实看到起飞时在附近的毅力号所拍下的一些模糊的尘埃照片，没有迹象显示飞行灰尘或沙子掩盖了高度计或照相机，所以设计似乎有些谨慎(这是好事)。

以下是飞行过程的动力曲线
风的影响
当直升机的腿离开地面的那一刻，它的运动开始受到风的影响。

这些风会导致飞机在起飞时瞬间翻滚(左右)或倾斜(向前或向后)，直到它有时间抓住并修正自己。

如果地面上的风很大，还事先设计准备好了一些重要的滚转/俯仰角度。

但到目前为止，机智号的三次起飞都被限制在了几度以内，这使得可以很好地垂直起飞。

2悬停阶段
在悬停飞行阶段，直升机试图保持恒定的高度、航向和位置。

数据显示，在悬停时保持高度非常好，保持在大约1厘米内，也保持航向在1.5度以内。

对于水平位置，看到了大约25厘米的变化。

这种变化是由阵风引起的。

那么，在飞行的过程中风是什么样的呢？幸运的是，“毅力”号月球车携带着MEDA气象站。

在第一次飞行中，从MEDA得到的测量数据显示，在飞行的大部分时间里，从东方和东南方向吹来的风速为4-6米/秒，阵风达到每秒8米。

请记住，这些测量值是在离地面1.5米高的地方进行的，当你从地面上升时，风的趋势是增加的。

还测量了第一次飞行时的大气密度，显示每立方米0.0165公斤，或者说是海平面上地球密度的1.3%。

利用这些信息，可以进一步评估系统在另一个重要方面，即飞行所需的控制努力。

对于集体控制(记住，这是一个均匀地改变旋翼桨叶俯仰角度来影响直升机推力的控制)，我们希望看到悬停值大致与之前的预期一致。

在飞行期间，在下面的旋翼上有9.2度的集合度在上面有8.2度的集合度(这是叶片的“弦线”的角度——从旋翼叶片的前缘到后缘绘制的假想线——在旋翼半径的三分之二)，这些值是0.7-0.8度低于预期的配平值(9.0度上转子和9.9度下转子)。

综上所述，研究结果表明，对“气动失速”有良好的裕度。

还评估了循环控制，用于在飞行器上创建滚转和俯仰力矩。

已经看到相对稳定的值在盘旋，一般量级小于3度，这留下了充裕的余地，以超过10度的上限。

循环控制输入告诉我们相当多的关于飞行器必须对抗的风的信息。

例如，对于第一次任务来说，循环控制与来自东方和东南的风一致，这与MEDA观测结果一致。

循环控制作用也随着高度的增加而增加，这表明风离地面越远越高。

3、着陆阶段
着陆是任何飞行中特别具有挑战性的部分。

机智号的着陆方式是直接飞向地面并探测着陆何时发生，其实是一系列的事件快速连续发生导致着陆。

首先，建立了每秒1米的稳定下降速率。

然后，一旦飞行器估计腿距离地面不到1米，算法就停止使用导航摄像机和高度计进行估计，与起飞时一样，依靠IMU进行估计。

这可以避免尘埃遮挡，但它还有另一个用途：只依靠IMU，我们希望能够非常平稳、持续地估算垂直速度，这对于避免过早发现着陆非常重要。

切换到单独用IMU后大约半秒，这时候腿估计在距离地面0.5米以内，触地探测开始启用。

机智号现在认为，一旦下降速度下降25厘米/秒或更多，着陆就发生了。

一旦触地，下降速度就会迅速下降。

此时，飞行控制系统停止试图控制直升机的运动，并命令集合控制到尽可能低的叶片俯仰，以产生接近于零的推力。

然后，该系统等待3秒，以确保直升机已经降落在地面上，然后将旋翼旋转下来。

人们问过为什么会以每秒1米的相对高速接触地面。

这有多种原因。

首先，它减少了在不使用相机和高度计的情况下需要花费的航位推算时间；其次，它减少了花在“地面效应”上的时间，而在“地面效应”中，机器的动力学特征不太明显；第三，它使我们更容易检测到我们已经着陆(因为速度的变化显然足以检测到)。

使这一策略成为可能得益于起落架的设计，它避免了机器在着陆时的反弹。

任何着陆检测算法都需要在两个潜在的缺陷中寻找平衡：1）过早探测到着陆(从而从空中下降到地面)，(2)探测不着着陆(这将使直升机与地面接触后保持飞行)。

机智号在火星上的飞行数据表明，没有面临上述两种情况的危险。

在下降过程中，机智号保持了大约4厘米/秒的垂直速度，并在大约30毫秒的时间内检测到必要的25厘米/秒的下降。

随着继续在火星上飞行，并继续深入挖掘数据，以理解可能存在的各种微妙之处，这将有助于未来的空中探索者的设计。

已经可以说：机智号已经达到或超过了对飞行性能的预期。