Dynamic System Emulation: Fixed Wing Dynamics on a Multicopter

في عالم الطيران، يوجد انقسام جوهري في كيفية حركة أنواع مختلفة من الطائرات. فالطائات ذات الأجنحة الثابتة، مثل تلك التي تنقل الركاب عبر المحيطات، تعتمد على السرعة الأمامية للبقاء محلقة؛ فهي لا تستطيع التحليق في مكانها، ويجب أن تحافظ على حد أديد من السرعة لتجنب الانهيار والسقوط. وتكون حركتها مقيدة بقوانين الديناميكا الهوائية، مما يجعلها فعالة للمسافات الطويلة ولكن يصعب التحكم بها في المساحات الضيقة أو لاستخدامها في اختبار أفكار جديدة دون مخاطرة. وفي المقابل، فإن المروحيات متعددة المراوح (multicopters)، وهي الدرونز المألوفة ذات الدوارات المتعددة، يمكنها الطيران في أي اتجاه، والتحليق في مكان ثابت تماماً، والإقلاع عمودياً. إنها تتميز برشاقة فائقة لكنها تفتقر إلى الخصائص النوعية للطيران التي تمتلكها الطائرة التقليدية. وغالباً ما يحتاج المهندسون إلى اختبار خوارزميات أو تدريب الطيارين على سلوك طائرة ذات أجنحة ثابتة، لكن استخدام طائرة حقيقية أمر مكلف وخطير. وعلى الرغم من وجود عمليات محاكاة افتراضية، إلا أنها غالباً ما تفشل في رصد الواقع الفوضوي للعالم الفيزيائي، مما يخلق فجوة بين النماذج الحاسوبية والطيران الفعلي.

ولجسّر هذه الفجوة، طور الباحثون طريقة جديدة لجعل الدرون يتصرف تماماً كطائرة، ليس فقط في الكمبيوتر، بل في الهواء الحقيقي أيضاً. وتتمثل الفكرة الجوهرية في استخدام مروحية متعددة المراوح عالية القدرة على المناورة ومزودة بكاميرا مثبتة على "جمبل" (gimbal) ذي محورين — وهو حامل ميكانيكي يسمح للكاميرا بالميل والدوران بشكل مستقل عن جسم الدرون نفسه. والهدف هو التحكم في الدرون بحيث ترى كاميرته العالم من نفس منظور الطائرة ذات الأجنحة الثابتة بالضبط، حتى وإن كان الدرون يطير بطريقة مختلفة تماماً. هذا النهج، المعروف باسم "المحاكاة من واقع لواقع" (physical-to-physical emulation)، يوفر منصة آمنة ومنخفضة التكلفة للتدريب والأبحاث تتجنب القيود الديناميكية الهوائية للطائرات الحقيقية مع توفير بيانات حسية من العالم الحقيقي.

وضع الباحثون، الذين يعملون في جامعة آروس (Aarhus University)، نصب أعينهم إثبات أن هذا التقليد ممكن نظرياً وبناء نظام تحكم يمكنه تحقيق ذلك. وقد واجهوا تحدياً كبيراً: الفيزياء التي تحكم الطائرة والدرون مختلفة جذرياً. فالطائرة تتحرك بفضل قوة الرفع الناتجة عن أجنحتها والدفع الناتج عن محركاتها، بينما يتحرك الدرون عن طريق دفع الهواء للأسفل باستخدام دواراته. ولا يمكن للطائرة ببساطة التوقف والتحليق في مكانها، بينما يستطيع الدرون فعل ذلك. ولجعل كاميرا الدرون تتبع مسار واتجاه الطائرة، كان على الباحثين حل مشكلة رياضية معقدة تتمثل في ربط حركات الدرون بحركات الطائرة. وقد توصلوا إلى أنه باستخدام تقنية تحكم محددة تسمى "خطيّة التغذية الراجعة الديناميكية" (dynamic feedback linearization)، يمكنهم تحويل السلوك غير الخطي المعقد للدرون إلى شكل خطي أبسط يمكن التحكم فيه بدقة. سمحت هذه الطريقة لهم بحساب مقدار الدفع الذي يحتاجه الدرون وكيف يجب أن يتحرك حامل الكاميرا لمطابقة وجهة نظر الطائرة ذات الأجنحة الثابتة بدقة متناهية.

لاختبار نظامهم، أجرى الفريق عمليات محاكاة مفصلة باستخدام نموذج لطائرة بهلوانية عالية الأداء، وهي "ريد بول إيدج 540" (Red Bull Edge 540)، المشهورة بقدرتها على القيام بمناورات قاسية. وقارنوا ذلك بنموذج لمروحية ثقيلة الحمولة، وهي "فري فلاي ألتا-إكس" (Freefly Alta-X)، والتي تمتلك القوة اللازمة لحمل المعدات الضرورية. وضعت عمليات المحاكاة النظام تحت اختبارين متميزين. أولاً، جعلت الدرون يحاكي رحلة مستوية بسيطة وثابتة. في هذا السيناريو، كان على الدرون إمالة جسمه للأمام لتوليد السرعة المطلوبة لمطابقة الطائرة، ولكن كان على حامل الكاميرا أن يدور في الاتجاه المعاكس للحفاظ على استواء الكاميرا وتوجيهها نحو المكان الذي ستوجه إليه كاميرا الطائرة تماماً. وأظهرت النتائج أن النظام استطاع تتبع موقع واتجاه الطائرة دون أي خطأ يُذكر، محافظاً على استقرار رؤية الكاميرا رغم حركة ميلان الدرون نفسها.

كان الاختبار الثاني أكثر تطلباً وصعوبة. فقد أمر الباحثون الطائرة الافتراضية بالقيام بـ "دوران رأسي" (vertical loop)، وهي مناورة تطير فيها الطائرة في دائرة ضخمة، حيث تصعد للأعلى، ثم فوق القمة، ثم تعود للأسفل. تخلق هذه المناورة تغيرات سريعة في السرعة، والاتجاه، وقوى الجاذبية. خلال هذه المناورة العنيفة، اضطر الدرون لإمالة جسمه بزوايا قصوى، تجاوزت 60 درجة عند قمة الدوران، ليتبع المسار المنحني. وبينما كان جسم الدرون يلتوي وينعطف بعنف، عمل حامل الكاميرا في اتجاه معاكس تماماً، مدوراً بسرعة لإلغاء حركات الدرون. وكانت النتيجة هي بقاء رؤية الكاميرا مثبتة على المسار والاتجاه الدقيق للطائرة ذات الأجنحة الث ثابتة، حتى بينما يكافح الدرون نفسه للحفاظ على متجه الدفع المطلوب. أكدت عمليات المحاكاة أن النظام قادر على التعامل مع هذه الديناميكيات عالية الإجهاد دون فقدان الاستقرار أو الدقة.

تُظهر النتائج أن المروحية متعددة المراوح المزودة بجمل (gimbal) ثنائي المحاور يمكنها بنجاح إعادة إنتاج ديناميكيات الطيران ووجهة نظر الكاميرا الخاصة بالطائرة ذات الأجنحة الثابتة. لقد أثبت الباحثون أن كاميرا الدرون قابلة للتحكم الكامل في جميع الاتجاهات، مما يسمح لها بمطابقة موقع واتجاه الطائرة بدقة. وباستخدام "خطيّة التغذية الراجعة الديناميكية"، نجحوا في إنشاء إطار عمل تحكم يدير العلاقة المعقدة بين جسم الدرون وحامل الكاميرا، مما يضمن أن ترى الكاميرا العالم تماماً كما سترى الطائرة. ورغم أن هذه النتائج تم تحقيقها في بيئة المحاكاة، إلا أن العمل يؤسس لمسار عملي لبناء نظام مادي لتدريب الطيارين، وأبحاث الاستقلال الذاتي، واختبار وحدات التحكم الجديدة. يقدم هذا النهج وسيلة للتحقق من صحة الخوارزميات في العالم الحقيقي دون التكاليف والمخاطر المرتبطة بتشغيل الطائرات الفعلية ذات الأجنحة الثابتة، مما قد يفتح آفاقاً جديدة للتحقق المتقاطع بين الأنظمة في مجالات الطيران والروبوتات.