在飞行异常中幸存:独创性第六次飞行中发生了什么

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在飞行中照片

在美国宇航局“火星2020”计划的第91个火星日(sol),“独创性”火星直升机执行了它的第六次飞行。

该飞机的设计目的是扩大飞行包络线,并通过拍摄西部感兴趣地区的立体图像来展示空中成像能力。他们被要求爬到33英尺(10米)的高度,然后以9英里每小时(4米每秒)的地面速度移动到492英尺(150米)的西南方向。在这个时候,它需要向南移动49英尺(15米),同时向西拍摄图像,然后再向东北飞行164英尺(50米),然后着陆。

六号航班的遥测技术显示,飞行的第一个150米阶段顺利进行。但在这条腿的末端,发生了一些事情:独创性开始调整它的速度,并以摆动的方式前后倾斜。这种行为在余下的飞行中一直持续。在安全着陆之前,机载传感器显示旋翼飞机遇到了超过20度的滚转和俯仰偏差,大的控制输入和功率消耗峰值。

独创性如何评估运动

当飞机在空中飞行时,该公司使用机载惯性测量单元(IMU)跟踪其运动。IMU测量了ingenious公司的加速度和转速。通过整合这些信息,随着时间的推移,它有可能估计直升机的位置,速度,和姿态(它在哪里,它是如何快速移动,它是如何在空间定向)。机载控制系统通过快速调整控制输入(以每秒500次的速度)对估计的运动作出反应。

如果导航系统只依赖于IMU,从长远来看它将不会非常准确:错误将迅速积累,最终直升机将迷失方向。为了在一段时间内保持更好的准确性,基于imu的估计名义上是定期校正的,这就是独创性导航相机的用途。在空中飞行的大部分时间里,向下看的导航摄像头会以每秒30张照片的速度拍摄火星表面,并立即将它们输入直升机的导航系统。每当图像到达时,导航系统的算法执行一系列操作:首先,它检查与图像一起接收的时间戳,以确定图像是何时拍摄的。然后,该算法根据之前拍摄的图像(通常是由于颜色变化和岩石、沙波等突出物)识别出的表面特征,预测相机在那个特定时间点应该看到的东西。最后,该算法查看这些特征在图像中实际出现的位置。导航算法利用这些特征的预测位置和实际位置之间的差异来修正其对位置、速度和姿态的估计。

飞行六个异常

飞行大约54秒后,导航摄像机传送图像的管道出现了故障。这个小故障导致了一张图像丢失,但更重要的是,它导致后来所有的导航图像都带有不准确的时间戳。从这一点开始,每次导航算法基于导航图像进行校正时,都是基于关于图像拍摄时间的错误信息进行操作。由此产生的不一致性显著降低了直升机飞行所用的信息,导致估计不断被“修正”,以解释幻影误差。大型振动随之而来。

幸存的异常

尽管遇到了这种异常情况,独创性仍然能够在距离着陆地点约16英尺(5米)的地面上安全着陆。一个原因是,它能够这样做是相当大的努力,以确保直升机的飞行控制系统有足够的“稳定裕量”:我们设计的独创性,以容忍重大错误而不变得不稳定,包括错误的时机。这个内置的余量在独创性之前的飞行中并不完全需要,因为与我们的预期一样,飞行器的行为是家庭行为,但这个余量在第六次飞行中起到了拯救作用。

另一项设计决策也在帮助独创性公司安全着陆方面发挥了作用。正如我之前写的,我们停止使用导航摄像机图像在下降到着陆的最后阶段,以确保平稳和连续的估计直升机运动在这个关键阶段。这个设计决定在第六次飞行中也得到了回报:独创性在飞行的最后时刻忽视了摄像机的图像,停止了摆动,调整了姿态,并以设计的速度着陆。

从更大的角度来看,6号航班在独创性安全着陆后结束,因为一些子系统——旋翼系统、致动器和动力系统——对保持直升机飞行需求的增加做出了反应。在一个非常真实的意义上,独创性努力克服了这种情况,虽然这次飞行暴露了一个时间漏洞,现在必须解决,但它也证实了系统在多个方面的健壮性。

虽然我们不是故意计划这样紧张的飞行,但NASA现在已经有了飞行数据来探测直升机的性能极限。这些数据将在未来被仔细分析,扩大我们关于在火星上飞行直升机的知识储备。

作者:Håvard Grip,美国宇航局喷气推进实验室的独创性火星直升机首席飞行员

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