ابتكر مهندسو MIT خوارزمية لتدريب الطائرات المسيرة على تجنب العوائق بسرعات عالية
يعرف متابعو سباقات الطائرات المسيرة المستقلة، بالتأكيد، حوادث أكثر من الانتصارات. في سباقات الطائرات المسيرة تتنافس الفرق لتحديد أي جهاز أفضل استعدادًا للطيران عبر مضمار من العوائق. غير أنه كلما زادت سرعة الطائرات المسيرة، أصبحت أقل استقرارًا. وعند السرعات العالية يصعب التنبؤ بديناميكيتها الهوائية. والأعطال أمر شائع.
لو أمكن جعل الطائرات المسيرة أسرع وأكثر مناورة، لأمكن استخدامها في عمليات حساسة للوقت خارج حلبة السباق، مثل البحث عن الناجين بعد الكوارث الطبيعية.
ابتكر مهندسو الفضاء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) خوارزمية تساعد الطائرات المسيرة على إيجاد أسرع مسار حول العوائق دون أعطال. وهي تجمع بين محاكاة طيران الطائرة المسيرة عبر مضمار عوائق افتراضي وبيانات تجارب لطائرة مسيرة حقيقية تحلق على المسار نفسه في الفضاء المادي.
وجد الباحثون أن الطائرة المسيرة المدربة بخوارزميتهم اجتازت مضمار العوائق أسرع بنسبة 20% من الطائرة المدربة بخوارزميات تخطيط تقليدية. ومع ذلك، لم تتمكن الخوارزمية الجديدة دائمًا من تقدم الطائرات على منافسيها طوال السباق. فأحيانًا كانت تفضل إبطاء الطائرة لاجتياز منعطف صعب، أو توفير الطاقة لتتسارع في النهاية وتتجاوز خصمها.
«عند السرعات العالية تنشأ ديناميكية هوائية معقدة يصعب نمذجتها، لذلك نستخدم التجارب في العالم الحقيقي لملء هذه الفجوات السوداء، لنكتشف مثلًا ما إذا كان من الأفضل الإبطاء أولًا ثم التسارع. وهذا النهج الشامل هو ما نستخدمه لنرى كيف يمكننا جعل المسار ككل أسرع ما يمكن»
وبحسب الأستاذ المشارك في قسم الملاحة الجوية في MIT، سيرتاك كارامان، فإن مثل هذه الخوارزميات خطوة قيّمة للغاية نحو تطوير طائرات المستقبل المسيرة القادرة على التحرك بسرعة كبيرة في الظروف المعقدة: «نأمل حقًا في دفع الحدود، بحيث تتمكن من السفر بالسرعة التي تسمح بها إمكاناتها المادية.
تأثيرات السرعة
تدريب الطائرات المسيرة على تجنب العوائق أمر بسيط نسبيًا إذا كان يجب أن تطير ببطء. ذلك لأن الديناميكيات الهوائية مثل المقاومة لا تكون عادةً مؤثرة عند السرعات المنخفضة، ويمكن تجاهلها عند نمذجة سلوك الطائرة المسيرة. لكن عند السرعات العالية تصبح هذه التأثيرات أكثر وضوحًا، ويصبح التنبؤ بكيفية تعامل الأجهزة أصعب بكثير.
أثناء الطيران السريع يصعب على الطائرة المسيرة تقدير موقعها. قد تحدث تأخيرات في إرسال الإشارة إلى المحرك، أو هبوط مفاجئ في الجهد الكهربائي قد يسبب مشكلات أخرى في الديناميكا. ولا يمكن نمذجة هذه التأثيرات باستخدام أساليب التخطيط التقليدية.
لفهم كيف تؤثر الديناميكية الهوائية عالية السرعة في الطائرات المسيرة أثناء الطيران، يضطر الباحثون إلى إجراء تجارب كثيرة في المختبر، وضبط الطائرات المسيرة على سرعات ومسارات مختلفة لمعرفة أيها تطير بسرعة ودون أعطال، وهي عملية مكلفة وغالبًا ما تؤدي إلى أعطال.
وبدلًا من ذلك، طورت فرقة MIT خوارزمية لتخطيط الطيران عالي السرعة تجمع بين المحاكاة والتجارب بطريقة تقلل عدد التجارب اللازمة لتحديد مسارات الطيران السريعة والآمنة.
بدأ الباحثون بنموذج تخطيط طيران قائم على الفيزياء طوروه، لمحاكاة سلوك الطائرة المسيرة أولًا أثناء الطيران عبر مضمار عوائق افتراضي. وقد حاكوا آلاف سيناريوهات السباق، لكل منها مسار طيران وسرعة خاصة بها.
ثم حددوا ما إذا كان كل سيناريو قابلًا للتنفيذ (آمنًا) أم غير قابل للتنفيذ (يؤدي إلى عطل). ومن هذا الجدول تمكن الباحثون من اختيار عدد من السيناريوهات أو مسارات السباق الواعدة بسرعة، لتجربتها في المختبر.
«يمكننا إجراء هذه المحاكاة بسرعة وبتكلفة منخفضة لنرى مسارات مثيرة للاهتمام قد تكون سريعة وواقعية. ثم نجري تجارب على هذه المسارات لنفهم أيها ممكن فعلًا في العالم الحقيقي. وفي النهاية نقترب من المسار الأمثل الذي يعطينا أقل زمن ممكن»
الإبطاء لاحقًا للتسارع
لعرض نهجهم الجديد، حاكى الباحثون طائرة بلا طيار تحلق على مسار بسيط يضم خمس عقبات كبيرة مربعة الشكل، موزعة بنمط رقعة الشطرنج.
أعدوا التكوين نفسه في صالة تدريب بدنية، وبرمجوا الطائرة المسيرة للطيران على المسار بالسرعات والمسارات التي اختاروها سابقًا من محاكاتهم. كما أجروا المسار نفسه بطائرة مسيرة مدربة بخوارزمية أكثر تقليدية لا تتضمن تجارب في تخطيطها.
بوجه عام، «فازت» الطائرة المسيرة المدربة بالخوارزمية الجديدة في كل سباق، إذ قطعت المسار في زمن أقصر من الطائرة المدربة بالطريقة المعتادة. وفي بعض السيناريوهات أنهت الطائرة الفائزة السباق أسرع بنسبة 20% من منافستها، حتى عندما اختارت مسارًا ببداية أبطأ، إذ احتاجت مثلًا إلى وقت أطول قليلًا للدوران.
يخطط الباحثون لإجراء المزيد من التجارب بسرعات أعلى وفي ظروف أكثر تعقيدًا لتحسين خوارزميتهم. كما قد يدمجون بيانات طيران من طيارين بشريين يتحكمون بالطائرات المسيرة عن بُعد، إذ يمكن أن تساعد قراراتهم ومناوراتهم في الوصول إلى خطط طيران أسرع وما زالت قابلة للتنفيذ.
