Co sa dozvedáme o riadení letu a aerodynamických vlastnostiach Ingenuity
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Pred každým testovacím letom spoločnosti Ingenuity nahráme pokyny, ktoré presne opisujú, ako má let vyzerať. Keď však príde čas letu, vrtuľník je odkázaný sám na seba a spolieha sa na súbor algoritmov riadenia letu, ktoré sme vyvinuli tu na Zemi ešte pred tým, ako bol Ingenuity vypustený na Mars.

Aby sme mohli tieto algoritmy vyvinúť, vykonali sme podrobné modelovanie a počítačové simulácie, aby sme pochopili, ako sa bude vrtuľník správať v marťanskom prostredí.  Potom sme pokračovali testovaním v obrovskej 25 metrov vysokej vákuovej komore s priemerom 7,5 metra tu v JPL, kde sme replikovali marťanskú atmosféru. Pri všetkých týchto prácach sme však mohli len približne odhadnúť niektoré aspekty prostredia. Teraz, keď Ingenuity skutočne lieta na Marse, môžeme začať hodnotiť, ako sa veci zhodujú s očakávaniami. Tu sú niektoré kľúčové aspekty fungovania systému riadenia letu na Marse.

Vzlet

Na rozdiel od mnohých spotrebiteľských dronov sa Ingenuity neovláda zmenou rýchlosti rotorov. Namiesto toho riadime náš vrtuľník na Marse rovnakým spôsobom ako pozemské vrtuľníky v plnom meradle: zmenou uhla sklonu listov, ktorý ovplyvňuje "uhol nábehu" krídla, a tým určuje, aký veľký "záber" si listy zoberú zo vzduchu. Čím väčší je záber, tým väčší je vztlak (a odpor). Podobne ako pri tradičných vrtuľníkoch môžeme uhol sklonu meniť dvoma spôsobmi: pomocou "kolektívneho riadenia", ktoré mení sklon lopatiek rovnomerne počas celej rotácie lopatiek, a pomocou "cyklického riadenia", ktoré na jednej strane vozidla sklápa lopatky nahor a na druhej strane nadol.

Keď Ingenuity vzlietne, rotor sa už otáča nastavenou rýchlosťou 2 537 otáčok za minútu. Vzlietneme s náhlym zvýšením kolektívneho riadenia na oboch rotoroch, čo spôsobí, že sa vozidlo "odlepí" od zeme. Počas tejto počiatočnej fázy vzletu obmedzíme riadiaci systém tak, aby reagoval len na uhlové rýchlosti (ako rýchlo sa vrtuľník otáča alebo nakláňa). Dôvodom je, že nechceme, aby riadiaci systém bojoval so zemou, čo by mohlo viesť k nedefinovanému správaniu.

Počiatočná fáza vzletu trvá len zlomok sekundy; akonáhle vrtuľník vystúpi len o 5 centimetrov, systém prevezme plnú kontrolu nad polohou, rýchlosťou a postojom vrtuľníka. V tomto okamihu zrýchľujeme smerom k vertikálnemu stúpaniu rýchlosťou 1 meter za sekundu.

Na odhad našich pohybov počas letu používame súbor snímačov, ktorý zahŕňa laserový diaľkomer (na meranie výšky) a kameru. Tieto snímače nepoužívame, kým nedosiahneme výšku 1 meter, z obavy, že by ich mohol zakryť prach pri zemi. Namiesto toho sa spočiatku spoliehame len na inerciálnu meracie jednotku (IMU), ktorá meria zrýchlenie a uhlovú rýchlosť, a tieto merania integrujeme na odhad našich pohybov. Ide o typ navigácie "mŕtveho ťahu" - porovnateľný s meraním vzdialenosti, ktorú ste prešli, počítaním krokov. Z dlhodobého hľadiska to nie je veľmi presné, ale keďže Ingenuity trvá len pár sekúnd, kým dosiahne 1 meter, môžeme to využiť.


Jednou z vecí, na ktoré sme boli zvedaví, je, ako "sebavedomo" sa Ingenuity odlepí od zeme a dosiahne prvú hranicu 5 cm. Údaje z prvých troch letov ukazujú, že táto časť stúpania trvala približne 0,25 sekundy, čo je v súlade s očakávaniami a naznačuje, že Ingenuity nemal problém vytvoriť dostatočný ťah pri štarte. Počas tohto počiatočného nábehu sme očakávali, že sa zvýši výkon potrebný pre rotorový systém, a to sme skutočne pozorovali. Napríklad pri druhom lete bol nárast približne 310 W - čo je výrazne pod maximálnou kapacitou našich batérií, ktoré znesú nárast až o 510 W.

Po štarte trvalo Ingenuity približne 2 sekundy, kým dosiahol výšku 1 meter, v ktorej mohol začať používať celý súbor svojich senzorov. Hoci sme na snímkach z roveru Perseverance (zaparkovaného neďaleko) pri štarte videli slabý prach, nič nenasvedčovalo tomu, že by letiaci prach alebo piesok zakrýval výškomer alebo kameru, takže sa zdá, že naša konštrukcia bola v tomto ohľade opatrná (čo je dobre).
V okamihu, keď sa nohy vrtuľníka odlepia od zeme, začne jeho pohyb ovplyvňovať vietor. Tento vietor môže spôsobiť, že sa vozidlo pri štarte na chvíľu prevráti (zo strany na stranu) alebo nakloní (dopredu alebo dozadu), kým sa nestihne zachytiť a korigovať. Boli sme pripravení na výrazné uhly náklonu/výkyvu pri vzlete, ak by bol vietor na úrovni zeme silný, ale pri troch doterajších vzletoch Ingenuity sa obmedzili len na niekoľko stupňov, čo umožnilo pekné, vertikálne vzlety.


V prípade kolektívneho riadenia (nezabudnite, že ide o riadenie, ktoré rovnomerne mení uhol sklonu listov rotora a ovplyvňuje tak ťah vrtuľníka) by sme chceli vidieť hodnoty pri visení, ktoré by približne zodpovedali predchádzajúcim očakávaniam. Počas prvého letu sme sa vznášali s kolektívom približne 9,2 stupňa na spodnom rotore a 8,2 stupňa na hornom rotore (to je uhol "línie šnúry" lopatiek - imaginárnej čiary vedenej od nábežnej hrany k odtokovej hrane lopatiek rotora - na ¾ polomeru rotora). Tieto hodnoty sú o 0,7-0,8 stupňa nižšie ako nami predpokladané hodnoty trimovania (9,0 stupňa na hornom rotore a 9,9 stupňa na dolnom rotore). Tieto hodnoty trimovania však boli vyladené na základe testov bez vetra pri trochu inej kombinácii hustoty a rýchlosti rotora, takže tento rozdiel nie je neočakávaný. Ďalším ukazovateľom toho, že sme v aerodynamickej komfortnej zóne, je elektrický výkon rotora okolo 210 W pri visení, čo je tiež presne v blízkosti toho, čo sa očakávalo. Celkovo výsledky naznačujú, že máme dobrú rezervu proti "aerodynamickému prepadu", ktorý nastáva vtedy, keď sa uhol sklonu listu vzhľadom na okolité prúdenie vzduchu zvýši za hranicu, kedy môže spôsobiť ďalšie zvýšenie vztlaku.

Vyhodnocujeme aj cyklické riadenie, ktoré sa používa na vytváranie momentov náklonu a sklonu vozidla. Zaznamenali sme relatívne stabilné hodnoty pri visení, vo všeobecnosti s veľkosťou menšou ako 3 stupne, čo ponecháva dostatočnú rezervu voči hornej hranici 10 stupňov. Vstupy cyklického riadenia nám dosť napovedajú o vetre, s ktorým musí vozidlo bojovať. Napríklad v prípade letu č. 1 cyklické riadenie zodpovedá vetrom z východu a juhovýchodu, čo je v súlade s pozorovaniami MEDA. Úsilie cyklického riadenia sa tiež zvyšuje s výškou, čo naznačuje, že vietor je stále silnejší ďalej od zeme.

Pristátie

Pristátie je mimoriadne náročnou časťou každého letu. Ingenuity pristáva tak, že letí priamo k zemi a zisťuje, kedy dôjde k pristátiu, ale k pristátiu vedie niekoľko udalostí, ktoré nasledujú v rýchlom slede za sebou. Najprv sa vytvorí stabilná rýchlosť klesania 1 meter za sekundu. Potom, keď vozidlo odhadne, že nohy sú vo vzdialenosti do 1 metra od zeme, algoritmy prestanú na odhad používať navigačnú kameru a výškomer a spoliehajú sa na IMU rovnakým spôsobom ako pri vzlete. Podobne ako pri štarte sa tým zabráni zatieneniu prachom, ale slúži to aj na iný účel - tým, že sa spoliehame len na IMU, očakávame veľmi plynulý a súvislý odhad našej vertikálnej rýchlosti, čo je dôležité, aby sme predišli predčasnému zisteniu pristátia.

Približne pol sekundy po prepnutí na používanie iba IMU, keď sa nohy podľa odhadu nachádzajú vo vzdialenosti do 0,5 metra od zeme, sa spustí detekcia pristátia. Ingenuity bude teraz považovať pristátie za uskutočnené hneď, ako klesajúca rýchlosť klesne o 25 centimetrov za sekundu alebo viac. Keď sa Ingenuity stretne so zemou, tento pokles rýchlosti klesania nastane rýchlo. V tomto okamihu sa systém riadenia letu prestane snažiť riadiť pohyb vrtuľníka a prikáže kolektívnemu riadeniu na najnižší možný sklon lopatiek, aby sa vytvoril takmer nulový ťah. Systém potom počká 3 sekundy, aby sa uistil, že sa vrtuľník usadil na zemi, a až potom roztočí rotory.

Ľudia sa pýtali, prečo sa dotýkame zeme pri relatívne vysokej rýchlosti 1 meter za sekundu. Má to viacero dôvodov. Po prvé, skracuje sa tým čas mŕtveho bodu, ktorý musíme stráviť bez použitia kamery a výškomeru; po druhé, skracuje sa tým čas strávený v "prízemnom efekte", kde je dynamika vozidla horšie charakterizovaná; a po tretie, uľahčuje to zistenie, že sme sa dotkli zeme (pretože zmena rýchlosti je na zistenie jednoznačne dostatočná). To, čo umožňuje túto stratégiu, je konštrukcia podvozku, ktorá pomáha zabrániť tomu, aby vozidlo pri pristávaní odskočilo.

Každý algoritmus na detekciu dotyku tohto druhu musí nájsť rovnováhu medzi dvoma potenciálnymi úskaliami: (1) príliš skoré zistenie pristátia (čím by vrtuľník spadol na zem zo vzduchu) a (2) nedostatočné skoré zistenie pristátia (čo by spôsobilo, že vrtuľník by sa po kontakte so zemou naďalej pokúšal letieť). Údaje z letov spoločnosti Ingenuity na Marse ukazujú, že nám nehrozil ani jeden z týchto scenárov. Počas zostupu si Ingenuity udržiaval vertikálnu rýchlosť s presnosťou približne 4 cm za sekundu a potrebný pokles o 25 cm za sekundu zistil približne do 30 milisekúnd od pristátia.
Ako budeme pokračovať v našich letoch na Marse, budeme sa v údajoch ďalej hĺbiť, aby sme pochopili rôzne jemnosti, ktoré môžu existovať a boli by užitočné pri konštrukcii budúcich leteckých prieskumníkov. Čo však môžeme povedať už teraz, je: že Ingenuity splnil alebo prekonal naše očakávania týkajúce sa letových výkonov.