AUVSI (Autonomous Unmanned Vehicle Systems International)

צוות “Technion Aerial Systems”, המורכב מסטודנטים בפקולטות להנדסת אווירונאוטיקה וחלל, הנדסת חשמל, הנדסה אזרחית והנדסת תעשייה וניהל, ביצע את תהליך התכן, ייצור, ניסויי טיסה ופריסה בשטח של מערכת אווירית בלתי-מאויישת למטרות חילוץ והצלה, ובכך זכה במקום מרשים בתחרות שנערכה במדינת מרילנד.

הפרוייקט נערך בתור הגישה של הטכניון אל תחרות ה-SUAS (Student Unmanned Aerial Systems) של ארגון AUVSI (Autonomous Unmanned Vehicle Systems International) לשנת 2018.

העבודה החלה בשלהי חודש אוגוסט 2017, בניתוח המוצר של הצוות הקודם, כדי שהצוות יכיר את המערכת ויוכל להציע, לתכן ולבחון שיפורים עבורה.

השיפורים העיקריים שבוצעו הם ההוספה של כנפונים שהודפסו בתלת-מימד לצורך שיפור הביצועים האווירודינמיים, האינטגרציה של מחשב טיסה חדיש, Pixhawk 2, ההעלאה של דיוק הגאו-לוקציה דרך השימוש במקלט GPS הכולל חיישן RTK (Real-Time Kinematics), מיקום מחדש של כני הנסע לצורך שיפור ביצועי הקרקע, הפחתת משקל באמצעות תכן מבני מעודכן, ואלגוריתמים משופרים, שסיפקו מערכת איתנה יותר להתחמקות ממכשולים והעלו את דיוק שילוח המטען.

הצוות חקר חומרים ותהליכי-ייצור שונים עבור הכנפונים, ולבסוף החליט על הדפסה תלת-מימדית שלהם מניילון-12, בהתחלה באמצעות תהליך SLS (סינטור לייזר סלקטיבי), ולאחר מכן באמצעות תהליך FDM (Fused Deposition Modeling). שני התהליכים התבררו כמספקים, והניבו גימור פני-שטח טוב והתאמה טובה לפלטפורמה הקיימת. הכנפונים עצמם תוכנו על-פי קווים מנחים מבוססים שנלקחו מהספרות המדעית והתכן תוקף באמצעות תוכנת CFD. לאחר השלמת שלב התכן ובדיקת המוצר המוגמר, המודלים התבררו כמדוייקים, שכן הפלטפורמה הצליחה לטוס במשך פרקי-זמן ארוכים יותר למרות תוספת המשקל של הכנפונים.

מחשב הטיסה החדש, Pixhawk 2, נבחר כמחשב הטיסה בכדי לבצע שיפור על מחשב הטיסה הישן, Pixhawk 1 שהיה בשימוש על הפלטפורמה הקודמת. הוא תומך ביותר ערוצי קלט ובטווח רחב יותר של חיישנים, ובכך סלל את הדרך לשימוש במודול ה-RTK, שהעלה את רמת הדיוק בגיאולוקציה.

מודול ה-RTK (Real-Time Kinematics) נבחן והושווה לתצורות איכון אחרות, אחת שכללה מקלט GPS בודד, והשנייה שכללה שני מקלטי GPS. במבחן, תצורת ה-GPS+RTK הדגימה שגיאה קבועה ושגיאה אקראית נמוכות יותר, מה שהפך אותה לתצורה הנבחרת למערכת האיכון.

מערכת כני הנסע נבחנה מחדש לאחר שהוערך שהתצורה הנוכחית פוגמת בביצועי ההמראה והנחיתה של הפלטפורמה האווירית. הניתוח הראה שהכן הראשי מוקם אחורנית מדי, מה שהקשה על ביצוע הרוטציה בעת ההמראה והוביל למכות קשות בנחיתות. בהתבסס על ניתוח זה, הועלתה ההצעה להזיז את כן הנסע הראשי 100 מילימטרים קדימה, הצעה שנבחנה בניסוי-טיסה באמצעות הפלטפורמה של השנה הקודמת ולאחר מכן יושמה על הפלטפורמה הנוכחית.

מאמץ ראשוני לחיסכון במשקל היה הורדת השכבה האמצעית ממבנה הסנדוויץ' של מעטה הכנף. באיזור שורש הכנף, ליבת הבלזה של הכנף נשמרה כדי לאפשר למבנה לעמוד בעומסים הגבוהים יותר ששוררים באיזור זה, אך משאר הכנף הליבה הוסרה, מה שהוביל לכנף קלה וגמישה יותר. מאמץ אחר, יותר משמעותי, לחיסכון במשקל, התמקד בגוף המטוס. באמצעות תכן מחודש של מבנה השכבות של הגוף, במהלכו, בין היתר, הוסרה שכבה מלאה של סיבי פחמן, והדבר הוביל לחיסכון של כ-30% במשקל הגוף.

המבנה נבדק כנגד העומסים ומקדמי הביטחון שעבורם תוכן באמצעות ניסויי כפיפה ופיתול, שתיקפו את התכן בכך שהראו שהמבנה עומד בעומסים הנדרשים.

אלגוריתם ההתחמקות ממכשולים נכתב מחדש מהיסוד. שיטת ה-RRT (Rapidly-expanding Random Tree) שנעשה בה שימוש בשנה שעברה, ננטשה שכן היא מגושמת ויקרה מבחינה חישובית. האלגוריתם החדש קורא את המכשולים הנייחים משרת השופטים ומצייר מחדש את מסלול הטיסה של המטוס כך שהוא יעקוף את המכשולים בחישוב יחיד, שלוקח בחשבון את גבולות הגזרה של איזור הטיסה, את מידות כלי הטיס ואת יכולת התמרון שלו, כל זאת תוך מיזעור הסטייה מהנתיב המקורי. בכדי לטפל במכשולים דינמיים, האלגוריתם רץ תמידית בזמן-אמת, ונכנס לפעולה כשהוא מזהה התנגשות קרבה ובאה עם מכשול דינמי.

גם אלגוריתם שילוח המטען נכתב מחדש, אבל באופן ההפוך: האלגוריתם של שנה שעברה במחלקה זו היה פשטני מדי. לפיכך, לצורך שילוח מדוייק של המטען, נתיב הטיסה בעת הטלתו מתיישר אל תוך הרוח, אשר האלגוריתם לוקח בחשבון את השפעותיה. הוא רץ באופן רציף ברקע בכדי לחזות את מרחק הפגיעה של המטען מהמטרה. אם המרחק עומד בקריטריון הדיוק, או אם הפלטפורמה מגיעה למרחק אופקי מינימלי מסויים מהמטרה, המטען משוחרר.

שני האלגוריתמים נבדקו באמצעות סימולציות "תוכנה בלולאה" שלוקחות בחשבון את פרמטרי המטוס והסביבה, וברגע שהגיעו לשלמות בסימולציה, נבחנו בפועל כאשר התוצאות טובות מאוד.