通过这种新方法，非常适合搜索和救援任务的尾翼飞机可以计划和执行复杂的高速杂技动作

尾翼飞机是一种固定翼飞机，它垂直起飞和降落（它坐在着陆垫上的尾部），然后水平倾斜以进行向前飞行。这些多功能飞机比四轴飞行器无人机更快、更高效，可以像飞机一样飞越大面积，也可以像直升机一样盘旋，非常适合搜索和救援或包裹递送等任务。

麻省理工学院的研究人员开发了用于轨迹规划和尾翼控制的新算法，该算法利用了此类飞机的机动性和多功能性。他们的算法可以执行具有挑战性的机动，如侧向或倒置飞行，并且计算效率很高，可以实时规划复杂的轨迹。

通常，其他方法要么在其轨迹规划算法中简化系统动力学，要么使用两种不同的模型，一种用于直升机模式，另一种用于飞行模式。这两种方法都无法计划和执行与麻省理工学院团队所展示的轨迹一样激进的轨迹。

“我们想真正利用系统所拥有的所有功能。这些飞机，即使它们很小，也非常强大，能够进行令人兴奋的杂技动作。通过我们的方法，使用一个模型，我们可以覆盖整个飞行包线 - 飞行器可以飞行的所有条件，“信息与决策系统实验室（LIDS）的研究科学家Ezra Tal说，他是一篇描述这项工作的新论文的主要作者。

Tal和他的合作者使用他们的轨迹生成和控制算法来演示执行复杂动作（如循环，滚动和爬升转弯）的尾座，他们甚至展示了一场无人机比赛，其中三名尾随者加速通过空中门并执行几个同步的杂技动作。

麻省理工学院的研究人员开发了轨迹生成和控制算法，使尾翼飞机

这些算法可能使尾随者能够在动态环境中自主执行复杂的动作，例如飞入倒塌的建筑物并在快速搜索幸存者时避开障碍物。

与Tal一起发表论文的是电气工程与计算机科学系（EECS）的研究生Gilhyun Ryou;资深作者Sertac Karaman，航空航天学副教授兼LIDS主任。 这项研究发表在IEEE Transactions on Robotics上。

解决尾部轨迹

尾座的设计是由尼古拉·特斯拉（Nikolai Tesla）于1928年发明的，但直到他申请专利近20年后，才有人试图认真制造尾座。即使在今天，由于尾翼运动的复杂性，研究和商业应用也倾向于关注更容易控制的飞机，如四轴飞行器无人机。

尾随者确实存在的轨迹生成和控制算法主要侧重于平静的轨迹和缓慢的过渡，而不是这些飞机能够进行的快速和杂技动作。

面对如此具有挑战性的飞行条件，Tal和他的合作者知道他们需要专门为具有快速变化加速度的敏捷轨迹设计轨迹规划和控制算法，以使这些独特的飞机达到最佳性能。

为此，他们使用了一个全球动力学模型，这意味着一个适用于所有飞行条件的模型，从垂直起飞到向前，甚至侧向飞行。接下来，他们利用一种称为差分平坦度的技术特性来确保模型能够高效运行。

在轨迹生成中，关键步骤是确保飞机能够实际按照计划的轨迹飞行——也许它有一个最小的转弯半径，这使得特别尖锐的拐角不可行。由于尾部是复杂的系统，具有襟翼和转子，并且表现出如此复杂的空中运动，因此通常需要大量计算来确定轨迹是否可行，这阻碍了传统的规划算法。

通过采用微分平坦度，麻省理工学院的研究人员可以使用数学函数来快速检查轨迹是否可行。他们的方法避免了许多复杂的系统动力学，并为尾随者规划了一条轨迹，作为穿过空间的数学曲线。然后，该算法使用微分平坦度快速检查该轨迹的可行性。

“这种检查在计算上非常便宜，这就是为什么使用我们的算法，你实际上可以实时规划轨迹，”Tal解释道。

这些轨迹可能非常复杂，在垂直和水平飞行之间快速过渡，同时结合横向和倒置机动，因为研究人员设计他们的算法的方式是统一考虑所有这些不同的飞行条件。

“许多研究团队专注于四轴飞行器飞机，这是几乎所有消费级无人机的非常常见的配置。另一方面，尾翼在向前飞行时效率更高。我认为它们没有被大量使用，因为它们更难驾驶，“卡拉曼说。“但是，我们开发的那种自主技术突然使它们可用于许多应用，从消费技术到大规模工业检查。

尾随航展

他们通过在麻省理工学院室内飞行空间中为尾随者计划和执行许多具有挑战性的轨迹来测试他们的方法。在一项测试中，他们演示了一个尾随者执行爬升转弯，飞机向左转弯，然后迅速加速并向右倾斜。

他们还展示了一个尾随“航展”，其中三名同步尾机执行循环，急转弯，并无缝地通过空中门。Tal说，如果没有模型使用差分平坦度，这些操作就不可能实时规划。

“差分平坦度被开发并应用于为基本机械系统（例如电动摆锤）生成平滑轨迹。现在，30多年后，我们已经将其应用于固定翼飞机。将来我们可能会将其应用于许多其他应用程序，“Ryou补充道。

麻省理工学院研究人员的下一步是扩展他们的算法，以便它可以有效地用于完全自主的户外飞行，其中风和其他环境条件会极大地影响固定翼飞机的动力学。

这项工作得到了美国陆军研究办公室的部分支持。