Siri Holthe Mathisen jobber for å få flydroner til å lande trygt på et lite område. Det åpner opp for nye bruksmåter for dronene. (Foto: Stein Roar Leite/NTNU)
Løser ligninger som styrer droner
Hvordan får du en flydrone til å lande uten rullebane? Du bruker matematikk, selvfølgelig!
En selvstyrt flydrone kan lete etter mennesker som er savnet i enorme og uframkommelige fjellandskap.
Den kan fly mat og medisiner til isolerte områder der redningsmannskaper ikke klarer å ta seg inn. Den kan fly når tåka er tett som en vegg, og den kan overvåke arktiske områder der digre isfjell truer folk og fartøy.
En flydrone kan løse oppgaver som er vanskelige eller farlige for mennesker. Den kan fly lenger, høyere og bære tyngre enn en helikopterdrone.
Men der helikopterdronen kan lande loddrett på en liten flekk, trenger flydronen en lang rullebane for å komme seg velberget tilbake på bakken.
Det problemet skal doktorgradsstipendiat ved NTNU, Siri Holthe Mathisen, løse gjennom å mikse en god dose matematikk med litt aerodynamikk, flyteknikk og programmering.
Vil lande på torget
Holthe Mathisen er doktorgradskandidat ved Institutt for teknisk kybernetikk ved NTNU og en del av Senter for autonome marine operasjoner og systemer (AMOS).
Hun forsker på hvordan matematikk kan brukes til å styre droner.
Løsningen hun forsøker å komme fram til vil kunne brukes til å lande flydroner trygt på små båtdekk i Arktis, på en ødelagt veistubb i ei bygd som er rammet av ras, eller midt på et folksomt bytorg.
– Fra en båt i Arktis vil du kunne sende opp en flydrone som slipper ned en GPS-søker på et isfjell langt unna. Dermed kan andre fartøy vite hvor isfjellet er til enhver tid.
Dronen kan også overvåke issmelting og samle inn data fra enorme, utilgjengelige områder. Deretter kan den lande trygt på båtdekket igjen, uten at verdifullt utstyr blir ødelagt eller dyrebare målinger går tapt, forklarer forskeren.
I dag er det vanskelig å lande dronen med høy presisjon på en bestemt plass. Det har vært gjort forsøk på å lande en flydrone i spiral eller i et nett, men hvis man ikke reduserer hastigheten, er risikoen for å miste både utstyr og målinger høy.
– I en leteaksjon vil en flydrone kunne søke i et mye større område enn en helikopterdrone. Dette vil være veldig nyttig når det gjelder saue- og reinsanking i fjellet, eller hvis man skal få oversikt over et rasområde, sier Holthe Mathisen.
Sakte, i bratt vinkel
Et fly, eller en flydrone, klarer å holde seg i lufta på grunn av oppdrift. Når flyet beveger seg vannrett gjennom lufta, glir lufta fint over vingene.
Da peker nesen til flyet i samme retning som flyet flyr, og angrepsvinkelen, altså vinkelen mellom nesen til flyet og flyretningen, er null. Hvis dette ikke stemmer og flyet flyr framover mens nesen peker oppover, har vi en høy angrepsvinkel.
Luften vil da rulle over vingene og slutte å dra flyet oppover. Dermed begynner det å falle, og ved riktig angrepsvinkel vil også luftmotstanden på flyet øke.
Et fly eller en flydrone må i dag lande med en innfallsvinkel på cirka tre grader. Holthe Mathisen ønsker å få flydronen til å lande med en mye brattere innfallsvinkel, på så mye som 60 grader.
– I stedet for en 200 meter lang rullebane trenger vi da bare akkurat den plassen som dronen bruker til landingen. Dermed kan dronen lande på et lite båtdekk eller i en lysning i et skogholt, forklarer hun.
Holthe Mathisen ønsker å lande så sakte og så nært et gitt punkt som mulig. For å klare det lager hun et utkast til hvordan landingspunktet ser ut og bruker ulike matematiske ligninger som beskriver både flyet og målet.
– Jeg vil fly i en bane mot landingspunktet og treffe så nøyaktig som mulig. Dette må skje samtidig som dronen lander veldig sakte. For å få det til, bruker jeg en høy innfallsvinkel. Den matematiske metoden balanserer de ulike ønskene mine, og jeg kan gi flydronen beskjed om hvordan den må fly for å klare å lande på landingsplassen, forklarer hun.
Hele tiden mens dronen er i luften, oppdateres modellen som viser den planlagte banen, slik at den også tar hensyn til vind og andre uplanlagte forstyrrelser.
Testes i simulator
Når Holthe Mathisen har funnet fram til en matematisk modell hun vil bruke, må informasjonen programmeres på en PC.
Hun bruker deretter en simulator, altså et dataprogram, for å teste om kontrollsignalene hun ville sendt til flydronen, fungerer på simulatoren.
Når alt ser ut til å virke, programmeres det hele i en liten PC, av typen som finnes i mobiltelefoner. Deretter er det tid for å teste oppskriften på en ekte flydrone.
Med et batteri som drivkraft kan en liten flydrone på bare fire kilo fly opptil 60 minutter og legge bak seg rundt fire og en halv mil. Samtidig kan den ha inntil ett kilo med ekstra utstyr inne i flykroppen.
En større og tyngre flydrone kan veie ti kilo, fly opptil 20 timer og tilbakelegge svimlende 150 mil. Med fullt utstyr som veier opp mot ti kilo, blir denne avstanden noe kortere, men dette gjør uansett slike flydroner godt egnet for oppdrag der man må fly langt og samle mye data.
– Matematikken skal finne riktig landingsplass og lavest mulig fart. Når vi lager denne matematikken, har vi det flytekniske i bakhodet. Dronen som vi bruker i testene, er lett og billig – for vi må prøve og feile litt og krasjer derfor av og til. En større og kraftigere drone kan fly lenger, høyere og fortere, opplyser Holthe Mathisen.
Hun legger til at større flydroner kan brukes sammen med undervannsdroner til overvåkning i Arktis, og undervannsdronen kan da sende signaler til flydronen, slik at kommunikasjonen ikke blir hindret av skjær eller isfjell.
– Hvis vi klarer å få flydronen til å lande trygt på et lite område, vil det åpne opp for mange nye måter å bruke droner på, sier hun.
