この新しいアプローチにより、捜索救助任務に理想的なテールシッター機は、複雑で高速なアクロバット飛行を計画し、実行することができるという。
テールシッターは固定翼機で、垂直に離着陸し（着陸台に尻尾を乗せて座る）、水平に傾いて前進飛行する。クアッドコプター型ドローンよりも高速で効率的なこの多用途航空機は、飛行機のように広範囲を飛行できるが、ヘリコプターのようにホバリングすることもできるため、捜索救助や宅配便の配達などの作業に適している。
マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、この種の航空機の操縦性と多用途性を利用した、テールシッターの軌道計画と制御のための新しいアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは、横向き飛行や逆さま飛行のような困難な操縦を実行することができ、計算効率が非常に高いため、複雑な軌道をリアルタイムでプランニングできる。
通常、他の方法では、軌道計画アルゴリズムにおいてシステムダイナミクスを単純化するか、ヘリコプターモード用と飛行機モード用の2つの異なるモデルを使用する。どちらの手法も、MITチームが実証したようなアグレッシブな軌道を計画・実行することはできない。
情報・意思決定システム研究所（LIDS）の研究員で、この研究を説明する新しい論文の主執筆者であるEzra Tal氏は次のようにコメントしている。
Tal氏：私たちは、システムが持つパワーをすべて引き出したかったのです。これらの航空機は、たとえ非常に小さくても、非常にパワフルで、エキサイティングなアクロバット飛行が可能です
Tal氏と彼の共同研究者たちは、彼らの軌道生成と制御アルゴリズムを使って、ループ、ロール、上昇旋回などの複雑な操縦を行うテールシッターを実演し、3機のテールシッターが空中ゲートを通過し、いくつかの同期したアクロバティックな操縦を行うドローンレースを披露した。
これらのアルゴリズムにより、崩壊した建物に飛び込んだり、生存者を迅速に捜索しながら障害物を避けたりといった、動的環境における複雑な動きをテールシッターが自律的に行えるようになる可能性があるという。
この論文には、電気工学・コンピューターサイエンス学科（EECS）の大学院生Gilhyun Ryou氏と、航空学・宇宙航行学の准教授でLIDSのディレクターであるSertac Karaman氏がTal氏の共同研究者として参加している。この研究はIEEE Transactions on Roboticsに掲載される。
テールシッター軌道への取り組み
尾翼の設計は1928年にNikolai Tesla氏によって発明されたが、彼の特許申請から20年近く経つまで、誰も本気で尾翼を作ろうとしなかった。現在でも、尾翼の動きは複雑なため、研究や商業的応用は、クアッドコプター・ドローンのような制御が容易な航空機に集中する傾向にある。
テールシッター用に存在する軌道生成と制御アルゴリズムは、ほとんどが穏やかな軌道とゆっくりとした遷移に重点を置いており、このような機体が可能な急速でアクロバティックな操縦には向いていない。
このような厳しい飛行条件下で、Tal氏と彼の共同研究者たちは、このユニークな航空機が最高の性能を発揮できるようにするためには、加速度が速く変化する機敏な軌道に特化した軌道計画と制御アルゴリズムを設計する必要があることを知っていたという。
そのために、彼らはグローバルダイナミクスモデルを使用した。グローバルダイナミクスモデルとは、垂直離陸から前進飛行、さらには横向き飛行まで、あらゆる飛行条件に適用できるモデルのことである。次に、ディファレンシャル・フラットネスと呼ばれる技術的特性を活用し、モデルが効率的に動作するようにした。
軌道生成において重要なステップは、航空機が実際に計画された軌道を飛行できることを確認することである。例えば、特に鋭いコーナーが実現不可能な最小旋回半径があるかもしれない。テールシッターはフラップやローターを備えた複雑なシステムであり、このように複雑な空中運動を示すため、通常、軌道が実現可能かどうかを判断するために多くの計算が必要となり、従来の計画アルゴリズムに支障をきたす。
MITの研究者たちは、ディファレンシャル・フラットネスを採用することで、数学的関数を使って軌道が実現可能かどうかを素早くチェックすることができる。彼らのアプローチは、複雑なシステムダイナミクスの多くを回避し、テールスィッターの軌道を空間を通る数学的曲線として計画する。このアルゴリズムは、微分平坦度を用いて、その軌道の実現可能性を迅速にチェックする。
Tal氏：このチェックは計算量が非常に少ないので、我々のアルゴリズムではリアルタイムで軌道を計画できるのです。
これらの軌道は非常に複雑で、垂直飛行と水平飛行の間を素早く移行し、横向きや倒立のマニューバーを取り入れることができるという。
Karaman氏：多くの研究チームはクアッドコプターに焦点を当てた。一方、テールシッターは前進飛行においてより効率的です。操縦が難しいので、あまり使われなかったのだと思います。しかし、私たちが開発した自律化技術によって、民生用技術から大規模な工業検査まで、多くの用途で突然利用できるようになりました。
テールシッターのエアショー
彼らは、MITの屋内飛行スペースでテールシッターの数々の困難な軌道を計画・実行し、その方法をテストした。あるテストでは、機体が左に旋回した後、急加速して右にバンクバックする上昇旋回をテールシッターが実行するのを実演した。
また、3機の同期したテールシッターがループや急旋回を行い、空中のゲートをシームレスに通過するテールシッターの「エアショー」も披露した。
Tal氏：これらのマニューバーは、ディファレンシャル・フラットネスを使用したモデルでなければ、リアルタイムで計画することは不可能だった。
Ryou氏：微分平坦度は、電動振り子のような基本的な機械システムの滑らかな軌道を生成するために開発され、適用されました。それから30年以上経った今、私たちはこれを固定翼機に応用しました。将来的には、他にもいろいろな用途に応用できるかもしれません。
MITの研究者たちの次のステップは、このアルゴリズムを拡張して、風やその他の環境条件が固定翼機のダイナミクスに大きな影響を与える可能性のある屋外の完全自律飛行に効果的に使えるようにすることだ。
この研究は、米国陸軍研究局から一部支援を受けたという。
