Kontrolalgoritmer kunne holde sensorbelastede balloner flydende i orkaner i en uge

Kontrolingeniører ved UC San Diego har udviklet praktiske strategier til at bygge og koordinere scorer af sensorbelastede balloner inden for orkaner.

Ved hjælp af indbyggede GPS- og mobiltelefonsensorer, hver drivende ballon bliver en del af en "sværm" af robotkøretøjer, som periodisk kan rapportere, via satellit uplink, deres position, den lokale temperatur, tryk, fugtighed og vindhastighed.

Denne nye, forholdsvis billig omkostningsfølerstrategi lover at levere tiltrængt in situ-prøveudtagning af miljøforhold i en længere periode og fra mange udsigtspunkter inden for udvikling af orkaner. Dette har potentiale til i høj grad at forbedre indsatsen for at estimere og forudsige intensiteten og sporet af fremtidige orkaner i realtid.

Nuværende to til fem dages prognoser for mange orkaner afviger betydeligt fra hinanden, og fra sandheden. For eksempel, da orkanen Matthew vendte sig mod den østlige kyst i begyndelsen af ​​oktober 2016, forskellige nyhedsmedier rapporterede om "prognoser" som "orkanen Matthew vil sandsynligvis komme til land et sted mellem Charleston og Boston, så alle forbereder jer. "

"Vejledning som denne er fuldstændig utilstrækkelig til evakuering og forberedelsesreaktioner, "sagde Thomas Bewley, en professor ved Jacobs School of Engineering i UC San Diego og papirets seniorforfatter.

Forbedrede prognoser, lettes i høj grad af forbedret in situ miljøprøvetagning, er afgørende for at beskytte ejendom og redde liv fra sådanne ekstreme miljøtrusler, han tilføjede.

Nøgleudfordringer i denne indsats omfatter design af små, robust, opdriftskontrollerede balloner, der ikke samler is; den effektive koordinering af bevægelsen af ​​disse balloner for at holde dem i bevægelse inden for orkanen, mellem en højde på 0 og 8 kilometer (ca. 5 miles); og for at holde dem godt fordelt over de dynamisk betydningsfulde regioner inden for orkanen, i op til en uge ad gangen.

Bewley og UC San Diego-postdoktorforsker Gianluca Meneghello beskriver forskellige aspekter af deres arbejde med dette problem i oktober 2016-udgaven af Fysisk gennemgangsvæske , bygger på arbejde, de offentliggjorde i procedurerne under det ottende internationale symposium om stratificerede strømme (ISSF) i San Diego, (1. september, 2016). De planlægger at udvide deres arbejde på den kommende IEEE Aerospace Conference i Big Sky, Mont. (6. marts kl. 2017).

Sådan fungerer modellen

Modellen for stor koordinering af ballonsværme inden for orkaner, som diskuteret i Fysisk gennemgangsvæske artikel, bruger en smart strategi til at modellere forudsigelig kontrol ved at udnytte den banebrydende vejrforsknings- og prognosekode udviklet af National Center for Atmospheric Research, National Oceanic and Atmospheric Administration og Air Force Weather Agency (AFWA). Flere simuleringer indikerer den bemærkelsesværdige effektivitet af denne tilgang, herunder en simulering baseret på udviklingen af ​​orkanen Katrina, da den bevægede sig over Den Mexicanske Golf, som opsummeret i videoen tilgængelig på http://flowcontrol.ucsd.edu/katrina.mp4

`Nøgleidéen i vores storstilet ballonkoordineringsstrategi, sagde Bewley, "er at` gå med strømmen, 'kommando over små lodrette bevægelser af ballonerne og udnytte den stærke lodrette lagdeling af de vandrette vinde i orkanen for at fordele ballonerne på den ønskede måde vandret. "

Mellemstore og små udsving i en orkans voldsomme turbulente strøm, som ikke er løst ved prognosekoder som WRF, er ganske betydelige. Forskernes strategi? "Vi rider simpelthen de mindre udsving i strømmen, "sagde Meneghello." De mindre flydende fluefeltsudsvingninger forårsager noget tilfældigt at gå i ballonbevægelsen. Vi modellerer disse udsving statistisk, og reager kun med korrektioner, hvis en ballon afviger for langt fra den ønskede placering i formationen. "

Baggrund for projektet

Som opsummeret i deres ISSF -papir, forskernes strategi for at anvende sådanne korrektioner, kaldet Three Level Control (og kærligt forkortet TLC), anvender et begrænset skift til den lodrette placering af den forskudte ballon i en kort periode, igen udnytte den stærke lodrette lagdeling af de vandrette vinde for at returnere ballonen til dens nominelle ønskede placering.

En tredje væsentlig ingrediens i projektet, opsummeret i forskernes IEEE -papir, er designet af små (ca. 3 kg eller 6,5 lbs.), robust, energisk effektiv, opdriftskontrollerede balloner, der kan overleve, uden væsentlig ophobning af is, i kulden, våd, turbulent, elektrisk orkans miljø. Ballonerne kan fungere effektivt i op til en uge ad gangen på en batteriopladning, der ikke er meget større end en håndfuld iPhones. "Mobiltelefon-grade teknologier, for både miljøsensorer såvel som lavenergiradioer og mikroprocessorer, kombineret med ny space-grade ballonteknologi udviklet af Thin Red Line Aerospace, er på nippet til at gøre denne ambitiøse robotføler -mission gennemførlig, "sagde Bewley.

Kontrolteori anvendt

Udover robotik, Bewleys team har specialiseret sig inden for kontrolteori, som er den essentielle "skjulte teknologi" i mange tekniske applikationer, såsom fartpilot og adaptive affjedringssystemer i biler, stabilitetsforstærkningssystemer i højtydende fly og adaptiv støjreduktion i telekommunikation. Kontrolteori gjorde det muligt for SpaceX raketter at lande på pramme til søs.

Selvom de involverede matematiske og numeriske metoder er sofistikerede, det grundlæggende princip er ligetil:sensorer tager målinger af det fysiske miljø, derefter bruger en computer disse målinger i realtid til at koordinere passende svar fra systemet (i dette tilfælde, ballonernes opdrift) for at opnå den ønskede effekt.

Bewley, Meneghello og kolleger arbejder nu på at teste balloner og algoritmer designet i denne undersøgelse i den virkelige verden. Med sensorballonsværme og den særlige TLC, der kommer ud af deres laboratorium, brand- og sikkerhedstjenestemænd kan snart få et afgørende par dage til at flytte folk ud af fare, og for at forberede nødhjælp, når den næste Katrina eller Sandy truer.