Controletechnici van UC San Diego hebben praktische strategieën ontwikkeld voor het bouwen en coördineren van tientallen met sensoren beladen ballonnen in orkanen.

Met behulp van ingebouwde GPS en sensoren voor mobiele telefoons, elke drijvende ballon wordt onderdeel van een "zwerm" robotvoertuigen, die periodiek kan rapporteren, via satelliet-uplink, hun positie, de lokale temperatuur, druk, vochtigheid en windsnelheid.

Deze nieuwe, een relatief goedkope detectiestrategie belooft de broodnodige in situ bemonstering van omgevingscondities voor een langere periode en vanuit vele gezichtspunten binnen zich ontwikkelende orkanen. Dit heeft het potentieel om de inspanningen om de intensiteit en het spoor van toekomstige orkanen in realtime te schatten en te voorspellen, aanzienlijk te verbeteren.

De huidige twee tot vijfdaagse voorspellingen van veel orkanen wijken sterk van elkaar af, en van de waarheid. Bijvoorbeeld, toen orkaan Matthew begin oktober 2016 naar de oostkust raasde, verschillende nieuwsuitzendingen meldden "voorspellingen" zoals "orkaan Matthew zal waarschijnlijk ergens tussen Charleston en Boston aan land komen, dus zet iedereen schrap."

"Dit soort begeleiding is volstrekt ontoereikend voor de voorbereiding van evacuatie en opkomst, " zei Thomas Bewley, een professor aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego en senior auteur van de paper.

Verbeterde voorspellingen, aanzienlijk worden vergemakkelijkt door verbeterde in situ milieubemonstering, zijn essentieel om eigendommen te beschermen en levens te redden van dergelijke extreme milieubedreigingen, hij voegde toe.

Belangrijke uitdagingen daarbij zijn onder meer het ontwerp van kleine, robuust, drijfvermogen-gecontroleerde ballonnen die geen ijs ophopen; de efficiënte coördinatie van de beweging van deze ballonnen om ze in beweging te houden binnen de orkaan, tussen een hoogte van 0 en 8 kilometer (ongeveer 5 mijl); en om ze goed verdeeld te houden over de dynamisch significante regio's binnen de orkaan, voor maximaal een week per keer.

Bewley en UC San Diego, postdoctoraal onderzoeker Gianluca Meneghello, beschrijven verschillende aspecten van hun werk aan dit probleem in het oktobernummer van 2016 Fysieke beoordeling Vloeistoffen , voortbouwend op het werk dat ze publiceerden in de werkzaamheden van het achtste International Symposium on Stratified Flows (ISSF) in San Diego, (1 sept. 2016). Ze zijn van plan hun werk uit te breiden op de komende IEEE Aerospace Conference in Big Sky, Mont. (6 maart, 2017).

Hoe het model werkt

Het model voor grootschalige coördinatie van ballonzwermen binnen orkanen, zoals besproken in de Fysieke beoordeling Vloeistoffen artikel, gebruikt een slimme strategie om voorspellende controle te modelleren door gebruik te maken van de geavanceerde weeronderzoeks- en voorspellingscode die is ontwikkeld door het National Center for Atmospheric Research, de National Oceanic and Atmospheric Administration en de Air Force Weather Agency (AFWA). Meerdere simulaties wijzen op de opmerkelijke effectiviteit van deze aanpak, inclusief een simulatie gebaseerd op de evolutie van orkaan Katrina terwijl deze over de Golf van Mexico trok, zoals samengevat in de video die beschikbaar is op http://flowcontrol.ucsd.edu/katrina.mp4

`Het kernidee van onze grootschalige balloncoördinatiestrategie, ' zei Bewley, "is om met de stroom mee te gaan, ' commandant van kleine verticale bewegingen van de ballonnen en gebruikmakend van de sterke verticale gelaagdheid van de horizontale winden in de orkaan om de ballonnen op de gewenste manier horizontaal te verspreiden."

Middelgrote en kleinschalige fluctuaties in de gewelddadige turbulente stroming van een orkaan, die niet worden opgelost door voorspellingscodes zoals WRF, zijn behoorlijk substantieel. De strategie van de onderzoekers? "We rijden gewoon de kleinere fluctuaties van de stroom uit, " zei Meneghello. "De kleinere stroomveldfluctuaties veroorzaken iets van een willekeurige wandeling in de ballonbeweging. We modelleren deze fluctuaties statistisch, en reageer alleen met correcties als een ballon te ver afwijkt van de gewenste locatie in de formatie."

Achtergrondinformatie over het project

Zoals samengevat in hun ISSF-document, de strategie van de onderzoekers voor het toepassen van dergelijke correcties, genaamd Three Level Control (en vertederend afgekort TLC), past een eindige verschuiving toe op de verticale locatie van de verplaatste ballon voor een korte tijdsperiode, opnieuw gebruikmakend van de sterke verticale gelaagdheid van de horizontale winden om de ballon terug te brengen naar de nominale gewenste locatie.

Een derde essentieel ingrediënt van het project, samengevat in de IEEE-paper van de onderzoekers, is het ontwerp van kleine (ongeveer 3 kg of 6.5 lbs.), robuust, energetisch efficiënt, drijfvermogen-gecontroleerde ballonnen die kunnen overleven, zonder noemenswaardige ophoping van ijs, in de kou, nat, turbulent, elektrisch actieve omgeving van een orkaan. De ballonnen kunnen tot een week lang effectief werken op een batterijlading die niet veel groter is dan die van een handvol iPhones. "Technologieën voor mobiele telefoons, voor zowel omgevingssensoren als energiezuinige radio's en microprocessors, in combinatie met nieuwe ballontechnologie van ruimtekwaliteit ontwikkeld door Thin Red Line Aerospace, op het punt staan ​​om deze ambitieuze robot-sensing-missie haalbaar te maken, ' zei Bewley.

Regeltheorie toegepast

Naast robotica, Het team van Bewley is gespecialiseerd op het gebied van regeltheorie, wat de essentiële "verborgen technologie" is in veel technische toepassingen, zoals cruise control en adaptieve veersystemen in auto's, stabiliteitsverbeteringssystemen in krachtige vliegtuigen en adaptieve ruisonderdrukking in telecommunicatie. Controletheorie maakte het mogelijk dat SpaceX-raketten op zeeschepen konden landen.

Hoewel de betrokken wiskundige en numerieke methoden verfijnd zijn, het basisprincipe is eenvoudig:sensoren meten de fysieke omgeving, vervolgens gebruikt een computer deze metingen in realtime om de juiste reacties van het systeem te coördineren (in dit geval het drijfvermogen van de ballonnen) om het gewenste effect te bereiken.

Bewley, Meneghello en collega's werken nu aan het testen van de ballonnen en algoritmen die in dit onderzoek zijn ontworpen in de echte wereld. Met sensorballonzwermen en de speciale TLC die uit hun lab komt, Brandweer- en veiligheidsfunctionarissen hebben binnenkort misschien een paar cruciale extra dagen om mensen uit de gevarenzone te brengen, en om noodmaatregelen voor te bereiden, wanneer de volgende Katrina of Sandy dreigt.