Kontrollingenjörer vid UC San Diego har utvecklat praktiska strategier för att bygga och samordna mängder av sensorbelastade ballonger inom orkaner.

Använda inbyggda GPS- och mobiltelefonsensorer, varje drivande ballong blir en del av en "svärm" av robotfordon, som regelbundet kan rapportera, via satellitupplänk, deras ställning, den lokala temperaturen, tryck, luftfuktighet och vindhastighet.

Den här nya, en relativt billig avkänningsstrategi lovar att tillhandahålla välbehövlig provtagning på plats av miljöförhållanden under en längre tid och från många utsiktspunkter inom utvecklingen av orkaner. Detta har potential att avsevärt förbättra insatserna för att uppskatta och förutse intensiteten och spåret av framtida orkaner i realtid.

Nuvarande två till fem dagars prognoser för många orkaner avviker avsevärt från varandra, och från sanningen. Till exempel, när orkanen Matthew vände mot den östra kusten i början av oktober 2016, olika nyhetsmedier rapporterade "prognoser" som "orkanen Matthew kommer troligen att landa någonstans mellan Charleston och Boston, så förbered er alla. "

"Vägledning som denna är helt otillräcklig för evakuering och beredskapsberedskap, "sade Thomas Bewley, en professor vid Jacobs School of Engineering vid UC San Diego och tidningens seniorförfattare.

Förbättrade prognoser, att underlättas avsevärt genom förbättrad miljöprovning på plats, är avgörande för att skydda egendom och rädda liv från sådana extrema miljöhot, han lade till.

Viktiga utmaningar i detta arbete är designen av små, robust, flytkontrollerade ballonger som inte samlar is; effektiv samordning av dessa ballongers rörelse för att hålla dem i rörelse inom orkanen, mellan en höjd av 0 och 8 kilometer (cirka 5 miles); och för att hålla dem väl fördelade över de dynamiskt betydelsefulla regionerna inom orkanen, upp till en vecka i taget.

Bewley och UC San Diego postdoktoral forskare Gianluca Meneghello beskriver olika aspekter av deras arbete med detta problem i oktober 2016-numret av Fysiska granskningsvätskor , bygger på arbete som de publicerade i förfarandena vid det åttonde internationella symposiet om stratifierade flöden (ISSF) i San Diego, (1 september, 2016). De planerar att utöka sitt arbete vid den kommande IEEE Aerospace Conference i Big Sky, Mont. (6 mars kl. 2017).

Hur modellen fungerar

Modellen för storskalig samordning av ballongsvärmar inom orkaner, som diskuteras i Fysiska granskningsvätskor artikel, använder en smart strategi för att modellera förutsägbar kontroll genom att utnyttja den banbrytande koden för väderforskning och prognoser som utvecklats av National Center for Atmospheric Research, National Oceanic and Atmospheric Administration och Air Force Weather Agency (AFWA). Flera simuleringar indikerar den anmärkningsvärda effektiviteten av detta tillvägagångssätt, inklusive en simulering baserad på orkanen Katrinas utveckling när den rörde sig över Mexikanska golfen, som sammanfattas i videon som finns på http://flowcontrol.ucsd.edu/katrina.mp4

`Nyckeltanken med vår storskaliga ballongkoordineringsstrategi, '' sade Bewley, "är att` gå med flödet, "beordrar små vertikala rörelser hos ballongerna och utnyttjar den starka vertikala skiktningen av de horisontella vindarna i orkanen för att fördela ballongerna på önskat sätt horisontellt."

Mellanslag och småskaliga fluktuationer i orkanens våldsamma turbulenta flöde, som är olösta med prognoskoder som WRF, är ganska betydande. Forskarnas strategi? "Vi rider helt enkelt ut de småskaliga fluktuationerna i flödet, "sa Meneghello." De mindre skalningsflödesfluktuationerna orsakar något av en slumpmässig promenad i ballongrörelsen. Vi modellerar dessa fluktuationer statistiskt, och svara med rättelser endast om en ballong avviker för långt från sin önskade plats i formationen. "

Bakgrund om projektet

Som sammanfattat i deras ISSF -papper, forskarnas strategi för att tillämpa sådana korrigeringar, kallad Three Level Control (och bedrövligt förkortad TLC), tillämpar ett ändrat skifte på den förskjutna ballongens vertikala plats under en kort tid, återigen utnyttja den starka vertikala skiktningen av de horisontella vindarna för att återföra ballongen till dess nominella önskade plats.

En tredje viktig ingrediens i projektet, sammanfattat i forskarnas IEEE -papper, är utformningen av små (cirka 3 kg eller 6,5 lbs.), robust, energiskt effektiv, flytkontrollerade ballonger som kan överleva, utan betydande ackumulering av is, i kylan, våt, turbulent, elektriskt aktiv miljö i en orkan. Ballongerna kan fungera effektivt i upp till en vecka i taget på en batteriladdning som inte är mycket större än för en handfull iPhones. "Teknik med mobiltelefon, för såväl miljösensorer som lågenergiradioer och mikroprocessorer, i kombination med ny rymdklassig ballongteknologi utvecklad av Thin Red Line Aerospace, är på väg att göra detta ambitiösa robotavkänningsuppdrag genomförbart, sa Bewley.

Kontrollteori tillämpad

Förutom robotik, Bewleys team är specialiserat på kontrollteori, vilket är den väsentliga "dolda tekniken" i många tekniska tillämpningar, som farthållare och adaptiva fjädringssystem i bilar, stabilitetsförstärkningssystem i högpresterande flygplan och adaptiv brusreducering inom telekommunikation. Kontrollteorin gjorde det möjligt för SpaceX -raketer att landa på pråmar till havs.

Även om de inblandade matematik- och numeriska metoderna är sofistikerade, den grundläggande principen är enkel:sensorer tar mätningar av den fysiska miljön, då använder en dator dessa mätningar i realtid för att samordna lämpliga svar från systemet (i det här fallet, ballongernas flytkraft) för att uppnå önskad effekt.

Bewley, Meneghello och kollegor arbetar nu med att testa ballonger och algoritmer som utformats i denna studie i den verkliga världen. Med sensorballongsvärmar och den speciella TLC som kommer ut från deras labb, brand- och säkerhetstjänstemän kan snart få ett avgörande par dagar extra för att flytta människor ur vägen, och för att förbereda nödsituationer, när nästa Katrina eller Sandy hotar.