Los investigadores de UC San Diego, Bewley y Meneghello, están investigando la coordinación energéticamente eficiente de enjambres de globos cargados de sensores para en el lugar, mediciones en tiempo real del desarrollo de huracanes. Crédito:Universidad de California - San Diego
Los ingenieros de control de UC San Diego han desarrollado estrategias prácticas para construir y coordinar decenas de globos cargados de sensores dentro de los huracanes.
Usando GPS a bordo y sensores de nivel de teléfono celular, cada globo a la deriva se convierte en parte de un "enjambre" de vehículos robóticos, que puede informar periódicamente, vía satélite uplink, su posición, la temperatura local, presión, humedad y velocidad del viento.
Esta nueva La estrategia de detección comparativamente de bajo costo promete proporcionar un muestreo in situ muy necesario de las condiciones ambientales durante un período más largo y desde muchos puntos estratégicos dentro de los huracanes en desarrollo. Esto tiene el potencial de mejorar en gran medida los esfuerzos para estimar y pronosticar la intensidad y el seguimiento de futuros huracanes en tiempo real.
Los pronósticos actuales de dos a cinco días de muchos huracanes se desvían significativamente entre sí, y de la verdad. Por ejemplo, cuando el huracán Matthew azotó la costa este a principios de octubre de 2016, varios medios de comunicación informaron "pronósticos" como "el huracán Matthew probablemente tocará tierra en algún lugar entre Charleston y Boston, así que todos prepárense ".
"Orientaciones como esta son totalmente inadecuadas para los preparativos de evacuación y respuesta a emergencias, "dijo Thomas Bewley, profesor de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del artículo.
Pronósticos mejorados, facilitarse en gran medida mediante un muestreo ambiental in situ mejorado, son esenciales para proteger la propiedad y salvar vidas de amenazas ambientales tan extremas, añadió.
Difusión típica de los pronósticos de cero a cinco días de la trayectoria del huracán Matthew, según lo realizado por los principales centros de pronóstico de huracanes el (izquierda) 3 de octubre, (medio) 6 de octubre, y (a la derecha) el 7 de octubre, 2016. Crédito:Universidad de California - San Diego
Los desafíos clave en este esfuerzo incluyen el diseño de pequeños robusto, globos con flotabilidad controlada que no acumulan hielo; la coordinación eficiente del movimiento de estos globos para mantenerlos en movimiento dentro del huracán, entre una altitud de 0 y 8 kilómetros (aproximadamente 5 millas); y mantenerlos bien distribuidos en las regiones dinámicamente significativas dentro del huracán, hasta por una semana a la vez.
Bewley y el investigador postdoctoral de UC San Diego, Gianluca Meneghello, detallan varios aspectos de su trabajo sobre este problema en la edición de octubre de 2016 de la Fluidos de revisión física , basándose en el trabajo que publicaron en las actas del octavo Simposio Internacional sobre Flujos Estratificados (ISSF) en San Diego, (1 de septiembre, 2016). Planean ampliar su trabajo en la próxima Conferencia Aeroespacial IEEE en Big Sky, Mont. (6 de Marzo, 2017).
Como funciona el modelo
El modelo para la coordinación a gran escala de enjambres de globos dentro de los huracanes, como se discutió en el Fluidos de revisión física artículo, utiliza una estrategia inteligente para modelar el control predictivo aprovechando el código de investigación y pronóstico meteorológico de vanguardia desarrollado por el Centro Nacional de Investigación Atmosférica, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica y la Agencia Meteorológica de la Fuerza Aérea (AFWA). Múltiples simulaciones indican la notable efectividad de este enfoque, incluyendo una simulación basada en la evolución del huracán Katrina a medida que avanzaba por el Golfo de México, como se resume en el video disponible en http://flowcontrol.ucsd.edu/katrina.mp4
`La idea clave de nuestra estrategia de coordinación de globos a gran escala, dijo Bewley, "es` ir con la corriente, "ordenando pequeños movimientos verticales de los globos y aprovechando la fuerte estratificación vertical de los vientos horizontales dentro del huracán para distribuir los globos de la forma deseada horizontalmente".
Fluctuaciones de escala intermedia y pequeña en el violento flujo turbulento de un huracán, que no se resuelven mediante códigos de pronóstico como WRF, son bastante sustanciales. ¿La estrategia de los investigadores? "Simplemente superamos las fluctuaciones del flujo a menor escala, ", dijo Meneghello." Las fluctuaciones del campo de flujo a menor escala inducen una especie de caminata aleatoria en el movimiento del globo. Modelamos estas fluctuaciones estadísticamente, y responder con correcciones solo si un globo se desvía demasiado de su ubicación deseada en la formación ".
Antecedentes del proyecto
Como se resume en su documento ISSF, la estrategia de los investigadores para aplicar tales correcciones, apodado Three Level Control (y TLC cariñosamente abreviado), aplica un cambio finito a la ubicación vertical del globo desplazado durante un corto período de tiempo, nuevamente aprovechando la fuerte estratificación vertical de los vientos horizontales para devolver el globo a su ubicación nominal deseada.
Un tercer ingrediente esencial del proyecto, resumido en el artículo IEEE de los investigadores, es el diseño de pequeño (alrededor de 3 kg o 6.5 lbs.), robusto, energéticamente eficiente, Globos con flotabilidad controlada que pueden sobrevivir. sin acumulación significativa de hielo, en el frio, mojado, turbulento, Entorno eléctricamente activo de un huracán. Los globos pueden funcionar eficazmente hasta una semana a la vez con una carga de batería no mucho mayor que la de un puñado de iPhones. "Tecnologías para teléfonos móviles, tanto para sensores ambientales como para radios y microprocesadores de baja energía, junto con la nueva tecnología de globos de grado espacial desarrollada por Thin Red Line Aerospace, están a punto de hacer factible esta ambiciosa misión de detección robótica, "dijo Bewley.
Teoría de control aplicada
Además de la robótica, El equipo de Bewley se especializa en el campo de la teoría del control, que es la "tecnología oculta" esencial en muchas aplicaciones de ingeniería, como el control de crucero y los sistemas de suspensión adaptativa en automóviles, sistemas de aumento de la estabilidad en aeronaves de alto rendimiento y cancelación adaptativa de ruido en telecomunicaciones. La teoría del control hizo posible que los cohetes SpaceX aterrizaran en barcazas en el mar.
Aunque los métodos matemáticos y numéricos involucrados son sofisticados, el principio fundamental es sencillo:los sensores toman medidas del entorno físico, luego, una computadora usa estas mediciones en tiempo real para coordinar las respuestas apropiadas del sistema (en este caso, la flotabilidad de los globos) para lograr el efecto deseado.
Bewley, Meneghello y sus colegas ahora están trabajando para probar los globos y algoritmos diseñados en este estudio en el mundo real. Con enjambres de globos sensores y el TLC especial que sale de su laboratorio, Es posible que los funcionarios de bomberos y seguridad pronto tengan un par de días adicionales cruciales para sacar a las personas de peligro, y preparar respuestas de emergencia, cuando la próxima Katrina o Sandy amenace.
