Gli ingegneri dei controlli della UC San Diego hanno sviluppato strategie pratiche per costruire e coordinare decine di palloni carichi di sensori all'interno degli uragani.

Utilizzando GPS a bordo e sensori di livello cellulare, ogni pallone alla deriva diventa parte di uno "sciame" di veicoli robotici, che può riferire periodicamente, tramite collegamento satellitare, la loro posizione, la temperatura locale, pressione, umidità e velocità del vento.

Questo nuovo, una strategia di rilevamento relativamente a basso costo promette di fornire il tanto necessario campionamento in situ delle condizioni ambientali per un intervallo di tempo più lungo e da molti punti di vista all'interno degli uragani in via di sviluppo. Ciò ha il potenziale per migliorare notevolmente gli sforzi per stimare e prevedere l'intensità e la traccia dei futuri uragani in tempo reale.

Le attuali previsioni da due a cinque giorni di molti uragani si discostano significativamente l'una dall'altra, e dalla verità. Per esempio, quando l'uragano Matthew si è abbattuto sulla costa orientale all'inizio di ottobre del 2016, vari organi di stampa hanno riportato "previsioni" come "l'uragano Matthew probabilmente arriverà da qualche parte tra Charleston e Boston, quindi preparatevi tutti".

"Una guida come questa è del tutto inadeguata per l'evacuazione e i preparativi per la risposta alle emergenze, " disse Thomas Bewley, un professore alla Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego e autore senior del documento.

Previsioni migliorate, essere notevolmente facilitato da un migliore campionamento ambientale in situ, sono essenziali per proteggere la proprietà e salvare vite umane da minacce ambientali così estreme, Ha aggiunto.

Le sfide chiave in questo sforzo includono la progettazione di piccoli, robusto, palloncini a galleggiabilità controllata che non accumulano ghiaccio; l'efficiente coordinamento del movimento di questi palloncini per mantenerli in movimento all'interno dell'uragano, tra un'altitudine di 0 e 8 chilometri (circa 5 miglia); e per mantenerli ben distribuiti nelle regioni dinamicamente significative all'interno dell'uragano, per un massimo di una settimana alla volta.

Bewley e Gianluca Meneghello, ricercatore post-dottorato dell'UC San Diego, descrivono in dettaglio vari aspetti del loro lavoro su questo problema nel numero di ottobre 2016 del Fluidi per la revisione fisica , basandosi sul lavoro che hanno pubblicato negli atti dell'ottavo Simposio internazionale sui flussi stratificati (ISSF) a San Diego, (1 settembre, 2016). Hanno in programma di espandere il loro lavoro alla prossima conferenza aerospaziale IEEE a Big Sky, Mont. (6 marzo, 2017).

Come funziona il modello

Il modello per il coordinamento su larga scala degli sciami di palloncini all'interno degli uragani, come discusso nel Fluidi per la revisione fisica articolo, utilizza una strategia intelligente per modellare il controllo predittivo sfruttando il codice all'avanguardia di ricerca e previsione meteorologica sviluppato dal Centro nazionale per la ricerca atmosferica, la National Oceanic and Atmospheric Administration e l'Air Force Weather Agency (AFWA). Molteplici simulazioni indicano la notevole efficacia di questo approccio, inclusa una simulazione basata sull'evoluzione dell'uragano Katrina mentre attraversava il Golfo del Messico, come riassunto nel video disponibile su http://flowcontrol.ucsd.edu/katrina.mp4

`L'idea chiave della nostra strategia di coordinamento dei palloni aerostatici su larga scala, '' ha detto Bewley, "è quello di `andare con il flusso, ' comandare piccoli movimenti verticali dei palloni e sfruttare la forte stratificazione verticale dei venti orizzontali all'interno dell'uragano per distribuire i palloni nel modo desiderato orizzontalmente."

Fluttuazioni di media e piccola scala nel flusso turbolento violento di un uragano, che non sono risolti da codici di previsione come WRF, sono abbastanza sostanziosi. La strategia dei ricercatori? "Ci limitiamo semplicemente a superare le fluttuazioni su piccola scala del flusso, " ha detto Meneghello. "Le fluttuazioni del campo di flusso su piccola scala inducono qualcosa di una passeggiata casuale nel movimento del pallone. Modelliamo statisticamente queste fluttuazioni, e rispondere con correzioni solo se un pallone devia troppo lontano dalla sua posizione desiderata nella formazione."

Background del progetto

Come riassunto nel loro documento ISSF, la strategia dei ricercatori per applicare tali correzioni, soprannominato Three Level Control (e abbreviato in modo accattivante TLC), applica uno spostamento finito alla posizione verticale del pallone spostato per un breve periodo di tempo, sfruttando nuovamente la forte stratificazione verticale dei venti orizzontali per riportare il pallone nella posizione nominale desiderata.

Un terzo ingrediente essenziale del progetto, riassunto nel documento IEEE dei ricercatori, è il design di piccole (circa 3 kg o 6,5 libbre), robusto, energeticamente efficiente, palloncini a galleggiabilità controllata che possono sopravvivere, senza significativi accumuli di ghiaccio, nel freddo, bagnato, turbolento, ambiente elettricamente attivo di un uragano. I palloncini possono funzionare efficacemente fino a una settimana alla volta con una carica della batteria non molto più grande di quella di una manciata di iPhone. "Tecnologie di livello cellulare, sia per sensori ambientali che per radio e microprocessori a basso consumo energetico, insieme alla nuova tecnologia dei palloni aerospaziali sviluppata da Thin Red Line Aerospace, sono sul punto di rendere fattibile questa ambiziosa missione di rilevamento robotico, " disse Bewley.

Teoria del controllo applicata

Oltre alla robotica, Il team di Bewley è specializzato nel campo della teoria del controllo, che è la "tecnologia nascosta" essenziale in molte applicazioni ingegneristiche, come il controllo della velocità di crociera e i sistemi di sospensione adattiva nelle auto, sistemi di aumento della stabilità in velivoli ad alte prestazioni e cancellazione adattiva del rumore nelle telecomunicazioni. La teoria del controllo ha permesso ai razzi SpaceX di atterrare su chiatte in mare.

Sebbene i metodi matematici e numerici coinvolti siano sofisticati, il principio fondamentale è semplice:i sensori effettuano misurazioni dell'ambiente fisico, quindi un computer utilizza queste misurazioni in tempo reale per coordinare le risposte appropriate da parte del sistema (in questo caso, la galleggiabilità dei palloncini) per ottenere l'effetto desiderato.

Bewley, Meneghello e colleghi stanno ora lavorando per testare i palloncini e gli algoritmi progettati in questo studio nel mondo reale. Con gli sciami di palloncini sensoriali e la speciale TLC che esce dal loro laboratorio, i vigili del fuoco e la sicurezza potrebbero presto avere un paio di giorni in più per allontanare le persone dal pericolo, e per preparare risposte di emergenza, quando la prossima Katrina o Sandy minaccia.