Os engenheiros de controle da UC San Diego desenvolveram estratégias práticas para construir e coordenar dezenas de balões carregados com sensores dentro de furacões.

Usando GPS a bordo e sensores de nível de celular, cada balão à deriva torna-se parte de um "enxame" de veículos robóticos, que pode relatar periodicamente, via uplink de satélite, a posição deles, a temperatura local, pressão, umidade e velocidade do vento.

Esta nova, A estratégia de detecção de custo comparativamente baixo promete fornecer a tão necessária amostragem in situ das condições ambientais por um longo intervalo de tempo e de muitos pontos de vista dentro de furacões em desenvolvimento. Isso tem o potencial de melhorar muito os esforços para estimar e prever a intensidade e o rastreamento de futuros furacões em tempo real.

As previsões atuais de dois a cinco dias de muitos furacões divergem significativamente entre si, e da verdade. Por exemplo, enquanto o furacão Matthew se agitava em direção à costa leste no início de outubro de 2016, vários meios de comunicação relataram "previsões" como "O furacão Matthew provavelmente atingirá a costa em algum lugar entre Charleston e Boston, para que todos se preparem. "

"Orientações como essa são totalmente inadequadas para os preparativos de evacuação e emergência, "disse Thomas Bewley, professor da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e autor sênior do artigo.

Previsões aprimoradas, a ser grandemente facilitado pela melhoria da amostragem ambiental in situ, são essenciais para proteger a propriedade e salvar vidas de tais ameaças ambientais extremas, ele adicionou.

Os principais desafios neste esforço incluem o design de pequenas, robusto, balões com flutuabilidade controlada que não acumulam gelo; a coordenação eficiente do movimento desses balões para mantê-los em movimento dentro do furacão, entre uma altitude de 0 e 8 quilômetros (cerca de 5 milhas); e mantê-los bem distribuídos nas regiões dinamicamente significativas dentro do furacão, por até uma semana de cada vez.

Bewley e o pesquisador de pós-doutorado da UC San Diego, Gianluca Meneghello, detalham vários aspectos de seu trabalho sobre este problema na edição de outubro de 2016 da Fluidos de revisão física , com base no trabalho que publicaram nos anais do oitavo Simpósio Internacional de Fluxos Estratificados (ISSF) em San Diego, (1 de setembro, 2016). Eles planejam expandir seu trabalho na próxima IEEE Aerospace Conference in Big Sky, Mont. (6 de março, 2017).

Como funciona o modelo

O modelo para coordenação em grande escala de enxames de balões dentro de furacões, como discutido no Fluidos de revisão física artigo, usa uma estratégia inteligente para modelar o controle preditivo, aproveitando o código de pesquisa e previsão do tempo desenvolvido pelo National Center for Atmospheric Research, a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional e a Agência Meteorológica da Força Aérea (AFWA). Múltiplas simulações indicam a notável eficácia desta abordagem, incluindo uma simulação baseada na evolução do furacão Katrina conforme ele se movia pelo Golfo do México, conforme resumido no vídeo disponível em http://flowcontrol.ucsd.edu/katrina.mp4

`A ideia principal de nossa estratégia de coordenação de balões em grande escala, '' disse Bewley, "é seguir o fluxo, 'comandando pequenos movimentos verticais dos balões e aproveitando a forte estratificação vertical dos ventos horizontais dentro do furacão para distribuir os balões na forma desejada horizontalmente. "

Flutuações de escala intermediária e de pequena escala no fluxo turbulento violento de um furacão, que não são resolvidos por códigos de previsão como WRF, são bastante substanciais. A estratégia dos pesquisadores? "Nós simplesmente ultrapassamos as flutuações de menor escala do fluxo, "disse Meneghello." As flutuações do campo de fluxo em escala menor induzem algo como um passeio aleatório no movimento do balão. Modelamos essas flutuações estatisticamente, e responder com correções apenas se um balão se desviar muito de seu local desejado na formação. "

Histórico do projeto

Conforme resumido em seu artigo ISSF, a estratégia dos pesquisadores para aplicar tais correções, apelidado de controle de três níveis (e carinhosamente abreviado TLC), aplica um deslocamento finito para a localização vertical do balão deslocado por um curto período de tempo, novamente aproveitando a forte estratificação vertical dos ventos horizontais para retornar o balão ao seu local nominal desejado.

Um terceiro ingrediente essencial do projeto, resumido no artigo IEEE dos pesquisadores, é o design de pequeno (cerca de 3 kg ou 6,5 lbs.), robusto, energeticamente eficiente, balões com flutuabilidade controlada que podem sobreviver, sem acúmulo significativo de gelo, no frio, molhado, turbulento, ambiente eletricamente ativo de um furacão. Os balões podem operar com eficácia por até uma semana por vez com uma carga de bateria não muito maior do que a de um punhado de iPhones. "Tecnologias para celulares, para sensores ambientais, bem como rádios e microprocessadores de baixa energia, juntamente com a nova tecnologia de balão de nível espacial desenvolvida pela Thin Red Line Aerospace, estão prestes a tornar viável esta ambiciosa missão de detecção robótica, "disse Bewley.

Teoria de controle aplicada

Além da robótica, A equipe de Bewley é especializada no campo da teoria de controle, que é a "tecnologia oculta" essencial em muitas aplicações de engenharia, como controle de cruzeiro e sistemas de suspensão adaptativa em carros, sistemas de aumento de estabilidade em aeronaves de alto desempenho e cancelamento de ruído adaptativo em telecomunicações. A teoria de controle possibilitou que os foguetes SpaceX pousassem em barcaças no mar.

Embora os métodos matemáticos e numéricos envolvidos sejam sofisticados, o princípio fundamental é direto:os sensores fazem medições do ambiente físico, então, um computador usa essas medições em tempo real para coordenar as respostas apropriadas pelo sistema (neste caso, a flutuabilidade dos balões) para obter o efeito desejado.

Bewley, Meneghello e seus colegas agora estão trabalhando para testar os balões e algoritmos projetados neste estudo no mundo real. Com enxames de balões de sensores e o TLC especial saindo de seu laboratório, Funcionários de bombeiros e segurança podem em breve ter alguns dias extras cruciais para tirar as pessoas do caminho de perigo, e para preparar respostas de emergência, quando o próximo Katrina ou Sandy ameaçar.