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 grado de teléfono celular, cada globo a la deriva se convierte en parte de un `` enjambre '' de vehículos robóticos, que pueden informar periódicamente, a través de un enlace ascendente por satélite, su posición, la temperatura local, la presión, la humedad y la velocidad del viento.
Esta nueva 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 enormemente los esfuerzos para estimar y pronosticarla 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 informativos informaron "pronósticos" como "el huracán Matthewprobablemente tocará tierra en algún lugar entre Charleston y Boston, así que prepárense todos ".
"Una guía como esta es totalmente inadecuada para los preparativos de evacuación y respuesta a emergencias", dijo Thomas Bewley, profesor de la Escuela de Ingeniería Jacobs en UC San Diego y autor principal del artículo.
Los pronósticos mejorados, que se facilitarán en gran medida mediante un muestreo ambiental in situ mejorado, son esenciales para proteger la propiedad y salvar vidas de amenazas ambientales tan extremas, agregó.
Los desafíos clave en este esfuerzo incluyen el diseño de globos pequeños, robustos, con flotabilidad controlada que no acumularán hielo; la coordinación eficiente del movimiento de estos globos para mantenerlos en movimiento dentro del huracán, entre una altitud de 0 y 8kilómetros aproximadamente 5 millas; y para mantenerlos bien distribuidos en las regiones dinámicamente significativas dentro del huracán, hasta 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 de 2016. Planean expandir su trabajo en la próxima Conferencia Aeroespacial IEEE en Big Sky, Mont. 6 de marzo de 2017.
Cómo funciona el modelo
El modelo para la coordinación a gran escala de enjambres de globos dentro de los huracanes, como se analiza en el artículo de Physical Review Fluids, utiliza una estrategia inteligente para modelar el control predictivo al aprovechar el código de investigación y pronóstico meteorológico de vanguardia desarrollado por el Centro Nacional para la Atmósfera.Research, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica y la Agencia Meteorológica de la Fuerza Aérea AFWA.
`La idea clave de nuestra estrategia de coordinación de globos a gran escala '', dijo Bewley, 'es' ir con la corriente ', al mando de pequeños movimientos verticales de los globos y aprovechando la fuerte estratificación vertical de los vientos horizontales dentro del huracánpara distribuir los globos de la manera deseada horizontalmente. "
Las 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 de menor escala del flujo", 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 respondemos con correcciones solo si un globo se desvía demasiado de su ubicación deseada en la formación ".
Antecedentes del proyecto
Como se resume en su artículo ISSF, la estrategia de los investigadores para aplicar tales correcciones, denominada Control de tres niveles y TLC cariñosamente abreviado, aplica un cambio finito a la ubicación vertical del globo desplazado durante un corto período de tiempo, aprovechando nuevamentela 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 documento IEEE de los investigadores, es el diseño de globos pequeños alrededor de 3 kg o 6,5 libras, robustos, energéticamente eficientes y con control de flotabilidad que pueden sobrevivir sin una acumulación significativade hielo, en el ambiente frío, húmedo, turbulento y 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, 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 en la cúspide 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 de control, que es la "tecnología oculta" esencial en muchas aplicaciones de ingeniería, como control de crucero y sistemas de suspensión adaptativa en automóviles, sistemas de aumento de estabilidad en aeronaves de alto rendimiento ycancelación adaptativa del ruido en las telecomunicaciones. La teoría de 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 las usamediciones en tiempo real para coordinar las respuestas adecuadas 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 los enjambres de globos sensores y el TLC especial que sale de su laboratorio, los oficiales de bomberos y seguridad pronto pueden tener un par adicional crucialde días para sacar a las personas de peligro y para preparar respuestas de emergencia, cuando la próxima Katrina o Sandy amenacen.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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