控制算法可以使載有傳感器的氣球在颶風中漂浮一周

加州大學圣地亞哥分校的控制工程師已經制定了實用的策略，用于在颶風中建立和協調大量載有傳感器的氣球。

使用機載GPS和手機級傳感器，每個漂移氣球都成為機器人車輛的“群體”的一部分，機器人車輛可以通過衛星上行鏈路定期報告其位置，當地溫度，壓力，濕度和風速。

這種新的，成本相對較低的傳感策略有望在更長的時間內從發展中的颶風中的許多有利位置提供急需的環境條件原位采樣。這有可能大大提高實時估算和預測未來颶風強度和軌跡的努力。

目前對于許多颶風的兩到五天的預測相互之間存在顯著偏差，并且與事實有很大差異。例如，由于颶風馬修在2016年10月初向東部海岸轉向，各種新聞媒體報道稱“颶風馬修可能會在查爾斯頓和波士頓之間的某個地方登陸，所以每個人都支持自己。”

加州大學圣地亞哥分校Jacobs工程學院教授，??該論文的資深作者托馬斯·比利(Thomas Bewley)說：“這樣的指導完全不適合疏散和出現應急準備。”

他補充說，通過改進現場環境取樣可以極大地促進預測，對于保護財產和拯救生命免受這種極端環境威脅至關重要。

這項工作的主要挑戰包括設計小型，堅固，浮力控制的氣球，不會積冰; 有效協調這些氣球的運動，使它們在颶風中移動，在0到8公里(約5英里)的高度之間; 并使它們在颶風內動態顯著的區域內保持良好分布，一次最多一周。

Bewley和加州大學圣地亞哥分校博士后研究員Gianluca Meneghello在2016年10月出版的“ 物理評論流體”中詳細介紹了他們在這個問題上工作的各個方面，并在第八屆分層流國際研討會(ISSF)的會議記錄中發表了工作。在圣地亞哥，(2016年9月1日)。他們計劃在即將在蒙大拿州Big Sky舉行的IEEE航空航天會議上擴展他們的工作。(2017年3月6日)

模型如何工作

如物理評論流體文章中所討論的，颶風內氣球群的大規模協調模型使用了一種聰明的策略，通過利用國家大氣研究中心開發的尖端天氣研究和預測代碼對預測控制進行建模，國家海洋和大氣管理局和空軍氣象局(AFWA)。

“我們的大規模氣球協調戰略的關鍵理念，”Bewley說，“就是”隨波逐流“，指揮氣球的小垂直運動，并利用颶風內水平風的強烈垂直分層來分配氣球以所需的方式橫向展開。“

颶風劇烈湍流的中等規模和小規模波動，如WRF這樣的預測代碼尚未解決，是相當可觀的。研究人員的策略?“我們只是簡單地克服了流量的較小規模波動，”Meneghello說。“較小規模的流場波動會引起氣球運動中的隨機行走。我們在統計上對這些波動進行建模，并且只有當氣球偏離其在地層中所需位置太遠時才能進行校正。”

項目背景

正如他們在ISSF論文中所總結的那樣，研究人員應用這種校正的策略，被稱為三級控制(以及可愛的縮寫TLC)，在短時間內對移位氣球的垂直位置進行有限的轉換，再次利用強水平風的垂直分層使氣球返回其標稱的所需位置。

該項目的第三個基本要素，在研究人員的IEEE論文中總結，是小型(約3公斤或6.5磅)，堅固，能量效率，浮力控制氣球的設計，可以生存，沒有明顯的積冰，在颶風的寒冷，潮濕，湍流，電活動的環境中。氣球可以一次有效地運行長達一周，電池電量不會比少數iPhone的電池充電量大很多。“用于環境傳感器以及低能量無線電和微處理器的手機級技術，再加上由Thin Red Line Aerospace開發的新型空間級氣球技術，正在使這一雄心勃勃的機器人傳感任務變得可行，”比尤利。

應用控制理論

除機器人外，Bewley的團隊還專注于控制理論領域，這是許多工程應用中必不可少的“隱藏技術”，例如汽車中的巡航控制和自適應懸架系統，高性能飛機中的穩定性增強系統和自適應噪聲電信取消。控制理論使得SpaceX火箭可以降落在海上駁船上。雖然所涉及的數學和數值方法都很復雜，但基本原理很簡單：傳感器測量物理環境，然后計算機實時使用這些測量來協調系統的適當響應(在這種情況下，氣球的浮力) )達到預期的效果。

Bewley，Meneghello及其同事正在努力測試現實世界中本研究中設計的氣球和算法。隨著傳感器氣球群和特殊TLC從他們的實驗室出來，消防和安全官員可能很快就會有一個至關重要的時間來讓人們擺脫傷害的方式，并準備應急響應，當下一個卡特里娜或桑迪威脅。