控制算法可以使载有传感器的气球在飓风中漂浮一周

加州大学圣地亚哥分校的控制工程师已经制定了实用的策略，用于在飓风中建立和协调大量载有传感器的气球。

使用机载GPS和手机级传感器，每个漂移气球都成为机器人车辆的“群体”的一部分，机器人车辆可以通过卫星上行链路定期报告其位置，当地温度，压力，湿度和风速。

这种新的，成本相对较低的传感策略有望在更长的时间内从发展中的飓风中的许多有利位置提供急需的环境条件原位采样。这有可能大大提高实时估算和预测未来飓风强度和轨迹的努力。

目前对于许多飓风的两到五天的预测相互之间存在显着偏差，并且与事实有很大差异。例如，由于飓风马修在2016年10月初向东部海岸转向，各种新闻媒体报道称“飓风马修可能会在查尔斯顿和波士顿之间的某个地方登陆，所以每个人都支持自己。”

加州大学圣地亚哥分校Jacobs工程学院教授，​​该论文的资深作者托马斯·比利(Thomas Bewley)说：“这样的指导完全不适合疏散和出现应急准备。”

他补充说，通过改进现场环境取样可以极大地促进预测，对于保护财产和拯救生命免受这种极端环境威胁至关重要。

这项工作的主要挑战包括设计小型，坚固，浮力控制的气球，不会积冰; 有效协调这些气球的运动，使它们在飓风中移动，在0到8公里(约5英里)的高度之间; 并使它们在飓风内动态显着的区域内保持良好分布，一次最多一周。

Bewley和加州大学圣地亚哥分校博士后研究员Gianluca Meneghello在2016年10月出版的“ 物理评论流体”中详细介绍了他们在这个问题上工作的各个方面，并在第八届分层流国际研讨会(ISSF)的会议记录中发表了工作。在圣地亚哥，(2016年9月1日)。他们计划在即将在蒙大拿州Big Sky举行的IEEE航空航天会议上扩展他们的工作。(2017年3月6日)

模型如何工作

如物理评论流体文章中所讨论的，飓风内气球群的大规模协调模型使用了一种聪明的策略，通过利用国家大气研究中心开发的尖端天气研究和预测代码对预测控制进行建模，国家海洋和大气管理局和空军气象局(AFWA)。

“我们的大规模气球协调战略的关键理念，”Bewley说，“就是”随波逐流“，指挥气球的小垂直运动，并利用飓风内水平风的强烈垂直分层来分配气球以所需的方式横向展开。“

飓风剧烈湍流的中等规模和小规模波动，如WRF这样的预测代码尚未解决，是相当可观的。研究人员的策略?“我们只是简单地克服了流量的较小规模波动，”Meneghello说。“较小规模的流场波动会引起气球运动中的随机行走。我们在统计上对这些波动进行建模，并且只有当气球偏离其在地层中所需位置太远时才能进行校正。”

项目背景

正如他们在ISSF论文中所总结的那样，研究人员应用这种校正的策略，被称为三级控制(以及可爱的缩写TLC)，在短时间内对移位气球的垂直位置进行有限的转换，再次利用强水平风的垂直分层使气球返回其标称的所需位置。

该项目的第三个基本要素，在研究人员的IEEE论文中总结，是小型(约3公斤或6.5磅)，坚固，能量效率，浮力控制气球的设计，可以生存，没有明显的积冰，在飓风的寒冷，潮湿，湍流，电活动的环境中。气球可以一次有效地运行长达一周，电池电量不会比少数iPhone的电池充电量大很多。“用于环境传感器以及低能量无线电和微处理器的手机级技术，再加上由Thin Red Line Aerospace开发的新型空间级气球技术，正在使这一雄心勃勃的机器人传感任务变得可行，”比尤利。

应用控制理论

除机器人外，Bewley的团队还专注于控制理论领域，这是许多工程应用中必不可少的“隐藏技术”，例如汽车中的巡航控制和自适应悬架系统，高性能飞机中的稳定性增强系统和自适应噪声电信取消。控制理论使得SpaceX火箭可以降落在海上驳船上。虽然所涉及的数学和数值方法都很复杂，但基本原理很简单：传感器测量物理环境，然后计算机实时使用这些测量来协调系统的适当响应(在这种情况下，气球的浮力) )达到预期的效果。

Bewley，Meneghello及其同事正在努力测试现实世界中本研究中设计的气球和算法。随着传感器气球群和特殊TLC从他们的实验室出来，消防和安全官员可能很快就会有一个至关重要的时间来让人们摆脱伤害的方式，并准备应急响应，当下一个卡特里娜或桑迪威胁。