211service.com
Sokoły wędrowne inspirują nową strategię szybownictwa termicznego dla UAV
Termika to ciepłe obszary atmosfery, które poruszają się w górę szybciej niż tempo opadania szybowca lub ptaka. W rezultacie piloci i ptaki, które potrafią znaleźć i wykorzystać termiki, mogą dłużej pozostawać w powietrzu, zużywając jednocześnie mniej paliwa.
Nic więc dziwnego, że projektanci bezzałogowych statków powietrznych (UAV) są zainteresowani opracowaniem strategii wyszukiwania i wykorzystywania termiki.
Piloci szybowcowi mają już prosty zestaw zasad opracowany przez pilota szybowcowego długodystansowego Helmuta Reichmanna (który zginął w zderzeniu w powietrzu w 1992 roku). Piloci stosują te tak zwane zasady Reichmanna, kiedy wspinają się po spirali z powodu termiki. Zasady są następujące:
1. Jeśli wznoszenie się poprawia, poszerz spiralę, zmniejszając kąt przechyłu.
2. Jeśli wznoszenie się pogarsza, dokręć spiralę, zwiększając kąt przechyłu.
3. A jeśli wznoszenie pozostaje stałe, utrzymuj stały kąt przechyłu.
Działa to dość dobrze, ale ma istotne ograniczenia, szczególnie gdy w atmosferze występuje szum termiczny (tj. turbulencja). Turbulencja może oszukać lotników, którzy myślą, że są w termice, podczas gdy w rzeczywistości tak nie jest; i vice versa, nakłaniając ich do myślenia, że nie są w termice, kiedy są.
Oczywiście istnieje wiele innych strategii. Ostatnio naukowcy zaczęli wykorzystywać dane GPS do rejestrowania torów lotu i pomiaru prędkości wznoszenia dla różnych kątów przechyłu. Następnie mogą wykorzystać te informacje do oszacowania środka dowolnego źródła termicznego i w ten sposób wykorzystać go pełniej.
Problem z tym podejściem polega na tym, że jest ono drogie obliczeniowo i energochłonne. A to kluczowy czynnik dla UAV, które mają ograniczoną moc na pokładzie.
Dziś Zsuzsa Ákos z Uniwersytetu Eötvös na Węgrzech wraz z kilkoma kumplami proponuje inne podejście inspirowane filmami wideo i śledzeniem GPS sokołów wędrownych w locie. Okazuje się, że ci mistrzowie szybowania termicznego stosują strategię sprzeczną z intuicją: zamiast poruszać się po spirali w jednym kierunku, aby pozostać w jednym cieple, stale zmieniają kierunek swoich spiral.
Na pierwszy rzut oka wydaje się to dziwne. Zmień kierunek swojej spirali i natychmiast wylatujesz z termiki. Ale Ákos i spółka zasymulowali tę strategię i twierdzą, że w tym szaleństwie jest metoda.
Kluczem jest rozpoznanie, że atmosfera jest wypełniona termiką, która jest rozłożona w przestrzeni 3D w złożony sposób. Zgodnie z ich symulacją, powodem, dla którego zmiana kierunku działa tak dobrze, jest to, że umożliwia lotnikowi bardziej efektywne próbkowanie objętości atmosfery, co zwiększa prawdopodobieństwo znalezienia lepszej temperatury. Co najważniejsze, działa to szczególnie dobrze, gdy występują turbulencje.
Nowa strategia jest prosta obliczeniowo, a jej wdrożenie wymaga niewielkiej mocy. Myślimy więc, że bezzałogowe statki powietrzne mogłyby latać dłużej, zużywając mniej energii, gdyby skopiowały lotne zachowanie sokoła.
Jest to jednak praca w toku. Dokładnie o ile lepsza zmiana kierunku się skończyła, powiedzmy, reguły Reichmanna nie są jeszcze jasne. Ákos i wsp. twierdzą, że ich symulacje wskazują, że zmiana kierunku jest lepsza, gdy termika ma promień od 100 do 200 metrów. Mówią jednak, że reguły Reichmanna wydają się być lepsze w przypadku większych prądów termicznych, gdzie turbulencje są łatwiejsze do zauważenia.
Oczywiście potrzeba więcej pracy, nie tylko w badaniu, w jaki sposób ptaki rozwiązują ten problem. Natura musiała zająć się tym problemem trochę dłużej niż inżynierowie UAV. I chociaż informatycy zaczęli stosować w tym zadaniu podejście oparte na algorytmach ewolucyjnych, jest oczywiście znacznie więcej do nauczenia się.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1012.0434 : Szybujący lot ptaków i bezzałogowych statków powietrznych