211service.com
Vandrefalke inspirerer til ny termisk svævestrategi for UAV'er
Termik er varme områder af atmosfæren, der bevæger sig hurtigere opad end nedstigningshastigheden for et svævefly eller en fugl. Som følge heraf kan piloter og fugle, der kan finde og udnytte termik, forblive luftbårne i længere tid, mens de bruger mindre brændstof.
Det er da ingen overraskelse, at designere af ubemandede luftfartøjer (UAV'er) er ivrige efter at finde strategier til at finde og udnytte termik.
Svæveflypiloter har allerede et simpelt regelsæt udviklet af langdistancesvæveflypiloten Helmut Reichmann (som døde i en luftkollision i 1992). Piloter anvender disse såkaldte Reichmann-regler, når de klatrer i en spiral på grund af en termik. Reglerne er disse:
1. Hvis stigningen forbedres, udvides spiralen ved at mindske krængningsvinklen.
2. Hvis stigningen forværres, stram spiralen ved at øge krængningsvinklen.
3. Og hvis stigningen forbliver konstant, hold bankvinklen konstant.
Dette fungerer rimeligt godt, men har vigtige begrænsninger, især når der er termisk støj (dvs. turbulens) i atmosfæren. Turbulens kan narre flyvere til at tro, at de er i en termisk tilstand, mens de faktisk ikke er det; og omvendt, narre dem til at tro, at de ikke er i en termisk, når de er.
Selvfølgelig er der forskellige andre strategier. Senest er forskere begyndt at bruge GPS-data til at logge deres flyveveje og måle stigningshastigheden for forskellige bankvinkler. De kan derefter bruge disse oplysninger til at estimere midten af enhver termisk og så udnytte den mere fuldt ud.
Problemet med denne tilgang er, at det er beregningsmæssigt dyrt og strømkrævende. Og det er en afgørende faktor for UAV'er, som har begrænset kraft om bord.
I dag foreslår Zsuzsa Ákos ved Eötvös Universitet i Ungarn og et par venner en anden tilgang inspireret af videoer og GPS-sporing af vandrefalke under flugt. Det viser sig, at disse mestre inden for termisk svævning anvender en kontraintuitiv strategi: i stedet for at spiralere i én retning for at blive med en enkelt termisk, ændrer de konstant retningen af deres spiraler.
Ved første øjekast virker det underligt. Skift retningen på din spiral, og du flyver straks ud af en termik. Men Ákos og co har simuleret denne strategi og siger, at der er en metode i dette vanvid.
Nøglen er at erkende, at atmosfæren er fyldt med termik, der er fordelt i 3D-rummet på komplekse måder. Ifølge deres simulering er grunden til, at retningsændringen fungerer så godt, at den giver flyveren mulighed for at prøve volumen af atmosfæren mere effektivt, hvilket gør det mere sandsynligt, at den vil finde en bedre termik. Det er afgørende, at dette fungerer særligt godt, når der er turbulens.
Den nye strategi er beregningsmæssigt enkel og kræver derfor kun lidt kraft at implementere. Så tanken er, at UAV'er kunne flyve i længere tid og bruge mindre strøm, hvis de kopierede falkens flyveadfærd.
Dette er dog et igangværende arbejde. Præcis hvor meget bedre retningsændring er overstået, siger Reichmann-reglerne, er endnu ikke klart. Ákos og co siger, at deres simuleringer indikerer, at retningsændring er overlegen, når termikken har en radius på 100 til 200 meter. Men de siger, at Reichmann-reglerne ser ud til at være bedre for større termik, hvor turbulens er lettere at få øje på.
Det er klart, at der er brug for mere arbejde, ikke mindst i undersøgelsen af, hvordan fugle løser dette problem. Naturen har haft lidt længere tid end UAV-ingeniører til at arbejde på dette problem. Og selvom dataloger er begyndt at bruge en evolutionær algoritme-tilgang til denne opgave, er der helt klart meget mere at lære.
Ref: arxiv.org/abs/1012.0434 : Termisk svævende flyvning af fugle og UAV'er