211service.com
Pilgrimsfalkar inspirerar till en ny strategi för termisk soaring för UAV
Termik är varma områden i atmosfären som rör sig uppåt snabbare än hastigheten för nedstigningen för ett segelflygplan eller en fågel. Följaktligen kan piloter och fåglar som kan hitta och utnyttja termik stanna i luften längre, samtidigt som de använder mindre bränsle.
Det är då ingen överraskning att konstruktörerna av obemannade flygfarkoster (UAV) är angelägna om att hitta strategier för att hitta och utnyttja termik.
Segelflygpiloter har redan en enkel uppsättning regler som utvecklats av långdistansglidpiloten Helmut Reichmann (som dog i en luftkollision 1992). Piloter tillämpar dessa så kallade Reichmann-regler när de klättrar i en spiral på grund av värme. Reglerna är dessa:
1. Om stigningen förbättras, vidga spiralen genom att minska krängningsvinkeln.
2. Om stigningen försämras, dra åt spiralen genom att öka krängningsvinkeln.
3. Och om stigningen förblir konstant, håll bankvinkeln konstant.
Detta fungerar ganska bra men har viktiga begränsningar, särskilt när det finns termiskt brus (dvs. turbulens) i atmosfären. Turbulens kan lura flygare att tro att de befinner sig i en termisk temperatur när de faktiskt inte är det; och vice versa, lura dem att tro att de inte är i en termisk när de är.
Naturligtvis finns det flera andra strategier. Senast har forskare börjat använda GPS-data för att logga sina flygvägar och för att mäta stigningshastigheten för olika bankvinklar. De kan sedan använda denna information för att uppskatta mitten av någon termisk värme och så utnyttja den mer fullständigt.
Problemet med detta tillvägagångssätt är att det är beräkningsmässigt dyrt och energikrävande. Och det är en avgörande faktor för UAV som har begränsad kraft ombord.
Idag föreslår Zsuzsa Ákos vid Eötvös universitet i Ungern och några kompisar ett annat tillvägagångssätt inspirerat av videor och GPS-spårning av pilgrimsfalkar under flygning. Det visar sig att dessa mästare inom termisk svävning använder en kontraintuitiv strategi: istället för att spiralera i en riktning för att stanna med en enda termisk, ändrar de hela tiden riktningen på sina spiraler.
Vid första anblicken verkar det konstigt. Ändra riktningen på din spiral och du flyger omedelbart ut ur en termik. Men Ákos och co har simulerat denna strategi och säger att det finns en metod i denna galenskap.
Nyckeln är att inse att atmosfären är fylld med termik som distribueras i 3D-rymden på komplexa sätt. Enligt deras simulering är anledningen till att riktningsändringen fungerar så bra att den tillåter flygaren att prova atmosfärens volym mer effektivt, vilket gör det mer sannolikt att den kommer att hitta en bättre termik. Avgörande är att detta fungerar särskilt bra när turbulens är närvarande.
Den nya strategin är beräkningsmässigt enkel och kräver därför liten kraft att implementera. Så tanken är att UAV:er skulle kunna flyga längre och använda mindre kraft om de kopierade falkens flygbeteende.
Detta är dock ett pågående arbete. Exakt hur mycket bättre riktningsändring som är över, säg, Reichmann-reglerna är ännu inte klart. Ákos och co säger att deras simuleringar indikerar att riktningsändring är överlägsen när termiken har en radie på 100 till 200 meter. Men de säger att Reichmann-reglerna verkar vara bättre för större termik, där turbulens är lättare att upptäcka.
Helt klart behövs mer arbete, inte minst i studiet av hur fåglar löser detta problem. Naturen har haft lite längre tid än UAV-ingenjörer på sig att arbeta med detta problem. Och även om datavetare har börjat använda en evolutionär algoritm för denna uppgift, finns det helt klart mycket mer att lära.
Ref: arxiv.org/abs/1012.0434 : Termisk flygning av fåglar och UAV