211service.com
Sokoli stěhovaví inspirují novou strategii tepelného stoupání pro UAV
Teploty jsou teplé oblasti atmosféry, které se pohybují nahoru rychleji než rychlost klesání kluzáku nebo ptáka. V důsledku toho mohou piloti a ptáci, kteří dokážou najít a využít termiku, zůstat ve vzduchu déle a přitom spotřebovat méně paliva.
Není tedy žádným překvapením, že konstruktéři bezpilotních vzdušných prostředků (UAV) mají zájem najít strategie pro hledání a využívání termiky.
Piloti kluzáků již mají jednoduchý soubor pravidel vyvinutých pilotem kluzáků na dlouhé vzdálenosti Helmutem Reichmannem (který zemřel při srážce ve vzduchu v roce 1992). Piloti aplikují tato takzvaná Reichmannova pravidla, když stoupají ve spirále kvůli termice. Pravidla jsou tato:
1. Pokud se stoupání zlepší, rozšiřte spirálu snížením úhlu náklonu.
2. Pokud se stoupání zhorší, utáhněte spirálu zvětšením úhlu náklonu.
3. A pokud stoupání zůstává konstantní, udržujte konstantní úhel náklonu.
Funguje to poměrně dobře, ale má to důležitá omezení, zvláště když je v atmosféře tepelný šum (tj. turbulence). Turbulence může oklamat letce, aby si mysleli, že jsou v termice, i když ve skutečnosti nejsou; a naopak, oklamat je, aby si mysleli, že nejsou v termice, když jsou.
Samozřejmě existují různé další strategie. V poslední době začali výzkumníci používat data GPS k zaznamenávání svých letových drah a k měření rychlosti stoupání pro různé úhly náklonu. Tyto informace pak mohou použít k odhadu středu jakékoli termiky, a tak ji plně využít.
Problém s tímto přístupem je, že je výpočetně drahý a energeticky náročný. A to je zásadní faktor pro UAV, která mají omezený výkon na palubě.
Dnes Zsuzsa Ákos z univerzity Eötvös v Maďarsku a několik kamarádů navrhují jiný přístup inspirovaný videi a GPS sledováním letů sokolů stěhovavých. Ukazuje se, že tito mistři termálního plachtění používají protiintuitivní strategii: místo spirály jedním směrem, aby zůstali u jediné stoupání, neustále mění směr svých spirál.
Na první pohled to vypadá divně. Změňte směr své spirály a okamžitě vyletíte z termiky. Ale Ákos a spol. simulovali tuto strategii a říkají, že v tomto šílenství existuje metoda.
Klíčem k úspěchu je rozpoznat, že atmosféra je plná termiky, která je ve 3D prostoru distribuována složitým způsobem. Podle jejich simulace je důvodem, proč změna směru tak dobře funguje, to, že umožňuje letci efektivněji vzorkovat objem atmosféry, takže je pravděpodobnější, že najde lepší termiku. Rozhodující je, že to funguje zvláště dobře, když jsou přítomny turbulence.
Nová strategie je výpočetně jednoduchá, a proto vyžaduje jen málo energie k implementaci. Předpokládá se tedy, že UAV by mohly létat déle a spotřebovávat méně energie, pokud by kopírovaly letové chování sokola.
Na tom se však pracuje. Jak přesně je změna směru u konce, řekněme, Reichmannova pravidla ještě nejsou jasná. Ákos a spol. tvrdí, že jejich simulace naznačují, že změna směru je lepší, když má stoupák poloměr 100 až 200 metrů. Ale říkají, že pravidla Reichmann se zdají být lepší pro větší termiky, kde je turbulence snadněji rozpoznatelná.
Je zřejmé, že je zapotřebí více práce, v neposlední řadě při studiu toho, jak ptáci řeší tento problém. Příroda měla na tento problém o něco déle než inženýři UAV. A ačkoli počítačoví vědci začali k tomuto úkolu používat přístup evolučních algoritmů, je zjevně mnohem více, co se musíme naučit.
Ref: arxiv.org/abs/1012.0434 : Termální let ptáků a UAV