211service.com
Slechtvalken inspireren nieuwe thermische stijgende strategie voor UAV's
Thermiek zijn warme gebieden van de atmosfeer die sneller omhoog gaan dan de daalsnelheid van een zweefvliegtuig of vogel. Daardoor kunnen piloten en vogels die thermiek kunnen vinden en exploiteren, langer in de lucht blijven en minder brandstof verbruiken.
Het is dan ook geen verrassing dat de ontwerpers van onbemande luchtvaartuigen (UAV's) graag strategieën zoeken voor het vinden en exploiteren van thermiek.
Zweefvliegpiloten hebben al een eenvoudige set regels die zijn ontwikkeld door de langeafstandszweefvliegtuigpiloot Helmut Reichmann (die in 1992 stierf bij een botsing in de lucht). Piloten passen deze zogenaamde Reichmann-regels toe wanneer ze door een thermiek in een spiraal klimmen. De regels zijn deze:
1. Als de klim verbetert, vergroot u de spiraal door de hellingshoek te verkleinen.
2. Als de klim verslechtert, draai dan de spiraal strakker door de hellingshoek te vergroten.
3. En als de klim constant blijft, houd dan de hellingshoek constant.
Dit werkt redelijk goed, maar heeft belangrijke beperkingen, vooral wanneer er thermische ruis (dwz turbulentie) in de atmosfeer is. Turbulentie kan vliegers voor de gek houden door te denken dat ze in een thermiek zitten, terwijl dat in feite niet het geval is; en vice versa, door ze voor de gek te houden door te denken dat ze niet in een thermiek zitten als ze dat wel zijn.
Natuurlijk zijn er verschillende andere strategieën. Onlangs zijn onderzoekers begonnen met het gebruik van GPS-gegevens om hun vliegroutes te loggen en om de stijgsnelheid voor verschillende hellingshoeken te meten. Ze kunnen deze informatie vervolgens gebruiken om het centrum van elke thermiek te schatten en het zo vollediger te benutten.
Het probleem met deze aanpak is dat het rekenkundig duur en energieverslindend is. En dat is een cruciale factor voor UAV's met een beperkt vermogen aan boord.
Vandaag suggereren Zsuzsa Ákos van de Eötvös Universiteit in Hongarije en een paar vrienden een andere benadering, geïnspireerd door video's en GPS-tracking van slechtvalken tijdens de vlucht. Het blijkt dat deze meesters van thermisch stijgen een contra-intuïtieve strategie hanteren: in plaats van in één richting te draaien om bij een enkele thermische te blijven, veranderen ze constant de richting van hun spiralen.
Op het eerste gezicht lijkt dat vreemd. Verander de richting van je spiraal en je vliegt meteen uit een thermiek. Maar Ákos en co hebben deze strategie gesimuleerd en zeggen dat er een methode is in deze waanzin.
De sleutel is om te erkennen dat de atmosfeer gevuld is met thermiek die op complexe manieren in de 3D-ruimte wordt verspreid. Volgens hun simulatie is de reden waarom de richtingsverandering zo goed werkt, dat de vlieger het volume van de atmosfeer effectiever kan bemonsteren, waardoor het waarschijnlijker is dat hij een betere thermiek zal vinden. Cruciaal is dat dit vooral goed werkt als er turbulentie is.
De nieuwe strategie is rekenkundig eenvoudig en vereist dus weinig kracht om te implementeren. Dus de gedachte is dat UAV's langer zouden kunnen vliegen, met minder stroom, als ze het vlieggedrag van de valk zouden kopiëren.
Dit is echter werk in uitvoering. Hoeveel beter het veranderen van richting voorbij is, zeg maar, de Reichmann-regels is nog niet duidelijk. Ákos en co zeggen dat hun simulaties aangeven dat verandering van richting superieur is wanneer de thermiek een straal van 100 tot 200 meter heeft. Maar ze zeggen dat de Reichmann-regels beter lijken te zijn voor grotere thermiek, waar turbulentie gemakkelijker te herkennen is.
Het is duidelijk dat er meer werk nodig is, niet in de laatste plaats in de studie van hoe vogels dit probleem oplossen. De natuur heeft iets meer tijd gehad dan UAV-ingenieurs om aan dit probleem te werken. En hoewel computerwetenschappers bij deze taak een evolutionaire algoritmebenadering zijn gaan gebruiken, valt er duidelijk nog veel meer te leren.
Referentie: arxiv.org/abs/1012.0434 : Thermische stijgende vlucht van vogels en UAV's