I falchi pellegrini ispirano una nuova strategia di volo termico per gli UAV

Le termiche sono regioni calde dell'atmosfera che si muovono verso l'alto più rapidamente della velocità di discesa di un aliante o di un uccello. Di conseguenza, i piloti e gli uccelli che possono trovare e sfruttare le termiche, possono rimanere in volo più a lungo, consumando meno carburante.

Non sorprende quindi che i progettisti di veicoli aerei senza pilota (UAV) siano desiderosi di trovare strategie per trovare e sfruttare le termiche.

I piloti di alianti hanno già un semplice insieme di regole sviluppate dal pilota di alianti a lunga distanza Helmut Reichmann (morto in una collisione a mezz'aria nel 1992). I piloti applicano queste cosiddette regole di Reichmann quando stanno salendo in una spirale a causa di una termica. Le regole sono queste:
1. Se la salita migliora, allargare la spirale diminuendo l'angolo di inclinazione.
2. Se la salita peggiora, stringere la spirale aumentando l'angolo di inclinazione.
3. E se la salita rimane costante, mantieni costante l'angolo di inclinazione.

Funziona abbastanza bene, ma ha importanti limitazioni, in particolare quando c'è rumore termico (cioè turbolenza) nell'atmosfera. La turbolenza può ingannare i volatori facendogli credere di essere in una termica quando in realtà non lo sono; e viceversa, ingannandoli nel pensare di non essere in una termica quando lo sono.

Naturalmente, ci sono varie altre strategie. Più di recente, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare i dati GPS per registrare le loro traiettorie di volo e per misurare la velocità di salita per vari angoli di inclinazione. Possono quindi utilizzare queste informazioni per stimare il centro di qualsiasi termica e quindi sfruttarla in modo più completo.

Il problema di questo approccio è che è costoso dal punto di vista computazionale e affamato di energia. E questo è un fattore cruciale per gli UAV che hanno una potenza a bordo limitata.

Oggi, Zsuzsa Ákos dell'Università Eötvös in Ungheria e alcuni amici suggeriscono un altro approccio ispirato ai video e al tracciamento GPS dei falchi pellegrini in volo. Si scopre che questi maestri dell'elevazione termica impiegano una strategia controintuitiva: invece di girare a spirale in una direzione per rimanere con una singola termica, cambiano costantemente la direzione delle loro spirali.

A prima vista, sembra strano. Cambia la direzione della tua spirale e voli immediatamente fuori da una termica. Ma Ákos e compagni hanno simulato questa strategia e dicono che c'è un metodo in questa follia.

La chiave è riconoscere che l'atmosfera è piena di termiche che sono distribuite nello spazio 3D in modi complessi. Secondo la loro simulazione, il motivo per cui il cambio di direzione funziona così bene è che consente al pilota di campionare il volume dell'atmosfera in modo più efficace, rendendo più probabile che trovi una termica migliore. Fondamentalmente, questo funziona particolarmente bene quando è presente turbolenza.

La nuova strategia è computazionalmente semplice e quindi richiede poca potenza per essere implementata. Quindi il pensiero è che gli UAV potrebbero volare più a lungo, usando meno energia, se copiassero il comportamento di volo del falco.

Questo è un lavoro in corso, tuttavia. Esattamente quanto sia migliore il cambio di direzione, diciamo, le regole di Reichmann non sono ancora chiare. Ákos e co affermano che le loro simulazioni indicano che il cambio di direzione è superiore quando le termiche hanno un raggio da 100 a 200 metri. Ma dicono che le regole di Reichmann sembrano essere migliori per le termiche più grandi, dove la turbolenza è più facile da individuare.

Chiaramente, è necessario più lavoro, non ultimo nello studio di come gli uccelli risolvono questo problema. La natura ha avuto a disposizione un po' più di tempo degli ingegneri UAV per lavorare su questo problema. E sebbene gli scienziati informatici abbiano iniziato a utilizzare un approccio algoritmico evolutivo su questo compito, c'è chiaramente molto altro da imparare.

Rif: arxiv.org/abs/1012.0434 : Volo impennato termico di uccelli e UAV

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