Cómo funciona DIDO

Imagina que escuchas un teléfono sonar. ¿Qué es lo primero que haces? Eso probablemente depende de muchas cosas, como dónde se encuentra, la hora del día, lo que está haciendo, quién está con usted, cómo suena el tono de llamada y si realmente es su teléfono. Si estás caminando por una tienda de comestibles y escuchas un teléfono sonando desde varios pasillos de distancia, probablemente te darás cuenta de que no es tu teléfono y simplemente lo ignorarás. Si está en su automóvil, puede decidir si puede contestar el teléfono según el tráfico o si tiene un dispositivo de manos libres.

Son muchas variables solo para decidir si contestar el teléfono, y probablemente podría pensar en muchas otras razones por las que podría contestar o ignorar un teléfono que suena. Nuestros cerebros son computadoras poderosas que pueden procesar rápidamente todas esas condiciones, decidir la mejor respuesta e instruir a nuestros cuerpos para que tomen medidas. A lo largo de la historia humana, la creación de una máquina que pueda replicar ese proceso correctamente en todos los escenarios ha sido casi inimaginable. Hoy, sin embargo, la tecnología como el software y el hardware de DIDO está ayudando a hacer realidad tales máquinas.

Así como no hay una respuesta correcta a un teléfono que suena, no hay una forma correcta de dirigir un avión o mover las piernas de un robot. Sin embargo, puede haber una mejor respuesta dadas todas las condiciones que afectan el escenario. En el caso del avión, la forma en que un piloto se dirige hacia el destino se ve afectada por la elevación, la velocidad, la dirección del viento, la velocidad del aire y cualquiera de las cien otras variables en un momento dado. Los pilotos humanos procesan y responden a toda esta información.

¿Puede una computadora realmente replicar este proceso? Ahí es donde entra en juego la tecnología como DIDO. DIDO es un software programado para ejecutarse en la plataforma de computación científica MATLAB que, a su vez, requiere Microsoft Windows. Las computadoras pueden usar DIDO para procesar grandes y cambiantes cantidades de datos en una mejor respuesta confiable. DIDO fue desarrollado a fines de la década de 1990 por el profesor Isaac "Mike" Ross de la Escuela Naval de Posgrado de EE. UU. En ese momento, Ross y su colega Fariba Fahroo estaban investigando la teoría y el cálculo del control óptimo. Veremos más sobre la teoría del control óptimo más adelante.

Hoy, DIDO es parte de las soluciones de hardware y software comercializadas por Elissar Global. Este artículo cubre los tipos de problemas que DIDO está ayudando a resolver y algunas impresionantes aplicaciones tecnológicas de la tecnología de control óptimo de DIDO. Comencemos con un vistazo a cómo los investigadores de muchos campos están haciendo uso de DIDO.

1. Control óptimo pseudoespectral
2. DIDO en el espacio
3. Otras aplicaciones DIDO

El término para el problema que DIDO está resolviendo es control óptimo. En cálculo, la teoría del control óptimo es un enfoque matemático para encontrar la mejor respuesta mecánica en un escenario dado dado un conjunto de condiciones. Matemáticamente, el control óptimo es un conjunto de ecuaciones diferenciales que minimizan el costo (maximizan el pago) de lograr algún resultado deseado. ¡No te preocupes! Estamos a punto de hacer este concepto mucho más simple.

Para comprender el control óptimo, congelemos el tiempo por un momento. Absorbe las sensaciones del mundo que te rodea: imágenes, sonidos, olores, sabores y sensaciones físicas. Ahora combine eso con todo lo almacenado en su cerebro . La forma en que respondas a cualquier nuevo estímulo a tu alrededor se basará en toda esa información. ¿Cómo reaccionarías ahora mismo al escuchar un timbre o al oler galletas recién horneadas?

Las computadoras pueden convertir información sensorial similar en datos en un intento de imitar nuestra capacidad intelectual. La computadora puede calcular la mejor respuesta a un estímulo dado utilizando todos esos datos. Desde la perspectiva de la computadora, la "mejor" respuesta sería la acción que tiene el pago máximo al costo mínimo. Ese concepto de mejor respuesta es lo que los científicos y matemáticos denominan control óptimo.

Ahora descongelemos el tiempo y avancemos de nuevo. De repente, calcular el control óptimo es más complicado. A medida que pasa cada fracción de segundo, las condiciones cambian, con nuevos datos sensoriales a considerar. Por lo tanto, el mayor desafío para encontrar el control óptimo es considerar estas condiciones en constante cambio y volver a calcular en consecuencia. Nuestros cerebros hacen estos nuevos cálculos constantemente, pero una computadora debe tener algún tipo de programa de estímulo-respuesta para hacerlo.

Este problema de control óptimo compuesto requiere agregar otro concepto de cálculo: la teoría pseudoespectral. La teoría pseudoespectral implica el uso de valores aproximados para cálculos de control óptimos, dentro de algunas limitaciones conocidas. El software DIDO es conocido por su enfoque pseudoespectral para problemas de control óptimo. Por lo tanto, DIDO ayuda a impulsar máquinas que necesitan reevaluar constantemente las condiciones de su entorno y responder en consecuencia, incluidos automóviles y aviones.

Hasta ahora hemos determinado qué es el control óptimo y la importancia de la teoría pseudoespectral. A continuación, vamos a acercarnos, o más bien alejarnos, al espacio exterior , donde DIDO tuvo su aplicación más destacada.

el problema de dido

La historia antigua romana y griega incluye a una mujer llamada Elissar, o Elissa, conocida como la Reina de Cartago. También fue llamada Dido, particularmente en la "Eneida" de Virgilio. Cuenta la leyenda que Dido huyó de su Fenicia natal con varios otros, y cuando encontró un lugar en el que quería establecerse, hizo un trato con el rey allí para obtener la tierra que se convertiría en la ciudad de Cartago (en lo que hoy es Túnez). . En el trato, Dido obtendría la cantidad de tierra que podría marcar con una piel de toro. Dido y sus colegas hicieron una cuerda larga con pequeñas tiras cortadas de una sola piel de toro. Luego, seleccionaron la costa como límite y colocaron la cuerda en un semicírculo con ese borde costero. El rey se sorprendió de que los recién llegados pudieran marcar una cantidad tan grande de tierra. En matemáticas, Dido'es el nombre que se le da a encontrar la figura que produce el área máxima dada una línea límite y un perímetro para los lados restantes. La figura que produce esa área máxima es, como observó la legendaria Dido, un semicírculo a lo largo de esa línea límite dada.

Según Elissar Global, la aplicación más extensa de su software ha sido en el espacio. Esta es probablemente la aplicación más intuitiva para DIDO, ya que los vehículos y otras máquinas en el espacio dependen en gran medida de la automatización o los controles remotos en lugar de las acciones humanas directas. Por ahí, una computadora que puede detectar lo que sucede a su alrededor y determinar rápidamente la mejor respuesta es un activo valioso.

Dos aplicaciones particulares de DIDO han dado un gran impulso a la reputación del software para resolver problemas de control óptimo. El primero de ellos fue en 2006, cuando DIDO abordó el objetivo de maniobrar la Estación Espacial Internacional (ISS) 180 grados dentro de su trayectoria orbital sin gastar combustible. Por lo general, la ISS y otros vehículos en órbita deben usar propulsores para maniobrar, lo que requiere combustible costoso. El creador de DIDO, Ross, y otros investigadores tuvieron la idea de que era posible una maniobra sin propulsor (ZPM).

DIDO se utilizó dos veces para estas maniobras sin propulsor, cada una con éxito. El 5 de noviembre de 2006, el equipo maniobró la ISS 90 grados. Cuatro meses después, el 3 de marzo, lograron un giro de 180 grados. Estos experimentos fueron una prueba de concepto a gran escala para DIDO, y la lanzaron a la fama como la tecnología de control óptimo líder.

En 2010, otra aplicación de DIDO fue maniobrar el satélite Transition Region and Coronal Explorer (TRACE) de la NASA. TRACE estaba en una misión para estudiar el sol, pero apenas se había movido durante su tarea de 12 años. Como mostró la investigación de TRACE, el protocolo de la NASA de seguir una línea recta entre dos puntos puede haber identificado la distancia más corta para viajar, pero estaba lejos de ser la ruta más rápida. Por lo tanto, cuando el satélite necesitaba girar (moverse en ángulo) hacia un nuevo punto, tardaba mucho más de lo necesario, porque estaba tratando de mantenerse en ese camino recto.

La investigación de maniobras de TRACE se produjo justo cuando el satélite estaba a punto de ser desmantelado por el Centro de Ingeniería y Seguridad de la NASA (NESC). Los ingenieros de NESC permitieron que Mark Karpenko tomara la iniciativa en un experimento para aplicar los cálculos de DIDO y aumentar la velocidad óptima para TRACE. La hipótesis era que el camino óptimo usando la gravedad como una ventaja haría un enfoque más eficiente para el giro. Esta idea se relaciona con el principio de Bernoulli en física.

A pesar de su respuesta limitada de dos meses, el equipo de investigación de TRACE pudo probar su hipótesis. Además, TRACE requirió menos de la mitad de la energía eléctrica durante cada giro. Los observadores describieron la maniobra del satélite TRACE como si estuviera bailando en el espacio. ¡Eso es lo que llamamos bailar con las estrellas!

A continuación, saldremos de la órbita y comprobaremos cómo DIDO se está haciendo grande aquí en la Tierra.

DIDO pretende ser un enfoque genérico para resolver problemas de control óptimo. Esto significa que debería integrarse fácilmente en cualquier sistema autónomo sin importar qué tipo de entrada esté procesando ese sistema, siempre que use la plataforma informática MATLAB que se ejecuta en Microsoft Windows. Por sistema autónomo, nos referimos a una combinación de hardware y software que funciona en conjunto como una entidad robótica y determina por sí mismo la secuencia de acciones que debe realizar para completar una tarea determinada. En cierto sentido, un sistema autónomo es un robot que puede resolver sus propios problemas.

Debido a que DIDO es tan genérico, los investigadores académicos y de la industria han encontrado formas de aplicar el software para resolver una amplia gama de problemas de control óptimo. Vemos esto de manera prominente en la robótica donde los investigadores pueden integrar DIDO con el software existente en un sistema autónomo. El creador de DIDO, Ross, dijo en una entrevista que uno de sus antiguos alumnos en particular aplicó el software a robots terrestres con algunos resultados sorprendentes. Ese mismo doctorado. El graduado ha investigado la navegación de múltiples vehículos robóticos a través de aguas turbulentas sin que choquen.

Otro campo en el que DIDO está ganando terreno es la aeronáutica. Anteriormente, dimos un ejemplo de todas las condiciones que intervienen en la determinación de cómo dirigir un avión. Ese ejemplo no fue arbitrario: lo elegimos porque DIDO ha sido capaz de hacer precisamente eso. Además de ayudar a encontrar trayectorias de vuelo para planeadores, DIDO también ayuda a optimizar el combustible de las aeronaves. El Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA) ha publicado estudios de investigadores de todo el mundo que han utilizado DIDO en su trabajo.

Una aplicación única de DIDO ha sido aplicar sus cálculos de control óptimo para dirigir un planeador submarino, un sistema autónomo no tripulado en forma de vehículo submarino alado. Los investigadores de Virginia Tech buscaron formas de garantizar que un planeador de este tipo pudiera moverse como una marsopa a través del agua, lo que es eficiente desde el punto de vista energético y útil al realizar estudios oceanográficos. Uno de los desafíos del equipo fue abordar un efecto de estancamiento al pasar de trayectorias descendentes a ascendentes. El equipo informó que DIDO era el método de solución más fácil de configurar y ejecutar para su investigación, aunque también informaron haber obtenido cálculos similares con otra herramienta [fuente: Kraus, Cliff, Woolsey y Luby ].

A lo largo de este artículo, hemos analizado qué son los problemas de control óptimo, cómo DIDO está ayudando a resolverlos y las formas innovadoras en que los investigadores han aplicado DIDO en varios campos comerciales y académicos. Optimice su experiencia DIDO consultando aún más información en la página siguiente.

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