Исследователи все чаще используют небольших автономных подводных роботов для сбора данных в мировом океане. Программа NOAA «Учитель в море», NOAA Ship PISCES, CC BY-SA

К Нина Махмудян (доцент кафедры машиностроения Университета Пердью)

Спасатели обнаружили обломки туристической подводной лодки «Титан» на дне океана недалеко от места крушения «Титаника» 22 июня 2023 года. свидетельствующие о том, что судно потерпело катастрофическую аварию и пять человек на борту погибли.

Приводить людей на дно глубокого океана опасно по своей сути. В то же время изменение климата означает, что сбор данных о мировом океане становится более важным, чем когда-либо. Инженер-механик Университета Пердью Нина Махмудян объясняет, как исследователи снижают риски и затраты, связанные с глубоководными исследованиями: отправляйте подводные лодки, но держите людей на поверхности.

Почему большинство подводных исследований проводится с помощью дистанционно управляемых и автономных подводных аппаратов?

Когда мы говорим об исследованиях воды, мы говорим об обширных территориях. А для покрытия обширных площадей требуются инструменты, которые могут работать в течение длительного периода времени, иногда месяцев. Содержание людей на борту подводных аппаратов, особенно в течение таких длительных периодов времени, дорого и опасно.

Одним из инструментов, используемых исследователями, является автомобили с дистанционным управлениемили ROV. По сути, между транспортным средством и оператором имеется кабель, который позволяет оператору управлять транспортным средством и перемещать его, а транспортное средство может передавать данные в режиме реального времени. Технология ROV значительно продвинулась вперед, чтобы иметь возможность достигать глубин океана — до глубины 6000 метров (19 685 футов). Он также лучше обеспечивает мобильность, необходимую для наблюдения за морским дном и сбора данных.

Автономные подводные аппараты предоставить еще одну возможность для подводных исследований. Обычно они не привязаны к кораблю. Как правило, они заранее запрограммированы на выполнение конкретной миссии. И пока они под водой, у них обычно нет постоянной связи. С некоторым интервалом они всплывают, передают весь объем собранных данных, меняют батарею или перезаряжаются и получают обновленные инструкции, прежде чем снова погрузиться и продолжить свою миссию.

Что могут дистанционно управляемые и автономные подводные аппараты, чего не могут подводные аппараты с экипажем, и наоборот?

Подводные аппараты с экипажем будут интересны публике и тем, кто причастен к ним, и будут полезны благодаря расширенным возможностям, которые люди привносят в работу с инструментами и принятие решений, подобно освоению космоса с экипажем. Однако это будет намного дороже по сравнению с беспилотными исследованиями из-за требуемых размеров платформ и необходимости систем жизнеобеспечения и систем безопасности. Экипируемые подводные лодки сегодня стоит десятки тысяч долларов в день работать.

Использование беспилотных систем предоставит лучшие возможности для разведки с меньшими затратами и рисками при работе на обширных территориях и в негостеприимных местах. Использование дистанционно управляемых и автономных подводных аппаратов дает операторам возможность выполнять опасные для человека задачи, такие как наблюдение подо льдом и обнаружение подводных мин.

Дистанционно управляемые аппараты могут работать подо льдами Антарктиды и в других опасных местах.

Как развивались технологии глубоководных исследований океана?

В последние годы технология значительно продвинулась вперед благодаря прогрессу в датчиках и вычислениях. Был достигнут большой прогресс в миниатюризация акустических датчиков и гидролокаторов для использования под водой. Компьютеры также стали более миниатюрными, функциональными и энергоэффективными. Была проделана большая работа над аккумуляторной технологией и водонепроницаемыми разъемами. Аддитивное производство и 3D-печать также помогают строить корпуса. и компоненты, которые могут выдерживать высокое давление на глубине при гораздо меньших затратах.

Также был достигнут значительный прогресс в повышении автономности с использованием более продвинутых алгоритмов в дополнение к традиционным методам навигации, локализации и обнаружения. Например, алгоритмы машинного обучения могут помочь транспортному средству обнаружить и классифицировать объектыстационарные, как трубопровод, или мобильные, как косяки рыб.

Какие открытия были сделаны с помощью дистанционно управляемых и автономных подводных аппаратов?

Одним из примеров являются подводные планеры. Это автономные подводные аппараты на плавучести. Они могут оставаться в воде месяцами. Они могут собирать данные о давлении, температуре и солености, когда они поднимаются и опускаются в воде. Все это очень помогает исследователям понять изменения, происходящие в океанах.

Одна из этих платформ путешествовала по северной части Атлантического океана. от побережья Массачусетса до Ирландии в течение почти года в 2016 и 2017 годах. Объем данных, собранных за это время, был беспрецедентным. Для сравнения, такой автомобиль стоит около 200 000 долларов. Операторы были удаленными. Каждые восемь часов планер поднимался на поверхность, подключался к GPS и говорил: «Привет, я здесь», и экипаж фактически сообщал ему план следующего этапа миссии. Если бы для сбора такого количества данных был отправлен корабль с экипажем, это стоило бы миллионы.

В 2019 году исследователи использовали автономный подводный аппарат для собирать бесценные данные о морское дно под ледником Туэйтса в Антарктиде.

Энергетические компании также используют дистанционно управляемые и автономные подводные аппараты для инспектирование и мониторинг морские возобновляемые источники энергии и нефтегазовая инфраструктура на морском дне.

Куда движется технология?

Подводные системы — это медленно движущиеся платформы, и если исследователи смогут развернуть их в большом количестве, это даст им преимущество в покрытии больших участков океана. Много усилий уделяется координации и автономии этих платформ, а также совершенствованию сбора данных с использованием бортовых датчиков, таких как камеры, гидролокаторы и датчики растворенного кислорода. Еще одним аспектом повышения автономности транспортных средств является принятие решений и анализ данных под водой в режиме реального времени.

Какова цель ваших исследований этих подводных аппаратов?

Моя команда и я сосредоточены на разработке алгоритмов навигации и планирования миссий для постоянных операций, то есть долгосрочных миссий с минимальным человеческим контролем. Цель состоит в том, чтобы ответить на два основных ограничения при развертывании автономных систем. Один из них — время автономной работы. Другие неизвестные ситуации.

Исследования автора включают в себя проект, позволяющий автономным подводным аппаратам заряжать свои батареи без вмешательства человека.

Для продления срока службы батареи мы работаем над подзарядкой в ​​море, как под водой, так и над водой. Мы разрабатываем инструменты для автономного развертывания, восстановления, перезарядки и передачи данных для более длительных миссий в море. В незнакомых ситуациях мы работаем над распознаванием и избеганием препятствий и адаптацией к различным океанским течениям, что позволяет транспортному средству самостоятельно перемещаться в суровых условиях.

Чтобы адаптироваться к изменяющейся динамике и отказам компонентов, мы работаем над методологиями, которые помогут транспортному средству обнаруживать изменения и компенсировать их, чтобы иметь возможность продолжить и завершить миссию.

Эти усилия позволят проводить долгосрочные исследования океана, включая наблюдение за условиями окружающей среды и картографирование неизведанных районов.

Нина Махмудян получает финансирование от Национального научного фонда и Управления военно-морских исследований.

Эта статья переиздана с Разговор под лицензией Creative Commons. Читать оригинальная статья.