@ SAMS, Science + Autonomy = Ответы

Доктор Фил Андерсон и его каяк. Фото от САМС.

Планеры стали регулярно используемой платформой для мониторинга океана. Фото от САМС.

SAMS 'Gavia's используются в широком спектре миссий. Фото от САМС.

Previous Next

Немногие исследовательские проекты, связанные с морем и океаном, сегодня не связаны с какой-либо подводной роботизированной или морской автономной системой. Элейн Маслин рассказывает о том, как они используются Шотландской ассоциацией морских наук.

Будь то большие автономные подводные аппараты (AUV), машины с дистанционным управлением (ROV), планеры, посадочные машины, небольшие портативные системы AUV и даже воздушные транспортные средства, беспилотные системы стали повседневным инструментом. И хотя готовые системы теперь доступны, простой доступ к компонентам позволяет исследователям собирать платформы на заказ для удовлетворения конкретных потребностей исследований.

В результате расширяется охват и разрешение данных, которые морские научные исследования могут собрать. Работа, проделанная Шотландской Ассоциацией Морских Наук (SAMS), является тому примером. Это благотворительная организация, основанная в 1800-х годах, которая делает гораздо больше, чем можно предположить из ее отдаленного местоположения на влажном и извилистом западном побережье Шотландии. Он участвует в проектах на мировой арене, и есть несколько областей морей и океанов, в которых он не был, по крайней мере, в некоторых исследованиях; от рассмотрения выживаемости выбрасывания улова креветок до поведения атлантического меридионального опрокидывания (AMOC) и его влияния на глобальные климатические модели.

У SAMS есть парк транспортных средств, чтобы помочь его работе. На самом деле, в 2019 году исполнилось 10 лет с тех пор, как он впервые использовал планер, Seaglider по имени Talisker, который совсем недавно был развернут у западных островов Шотландии для прослушивания китов. На сегодняшний день (или до моего визита в октябре 2019 года) SAMS развернуло 19 различных планеров, выполнив - в общей сложности - 38 миссий за 4201 день, покрыв 68 238 км. Сам Талискер преодолел более 12 000 км и к нему присоединились еще два Seagliders: Ardbed и Corryvreckan.

Флот SAMS включает в себя ROV, AUV и планеры, а также беспилотные летательные аппараты (БЛА / дроны) и даже транспортные средства, которые он построил сам.

Работа в снежной, 24-часовой ночи в норвежской Арктике. Фото Майкла О. Снайдера.

Мониторинг арктических экосистем
Эти платформы позволяют собирать данные ранее слишком дорого или трудно сделать раньше. Например, профессор Финло Коттье и доктор Мари Портер из SAMS возглавляли проект «Арктическая премия». На самом деле это не приз. ПРИЗ означает «производительность в ледовой зоне». В частности, это продуктивность фитопланктона. Эти существа, как правило, цветут каждую весну - запуска экосистемы после зимы. Но то, что вызывает цветение, когда, его масштабы и как на это влияют изменения в сокращающемся сезонном покрытии морского льда, не так хорошо понято.

Это потому, что мониторинг арктических районов во время холодных темных зим не так прост, поэтому данные редки и, как правило, получают только летом. В 2018 году SAMS был частью группы, которая пыталась это изменить. Он отправился в норвежское арктическое Баренцево море в январе (24-часовая темнота), апреле и июле (24-часовой дневной свет) - что никто не делал в этом районе за один год - для сбора данных о рейсах с использованием исследовательских судов ( Хельмер Хансен из Университета Тромсё и RRS Британской антарктической службы (Джеймс Кларк Росс). Чтобы заполнить многомесячные промежутки между круизами и их перекрытием, были развернуты планеры G2 Slocum. Используемый Slocum входит в пул морских автономных и робототехнических систем Великобритании (MARS) и может погружаться на глубину до 200 метров.

При поддержке моделирования ученые смогли разместить Слокум в нужном месте в нужное время, когда началось цветение водорослей. Датчики автомобиля обнаруживают прокси хлорофилла (посылают свет и обнаруживают изменение длины волны возврата, чтобы обнаружить, что там / флуорометр). Они пошли от «чуть выше фонового уровня до почти полного отклонения от графика примерно на три дня и увидели, как он двигался», говорит доктор Портер. Помимо обнаружения фитопланктона, автомобиль также измеряет другие параметры: температуру, соленость, растворенный кислород, глубину, средний ток и окружающий свет, чтобы ученые могли попытаться понять более широкую картину.

«Вот где робототехника действительно хороша», - говорит профессор Коттье. «Они ограничены батареями, но очень полезны, поэтому есть желание использовать их чаще в этих областях, особенно в трудных (сезонных) окнах».

Но есть компромиссы. Сколько инструментов вы берете, ограничивает продолжительность миссии из-за емкости батареи. Более того, в арктических водах температура замерзания также разряжает батареи быстрее, чем в более теплых водах, указывает доктор Портер. С учетом нескольких вариантов восстановления в этом районе - ближайший порт находится в 24 часах плавания судна - проекту также пришлось сбалансировать риск. И, работая в усыпанных льдом областях, необходимо было обратить пристальное внимание на возможность получения пресной воды от таяния льда, которая может повлиять на характеристики управляемой плавучестью машины, и на способность транспортного средства застревать подо льдом, который может двигаться быстрее, движимый льдом, на поверхности моря, чем само транспортное средство. Есть также подводные течения, управляемые батиметрией, о которых следует опасаться.

Результатом является лучшее понимание цветения водорослей. Получив эти данные, команда теперь может работать с данными, собранными норвежскими организациями за 20 лет, для информирования моделей и прогнозов о том, что может произойти в будущем. Другой проект, проект Нансена, который сейчас запущен в Норвегии, также будет направлен на повышение эффективности мониторинга.

SAMS 'Gavia's используются в широком спектре миссий. Фото от САМС.

Слушающий проект
Другим проектом SAMS является COMPASS (Совместная океанография и мониторинг охраняемых районов и видов). В рамках КОМПАСА д-р Энди Дейл и д-р Дениз Риш смотрят, как жизнь движется вокруг морской зоны между Республикой Ирландия, Ирландией и Шотландией. Возможно, это не огромная территория относительно открытого океана, но она сложная. Район очень подвержен влиянию медленных течений от континентальной окраины и следует по склону на север. Некоторые спускаются на полку. Есть поток вокруг вершины Ирландской Республики, один поднимается из Ирландского моря. Атлантическая вода попадает в этот регион, кружится и направляется на север. Эти течения способствуют развитию экологии в регионе, привнося питательные вещества и организмы. Понимание этого поможет поддержать модели и внести вклад в морские охраняемые районы.

Частью проекта является создание сети буев для отслеживания, моделирования и мониторинга водной жизни и океанографических процессов в этих районах. Ученые также ежегодно отправляют Seaglider с запланированной миссией в форме треугольника, собирая данные по мере их поступления. Это означает, что ученые могут видеть изменения каждый год и обновлять свои модели потока. В 2018 году планер был разослан с августа до середины сентября, охватывая около шести недель, и снова в 2019 году.

Планер используется для сбора профилей свойств воды - температуры, солености, хлорофилла, кислорода, мутности и т. Д. - во время движения. С помощью этой информации можно рассчитать плотность воды, чтобы понять, откуда поступают потоки. По словам доктора Дейла, использование планера имеет ряд существенных преимуществ, которые могут помочь в этом, но также и проблемы.

«Запустить планер в воду нетривиально, но это экономит деньги и время», - говорит он. «Это выходит и продолжает с этим. Там нет риска быть выветрившимся. Он предоставляет гораздо больше данных, потому что планер постоянно поднимается и опускается. Разрешение данных вдоль трассы намного выше, чем если бы мы брали пробы с лодки ». Но, по его словам, есть компромисс. «Трудно получить прямую линию, потому что она может быть под воздействием ветра и волн. Когда он погружается, есть более сложный профиль, чем мы могли бы получить с судна. Мы должны иметь сложные модели для корректировки (данных) для этого. Морской рост также может изменить то, как он летает. Мы стараемся исправить это как можно лучше ». Еще одна проблема - полет в неглубокой эвфотической зоне (где свет проникает) - там, где меньше места для его плавучего пути с морской пилой. Приливы также сильнее на полке.
В рамках проекта мониторинг морских млекопитающих проводится с использованием 10 статических пассивных акустических регистраторов (Soundtrap, Ocean Instruments, Ltd) по всей области для регистрации уровней окружающего шума, говорит д-р Risch. До того, как положить в регистраторы, было мало информации о морских млекопитающих и их перемещениях в этой области, но это известно как горячая точка для некоторых разновидностей, таких как морская свинья и кит, так что это морской охраняемый район и особый район сохранения. Но необходимо больше знаний о том, сколько этих видов существует и куда они направляются, чтобы охраняемые районы покрывали нужные районы. В дополнение к статическим датчикам, которые улавливают звуки млекопитающих на расстоянии до 500 метров, команда начала использовать планеры.

«Акустические рекордеры становятся все меньше и меньше, а некоторые даже достаточно малы, чтобы прикрепляться к самим животным», - говорит доктор Риш. «Это делает их полезными для крепления на планерах, некоторые из которых уже имеют гидрофоны». На данный момент все дело в пробах и ошибках, тестировании различных систем, чтобы «выяснить ошибки и какие инструменты лучше всего использовать. Затем мы можем прикрепить их ко всем выполняемым миссиям », - говорит она. Это включает в себя плавания на планере вдоль линии Эллетта, ежегодное обследование между Шотландией и Исландией, которое началось в 1948 году (в более ограниченном масштабе). Это сделано с кораблем, но может быть сделано с планерами, из-за их долгой выносливости.

«Ценность будет состоять из долгосрочных данных, где мы сможем определить, что они (морские млекопитающие) делают в воде, - говорит д-р Риш, - распределение видов и то, что происходит в море и любые последствия изменения климата».

Студент PhD Джеймс Куган развернул ecoSUB во время миссии, чтобы понять степень таяния ледников. Изображение от SAMS.

Ледниковая Гавиас
Другая область, где небольшие подводные аппараты помогают ученым приблизиться к предметам, которые они хотят изучать, находится на краях ледника. Геодезические работы вблизи края ледников могут быть слишком опасными для исследовательского судна из-за падающего или отекающего льда.

Используя Teledyne Gavia, корабль не должен подходить близко. В 2016-2017 годах SAMS использовала Gavia под названием Freya, чтобы сделать это на Шпицбергене. Там он мог исследовать морское дно, ранее скрытое отступающим ледником. Фотографии, изображения гидролокатора и важная океанографическая информация были собраны, чтобы помочь ученым понять, как растущая скорость таяния, вызванная изменением климата, влияет на морское дно под ледниками. Затем эти данные были объединены со спутниковыми данными для расчета скорости отступления ледникового льда за последние 10 лет и недавно опубликованы в журнале Marine Geology. Затем, летом 2019 года, команда пошла дальше, используя ecoSUB AUV (на фото), Freya и воздушный беспилотник, данные из которого можно геолокации, что дает ученым способ лучше взглянуть на подледный выброс - или как смешать Атлантические и арктические воды влияют на ледниковый отел.

Дрон ecoSUB - недавнее дополнение к парку SAMS - имеет длину менее метра, весит менее 4 кг и спускается на глубину до 100 м для сбора данных, включая температуру и соленость, в то время как Freya снова будет собирать батиметрические данные.
На беспилотных волнах

Не все морские исследования должны быть под волной. Доктор Фил Андерсон - физик, но он также обнаружил, что строит и адаптирует робототехнику - морскую и воздушную. Недавнее приобретение представляет собой специально разработанный беспилотный летательный аппарат Tetra Drones, который может безопасно приземлиться на воду, чтобы всасывать и фильтровать воду, собирая образцы водорослей. Это делается для того, чтобы обнаружить цветение вредных водорослей, прежде чем они начнут читать рыбные фермы, где они могут вызвать проблемы с запасом. Знание того, как эти вредные цветы перемещаются и взаимодействуют с окружающей средой, особенно «извилистой береговой линией» западного побережья Шотландии и другими районами, подходящими для рыбоводческих хозяйств, не очень хорошо понято, поэтому этот тип сбора проб поможет. В настоящее время операторы рыбных ферм выходят и просто закапывают ведро воды.

Хотя БПЛА обладает большими возможностями, у него ограниченная выносливость, поэтому доктор Андерсон переоборудовал каяк «Пиранья», который сможет выполнять более длительные миссии по сбору образцов. В отличие от БПЛА, он также сможет собирать нефильтрованные образцы, где водоросли не будут повреждены для анализа. Частота выборки еще не полностью сформулирована; Это еще один компромисс между зоной покрытия и разрешением.
По словам доктора Андерсона, все это построено из стандартных компонентов самолета-любителя - с различным программным обеспечением - и несколькими небольшими двигателями, которые позволят запрограммировать его на автоматических маршрутах, и все это будет стоить менее £ 300. У этого также будет стеклянный купол со спектрометром, чтобы обнаружить цветение водорослей и свет. «Это доступный способ проехать 1 км от берега, чтобы взять образцы и вернуться», - говорит он. «Это может быть вокруг Малла или в Ирландии, ему просто нужно достаточно батарей».

По его словам, способность создавать подобные системы - в промежутке между игрушечными беспилотниками и транспортными средствами военного класса - определяется доступностью миниатюрных компонентов, которые были достаточно дешевы благодаря массовому производству мобильных телефонов. Эта способность означает, что ученые могут проектировать системы вокруг вопроса, на который они хотят ответить, вместо того, чтобы пытаться приспособить систему. Он станет легче, говорит он, поскольку системы учатся общаться друг с другом, даже если они используют разные протоколы.

В SAMS происходит еще много всего. Например, в рамках проекта NEXUSS - Наука о беспилотных системах следующего поколения - Джейсон Солт использует Seaglider для сбора данных о цветении фитопланктона в Атлантике. Обнаружение микропластиков в морской среде является целью другого проекта с использованием новой гиперспектральной инфракрасной камеры на беспилотном летательном аппарате. Мы с нетерпением ждем возможности узнать больше и рассказать вам об этом.

САМС флот:
- Три Seagliders 1K (Talisker, Ardbeg и Corryvreckan) - принадлежат SAMS.
- SAMS также использует другие планеры, принадлежащие Морским автономным и роботизированным системам.
MARS, в национальном пуле ~ 30)
- 1 Remus 600 AUV - принадлежит SAMS
- 1 Gavia Offshore Surveyor AUV - принадлежит MARS
- 2 внедорожника EcoSub - принадлежат SAMS
- 1 Мохаве ROV - принадлежит МАРС
- 1 Deep Trekker ROV - принадлежит SAMS

Планеры стали регулярно используемой платформой для мониторинга океана. Фото от САМС.