פיתוח חיישן תת-קרקעי מונע עצמי לאיסוף נתונים ימיים

הגדלה צריכה לתצפית של האוקיינוס האוטונומי

האוקיינוס מכסה יותר מ -70% משטח כדור הארץ וממלא תפקיד מרכזי בקביעת האקלים, תמיכה במכשירים ביו-מגוון, ומאפשר מסחר גלובליים, אך תקופות עצומות של הסביבה הימית נותרו תחת דגימה, בחלקם משום ששיטות איסוף נתונים מסורתיות – סקרים המבוססים על ספינות, מחסנים מחוסנים, וכלי טיהור – הן יקרות, כוח עבודה, גמישים, ומוגבלים, כמו איסוף של שבועות של סודיות, כמו מחסומים אוטונומיים, כמו טמפרטורות גבוהות יותר.

מה הם חיישנים תת-קרקעיים אוטונומיים?

חיישני תת-קרקעיים מונעים על ידי עצמי, המסווגים לעתים קרובות כרכבים תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) או גלדרים מתחת למים, הם פלטפורמות רובוטיות שנועדו לאסוף נתונים סביבתיים תוך כדי המעבר במים עם פיקוח מינימלי של בני אדם (ROVs) הדורשות tether וצוות, חיישנים מונעים על ידי עצמי לשאת את הכוח שלהם, הניווט ומערכות הבקרה שלהם.

סוגים של חיישן תת-קרקעי עצמי

קטגוריה כוללת מספר גורמים שונים:

(FLT:0) מתחת למים gliders:FLT:1 כלי רכב אלה מונעים על ידי buoyancy להשתמש כנפיים כדי להמיר תנועה אנכית לתוך glide קדימה, מה שהופך אותם מאוד יעיל אנרגיה.הם יכולים לפעול במשך חודשים בזמן, פרופיל עמוד המים שוב ושוב. , דוגמאות לא ניתן להוסיף כוללים את Slocum glider, Seader, ו Sgli spray.
(FLT:0) כלי רכב מונעים על ידי פרופלר כגון סדרת REMUS ו- HUGIN מציעים מהירות מעבר מהירה וקיבולת תשלום גדולה יותר, אך בדרך כלל יש סיבולת קצרה יותר (שעות עד ימים) הם משמשים עבור סקרים ברזולוציה גבוהה של אזורים ספציפיים.
(FLT:0) עיצובים מהומבריים:FLT:1Builds משלבים יעילות גלידר עם יכולת תמרון מבוססת דחף, המאפשר פלטפורמה אחת לעבור בין סחף חיסכון באנרגיה ו דגימה ממוקדת.
(FLT:0) Drifters ו צף: FLT:1 בעוד לא עצמי, כמה חיפוי עצמי צף (למשל, ארגו צף) להתאים את החביות שלהם למעגל בין עומק ומשטח, העברת נתונים באמצעות לווין.הם מרכיב קריטי של מערכות התבוננות באוקיינוס העולמי.

כל הפלטפורמות הללו חולקות את התכונה הליבה של הפעלה ללא הדרכה אנושית מתמשכת, אם כי הן עשויות לעמוד על פני השטח מעת לעת לשלוח נתונים, לקבל פקודות או לטעון מחדש.

חיישנים של עצמם-Driven תת-קרקעיים

בניית חיישן תת-קרקעי אמין דורש שילוב של דיסציפלינות הנדסיות מרובות. להלן הן תת-מערכות חיוניות, כל אחת מהן מציגה שיקולים עיצוביים משלה.

מקור

אחסון אנרגיה הוא המחסנים הגדול ביותר על משך המשימה.רוב כלי הרכב הנוכחיים משתמשים סוללות ראשוניות (לא תשלום) ליתיום או סוללות ליתיום-פומרימר עבור פריסות עמוקות, ארוכות טווח. סוללות טעינה, בשילוב עם לוחות סולאריים או קצירי אנרגיה גל, הופכים נפוצים יותר על פני השטח או ליד פלטפורמות אבטחה.

חיישנים ומטענים

חבילת החיישן תלויה בתכלית המשימה.חיישנים סביבתיים משותפים כוללים:

(FLT:0) חינוך, טמפרטורה ועומק (CTDIR): 1 הכלים הבסיסיים למדידת צפיפות מים ומהירות קול.
חיישנים חמצן:0 (Dolssolved חמצן: FIRLT:1 לעתים קרובות אופטי או אלקטרוכימי, המשמש למחקר hypoxia וייצור ראשוני.
(FLT:0)pH ו- pCO2 חיישנים:FreaLT:1 קריטי עבור ניטור חומציות האוקיינוס.
(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) חיישנים (החומרים, הטרמפרמנטים): כפל 1:0 חיישנים כרונופיליים (החומרים, האורבים) והצבעים מתפזרים חומר אורגני.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ויקרא י"א: ויקרא י"א: "וַיָּבְהִיא עַמֶרְטַבְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִי" (בראשית כ"ד).

מיניטורלציה ועיצוב כוח נמוך הם הכרחי להתאים את הכלים האלה לתוך רכב קומפקטי, buoyancy-neutral.

מערכות ניווט

ניווט תת-ימי מאתגר כי אותות GPS אינם חודרים למים.

(ב) ו-(Dead Assessmenting: 1FLT) 1 שימוש ביחידות מדידה לא רצויות (IMUs) ו-"מצפן" (Ceptioning) כדי להעריך את המיקום ביחס לנקודת התחלה ידועה.
(FLT:0) מיקום אקוסטי: FLT:1 Long-baseline (LBL), בסיס קצר (SBL), או אולטרה-בסיס (USBL) מערכות להשתמש transponders כדי לבודד את המיקום של הרכב.
(ב) ,0) ,Terrain-aided ניווט: ibph:1 , התאמת מפות רחצה או נורמה מגנטית לסחף הנכון.
(FLT:0GPS מתקן על פני השטח:FreaLT:1) כלי רכב רבים על פני השטח מעת לעת כדי לקבל עדכון GPS, לתקן את עמדתם ולאחר מכן לצלול שוב.

מודול תקשורת

העברת נתונים בזמן אמת כמעט בלתי אפשרית באמצעות מים למעט מרחקים קצרים באמצעות מודמים אקוסטיים, שיש להם רוחב פס נמוך (בדרך כלל <100 kbit /s) כלי רכב רבים לאחסן את כל הנתונים בתוך ומחוץ אותם בעת התאושש.עבור תקשורת דו-כיויוונית, קישורים אקוסטיים מאפשרים פקודות להיות נשלח מהחוף, אבל עצלות וטווח הם מגבילים.

תוכנת בקרה אוטונומית

התוכנה על הסיפון חייבת להתמודד עם תכנון משימות, הימנעות ממכשולים, בדיקת חיישן, וגילוי תקלות.מערכות בקרה מודרניות להשתמש באדריכלות מבוססת התנהגות או שליטה ממוקדת מודל להסתגל לשינויים בזרמים, רמות אנרגיה, או סטיות חיישן. Machine Learning מוחל יותר ויותר למעקב אחר צנרת, סיווג מטרות Sonar, ותכנון נתיב אנרגיה הוא רב-עוצמה - על כלי רכב, ללא החלטות של אובדן אנושי, יכול לגרום לפלטפורמת באגים מוחלט של .

אתגרים בפיתוח חיישנים תת-קרקעיים אוטונומיים

למרות עשרות שנים של התקדמות, בניית חיישן תת-ימי חזק באמת נשאר משימה הנדסית מדהימה.כאן המכשולים העיקריים מפתחים ממשיכים להתמודד.

כוח אמין לטווח ארוך

יכולת סוללה השתפרה, אך הביקוש לחיישנים נוספים, שיעורי הדגימה גבוהים יותר, ומשימות ארוכות יותר פירושה ניהול חשמל הוא תמיד צוואר בקבוק. אנרגיה קציר מן הסביבה (סולר, גלים, גלימות תרמיות) מבטיח אך מוסיף מורכבות ומשקל.מפתחים חייבים לאזן בזהירות את עומס החשמל, סיבולת רכב, וטעינה הזדמנויות.

ניווט מהיר בסביבה GPS-Denied

שגיאות מתות מורכבות לאורך זמן; אפילו הטיה קטנה של כותרות יכול לגרום לרכב להחמיץ את היעד שלו על ידי מאות מטרים לאחר שבוע של נסיעות. מערכות ניווט אינרטי (INS) עם גליסקופים סיבים אופטיים יכול להפחית את הסחף אבל הם יקרים וכוח-hungry. מיקום אקוסטי דורש פריסה נוספת של טרמפדרים, אשר הוא יקר ומגבלות גיאוגרפיות.

חומרה מהירה תחת לחץ קיצוני וקורוזיה

בעומק מתחת לאלף מטרים, הלחץ עולה על 100 אטמוספירות (1500 psi) Seals, דיור, ומחברים חייבים להיות מתוכננים בקפידה כדי למנוע נפילה או דליפה. קורוזיה במי הים הוא אגרסיבי, במיוחד על מתכת דיסימיים.טיטאניום ופלדות אל-חלד מסוימים נפוצים עבור כלי לחץ, אבל העלות שלהם יכולה להיות מונעת.

תקשורת תת-קרקעית יעילה

מודמים אקוסטיים מספקים רק רוחב פס נמוך והם רגישים להפרעות מרובותפת, ⁇ טמפרטורה ורעש רקע. Transmitting תמונה של סונר ברזולוציה גבוהה אחת יכול לקחת שעות.לכן, רוב המכוניות חייבות לאחסן נתונים על הסיפון, יצירת סיכון של אובדן נתונים אם הפלטפורמה אינה התאוששה. החוקרים בודקים תקשורת אופטית ומגנטית לשיעורים גבוהים יותר על פני מרחקים, אבל אלה דורשים מים ברורים ורשתות תת-קרקעיות (מחדש) הן שיטות מחקר פיזיות).

החלטות אוטונומיות בסביבה מורכבת

חיישנים מונעים עצמית חייבים לפרש נתונים של חיישן בזמן אמת כדי להימנע מהתנגשות, לעקוב אחר תכונות אוקיאנוסיות (למשל, חזיתות או אדיות), ולהגיב לאירועים בלתי צפויים כמו טיפות במתח סוללה או דחף רעוע.התוכנה הבקרה חייבת להיות גמישה ובלתי בטוחה.שיטות אימות טפסים הופכות נפוצות יותר כדי להוכיח כי התוכנה מתנהגת כראוי תחת כל התנאים האפשריים, האוקיינוס הוא לא יכול לשכפל כמות בלתי צפויה של בדיקות סימולציה חיונית ומאובטחת.

אפשרויות ויישומים עתידיים

כמו טכנולוגיות אלה בוגרות, חיישני תת-ימיים מונעים על ידי עצמי, הם נועדו לחולל מהפכה בהיבטים רבים של מדע האוקיינוס, התעשייה וההגנה.

ניטור שינויי אקלים ואוקיינוס פחמן Cycling

חיישנים אוטונומיים כבר פרוסים ברשתות כמו תוכנית ארגו העולמי (כיום עם יותר מ-4,000 צפים פרוטציות) כדי לעקוב אחר טמפרטורה ומגמות הסליליות. חיישנים עתידיים עם pH, חמצן, ו pCO2 payloads יעזור להגביל את התפקיד של האוקיינוס בקליטת CO2 אטמוספירי והחומצה וכתוצאה מכך גלידרס יכול לפקח על אזורי היפותקסיה עונתיים, כגון מפרץ מקסיקו מת, עם מדדי פחמן מרוחק של פחמן CDC (SoCOM) ו-C).

Marine Wildlife Tracking and Ecosystem Health

כלי רכב אוטונומיים מצוידים הידרופונים יכולים לזהות יונקים ימיים, בתי ספר דגים ואפילו שיחות האכלה לווייתנים.הם יכולים לעקוב אחר בעלי חיים מתויגים או דגימה DNA סביבתיים (eDNA) כדי להפר נוכחות מינים ללא שיטות פולשניות. באוסטרליה, AUV בשם "הדג'יבוט" סיורים דגים חוות נמלים כדי לאסוף נתונים על algals מזיקים. חוקרים במכון מחקר מפרץ מונטריי אקווריום (MBA) משתמשים לטווח ארוך כדי לעקוב אחר מרכזי של Oceanaton.

Seafloor Mapping and Infrastructure Inspection

מפעילי נפט וגז, חברות מכופות כבלים, ומפתחי חוות רוח offshore מסתמכים על AUVs כדי לבדוק צינורות, עלייה ומבנים תת-ימיים. sרזולוציה גבוהה צד-scan Sonar וסורקי קו לייזר יכולים לזהות קורוזיה, סדקים וצמיחה ימית.המעבר לבדיקה אוטונומית מפחית את הצורך בכלי תמיכה יקרים של ROV ו- Humanvers. ב-2022, רכב אוטונומי "HUGIN"משימה של 72 ק"מסוף של ים של ים של ים של ים של ים של ים בגובה של ים של ים של ים של ים של ים של ים של 254 שעות.

רעידת אדמה ואזהרה מוקדמת

חיישני לחץ ים הפדרורים בפלטפורמות אוטונומיות יכולים לזהות את המעבר של גלי צונאמי זמן רב לפני שהם מגיעים לחוף.מערכת DONET של יפן משתמשת במצפה מעוקלים, אבל חיישנים אוטונומיים מציעים כיסוי זול יותר לאזורים מרוחקים.רשת של צפים המונעים על ידי עצמי המסוגלים לדגום מהיר יכול לשפר את התחזיות הצונאמיות על ידי מדידה של גובה פני הים בזמן אמת, בדומה לחיישנים אטומיים, על ידי חיישנים גיאופטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטים על ידי רעידות מתחת לרצפת עצמית, לפני רעידות מתחת לרדאר.

ביטחון ימי והגנה

נבנים ברחבי העולם לפרוס חיישנים תת-ימיים אוטונומיים עבור אמצעי הנגד שלי, לוחמה אנטי-סובייקנטית, ומשמר מעקב. כלי רכב תת-קרקעיים בלתי מאוישים יכולים לטאטא עבור מכרות עם סונר או מגנטים, תוך לנטרל אותם ללא מחלוקות בסיכון.הם יכולים לפעול גם כממסרי תקשורת או פלטפורמות איסוף מודיעין.

הגדרות נוספות: תפקידה של תוכנה ואינטליגנציה מלאכותית

הפער בין הטכנולוגיה הנוכחית לבין החזון של חיישני האוקיינוס המתמשכים באמת, המודעת עצמית צר הודות להתקדמות ב-AI וב-Metle מחשוב קצה.מערכות בקרה אוטונומיות מודרניות יכולות לעבד נתונים מחיישנים רבים כדי לבנות מודעות מצבית שמתחרה טייס אנושי בפעילות שגרתית.לדוגמה, מודלים למידה עמוקה המוכשרים על נתונים בנארי יכולים לסווג סוגי קרקעית הים, לזהות אובייקטים דמויי מכרה, ואפילו לזהות מינים ימיים ספציפיים – בזמן אמתי-מתאים במעבדים-מתאים-מתאים-מתאים-מתאים באופן דרמטי.

יתר על כן, כניסת חומרה מסחרית מחוץ ל-H-the-shelf (COTS) – כגון לוחות Raspberry Pi-class ו- GPUs בעלות כוח נמוך - יש פיתוח דמוקרטי. אוניברסיטאות קטנות יותר וסטארט-אפים יכולים כעת לא-טיפוס חיישנים תת-ימיים אינטליגנטיים שפעם היו התחום של מעבדות לאומיות. Open-sources כמו ROS (Robot הפעלה System) ומתכננים משימה כגון ArduSub יש התפתחות מואצת וטיפוח של אלגוריתמים של אלגוריתמים משותפים.

מסקנה

חיישני תת-ימיים מונעים בעצמם אינם עוד סקרנות ניסיונית – הם כלי חיוני להבנת ולניהול האוקיינוסים שלנו.מ ניטור אקלים ועד פיקוח תשתיות, פלטפורמות אוטונומיות אלה מספקות נתונים בקנה מידה ומרווחים שלא היו אפשריים בשיטות מסורתיות, בעוד אתגרים בשלטון, ניווט, עמידות, ורשתות תקשורת נשארים, חידושים מתמשכים בחומרים, קציר אנרגיה, ואינטליגנציה מלאכותית דוחפים בהתמדה את הגבולות של מה שאפשר לעשות, ככל שהטכנולוגיה הזו הופכת לחדשנות בעלת יכולת גבוהה יותר, והופכת לחדשנות ימית-זמנית, לחדשנות, ומעודדת את עצמה, ולפתחית, ולפתח את מערכות בריאות ימית-זמנית, וטכנולוגיות טכנולוגיות אבטחה, וקידום עצמיות, היא ככל הנראה, ולפתח את תחוםית, כך, ולפתח את תחום אפשרי, כך, כך, ולפתח את מערכות אבטחה, ולפתח את מערכות אבטחה, וטכנולוגיות טכנולוגיות אבטחה, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, וטכנולוגיות טכנולוגיות מתקדמות בתחום הבריאות העולמית, וטכנולוגיות בעלות יכולת, היא, היא, היא מערכת בריאות ימיות, וטכנולוגיות יעילות, כך, היא, היא מערכת בריאות ימיות, וטכנולוגיות טכנולוגיות מתקדמות בתחום הבריאות של מערכות אבטחה, וטכנולוגיות בעלות יכולת, וטכנולוגיות יעילותן, וטכנולוגיות טכנולוגיות מתקדמות

(ב) ◄ .

תוכנית ההרחבה:0Argo Program - Global Ocean Profilingph 1
(ב) ◄ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) מוסדות האוקיאנוסים של הול (Hoods Hole Oceanographic Institution) - מכונים תת-ימיים (FLT)
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇