Гибридный подводный робот для исследования сумеречной зоны океана
 |
| Mesobot, автономный подводный аппарат для исследований |
Mesobot, автономный подводный аппарат, удовлетворяет конкретные неудовлетворенные потребности в наблюдении и отборе проб различных явлений в средних водах океана. Срединная вода содержит огромную биомассу, играет важную роль в регулировании климата и вскоре может быть использована в коммерческих целях, однако наше научное понимание этого вопроса неполно. Mesobot обладает способностью исследовать и отслеживать медленно движущихся
животных, а также соотносить их движения с критическими измерениями окружающей среды. Mesobot дополнит существующие океанографические активы, такие как буксируемые, дистанционно управляемые и автономные транспортные средства; судовые акустические датчики; и сетевые буксиры. Его потенциал для ненавязчивого проведения поведенческих исследований в течение длительных периодов времени с существенной автономией обеспечивает возможности, которые в настоящее время недоступны исследователям средней воды. 250-килограммовый морской робот может управляться с помощью легкого волоконно-оптического троса, а также работать без привязи с полной автономией, минимизируя при этом нарушения окружающей среды. Представлены последние результаты, иллюстрирующие способность аппарата автоматически отслеживать свободно плавающих гидромедуз (Solmissus sp.) и личинок (Bathochordaeus stygius) на глубине 200 метров в заливе Монтерей, США. В дополнение к этим миссиям слежения аппарат может выполнять запрограммированные миссии по сбору изображений и данных датчиков, а также нести значительные вспомогательные полезные нагрузки, такие как камеры, гидролокаторы и пробоотборники.Научное исследование сумеречной зоны океана
Срединное царство океана представляет собой сложную границу для подводных роботов. Средняя часть океана или “сумеречная зона” кишит жизнью и простирается от 200 до 1000 м в глубину. На глубинах ниже верхней границы уровни освещенности недостаточны для поддержки фотосинтетической первичной продуктивности, тогда как на нижней границе условия эффективно афотические (1). Этот обширный регион богат жизнью и играет ключевую роль в глобальном углеродном цикле, тем самым регулируя климат Земли и биогеохимию ее океанов. Технологические ограничения в настоящее время ограничивают нашу способность изучать закономерности и процессы в этом регионе. Существующие морские роботы превосходно справляются с такими задачами, как эффективное обследование морского дна и водной толщи, и могут проводить такие исследования на самых больших глубинах океана. Однако средняя вода представляет различные возможности и проблемы, такие как проведение длительных наблюдений за чувствительными животными, не беспокоя их. Долгосрочное наблюдение (порядка суток) будет способствовать подходу, который сводит к минимуму роль надводного судна; напротив, наши лучшие современные средства наблюдения в середине воды (дистанционно управляемые и занятые людьми транспортные средства) должны постоянно обслуживаться надводным судном.
Интерес к сумеречной зоне растет по мере того, как обширность ее биомассы и биоразнообразия становятся все более очевидными. Конечно, исследование одной из самых больших, наименее изученных и разнообразных экосистем Земли может быть мотивировано только фундаментальными научными интересами, но появляются и другие более конкретные соображения. Последние оценки показывают, что биомасса срединной рыбы может быть в 100 раз больше, чем общая биомасса рыбы, собираемая ежегодно во всем мире (2), и недавно во многих местах был проведен исследовательский мезопелагический промысел (3). Хотя виды срединных рыб заметно отличаются от пелагических рыб, традиционно используемых для потребления человеком, срединные животные могут найти коммерческие рынки сбыта в таких продуктах, как рыбная мука для сельского хозяйства и аквакультуры, а также в других продуктах, таких как “нутрицевтики”, такие как рыба и масло криля (4). Интерес к срединному океану также мотивирован пониманием того, как он поддерживает виды, живущие в приповерхностных водах, и его роли в регулировании климата Земли. Недавние наблюдения, полученные с помощью меток, подтверждают, что многие харизматичные эпипелагические виды, такие как киты, акулы, меч—рыбы и тунцы, регулярно ныряют в сумеречную зону, чтобы питаться обильными популяциями животных, таких как кальмары (5-7). Точно так же срединные животные, вероятно, играют важную роль в переносе углерода из приповерхностных вод в глубокий океан как часть “биологического насоса” (8-10). Эти мероприятия могут смягчить последствия повышения атмосферногоCO2, но точные механизмы и их глобальное значение недостаточно изучены.
Многие животные среднего течения совершают дневные миграции, проводя дневные часы на глубине сотен метров, предположительно, чтобы избежать хищничества; поднимаясь в приповерхностные воды ночью, чтобы питаться под покровом темноты; а затем спускаясь в более безопасные, темные воды на рассвете (11). Некоторые из этих животных можно наблюдать косвенно с помощью установленных на судне гидролокаторов, образуя “глубокий рассеивающий слой” (11). Это явление происходит между широтой около 60N и 60S и происходит по всему земному шару каждый день. Это ежедневное перемещение животных приводит к самой большой миграции на Земле (12Когда эти животные питаются вблизи поверхности, а затем испражняются после того, как они отступают на более глубокую воду, они физически переносят органический углерод с мелководья на глубокую воду. Однако детали того, сколько углерода на самом деле секвестрируется этими биологическими процессами, остаются неопределенными (12-14).
Руководствуясь нынешними и будущими приоритетами исследований сообщества, мы разработали робота (Фильм 1), который обеспечивает уникальный научный доступ к срединной среде, дополняя другие доступные в настоящее время инструменты. Подробные характеристики транспортных средств были разработаны в рамках нашей междисциплинарной группы и обсуждены с более широким исследовательским сообществом midwater на нескольких международных встречах. В частности, мы определили необходимость в транспортном средстве, которое могло бы позволить проводить поведенческие исследования, которые сложны с нашими текущими активами, с низким уровнем избегания / притяжения и способностью работать независимо от вспомогательного судна. Мы сообщаем здесь о проектировании, строительстве и испытаниях Mesobot, которые продвинут наше понимание повседневной жизни срединных животных, наблюдая за ними в течение длительных периодов времени (от часов до суток). Хотя занятые человеком и дистанционно управляемые транспортные средства (РОВС) могут очень эффективно работать в средней воде (15), гибридные (16, 17) или полностью автономные транспортные средства имеют явные преимущества, особенно для длительных миссий слежения, при этом предъявляя более низкие требования к вспомогательному судну. В дополнение к автоматическому отслеживанию животных с минимальными нарушениями, Mesobot может выполнять различные исследования средней воды, такие как видео-разрезы. Аппарат оснащен полным набором океанографических датчиков и может выполнять запрограммированные, целевые или адаптивные исследования (18). Аппарат также обладает значительной грузоподъемностью (~ 20 кг веса в воде, ~ 0,1 м3) для вспомогательных специализированных полезных нагрузок, таких как системы визуализации планктона, гидролокаторы и пробоотборники. Такие наблюдения с гибридного транспортного средства позволят изучать поведение, которое до сих пор было трудно достижимым.
Технология исследования средней воды и роль мезобота
Для исследований средней воды использовались различные технологии. К ним относятся датчики in situ, сети, акустические эхолоты, пробоотборники воды и широкий спектр специализированных систем камер (9, 15, 19). Такие устройства обычно опускаются на тросе или буксируются за судном, хотя в последние годы они были развернуты на занятых человеком дистанционно управляемых и автономных транспортных средствах. Mesobot был задуман, чтобы дополнить и заполнить важные пробелы, не обслуживаемые этими существующими технологиями и платформами.
Многое из того, что мы знаем о биоте средней воды, было изучено буксировкой или опусканием сетей. Было разработано большое разнообразие сетей, каждая из которых обладает определенными возможностями (19). Несмотря на то, что он необходим для исследований в средней воде, сети имеют много ограничений. Многие животные активно избегают захвата, поэтому любой конкретный сетевой буксир может не дать точного представления о разнообразии или обилии в объеме выборки (20Точно так же сети могут уничтожать многие виды студенистого зоопланктона. Операции с сетями полностью занимают исследовательское судно при развертывании, а обработка образцов трудоемка. Однако в обозримом будущем получение образцов будет необходимо для проведения таксономических исследований, детального изучения пищевых сетей и истории жизни, а также для создания библиотек генетических штрих-кодов, которые, в свою очередь, позволят определить присутствие и, возможно, обилие конкретных организмов по ДНК окружающей среды (21).
В последние годы сети были дополнены специализированными системами камер для наблюдения за биотой средней воды, такой как зоопланктон (22-25). Такие камеры использовались на буксируемых платформах, автономных подводных аппаратах с приводом и профилирующих причалах. Появилось несколько различных оптических конструкций, каждая из которых делает различные компромиссы между качеством изображения, объемом и глубиной резкости. Качество изображения для этих систем может быть очень высоким, и в сочетании с автоматизированной обработкой изображений они могут эффективно исследовать значительные объемы. Эти системы визуализации обычно обеспечивают снимки целей и редко работают таким образом, чтобы они могли наблюдать за отдельными животными в течение длительных периодов времени, необходимых для поведенческих исследований.
Эхолоты — установленные на судне, буксируемые, опускаемые или пришвартованные — также предоставляют ценные данные о видах в средней воде. Эхолоты, установленные на судне, являются доминирующей методологией дистанционного зондирования для исследований средней воды, позволяя эффективно сканировать большие объемы. Предпринимаются многочисленные усилия, чтобы сделать эти акустические системы более способными идентифицировать виды и получать точные оценки биомассы и биоразнообразия (26-28).
Океанографическое сообщество использует множество развернутых на судах и полностью автономных приборов и платформ для исследования срединного океана. Профилировщики проводимости, температуры и глубины (CTDS) спускаются с исследовательских судов на кабеле. Современные КТД теперь включают в себя широкий спектр других инструментов и отбор проб воды. С 2000 года по всему миру были развернуты тысячи полностью автономных профилирующих поплавков Argo, приводимых в действие двигателями плавучести. Они предоставили беспрецедентные данные по целому ряду тем, включая циркуляцию океана, взаимодействие воздуха и моря и изменение климата (29). Планеры несут аналогичные инструменты и активно мобильны; они профилируют и перемещаются в боковом направлении, используя комбинацию двигателя плавучести, крыльев, которые обеспечивают подъемную силу, и контроля их положения путем смещения центра тяжести (30). AUV дальнего действия (31, 32) сочетают в себе атрибуты приводимых в действие AUV и планеров для выполнения исследований на протяжении тысяч километров с многонедельной выносливостью. Роящиеся подводные дрифтеры (M-АУЕС, мини-автономные подводные исследователи) также появляются для исследования срединного океана (33). РОВС обычно используются для наблюдения и отбора проб срединных животных, проведения манипулятивных экспериментальных работ, акустических и визуальных обследований и проведения поведенческих исследований в присутствии надводного судна (15). Полезная нагрузка датчиков, переносимая дистанционно управляемыми и автономными транспортными средствами, в последние годы расширилась и теперь включает флюорометры, эхолоты для биоакустики и даже масс-спектрометры.
Любая морская роботизированная платформа в какой-то степени нарушит окружающую среду, заставляя некоторых животных бежать, привлекая других. Хотя умелое управление транспортными средствами или РОВС, занятыми людьми, может привести к крупным наблюдениям даже за очень чувствительными животными (9, 15, 34), платформы, которые могут более надежно наблюдать за животными, сводя к минимуму беспокойство животных, все еще необходимы. Поведенческие реакции животных могут быть вызваны многими факторами, включая освещение, гидродинамические возмущения, акустику, электромагнитные поля или химическую сигнатуру транспортного средства. Хотя все соответствующие факторы не могут быть устранены, их можно значительно уменьшить. Уровни окружающего света и спектральные характеристики должны учитываться при попытке наблюдать биологию в мезопелагии, где активность животных сильно зависит от света различных источников (35Даже на больших глубинах мезопелагии, где уровень освещенности чрезвычайно низок (на 9-10 порядков ниже, чем на поверхности), свет, по-видимому, сильно влияет на поведение животных (36-38). Хотя искусственное освещение для визуализации может быть разрушительным, эти вредные эффекты могут быть уменьшены (39) с помощью света с более длинными длинами волн (например, красный, ближний инфракрасный), к которому многие зрительные системы глубоководных животных имеют минимальную чувствительность (40-42). Многие морские животные, включая рыб и беспозвоночных, очень чувствительны к гидродинамическим возмущениям. Как и в случае с подводным аппаратом, приближающийся хищник генерирует носовую волну, которая может вызвать реакцию бегства у рыб даже в темноте (43). Аналогично, беспозвоночные реагируют на гидродинамические возмущения, чтобы поддерживать скопления (44) и избегать хищничества (45), а нежный студенистый зоопланктон может быть поврежден носовой волной или активностью двигателя приближающегося транспортного средства (15). Технические решения по минимизации этих эффектов включают придание транспортному средству гидродинамической формы, оснащение транспортного средства маломощными двигателями, которые вращают большие, медленно движущиеся пропеллеры, которые не направляют поток в объем изображения, минимизацию и тщательное управление тягой транспортного средства, а также придание транспортному средству почти нейтральной плавучести и расцепленияиз движений надводных судов (46).
Степень, в которой морской робот должен напоминать типичных животных, является предметом дискуссий. Исследователи построили морских роботов, которые напоминают рыбу по внешнему виду либо для минимизации избегания (47), либо, наоборот, напоминают хищников для активного отражения инвазивных видов (48). Эти усилия сосредоточены на появлении робота в залитых солнцем водах, но игнорируют многие другие механизмы избегания и притяжения, которые хорошо документированы для мезопелагических животных (34). Исследователи также задокументировали, как обычные обзорные AUVS могут привлекать рыбу, которая может следовать за таким транспортным средством большими стаями (49) или даже яростно атаковать транспортное средство (50, 51). Mesobot физически не похож ни на один морской организм; скорее, его конструкция стремится свести к минимуму все другие известные механизмы, которые могут вызвать избегание или притяжение.
Хотя существующие платформы midwater весьма эффективны для своих целей, достижения в области технологии автономных транспортных средств имеют многообещающие перспективы для обеспечения более длительных наблюдений, которые проводятся менее навязчиво, с меньшими затратами и при работе более независимо от надводных судов (52). Наши цели - дополнить или дополнить, а не заменить возможности, описанные ранее. Соответственно, мы задумали Мезобота (рис. 1), который обладает следующими атрибутами:
1) Аппарат должен быть способен наблюдать и изображать цели в течение длительных периодов времени, включая медленно движущихся животных, частицы, агрегаты, пузырьки и капли. Наши усилия по автоматизированному отслеживанию были мотивированы ранее задокументированными успешными усилиями с Институтом исследований аквариума залива Монтерей (MBARI) Ventana (53) и Японским агентством морских и земных наук и технологий (JAMSTEC) PICASSO (54). Системы ROV. По сравнению с PICASSO, Mesobot обладает большей выносливостью и большей грузоподъемностью и способен полностью автономно работать.
2) Конструкция транспортного средства должна минимизировать возмущение объема изображения с гидродинамической, акустической и оптической точек зрения.
3) Подобно многим своим целям, аппарат должен вести себя “в основном лагранжево”, эффективно парить и двигаться с окружающими водными массами, а также активно маневрировать с точным контролем, чтобы следовать за медленно движущимися целями.
4) Аппарат должен иметь продолжительность миссии, превышающую 24 часа, для наблюдения за миграциями диль, с еще большей выносливостью для менее энергичных задач, таких как отслеживание океанографических особенностей и отбор проб.
5) Аппарат должен работать на глубине до 1000 м, что позволит ему отслеживать большинство дильских миграторов и поставить многие важные мезопелагические научные проблемы в пределах его досягаемости.
6) Транспортное средство должно быть способно нести вспомогательные полезные нагрузки, такие как специализированная система визуализации планктона, гидролокаторы или пробоотборники, для выполнения ряда задач исследования средней воды, таких как разведочные исследования; обеспечение наземной истины для акустических исследований; и следующие функции, такие как изотермы, изопикнали или нейтральные поверхности.
РИС. 1 . Визуализация и фото мезоботов.
Mesobot - это гибридный подводный аппарат, предназначенный для слежения за медленно движущимися срединными целями, такими как зоопланктон, рыба и агрегаты частиц. Аппарат оснащен стереокамерами для слежения за целью и высококачественной видео/неподвижной камерой для научной документации. Мезобот имеет рост 1,5 м и весит около 250 кг.
Типичная миссия мезобота
Mesobot - это гибкая платформа, способная выполнять различные миссии и может работать в привязанном или отвязанном режиме. Один важный профиль погружения фокусируется на миссии по отслеживанию срединных животных в течение полного цикла диеля, включая мигрирующие и немигрирующие цели (рис. 2). В этом сценарии мы начинаем с запуска транспортного средства с легкого (3 мм в диаметре) волоконно-оптического троса, который обычно имеет длину около 50 м и взвешен таким образом, чтобы он принимал стабильную конфигурацию и не запутывался с транспортным средством или комком. Трос прикреплен к SmartClump MBARI, который несет навигационный маяк, датчик глубины, камеры, огни и двигатели, которые позволяют контролировать его курс и обеспечивают ситуационную осведомленность вокруг Mesobot. Трос обеспечивает сетевое соединение с высокой пропускной способностью, позволяя пилоту-человеку на поверхности управлять транспортным средством, таким как ROV, просматривая изображения со стереокамер и научных камер. После нахождения подходящей цели и инициирования отслеживания трос может быть освобожден от транспортного средства и восстановлен вместе со SmartClump, и транспортное средство продолжит отслеживать цель автономно. В зависимости от вида и местных условий аппарат может опускаться на глубину до 1000 м, следуя за конкретным животным. Во время погружения транспортное средство может также нести другие вспомогательные пакеты, такие как дополнительные датчики или пробоотборники.
РИС. 2 Типичная миссия слежения за мезоботом.
Миссии по отслеживанию начнутся с телеоперативной фазы, где транспортное средство управляется пилотом-человеком через трос и промежуточное транспортное средство, такое как SmartClump MBARI. После обнаружения подходящей цели трос может быть отпущен, и транспортное средство будет отслеживать цель автономно, используя свои стереокамеры и бортовые компьютеры.
Результаты
Результаты отслеживания в тестовом резервуаре
Мы провели серию испытаний по отслеживанию в резервуаре для морской воды MBARI (10 м в ширину, 13 м в длину и 10 м в глубину). В этих тестах мы использовали имитированную мишень (рыба-сережка; см. рис. S1), который можно было перемещать вручную по всему резервуару. Мы оценили способность Mesobot перехватывать и следовать за целью, движущейся вертикально через объем изображения, используя Shacklefish, чтобы смоделировать, как транспортное средство отреагирует, когда мигрирующее животное войдет в поле зрения Mesobot. Как показано на рис. 3 система хорошо зарекомендовала себя в повторных испытаниях, когда мишень либо поднималась, либо падала со скоростями, превышающими скорости типичного мигрирующего зоопланктона, несмотря на положительную балластировку транспортного средства, которая требует большей тяги для компенсации во время спуска. Проводя испытания при номинальной целевой скорости около 10 см / с (360 м / час), которая эмулирует высокую скорость миграции типичного зоопланктона (55), мы приходим к выводу, что вертикальная реакция системы управления, включая стереоизображение и динамическое управление, достаточна для того, чтобы система могла зафиксироваться на поверхности океана.и следить за мигрирующим зоопланктоном.
РИС. 3. Результаты испытаний резервуара.
Эти графики суммируют результаты испытаний танков, которые иллюстрируют способность системы перехватывать и отслеживать спускающуюся цель. Вверху показано вертикальное положение цели в раме транспортного средства. На старте информация отслеживания недействительна, о чем свидетельствуют красные символы. Информация отслеживания становится действительной, когда цель входит в верхнюю часть поля зрения. Значение вертикального слежения немедленно сходится к низкому значению, поскольку система управления маневрирует транспортным средством, чтобы привести цель в центр поля зрения. Как видно на второй панели, транспортное средство начинает спускаться, чтобы отслеживать цель, приближаясь к скорости спуска около 15 см / с. Вблизи дна резервуара движение цели меняется на противоположное, и система отслеживает цель по мере ее подъема. Вертикальная сила насыщается, когда цель разворачивается, но информация отслеживания остается действительной, и цель снова возвращается в центр поля зрения.
Отслеживание зоопланктона в полевых условиях
В октябре 2019 года мы провели полевые испытания, чтобы проверить способность Mesobot отслеживать зоопланктон. Испытания проходили вблизи Мосс-Лендинг, Калифорния, США (36°45'N и 122°0.6'W) в воде с глубиной дна ~1000 м. Мы развернули Mesobot с исследовательского судна MBARI Rachel Carson (56) с волоконно-оптическим тросом длиной 50 м и диаметром 3 мм, подключенным к SmartClump (рис. 2). Сначала мы развернули Mesobot, отогнали его от судна на поверхности, развернули SmartClump, а затем опустили SmartClump, ведя машину вниз. Операторы судов и мезоботы пилот-человек работал вместе, чтобы гарантировать, что Mesobot оставался в пределах 50 м от SmartClump, чтобы избежать разрыва троса, пока трос не будет освобожден. Сверхкороткая базовая акустическая система слежения (57) и телеметрия как от транспортного средства, так и от SmartClump позволили операторам судна и пилоту мезобота наблюдать их положение относительно друг друга и судна (рис. 2). После достижения рабочей глубины 200 м мы начали поиск целей, причем пилот-человек использовал комбинации автоматического курса, автоматической глубины и полностью ручного управления. Мы встретили и успешно отследили гигантских личинок (Bathochordaeus stygius) и медузу “тарелку” (Solmissus sp.) (рис. 4). Как научная камера, так и стереокамеры также записали и продемонстрировали способность отслеживать частицы морского снега. Когда мы приблизились к концу погружения, мы намеренно отпустили трос на транспортном средстве, после чего транспортное средство продолжало автономно отслеживать цель в течение нескольких минут, как было запрограммировано. Мы восстановили SmartClump и Mesobot после того, как они вернулись на поверхность автономно, используя свои двигатели. Чтобы избежать каких-либо нарушений в морском заповеднике залива Монтерей, в котором мы работали, мы не выпускали стальные грузы, как обычно. Наши автономные аварийные реакции сбросили бы вес, если бы произошла серьезная неисправность или если бы батарейные блоки были разряжены.
РИС. 4 Типичные изображения с погружения Mesobot015.
Вверху слева: дисплей слежения в реальном времени, показывающий изображения левой и правой камеры при следовании за медузой Solmissus; синие точки указывают выбранные левые и правые цели. Внизу слева: видео с научной камеры, показывающее Solmissus, в то время как Mesobot отслеживал автоматически, вместе с сифонофором и морским снегом. Вверху справа: гигантская личинка внутри своего “внешнего дома”. Внизу справа: гигантская личинка (напоминающая головастика) и ее “внутренний дом”. Личинки водят воду через свой внутренний дом, чтобы обеспечить подачу фильтра. Mesobot отслеживал эту цель более 30 минут, не беспокоя ее. Фильм 2 - это соответствующее видео отслеживания Solmissus.
Примеры отслеживания Solmissus
Мы отслеживали несколько Solmissus sp., один в течение почти 4 минут, когда он опускался, а другой в течение около 2 минут, когда он двигался горизонтально. Соответствующее отслеживание и научное видео показаны в фильме 2. В нисходящем примере животное активно двигалось со средней скоростью спуска 3,5 см / с, что является типичной скоростью для мигрирующего зоопланктона (55). Видеоизображение показывает поведение животного и позволяет точно соотнести движения тела животного со скоростью его плавания. Во время слежения животное демонстрировало хорошо известное поведение кормления, известное как “таран”, когда животное движется своими ядовитыми щупальцами, направленными вперед, чтобы захватить добычу (58). В какой-то момент на видео щупальца солмиссуса соприкасаются с сифонофором (Nanomia bijuga), известной добычей Солмиссуса (58). В этом случае сифонофор ускользает, и активное отслеживание Солмиссуса продолжается.
Пример отслеживания гигантских личинок Bathochordaeus
На том же погружении (Mesobot015) мы также отслеживали гигантскую личинку B. stygius (59) в течение более 40 минут, включая 30-минутный непрерывный сегмент. Личинки - это пелагические оболочки, которые проводят большую часть своей жизни пассивно дрейфуя, а не активно плавая. Они строят слизистые структуры, обычно называемые “домами”, через которые они качают воду для подачи фильтра (60). Эти животные играют важную роль в переносе углерода из приповерхностных вод в глубокий океан (9, 10). Внешний дом, который часто достигает размера 1 м, действует как предварительный фильтр, чтобы исключить засорение крупных частиц внутренним домом. Внешний дом чрезвычайно хрупок, в то время как более прочный внутренний дом обычно составляет ~ 20 см в поперечнике.
После встречи с личинкой мы осторожно приблизились к ней и включили автоматическое отслеживание в течение нескольких минут, прежде чем чрезвычайно хрупкий внешний дом начал разрушаться. В то время как внешний дом ухудшился, транспортное средство не могло поддерживать отслеживание из-за сложности сцены. Однако, как только внешний дом исчез, система достигла очень стабильного отслеживания внутреннего дома и самого животного, как показано в фильме 3 и неподвижных изображениях на рис. 6. Транспортное средство отслеживало животное более 30 минут без каких-либо признаков того, что внутренний дом или животное были потревожены, как показано на рис. 6 и фильм 3. Алгоритм поддерживал отслеживание целей, несмотря на то, что в кадр попадали многие другие цели, включая сифонофоров и криля, которые в некоторых случаях проходили между личинкой и камерами. Таким образом, наши попытки минимизировать влияние аппарата на цель были частично успешными. Автомобиль повредил чрезвычайно хрупкий внешний дом, но автомобиль наблюдал за животным в течение длительного периода, не нарушая более прочный внутренний дом или животное, несмотря на вмешательство других животных.
Фильм 3. Пример отслеживания Bathochordaeus. Mesobot активно отслеживал личинку Bathochordaeus (головастикоподобное животное), когда она качает воду через свой внутренний дом во время подачи фильтра. Общий период слежения составил более 40 мин, при этом 30 мин непрерывного слежения. В то время как гидродинамические возмущения от мезобота разрушили чрезвычайно хрупкий внешний дом, показанный на рис. 4, мы не наблюдали никаких возмущений более прочного внутреннего дома или животного. Учения по отслеживанию были прекращены, поскольку судно должно было вернуться в порт.
Пример отслеживания Bathochordaeus. Mesobot активно отслеживал личинку Bathochordaeus (головастикоподобное животное), когда она качает воду через свой внутренний дом во время подачи фильтра. Общий период слежения составил более 40 мин, при этом 30 мин непрерывного слежения. В то время как гидродинамические возмущения от мезобота разрушили чрезвычайно хрупкий внешний дом, показанный на рис. 4, мы не наблюдали никаких возмущений более прочного внутреннего дома или животного. Учения по отслеживанию были прекращены, поскольку судно должно было вернуться в порт.
РИС. 6. Результаты слежения за морскими личинками.
Эти графики показывают результаты отслеживания для 30-минутного сегмента при отслеживании личинки (см. Фильм 3). Снимки научной камеры и стереотрекинга из этого сегмента миссии показаны вверху. Что касается предыдущего Solmissus например, вертикальное смещение в следящей рамке быстро сходилось, а затем оставалось на малых значениях (порядка 1 см) с несколькими исключениями, от которых система быстро восстанавливалась. Короткие сегменты плохого слежения были вызваны появлением новых целей (сифонофоров) в поле зрения; более длинный сегмент около 21:46 был вызван нашими настройками камер и огней. В каждом случае отслеживание было восстановлено. Корректировки алгоритма слежения предотвратили прерывание слежения яркими, быстро движущимися сифонофорами, как это произошло с Solmissus пример. График глубины на второй панели показывает, что цель и транспортное средство двигались вертикально на протяжении всего упражнения по отслеживанию; скорее всего, животное пассивно реагировало на внутреннюю волну и действовало как пакет окружающей морской воды. Этот результат подтверждает, что Mesobot может достичь почти лагранжевого поведения при отслеживании подходящей цели.
Еще один примечательный аспект отслеживания Bathochordaeus можно увидеть на второй панели рис. 6, график глубины. Хотя животное казалось почти неподвижным в кадре камеры транспортного средства, измеренная глубина транспортного средства показывает, что животное и транспортное средство двигались вертикально на протяжении всего упражнения по отслеживанию, следуя за волной с периодом 20 минут и амплитудой 6 метров. В зависимости от вида зоопланктон может либо проявлять активное удержание глубины, либо реагировать на вертикальную динамику океана подобно нейтрально плавучему участку морской воды (61, 62). В этом случае животное ведет себя так, как будто оно нейтрально плавучее. Вероятно, он был вертикально смещен внутренней волной, которая обычно встречается в заливе Монтерей (63). Этот результат согласуется с наблюдениями внутренних волн, сделанными с использованием роя M-AUE у побережья Сан-Диего (33), хотя аппараты M-AUE работали на постоянной глубине и выводили о наличии внутренней волны через температурные аномалии и изменения расстояния между элементами роя.
При отслеживании тяга обычно была очень низкой, несмотря на внутреннее волновое движение. Такая низкая активность двигателя приводит к минимальному нарушению окружающей среды из-за гидродинамических или акустических возмущений и приводит к низкому потреблению энергии. Обзор среднего энергопотребления во время этого упражнения по отслеживанию (~ 70 Вт) и общей емкости аккумуляторной батареи автомобиля [~ 4 киловатт-часа (кВтч)] подразумевает, что общее время миссии могло составлять более 48 часов.
Этот результат иллюстрирует, что мы достигли одной из наших главных целей проектирования: мезобот может вести себя “почти лагранжево”. Транспортное средство отслеживало, казалось бы, неподвижное животное, реагирующее на динамические океанографические особенности. Хотя наблюдение было ограничено 40 минутами из-за эксплуатационных ограничений, отслеживание было надежным и надежным.
Обсуждение
Мы разработали Mesobot, чтобы обеспечить наблюдение за срединными организмами, которые трудно или дорого наблюдать с помощью существующих платформ. Такие наблюдения могут улучшить наше понимание поведения срединных животных, что, в свою очередь, улучшает наше понимание их роли в глобальном углеродном цикле и потенциальных последствий увеличения эксплуатации. Наш мезобот дизайн стремится производить визуальные наблюдения с минимальными нарушениями, не вызывая ни притяжения, ни избегания биологических целей. Аппарат может отслеживать неподвижных и медленно движущихся животных с помощью стереокамер с красными или белыми огнями и бортовых алгоритмов. Он может записывать высококачественное видео HD и 4K, а также 12-мегапиксельные снимки с помощью камер с низким уровнем освещенности. Автомобиль имеет значительную вспомогательную грузоподъемность для поддержки дополнительных датчиков и пробоотборников. Более подробная информация о транспортном средстве и его датчиках представлена позже в "Материалах и методах".
Наши испытания на сегодняшний день подтверждают многие важные конструктивные особенности Mesobot. В ходе испытаний резервуаров мы показали, что система может фиксировать, а затем отслеживать движущиеся организмы со скоростью, превышающей скорость типичного мигрирующего зоопланктона. В открытом океане на глубине ~ 200 м мы продемонстрировали способность транспортного средства отслеживать два вида зоопланктона: медузу Solmissus sp. и гигантскую личинку B. stygius. Потребляемая мощность во время этих испытаний проецирует эксплуатационную выносливость, превышающую 24 часа, что позволит транспортному средству изучать животных во время их миграции и других ежедневных перемещений.
Эксперимент Solmissus sp. tracking подтвердил несколько ключевых мезоботов атрибуты. Транспортное средство могло отслеживать животное, когда оно двигалось вертикально или горизонтально. Уровни тяги были скромными, и мы не видели никаких признаков того, что животное было потревожено транспортным средством. Видео показало несколько интересных аспектов поведения животного, таких как таран, включая неудачную встречу хищника с сифонофором. Эти наблюдения также позволили точно соотнести движения животного со скоростью его плавания. Хотя наши первоначальные испытания были относительно короткими, эти результаты иллюстрируют потенциальные идеи, которые мы должны получить от гораздо более длительных исследований.
Отслеживание гигантской личинки B. stygius подтвердило другие важные атрибуты мезоботов. Хотя первоначальное отслеживание транспортного средства нарушило чрезвычайно хрупкий внешний дом, Mesobot смог отслеживать животное и его более устойчивый внутренний дом без существенных помех в течение ~ 40 минут, когда животное занималось фильтрованием. Хотя гигантская личинка не двигалась активно, показания давления показывают, что животное следовало за внутренними волнами, поднимаясь и опускаясь ± 6 м в течение ~ 20-минутного периода. Животное, казалось, следило за динамикой океана, как за участком морской воды. Mesobot точно соответствовал этим движениям, используя минимальную активность двигателя, иллюстрируя “почти лагранжианское” поведение, которое мы надеялись создать. Аппарат PICASSO компании JAMSTEC добился аналогичных результатов, хотя и за более короткие периоды времени (64).
Наш первый опыт отслеживания в воде предполагает ряд улучшений. Хотя наш алгоритм отслеживания показывает некоторую надежность, отслеживание животного в течение полного цикла диэля приведет ко многим проблемам, которые мы еще не наблюдали. Мы будем использовать представленные здесь наборы данных в качестве учебного набора для более современных методов обнаружения и отслеживания объектов. Автоматическое восстановление после потери слежения из-за быстрого движения цели или подавляющих помех также должно быть улучшено.
Мы ожидаем, что Mesobot станет жизненно важным инструментом для наблюдения за срединными организмами. В дополнение к отслеживанию животных в течение длительных периодов времени, мы сможем отправлять мезобота для изображения и идентификации особенностей, наблюдаемых с биосонаров судов. Mesobot - идеальная платформа для реализации адаптивных протоколов обследования и отбора проб, и мы многое узнаем о том, как минимизировать избегание и привлечение животных. Mesobot может исследовать и отслеживать срединные организмы, предоставляя убедительные изображения, которые, как мы надеемся, покажут ранее неизвестное поведение плавания, взаимодействие видов, морфологические структуры и использование биолюминесценции.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Общая компоновка
Дизайн Mesobot приоритетность стабильного зависания и эффективного вертикального движения при одновременном прохождении вперед и размещении значительной вспомогательной полезной нагрузки для других датчиков и пробоотборников. Транспортное средство полностью приведено в действие; двигатели могут оказывать силы вдоль и вокруг всех трех осей тела. Аппарат обладает высокой статической устойчивостью по тангажу и крену, при этом плавучие элементы расположены высоко, а тяжелые, плотные элементы - низко. Все двигатели на регулируемых креплениях были аккуратно размещены так, чтобы они естественным образом создавали развязанные движения; соответственно, передний и вертикальный двигатели вызывают минимальный момент тангажа. Система управления активно не изменяет тангаж или крен. Основные двигатели для передней / кормовой и вертикальной осей маломощны (ограничены электроникой управления до 60 Вт), медленны и имеют двигатели большого диаметра для минимизации гидродинамических возмущений. Боковые двигатели, которые создают курсовой момент и боковую силу (раскачивания), являются двигателями малого диаметра, чтобы вписаться в ограниченный доступный объем. Хотя боковые двигатели создают более высокие помехи, чем большие двигатели, их тяга направлена вбок, а не к изображаемому объему.
Двигатели и контроллеры двигателей
Двигатели для Mesobot должны отвечать некоторым необычным требованиям по сравнению с теми, которые используются на обычных морских транспортных средствах. Для любого транспортного средства с батарейным питанием эффективность всегда будет проблемой. Для Mesobotдополнительные ограничения включают создание минимальных гидродинамических возмущений, низкий акустический шум и мелкомасштабное управление тягой для обеспечения очень стабильного зависания. Соответственно, мы решили использовать маломощные двигатели с пропеллерами большого диаметра, чтобы минимизировать гидродинамические возмущения, создаваемые кораблем (65, 66). При эквивалентной входной мощности пропеллер большего диаметра будет более эффективным, но создаст более широкую струю с более низкими профилями поступательной и вращательной скоростей (65), что, в свою очередь, будет менее разрушительным для окружающей среды. Аналогично, грузовые суда с большими, медленно вращающимися пропеллерами наносят меньший ущерб портовой инфраструктуре при ускорении по сравнению с судами с эквивалентной мощностью, приложенной к пропеллерам с меньшими диаметрами и более высокой скоростью вращения вала (66).
Поскольку никаких больших маломощных двигателей в продаже не было, Мезобот двигатели и соответствующие контроллеры двигателей основаны на индивидуальных версиях коммерчески доступных продуктов. Они были специально подобраны и модифицированы для поддержки тихой, эффективной работы и обеспечения контроля тяги в широком динамическом диапазоне, что, в свою очередь, поддерживает плавное управление транспортным средством с минимальным циклическим ограничением и уменьшением помех окружающей среде по сравнению с обычными двигателями. Ядро двигателей - двигатели от погружных двигателей Blue Robotics T200, которые используют устойчивые к давлению бесщеточные двигатели и обычно приводят в движение пропеллер диаметром 79 мм (67). В отличие от большинства двигателей подводных аппаратов, которые используют маслонаполненные конструкции, эти двигатели позволяют морской воде заполнять зазор между ротором и статором, полагаясь на изоляцию для предотвращения электрических неисправностей. В дополнение к простоте, отсутствие уплотнения вала для отделения заполненного маслом объема от окружающей морской воды уменьшает трение и соответствующий пусковой момент, тем самым улучшая динамический диапазон двигателя. Мезобот большого диаметра двигатели - это специальные варианты Blue Robotics на двигателе T200, которые включают редуктор 8:1 и приводные 46-сантиметровые пропеллеры. Контроллеры двигателей - это контроллеры VESC (Vedder Electronic Speed Controller) с открытым исходным кодом (68), которые имеют бессенсорную коммутацию, что уменьшает количество деталей и минимизирует количество электрических соединений (три провода против шести для типичных двигателей с коммутацией на основе датчиков). Кроме того, контроллеры VESC поддерживают полевое управление (69), что обеспечивает низкий акустический шум и хороший контроль крутящего момента при очень низких оборотах вала. Поскольку контроллеры VESC предназначены для больших двигателей (до 240 А пика), резисторы измерения тока и соответствующие настройки микропрограммы были скорректированы для лучшего измерения тока (максимальный ток <6 А).
Камеры и освещение
Mesobot (рис. 7) несет стереопару камер, используемых в основном для отслеживания и поиска целей, цветную 4K-видео / неподвижную камеру для научных изображений и пару коммерчески доступных светодиодных (LED) световых массивов (70), которые могут излучать либо красный (700 нм), либо зеленый свет.белый свет (~2500 К) различной интенсивности под программным управлением.
Пример отслеживания гигантских личинок Bathochordaeus
Обсуждение
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Общая компоновка
Двигатели и контроллеры двигателей
РИС. 7 Обзор мезобота.
На этом рисунке показан аппарат со снятыми защитными боковыми “шкурами”. Для устойчивости тангажа и крена флотационный материал находится в верхней части транспортного средства, а самые тяжелые компоненты находятся низко. Двигатели имеют регулируемые крепления и расположены так, чтобы минимизировать индуцированный тангаж и крен при приложении прямой и вертикальной тяги. Большие, медленно движущиеся двигатели, используемые для прямого и вертикального движения, обеспечивают превосходное сервоуправление и приводят к небольшому нарушению окружающей воды. Для восстановления транспортное средство может сбрасывать до 13 кг стальных грузов. Эти веса также могут быть освобождены с помощью ряда отказоустойчивых механизмов, чтобы гарантировать, что транспортное средство вернется на поверхность в случае непредвиденных сбоев. Когда транспортное средство возвращается на поверхность, его ярко-желтая верхняя часть делает его более заметным, а также несет три мигалки, УКВ-радиомаяк и GPS / Iridium блок, который передает местоположение транспортного средства через спутник.
В паре стереокамер используются монохромные камеры машинного зрения Allied Vision G-319B с гигабитными интерфейсами Ethernet. Эти камеры имеют 1/1.8 "комплементарные датчики полупроводника металл-окиси с глобальными шторками, которые имеют решающее значение для поддержки синхронизированной работы в поддержку количественной стереоизображения. Камеры машинного зрения обладают превосходной чувствительностью, особенно для красного света, и разрешением 2064 пикселя (H) × 1544 пикселя (V). Они работают в коммерческих готовых корпусах (COTS) (Marine Imaging Technologies) со стеклянной куполообразной оптикой, обеспечивая горизонтальное поле зрения 62 ° и вертикальное поле зрения 47 °. Камеры весят 2,5 кг в воздухе и 1,3 кг в воде. Они потребляют по 2 Вт при 12 В. Эти камеры были настроены на большую глубину резкости, простирающуюся от портов купола до бесконечности, тем самым обеспечивая четкую фокусировку без какой-либо регулировки в реальном времени. Левая камера обращена прямо вперед, а правая расположена на расстоянии 0,28 м и повернута так, чтобы ее поле зрения сходилось с полем зрения левой камеры на 1,0 м вперед. Камеры были откалиброваны в воде путем получения пар изображений калибровочного рисунка. Для окончательной калибровки использовалось приложение MATLAB Stereo Calibrator (71).
Научная камера Mesobot (Sony UMC-SC3A) обеспечивает высококачественное цветное видео (HD или 4K) и кадры высокого разрешения (12 МП). Камера оснащена полнокадровым 35-мм сенсором. Камера обладает выдающимися возможностями низкой освещенности (0.004 l × / ISO 409,600), сжимает и записывает данные в бортовую память и сконфигурирована для дистанционного управления и ограниченного просмотра через порт USB (универсальный последовательный порт). Подобно стереокамерам, эта камера работает в куполообразном корпусе (Marine Imaging Technologies) весом 11 кг в воздухе и 10 кг в воде и потребляет около 6 Вт при 12 В постоянного тока (постоянный ток вольт). Макрообъектив (Sony FE 90 mm F2.8 macro G OSS) поддерживает работу через купол без дополнительной корректирующей оптики. Полнокадровый датчик не только обеспечивает высокое разрешение, чувствительность и высокий динамический диапазон, но и создает ограниченную глубину резкости для разумных f-остановок. Поле зрения научной камеры составляет 27 ° в ширину и 17 ° в высоту. Огни были направлены так, чтобы сходиться в точке фокусировки научной камеры (1 м вперед), и были установлены перегородки, чтобы предотвратить освещение не в фокусе ближнего поля.
Tracking system
Система слежения обеспечивает обновление положения цели в реальном времени (10 Гц) (дальность, пеленг и вертикальное смещение) с использованием изображений со стереопары. Результаты слежения передаются на соответствующие сервоконтроллеры, которые замыкают соответствующие петли, чтобы привести цель к центру рамки слежения (нулевой подшипник и вертикальное смещение) при сохранении постоянной дальности. Используемые методологии отслеживания основаны на методологии, представленной в более ранней работе по отслеживанию медуз (53), но были обновлены, чтобы воспользоваться преимуществами достижений в области вычислительного оборудования и программного обеспечения с открытым исходным кодом.
Хотя бортовая вычислительная инфраструктура обладает достаточными вычислительными возможностями для поддержки различных алгоритмов слежения, мы решили начать с простого подхода, основанного на хорошо зарекомендовавших себя методах и доступных библиотеках программного обеспечения, которые не требуют обучающих наборов. На рисунке 8 показаны результаты алгоритмов слежения, которые можно обобщить следующим образом:
1) Blob-детектор [OpenCV (72)], который изолирует отдельные частицы и организмы от каждого вида камеры. Алгоритм принимает ряд параметров для целевого размера, порога и формы.
2) Пригодность для отслеживания затем основана на целях достаточного размера, которые имеют наименьшую эпиполярную ошибку (53). Ограничения также применяются для запрета целей, которые слишком быстро перемещаются между кадрами. Эпиполярные расчеты также предоставляют значения диапазона, пеленга и вертикального смещения, которые затем передаются в сервосистему.
3) Для решения ситуаций, когда цель выходит из поля зрения, алгоритм поддерживает “мировую рамку” положения цели на основе курса транспортного средства. В случае потери цели система управления пытается восстановить цель на основе координат этой позиции.
Благодаря этим первоначальным полевым усилиям у нас теперь есть данные, которые мы можем использовать для разработки обучающих наборов для методов обнаружения, классификации и отслеживания объектов [например, YOLO (73, 74) и SiamMask (75)]. Эти источники данных также могут быть дополнены FathomNet, открытым учебным комплексом подводных изображений, который использует 30-летнюю экспертно аннотированную систему видео-аннотаций и ссылок MBARI (76). Реализации этих методов с открытым исходным кодом хорошо разработаны для бортовой вычислительной среды Mesobot (NVIDIA TX2). Хотя мы предвидим много проблем из-за специфических аспектов Mesobot's настройка изображений и окружающей среды (например, неравномерное освещение и низкоконтрастные цели, которые заметно меняют форму), включение машинного обучения в алгоритмы отслеживания должно повысить производительность.
Система управления
Система управления Mesobot обеспечивает необходимые функции для мониторинга и управления датчиками и исполнительными механизмами, для реализации низкоуровневого сервоуправления курсом и глубиной, для реализации автоматизированных процессов, таких как запрограммированные миссии и автоматическое отслеживание, а также для обеспечения отказоустойчивого реагирования в случае возникновения непредвиденных обстоятельств. Низкоуровневые функции (интерфейсы устройств и отказоустойчивые ответы) реализованы в вычислительной среде, разработанной для дальнобойных AUV MBARI (31). Вычислительная система LRAUV обеспечивает интерфейсную плату (плату контроллера нагрузки) к каждому устройству, реализующему интерфейс передачи питания и данных (последовательный, аналоговый, контроллер локальной сети и др.). Управление питанием включает в себя электронное переключение, мониторинг тока и обнаружение замыканий на землю.
Функции управления более высокого уровня реализованы напопулярном высокопроизводительном компьютере на базе графического процессора NVIDIA TX2 (77). TX2 взаимодействует с вычислительной системой LRAUV и камерами через Ethernet-соединения, а передача данных осуществляется в облегченной системе связи и маршалинга (LCM) (78). Функции, реализованные на компьютере TX2 и LRAUV, включают следующее:
1) Интерфейсы двигателя и датчика.
2) Фоновые демоны для низкоуровневого мониторинга аварийных состояний и запуска соответствующих реакций (например, превышение максимальной глубины миссии, максимальное время миссии, вторжение морской воды и т.д.).
3) Распределение двигателей: преобразование сил / моментов тела в отдельные команды двигателей, включая логику насыщения.
4) Сервоприводы курса и глубины: замкнутый контур управления курсом и глубиной при управлении джойстиком, сценариях миссий или отслеживании.
5) Возможность написания сценариев миссий, позволяющая кораблю выполнять задачи съемки и отбора проб.
Океанографические датчики
Mesobot несет набор океанографических датчиков. К ним относятся блок для измерения проводимости, температуры, глубины и растворенного кислорода [Seabird GPCTD (79)] и оптический триплет [двойные флюорометры и оптическое обратное рассеяние, Wet Labs ECO Puck (80)]. В дополнение к характеристике среды, в которой работает Mesobot, данные датчиков доступны системе управления в режиме реального времени, что позволяет проводить адаптивную съемку и отбор проб. Mesobot имеет гибкий отсек полезной нагрузки, поэтому он может нести различные датчики и пробоотборники или быть сконфигурирован только с его основными датчиками.
Управление энергией и питанием
Mesobot несет литий-ионный аккумулятор с заданной емкостью около 4,5 кВт * ч, приводящий в движение номинальную шину питания 12 В постоянного тока. Пакет состоит из 12 субпакетов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из четырех коммерческих аккумуляторных модулей (Inspired Energy NH2034HD34). Решение использовать шину питания 12 В постоянного тока (4S) позволило Mesobot воспользоваться преимуществами существующих элементов управления питанием LRAUV (31). Разработанный океанографическим институтом Вудс–Хоул модуль контроллера батарей на каждом субпаке позволяет 12 субпакетам быть сбалансированными внутри и друг с другом при зарядке батарей. В режиме реального времени информация мониторинга может быть использована для автоматического завершения погружения, когда батареи достигнут критического уровня. Одиннадцать из 12 субпакетов используются в обычном режиме; оставшийся пакет используется в качестве резерва, который используется в случае истощения первичных субпакетов. Потребляемая мощность транспортного средства во время активной фазы отслеживания погружения составляла в среднем 93 Вт, поэтому аккумуляторная батарея обеспечивает достаточно энергии для более чем 24 часов для миссии отслеживания с адекватными резервами.
Легкий волоконно-оптический трос
Трос Mesobot использует кабель OFNR (Optical Fiber Nonconducting Riser) наружного диаметра 3 мм, который включает в себя одно буферизованное одномодовое оптическое волокно, элемент прочности кевлара и оболочку из поливинилхлорида. Такой кабель обычно используется для прокладки волоконно-оптических сетевых соединений в зданиях, когда требуется некоторая прочность и надежность, например, вертикальные проходы между этажами, где кабель должен поддерживать свой собственный вес. Кабели можно легко приобрести у ряда поставщиков любой желаемой длины в комплекте с разъемами. Трос обычно имеет длину 50 м, а веса прикреплены в середине размаха для предсказуемого развертывания.
Трос физически сбрасывается с Mesobot в конце каждой миссии. Конец транспортного средства имеет модифицированное окончание ST (прямой наконечник) (81), при этом стопорное кольцо ST заменено магнитом. Небольшой моторизованный привод на Mesobot выдвигает немагнитные выталкивающие штифты, которые выталкивают тросовый кабель из наконечника ST, позволяя ему упасть с автомобиля. Затем трос восстанавливается с помощью SmartClump для повторного использования или утилизации.
Средства для восстановления
Mesobot имеет несколько функций и устройств, позволяющих определить его местонахождение, когда он всплывает. Во-первых, верхняя часть транспортного средства окрашена в ярко-желтый цвет, что облегчает обзор на поверхности. Транспортное средство несет три стробоскопа для избыточной поддержки ночного восстановления. УКВ-радиомаяк (82) может быть обнаружен, когда транспортное средство всплывает на поверхность, и приблизительный пеленг определяется либо с помощью портативного, либо с помощью судового радиопеленгатора. Mesobot также несет глобальную систему позиционирования (GPS) / Iridium unit (83), который передает местоположение транспортного средства по спутниковой связи Iridium, когда транспортное средство находится на поверхности. Результирующая фиксация положения может быть прочитана с помощью веб-браузера при условии, что судно имеет подключение к Интернету. Если на судне нет работающего подключения к Интернету, местоположение может быть получено с помощью портативного терминала Iridium или на берегу, а полученная информация передается на судно по радио или спутниковому телефону.
Аппарат также оснащен беспроводным сетевым соединением (Bullet M2HP). Когда транспортное средство всплывает в пределах ~ 1 км от судна, оно автоматически подключается к корабельной сети, хотя на больших расстояниях соединение часто может быть потеряно в зависимости от состояния моря. Беспроводное соединение позволяет пилоту-человеку вести транспортное средство к судну и совершать мелкие маневры, чтобы помочь палубному экипажу прикрепить подъемную линию к транспортному средству.
Наконец, транспортное средство несет набор капельных весов, которые могут весить до ~ 13 кг в воде. В конце погружения они высвобождаются с помощью электрически управляемого “жгучего провода”, подкрепленного пассивной корродируемой связью. Выпуск может быть активирован под программным управлением или низкоуровневой автономной цепью deadman, которая включается автоматически в случае отказа основной компьютерной системы или основных батарей.
Краткое описание конструкции
Мы разработали морского робота для ненавязчивого наблюдения за срединными целями, максимально уменьшая эффекты, которые вызывают избегание или притяжение. При выносливости, превышающей полный день, транспортное средство может работать как дистанционно управляемое или полностью автономное транспортное средство. Его автоматические возможности слежения позволяют аппарату следовать за медленно движущимися целями, и мы продемонстрировали эти возможности на нескольких видах зоопланктона в открытом океане. Поскольку эти возможности в настоящее время недоступны, мы ожидаем, что Mesobot позволит лучше понять сложную повседневную жизнь срединных животных. Аппарат оснащен полным набором океанографических датчиков и имеет достаточную вспомогательную грузоподъемность для перевозки других датчиков и пробоотборных устройств. Транспортное средство также имеет ряд практических функций для безотказного возвращения на поверхность в ответ на неисправности и несет множество радио- и оптических устройств для помощи в его восстановлении.
Комментарии
Отправить комментарий