移动式观测平台的介绍

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移动式观测平台的介绍


二班2-4组



漂流浮标



浮标简介



01

海洋浮标是一种新兴的现代化海洋监测技术,也是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分。其逐步受到各海洋国家的重视和利用,相比其他监测手段,海洋浮标可在恶劣的海洋环境条件下和浮标工作寿命时间内,对海洋环境进行自动、连续、长期的同步监测。它作为离岸监测的重要工具,与调查船、调查飞机和海洋观测站一起,对海洋环境诸要素进行全面综合的监测,比较直观、简便和经济。


浮标历史



02

海洋浮标技术开始于四十年代末至五十年代初,20世纪60年代初,美国开始研制多要素观测的海洋资料浮标,其他海洋发展国家如德国、英国、法国、加拿大、挪威、日本、意大利、前苏联等也相继展开了浮标的研制工作。在60年代末70年代初,海洋浮标的研制进程因海洋石油开发为主导的海洋资源开发的兴起得到了加速。到70年代后期,随着发展的计算机技术和卫星通信技术在浮标应用中的出现,导致了浮标技术发展的飞跃,促进了浮标的应用进程。当前美国、日本等海洋发达国家逐步建立了其关键海域的浮标监测网,为海洋工程、海洋运输、海洋资源开发、海洋气象预报、海洋灾害预警、以及各类海洋研究等提供服务,海洋浮标在海洋监测中进入了商品化和实用化阶段。

20世纪80年代末美国的戴维斯(R∙E∙DAVIS)和韦伯(D∙C∙WEBB)等人将斯沃洛浮子技术与卫星定位通信技术相结合,研制了“自持式拉格朗日环流探测器”(ALACE———AutonomousLograngianCirculationExplorer)。2002年10月装载SB-41CP型CTD的国产剖面浮标科研样机试制成功并命名为中国海洋剖面探测浮标英文名为ChinaOceanProfilingExplorer简称COPEX。其特点是:设置辅助油缸确保浮标在大多数海区均可以安全上浮;可以现场拆卸检修和封装的抽真空设计;上盖结构特有的抽真空密封设计使未布放的浮标在现场进行内部检验或处理突发故障成为可能。目前可用于国际ARGO计划的有PALACE、APEX、SOLO、PROVOR、NEPTUNESC和NEPTUNELS等几种自持式剖面循环探测浮标。

海洋浮标在我国的开发研制始于20世纪60年代中期。经过起步阶段(1965~1975)、研究试验阶段(1975~1985)和实用化阶段(1985~1990)的不断发展,90年代开始正式投入使用,到目前为止,我国已经进入了海洋浮标监测的大国俱乐部。

浮标分类



03

按浮体大小可划分为大型浮标、中型浮标、小微浮标。大型浮标,直径通常大于或等于10m,造价高,容量大、寿命长、抗恶劣环境、抗破坏性强,适合长期定点测量。中型浮标,直径通常为1~5m,造价较低、运输、布放和维护方便,适用于近岸海域水文气象或短期专题监测。小微浮标,直径通常在1m以下,体积小、重量轻、成本低,便于快速布放回收,也可用于一次性抛弃式波浪监测。

按浮标主要功能用途可划分为水文气象浮标、水质浮标、导航浮标、波浪浮标、海洋光学浮标、海冰浮标、声呐浮标、通信浮标等。

浮标监测系统



04

海洋浮标监测系统通常由浮标系统、锚泊系统和岸站系统3部分组成。浮标系统包括浮体、标架、供电设备、防护设备和各类传感器等。锚泊系统由锚、锚链和系链环组成,它是浮标定位的重要设施。岸站系统由岸站计算机、卫星通信机、打印机和电源等设备组成,完成浮标传输数据的接收、处理和存储。

我国海洋浮标发展趋势



05

1、随着当前人类对海洋研究领域的逐步扩展,尤其对海洋浮标所收集的海洋资料信息需求越来越多,采用先进技术、降低成本、提高可靠度、扩大功能、延长工作寿命、方便布放成为当前世界各国根据浮标技术发展趋势对海洋浮标进行重新设计和制造的主要宗旨。

2、为满足海洋战略的推进,浮标布放将向多站位、高密度方向发展,形成全覆盖、立体化的海洋浮标监测网络,对近海潮位点、风暴潮、生态系统、河口监测、陆架水体运动、气象水文等各方面进行全天候全天时的海洋监测。

3、随着海洋研究、海洋探测和海洋开发的推进,海洋浮标的布放将向专题化方向发展,以满足海洋专题方面的需求,如海洋水文、海洋气象、海洋生物、海洋化学、海洋物理、海洋工程、海洋地质、海洋环境等各专题领域,以推动海洋科学更快地发展、更好地服务于国民经济和人们生活。

4、随着全球对海洋的关注和开发利用,海洋监测数据的组织和管理也向规范化方向发展,我国出台了《908专项调查要素分类代码和图示图例规程》、《海洋环境基础数据库标准》、以及《海洋调查观测监测档案业务规范》等标准规范,为海洋监测提供了准则,保证了海洋浮标监测数据组织和管理的标准化和规范化,为海洋监测数据的共享提供了基础平台。

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载人深潜器(HOV)



当今世界上,载人深潜器(HOV)是指具有水下观察和作业能力的潜水装置,主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务,并可以作为潜水人员水下活动的作业基地。


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深海勇士号

中国第二台深海载人潜水器,作业能力达到水下4500米。


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蛟龙号

中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器,也是863计划中的一个重大研究专项。2012年6月,在马里亚纳海沟创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录,也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。


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奋斗者号

中国研发的万米载人潜水器,于2016年立项,11月10日8时12分,在马里亚纳海沟成功坐底,坐底深度为10909米,刷新了中国载人深潜的新纪录。


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阿尔文号

美国的载人深潜器,是世界上下潜次数最多、最为成熟的深海载人潜水器,目前正积极开发下潜深度6500 米的“新阿尔文号”HOV。

载人深潜器具有水下观察和作业能力,主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务,并可以作为潜水人员水下活动的作业基地。深海载人潜水器是海洋开发的前沿与制高点之一,其水平可以体现出一个国家材料、控制、海洋学等领域的综合科技实力。

随着计算机、材料、水声、图像等技术的发展,以法国、苏联 / 俄罗斯、日本、美国和中国等纷纷加入到 HOV 研发之中,海洋大国从 20 世纪 80 年代起,完成了多艘 6000 m 级深海载人潜水器的研制4. 未来,随着科技的不断进步,载人深潜器将会更加智能化,更加安全可靠,更加适应深海环境的需求。

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无人潜水器




01

无人遥控潜水器(ROV)

ROV简介



01

ROV,即遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle ), 无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的一种,系统组成一般包括:动力推进器、遥控电子通讯装置、 黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆等单元部件。功能多种多样,不同类型的ROV用于执行不同的任务,被广泛应用于军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水利 、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。


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现阶段研究的关键技术



02

1.运动控制技术:ROV的运动控制是其完成制定任务的前提和保障。由手ROV水动力系数不确定、运动惯性比较大、机械手的作业运动影响机器人本体的运动力学特性、负载的变化会引起重心和浮心的改变,且存在海流等随机干扰,其动力学模型难以确定,而且具有强轉合和非线性的特点,导致ROV难于控制。随着ROV应用范国的扩大,对其自主性、运动控制的精度和稳定性的要求都随之增加,如何提高其运动控制性能成了研究的重要课题。

2.导航定位技术:精确的导航与定位是ROV成功执行任务的基本要素。由于水下机器人非线性动力学特性及水介质的特殊性等因素的影响,实现水下机器人的远距离及长时间、大范围内的精确导航是一项艰难的任务。目前可应用的水下导航技术主要有惯导、航位推算、声学导航、地球物理导航,每一种导航方法,其精度、可靠性都还无法满足水下机器人发展的需要,因此进一步发展高可靠性、高集成度、成本低、组合式、具有多用途和能实现全球导航的智能综合导航系统,是水下机器人导航技术的发展方向。

3.视觉传感技术:水下机器人依靠各种传感器获取水下目标和环境信息,最直观的信息来自视觉传感器,它将数据可视化,给出直观结果。视觉传感器可分为水下摄像机、高分辨率成像声纳、剖面声纳,现有的视觉探测系统可以满足在水质较好或轻度浑浊的水下环境中探测需要。发展可以满足重度浑浊水下环境探测需要的视觉传感系统是一个世界性课题,也是现在亟待解决的技术难题。

4.水下潜航体技术:为降低成本,满足ROV不断发展的使用需要,须突破现有水下潜航体设计中的障碍。在这方面需进一步转化和开发的技术有:水下低比重、耐腐蚀、高强度结构材料;大深度、低比重浮力材料;高性能、高可靠性、标准化和系列化ROV推进器;标准化水下电缆和密封接插件;标准化电子控制模块;多功能水下机器手。

5.仿真技术:由于ROV工作在复杂的水下环境中, 对其测试比较困难, 因此在水下机器人的方案设计阶段, 要进行仿真技术研究, 包括平台运动仿真和控制硬、软件的仿真, 以评估其性能, 缩短研制周期, 降低费用。

ROV发展趋势



03

ROV具有安全、经济、高效和作业深度大等特点,在世界上得到越来越广泛的应用。加大ROV的研制力度,提供性能更高、经济性更好的ROV设备,是市场的必然需求。现阶段尺OV的发展趋势体现在以下几个方面:

(1)向高性能方向发展。随着计算机技术及水下控制、导航定位、通信传感技术的快速发展,ROV将具有更高的作业能力、更高的运动性能、更好的人机界面,便于操作。

(2)向高可靠性发展。ROV技术经过多年的研究,各项技术正在逐步走向成熱。ROV技术的发展将致力手提高观察能力和顶流作业能力,加大数据处理容量,提高操作控制水平和操纵性能,完善人机交互界面,使其更加实用可靠。

(3)向低成本、小型化和自动化方向发展。为了适应ROV不断扩大的应用领域,ROV技术将会向体积小、兼容性高及模块化方向发展,突破现有水下潜航体设计中的障碍。由于国际间的技术合作魚加密切,高兼容性和模化技术的应用将大幅度降低ROV的制造成本。先进技术的发展,特别是高效电池技术,已可以使尺OV在特定工作区域以电池作能源,自动化程度将逐步提高。

(4)向更大作业深度发展。地球上97%的海洋深度在 6 000m以上,称之为深海,随着海洋油气等资源的开发日益走向深海,必然要求ROV向更大作业深度发展。目前世界各国都在加大力度研制潜深超过6000m的深水ROV。

(5)专业化程度越来越高。任何一种ROV不可能完成所有的任务,它们都将只针对某个特殊的需求,配置专用设备,完成特定任务,其种类会越来越至,分工会越来越细,专业化程度会越来越高。

(6)新概念ROV即将出现。多至媒体技术、临场感技术及虛拟现实技术等新型技术在ROV中的应用将产生新一代全新概念的ROV。


02


自主式潜水器(AUV)

历史背景



01

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AUV(自主水下车辆)


1.早期发展(1950s-1960s)

早期水下车辆主要是电缆连接的远程操作器(ROV),用于海底勘探和石油开采。

1957年,Jacques Piccard和Don Walsh潜入马里亚纳海沟,开创了深海探险历史。

2.AUV的诞生(1980s-1990s):

1988年,AUV概念首次提出。

1990年代初期,早期AUV原型开始出现,具备更高的自主性和科学研究能力。

3.成熟和广泛应用(2000s-至今):

2000年代,AUV技术逐渐成熟,开始在海洋科学、勘探和环境监测等领域广泛应用。

AUV在全球范围内参与了许多科学研究项目,取得了显著的成果。

应用现状



02

1.科学研究(海洋学、生态学)

AUV用于海洋生态系统研究,监测物种分布、数量和行为。

在海洋学中,AUV可用于水文学、海洋地质学和气象学的数据收集。

2.资源勘探(石油、矿产)

AUV在石油和天然气勘探中,通过高分辨率地图和数据收集,提高勘探效率。

应用于海底矿产勘探,如多金属结核和硫化物。

3.军事应用(水下情报收集)

军事领域中,AUV用于水下情报收集、搜寻和敌方水域监视。

AUV发展趋势



03

1.技术创新和自主性提升

强调更先进的感知技术,如高分辨率摄像头和声纳系统。

提高AUV的自主性,使其能够更智能地规划任务和路径。

2.多车协同作业

发展多艘AUV之间的协同工作,以扩大覆盖范围和提高数据采集效率。

3.深海探索和生态监测

深入挖掘深海领域,探索未知的生物多样性和地质结构。

加强对气候变化对海洋生态系统的影响的监测和研究。


03


混合式潜水器(ARV)

历史背景



01

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混合ARV(ROV和AUV的整合)


1.ROV和AUV整合的初期尝试(1990s-2000s)

初期阶段,ROV和AUV之间的整合主要是在任务上的协同,如ROV负责操控和任务执行,而AUV则用于数据采集。

2.ARV整合(2010s-至今)

进入2010年代,混合ARV的概念逐渐发展,强调整合两者的优势,以实现更复杂、更高效的任务。

3.技术进步和真正的混合ARV(近年)

近年来,技术进步使得真正的混合ARV成为可能,同时具备AUV的自主性和ROV的远程操控能力。

应用现状



02

1.深海勘探和维护:

在深海油气管道维护中,混合ARV可通过ROV进行实时操作,同时利用AUV进行管道周围环境的监测。

2.海底考古和文化遗产保护:

用于发现和保护海底考古遗址,通过ROV进行文物的取回,同时AUV用于勘测整个区域。

3.科学研究任务的整合:

混合ARV在科学研究中被用于整合多个任务,如海洋生物学、地质学和气象学的综合研究。

ARV发展趋势



03

1.智能任务规划和协同工作:

进一步发展混合ARV的智能化,使其能够更好地规划和执行复杂任务。

2.更广泛的应用领域:

拓展混合ARV在环境保护、海洋监测以及紧急救援等领域的应用。

3.技术融合和互操作性:

提高不同类型AUV和ROV之间的互操作性,以实现更灵活、可定制的混合ARV系统。


04


水下滑翔机(Glider)

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运动原理



01

对于无推进装置的水下滑翔机,主要是通过其净浮力变化作为驱动力。通过改变水下滑翔机重心与浮心的相对位置,实现水下滑翔机俯仰角的变化,进而实现水下锯齿型滑行运动。实现净浮力变化一般有两种方式:第一种是改变自身排水体积,重量维持不变。运用该方式的水下滑翔机一般采用调节机体内油囊(气囊)或者活塞体积的方式实现。第二种是改变自身重量,排水体积维持不变。运用该方式的水下滑翔机一般采用压载水舱的方式实现。水下滑翔机的转向运动可以通过三种方式实现:一种是通过转向舵实现水下滑翔机的转向。第二种是通过控制质量块的移动或非对称电源模块旋转产生横滚力矩,使水下滑翔机产生横滚,在水下滑翔机沉浮运动的同时,借助水平翼的水动力作用,从而完成转向运动。第三种是通过改变水下滑翔机两翼的襟翼舵摆角产生相对于浮心的摇艏力矩从而完成转向。 

国内外研究现状



02

国外:国外在20世纪90年代就开展了水下滑翔机的研究工作,其中美国始终走在水下滑翔机研究工作的前列。1989年,美国伍兹霍尔海洋研究所在美国海军研究办公室的支持下研制出水下滑翔机样机 SLOCUM。1999,美国华盛顿大学应用物理实验室研制出 Seaglider 水下滑翔机。同年,水下滑翔机 Spary 由美国斯克利普斯海洋研究所和伍兹霍尔海洋研究所共同研制成功。2003年,美国斯克利普斯研究所和美国华盛顿大学合作,研制出一款名为X-Ray 的超大翼型水下滑翔机,其重量约900 kg,翼展达到6m,最高滑翔速度达到3 km。

国内:新世纪初期,我国开始对水下滑翔机相关理论和技术进行研究。天津大学王树新等人于 2005年研发出水下滑翔机实验样机,并于2005年7月在千岛湖水域进行了实验,该样机在完成25次剖面运动后回收。同年,中国科学学院沈阳自动化研究所俞建成等人也研制出水下滑翔机,并完成湖上实验。2007年,天津大学研制出代号为“海燕”的混合推进水下滑翔机试验样机,并于抚仙湖顺利完成湖上实验。2009 年,天津大学对实验样“海燕”进行重新设计修改,第二代混合推进水下滑翔机“海燕”得以问世,其最大下潜深度可达500米。

应用现状



03

利用单个水下滑翔机观测:2008年,Castelao 等人利用水下滑翔机对大西洋陆架海区水文特征的季节变化进行观测,得出该海域混合层厚度在离岸方向增加的结论。2009年,Ruiz等人的研究利用水下滑翔机观测地中海的垂直结构并调查该海域的上层混合层,为深入了解地中海盐度分布和大西洋海水输入机制提供了重要参考。 

水下滑翔机集群观测:这种方式能够更加充分发挥水下滑翔机低成本、长续航、可重复利用、作业周期长及作业范围大的优势。目前国际上许多海洋观测系统已经大规模使用水下滑翔机进行数据收集和相关实验。 

自主海洋采样网:这种应用是由美国海军研究院自上世纪末开始资助的一个大型项目,其目的在于利用新型水下机器人来提高观测海洋的能力。AOSN于2000年至2006年在美国蒙特利海湾进行了一系列海洋观测实验。实验使用了最新的水下滑翔机技术,通过搭载各种传感器和设备,对海洋环境进行全面深入的观测和研究。

未来发展展望



04

驱动能源:目前常规水下滑翔机通常采用锂电池作为驱动能源。随着对水下滑翔机拥有更长续航和携带更多传感器及附属数据处理分析的需求,受限于水下滑翔机内部空间,传统锂电池逐渐无法满足这一要求。当前锂硫电池、镁/铝海水燃料电池作为最新的研究方向,有望在未来替代传统锂电池成为新的水下滑翔机驱动能源,实现水下滑翔机续航力、自持力的显著提升。 

集成化传感器:大量水下滑翔机的实际应用已经证明,水下滑翔机是一种低成本、可重复利用的理想水下平台。研究集成化传感器,对传感器的体积、重量和能耗进行优化再设计,结合传感器对水下滑翔机外形及内部结构进行优化可以实现水下滑翔机功能的有效集成。 

耐压材质:水下滑翔机向深海型发展具有重要意义,而耐压壳体材料的研究是其中的关键技术。目前世界主流水下滑翔机耐压壳体均选择铝合金为主材料。随着工艺的提升以及价格的降低,诸如钛合金、碳纤维等材料会凭借更高强度,更轻重量、更低磁性和更耐腐蚀等特点逐步替代目前常用的铝合金材料,实现水下滑翔机向更深海域探索的目标。 

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海面自主观测平台




01

无人船(USV)

USV简介



01

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无人船,作为一种用于海洋表面观测的无人平台,以遥控、预编程、自主的工作方式为特点,通过搭载多种海洋观测传感器,在走航过程中完成相关海洋观测任务。

历史背景



02

无人船(USV)最早用于军事,源起于二战时期的诺曼底登陆时发射烟雾弹,提供掩护。进入21世纪后,无人船逐渐在海洋调查领域崭露头角。

国内外发展历史



03

国外:无人船早期发展主要由军方推动,起源于诺曼底登陆时的烟雾发射,1946年美国将其用于海洋核试验水样采集。90年代,美国海军将其应用于导弹靶船和遥控扫雷。多个国家和研究单位如美国、以色列投入大量研究,涌现出一系列高速无人船,如“SPARTAN”、“U-RANGER”和“Protector”等。2007年,美国海军发布了第一版“The Navy Unmanned Surface Vehicle Master Plan”,推动了军事无人船技术的发展。据美国国防部高等研究计划局报告,美国将投入30亿美元研发用于潜艇跟踪的无人船,首艘无人船“SeaHunter”已于2016年下水试验。

21世纪以来,无人船平台引起了全球海洋技术人员的极大关注,超过10个国家的数十个研究单位致力于不同用途的海洋应用无人船。

国内:国内无人船发展始于2010年,张云飞创办了中国第一家无人船艇企业——云洲智能。

1.国内自主研发:“领航者”号海洋高速无人船:

由云洲智能自主研发的“领航者”号海洋高速无人船,融合多种核心技术,能广泛应用于环保监测、搜索救援和安防巡逻等领域。这个“水面智能机器人”整合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控和网络化系统技术,实现了自主导航、智能避障、远距离通信、视频实时传输和网络化监控等多功能。其油电混合动力系统最高可提供30节的航速,在1000公里范围内通过GPS或北斗系统实现高精度定位自主航行和自主作业。未来,“领航者”号将广泛应用于环保监测、科研勘探、水下测绘、搜索救援、安防巡逻甚至军事领域。

2.国内首个无人船研发测试基地:

2019年,国内首个无人船研发测试基地——香山海洋科技港在广东珠海市正式建成。计划于年底投入使用,将成为中国海上无人系统与海洋智能装备设计、研发、试验的公共技术服务与创新孵化平台,打造智慧海洋产业创新高地。

特性和应用现状



04

1. 海洋测绘

上世纪90年代,麻省理工学院开 发 了 一 个 测 深 无 人 船 原 理 样 机 “ARTEMIS” ,是小型无人船应用 于水深测量的先例。而后麻省理工学 院又研发了三个小型双体无人船 “AutoCat” ,主要用于水深测量和 传感器测试。

哈工程研制了高速测量无人艇,可 在电推低速下进行相关水文测量和测绘。 上海大学研发了一系列测绘无人艇,开 展了岛礁测绘应用。上海海事大学研发 了用于水深测量和流速测量的无人船。 国内无人船产品主要应用于相关海洋测 绘。

2. 海洋环境监测

USV可监测海洋表面温度、盐度、海洋流速等参数,为研究海洋环境变化、洋流模式以及气候变化对海洋的影响提供宝贵数据。这对于海洋资源管理和环境保护至关重要。

弗吉尼亚理工学院研发了用 于测流和温度测量的无人船。航 天科工集团研发了气象观测无人 船。澳大利亚CSIRO和昆士兰 州大学研发了剖面水质监测无人 船 , 携 带 20 米 伸 缩 杆 。 美 国 Searobotic 公司研发了系列 环境监测无人船。


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3. 水上水下信号中继

2014年WHOI和夏威夷大学利 用 WaveGlider , 搭载水听器和 Modem,开展了水声通信、定位试 验。2015年挪威理工大学利用USV 和AUV,开展了水下通信实验,通信 成功率超过60%。

2016年,柏林工业大学 研发了一艘半潜式无人船,利 用超短基线为水下AUV提供 参考位置信息,作为AUV的 通 信 relay 。 2016 年 , WHOl 、 MIT 、 东 北 大 学 (美国)学者发表了MultiUSV水声通信研究成果

4. 多平台协作

无人船可以和水下机器人(AUV)联合工作,日本国防部技 术研究开发所曾经进行过USV-AUV联合工作-声呐图像传输试验,实验结果显示其成功率非常乐观。

未来发展



05

1. 替代人工测量

通过搭载单/多波束测深仪、侧扫 声呐、浅地层剖面仪等,可完成大部分海洋测绘现场工作。 其成本低、无生理限制、无人员危险等优势,必将成为一种海洋测绘重要平台。

2. 长时间序列海洋数据获取

海洋环境监测研究依赖于数据,特别是长期连续性监测,这也是是浮标应用广泛的原因。现今无人船越来越趋向于长期性和持久性,目前主要使用了三种海洋可再生资源:波浪、风能和太阳能,以实现长时间序列数据的获取。

3. 多平台协作

无人船将与其他无人平台如无人机(UAV)和自主水下车辆(AUV)联合工作,形成多平台协作体系。这种协同作业能够在海洋研究和应用中发挥更大的作用。无人船可负责海洋表面观测,而无人机负责空中观测,自主水下车辆则能够深入水下执行任务,共同完成更全面的海洋科学研究和任务。这种协作模式将推动海洋探测的前沿,提高数据采集的效率和精度。

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参考文献


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孙一震
活跃在9 小时前
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