Дроны в погоне за картой
Думаете, на карте Земли не осталось белых пятен? Как бы не так: их лишь осторожно прикрыли синими кляксами океанов. Стыдно, но топография Луны изучена лучше, чем большая часть поверхности нашей собственной планеты. Марс картографирован с разрешением до шести метров, и даже бурная Венера почти вся исследована со 100-метровой точностью. Между тем подобные карты составлены не более чем для 5–10% океанского дна — в основном это прибрежное мелководье и отдельные зоны, где проводятся активные геологические изыскания.
Спутники и океаны
Пять океанов Земли покрывают площадь почти 362 млн км 2 слоем воды средней толщиной 3700 м. Свет не проникает глубже пары сотен метров, и на каждые 10 м глубины давление увеличивается примерно на одну атмосферу. Погружаться сюда могут лишь отдельные аппараты, производимые в штучных количествах, и обследовать ими огромные просторы дна совершенно нереально. Подсчитано, что на полный осмотр этой площади даже надводными кораблями с мощными акустическими эхолотами потребуется 200 «судо-лет». Стоимость подобного проекта оценивается в несколько миллиардов долларов (примерно в такую же сумму обходится каждый марсоход) — и денег, как водится, нет. В результате самым обширным источником наших знаний о рельефе морского дна остаются спутниковые наблюдения. Поверхность океана отражает его в сильно измененной, сглаженной форме: присутствие массивных хребтов и глубоких впадин создает локальные гравитационные аномалии, над подводными горами слой воды оказывается чуть толще, что и фиксируют альтиметрические измерения с орбиты. Именно эту картину можно увидеть, открыв карты Google Earth. Вы можете даже проследить длиннейшую на планете горную систему, которую образуют срединно-океанические хребты. Однако разрешение этой карты составляет от 0,5 до 5 км, отдельные каньоны и пики на ней неразличимы.
71% Земли покрывает океан, и большая часть его дна картографирована с разрешением менее 1 км
Конкурсы и фонды
Мы не можем сказать, например, на чем конкретно лежит опущенный на дно оптоволоконный кабель связи, не знаем рельефа обширных и богатых пространств. А ведь именно с карты начинается изучение любой местности, будь то Австралия, Луна или Мировой океан. Батиметрия — глубоководная топография — важна для инженеров и климатологов, для разработки минеральных ресурсов и сохранения биологических. Обрывочные сведения о морском дне объединяются в Генеральной батиметрической схеме океанов (General Bathymetric Chart of the Oceans, GEBCO), проект которой реализуется под эгидой Океанографической комиссии ЮНЕСКО и Международной гидрографической организации. Начиная с 1903 года вышло уже пять редакций батиметрических карт. Последние версии, достигающие разрешения 500 м, доступны в цифровом формате на сайте GEBCO.
Никаких деталей на подобных картах не видно
При поддержке японского Nippon Foundation GEBCO реализует программу углубленного изучения батиметрии океанов. За 15 лет ее выпускниками стали около ста молодых исследователей из более чем 30 стран мира. Уже три года реализуется и проект Seabed 2030, направленный на то, чтобы хотя б к 2030 году получить карту морского дна с «адекватным» разрешением. «„Адекватным“ считается такое разрешение, которого позволяют добиться современные эхолоты, установленные на надводном или подводном судне. Оно в любом случае лучше „спутникового“ и лежит в пределах примерно до 100 м», — объяснила нам Юлия Зарайская из Геологического института РАН. Выпускница «батиметрических курсов» GEBCO, Юлия стала одним из создателей беспилотной системы картографирования морского дна, победившей в конкурсе Shell Ocean Discovery XPRIZE.
Цифры и факты
В среднем 25 млн км 2 поверхности океана покрывает лед, дополнительно затрудняющий картографию морского дна.
$18,5 млрд в проект Seabed 2030 вложит Nippon Foundation.
8 команд приняли участие в конкурсе Shell Ocean XPRIZE. Задача: картировать за 24 часа 250–500 км 2 дна на глубине до 4 км с разрешением не менее 5 м.
$4 млн получили победители из команды GEBCO-NF Alumni.
Спонсоры и роботы
Фонд поддержки инноваций XPRIZE в особом представлении не нуждается. Организованные им конкурсы привели к появлению множества громких технологических проектов, включая израильский аппарат Beresheet (см. «ПМ» № 05, 2019), который лишь по обидной случайности не преуспел в посадке на Луну. Спонсорами этих соревнований выступают крупнейшие корпорации, такие как IBM и Google. Нефтяники из Shell поддержали конкурс роботизированных систем исследования морского дна. Объявленный в 2015 году Shell Ocean Discovery XPRIZE заставил выпускников «батиметрических курсов» GEBCO выступить большой международной командой.
Главным спонсором стал тот же Nippon Foundation, одну из своих беспилотных субмарин предоставили судостроители норвежской компании Kongsberg Maritime. Всего же за время работы над проектом к нему приложили руку 78 человек из 22 стран мира. «Ключевые технологии — эхолоты, подводные лодки — существуют давно, они хорошо отработаны и широко представлены на рынке, — рассказывает Юлия Зарайская. — Поэтому задача состояла в том, чтобы создать на этой основе роботизированную систему, способную самостоятельно выйти из порта, преодолеть 15–20 миль и провести картирование без участия человека».
Подлодка и катер
«Одна из команд использовала воздушные дроны, которые при приводнении выпускали сонары в воду, — продолжает Юлия. — Но все группы, принявшие участие в финале, выбрали примерно тот же вариант, что и мы: с надводным кораблем и подводными аппаратами. Британцы прорабатывали применение „роя“ малых субмарин, японцы — „бригаду“ из двух субмарин и одного катера. У нас получилось еще проще: одна подлодка и одна лодка, надводный робот, задача которого — доставить ее на место, спустить в воду, а после завершения работы поднять на борт и вернуть на базу».
Внушительных размеров подлодка Kongsberg Hugin оснащена целым массивом сонаров и батареями, позволяющими работать до 24 часов без подзарядки. Погружаясь на глубину до 4,5 км, она способна вести картографирование полосой шириной до 400 м и со сверхвысоким разрешением. Радиосвязь под таким слоем воды уже невозможна, поэтому используется акустическая, но лодка может действовать и автономно, следуя за рельефом дна и ориентируясь по бортовой инерциальной системе навигации. Написав новые алгоритмы работы сонаров, команда GEBCO-NF смогла расширить полосу сканирования до 1100 м. «Но все равно можно подсчитать, — продолжает Юлия Зарайская, — что даже с такими способностями отснять за сутки 250 км 2 , как это требовалось по условиям конкурса, просто невозможно». Поэтому дополнительная нагрузка легла на надводное судно, второе звено беспилотной системы.
В «транспортной конфигурации» 12-метровый катер вместе с субмариной размещается в стандартном 40-футовом грузовом контейнере — таково было еще одно из поставленных организаторами условий. «Лодку пришлось создавать с нуля, и это было самым прекрасным, что с нами случилось, — говорит Юлия. — Бен Симпсон, разработчик из Великобритании, предложил нам два варианта — катамаранного и обычного типа. Но катамаран оказался недостаточно безопасен для подлодки, и мы остановились на классическом однокорпусном судне». Открытая кормовая часть позволяет конвейерной лентой спускать подлодку на воду и поднимать ее после завершения миссии.
Автономная подлодка Kongsberg Hugin
Размеры: 6,9 × 0,75 м. Масса: 1200 кг. Скорость: до 6 узлов (11 км/ч). Глубина: до 4500 м.
Стыковка и победа
«Стыковка происходит почти как на космической станции», — объясняет Юлия. Корабль-носитель выходит на точку и замедляется, субмарина самостоятельно всплывает, выходит на тот же курс и понемногу нагоняет корабль, пока не окажется на конвейере. Последние, самые опасные шаги этого маневра происходят под управлением оператора. Для этого надводный катер оснащен панорамной видеокамерой и ИК-системой ночного видения, а также средствами спутниковой связи, необходимой для коммуникаций с берегом на дистанциях в десятки морских миль.
Субмарина несет набор сонаров, а также труботрассоискатель, камеры, магнитометр, инструменты навигации и связи. Инфракрасные и оптические видеокамеры, радары, антенны беспроводной и спутниковой связи (Iridium, Inmarsat)
Но Sea-Kit выполняет не только функцию транспортного судна. Размещенный на борту эхолот позволяет ему самостоятельно сканировать дно на не слишком больших глубинах, пока катер ожидает возвращения подлодки. Они не настолько точны, как сонары подлодки, однако именно совместная работа надводного и подводного аппаратов позволила охватить за сутки работы нужные 250 км 2 . Финальные «заплывы» прошли в Греции в мае 2019 года, и система GEBCO-NF оказалась единственной, сумевшей выполнить все требования конкурса. Собранные 1,5 ТБ данных были доставлены в порт на жестком диске и обработаны, превратившись в карту с разрешением до 5 м.
Беспилотный катер Sea-Kit
Длина: 11,75 м. Масса: около 12 000 кг. Скорость: до 8 узлов (14 км/ч).
Запас хода: до 130 дней или 12 500 морских миль (23 тыс. км). Двигатели дизель-электрические 2 × 10 кВт.
Наука и бизнес
«Теперь к проекту уже проявили интерес и добывающие, и сервисные компании, — говорит Юлия Зарайская. — Но больше всего нам, конечно, хотелось бы поучаствовать в съемках для Seabed 2030». Получение «адекватной» карты морского дна к 2030 году — задача действительно грандиозная. Но и 5-метрового разрешения, как на конкурсе, для нее не требуется. А значит, подлодка сможет действовать быстрее и сканировать за сутки намного большую площадь.
К сожалению, даже GEBCO не по силам вывести в море флотилию таких аппаратов, способную картографировать все океаны за несколько лет. Поэтому гидрографы стараются привлечь к этой задаче компании, занятые укладкой подводных кабелей, обслуживанием нефтяных вышек и офшорных ветрогенераторов, — всех, кто использует сонары и может попутно получать нужные для карты данные. Государства не проявляют большой готовности финансировать проекты исследования морского дна, и картографам приходится выкручиваться самостоятельно.
«Самое обидное, что, если чиновники NASA заявляют: нам нужно столько-то миллиардов, чтобы снова отправить зонд на Марс, — такое предложение сразу находит понимание. Это ощущается как фронтир, как вызов, как движение в неизведанное, — говорит Юлия Зарайская. — Если же мы предлагаем снимать океан, нам показывают Google Earth: мол, вот же карта, что вам еще нужно?» В результате морское дно по-прежнему остается большим и плохо изученным белым пятном. По крайней мере, до 2030 года.
В Австралии будут применять дроны для исследования океанских глубин
Глубоководные тайны: как составляются карты океанов
Спутники и океаны
Пять океанов Земли покрывают площадь почти 362 млн км 2 слоем воды средней толщиной 3700 м. Свет не проникает глубже пары сотен метров, и на каждые 10 м глубины давление увеличивается примерно на одну атмосферу. Погружаться сюда могут лишь отдельные аппараты, производимые в штучных количествах, и обследовать ими огромные просторы дна совершенно нереально. Подсчитано, что на полный осмотр этой площади даже надводными кораблями с мощными акустическими эхолотами потребуется 200 «судо-лет». Стоимость подобного проекта оценивается в несколько миллиардов долларов (примерно в такую же сумму обходится каждый марсоход) — и денег, как водится, нет. В результате самым обширным источником наших знаний о рельефе морского дна остаются спутниковые наблюдения. Поверхность океана отражает его в сильно измененной, сглаженной форме: присутствие массивных хребтов и глубоких впадин создает локальные гравитационные аномалии, над подводными горами слой воды оказывается чуть толще, что и фиксируют альтиметрические измерения с орбиты. Именно эту картину можно увидеть, открыв карты Google Earth. Вы можете даже проследить длиннейшую на планете горную систему, которую образуют срединно-океанические хребты. Однако разрешение этой карты составляет от 0,5 до 5 км, отдельные каньоны и пики на ней неразличимы.
71% Земли покрывает океан, и большая часть его дна картографирована с разрешением менее 1 км
Конкурсы и фонды
Мы не можем сказать, например, на чем конкретно лежит опущенный на дно оптоволоконный кабель связи, не знаем рельефа обширных и богатых пространств. А ведь именно с карты начинается изучение любой местности, будь то Австралия, Луна или Мировой океан. Батиметрия — глубоководная топография — важна для инженеров и климатологов, для разработки минеральных ресурсов и сохранения биологических. Обрывочные сведения о морском дне объединяются в Генеральной батиметрической схеме океанов (General Bathymetric Chart of the Oceans, GEBCO), проект которой реализуется под эгидой Океанографической комиссии ЮНЕСКО и Международной гидрографической организации. Начиная с 1903 года вышло уже пять редакций батиметрических карт. Последние версии, достигающие разрешения 500 м, доступны в цифровом формате на сайте GEBCO.
Никаких деталей на подобных картах не видно
При поддержке японского Nippon Foundation GEBCO реализует программу углубленного изучения батиметрии океанов. За 15 лет ее выпускниками стали около ста молодых исследователей из более чем 30 стран мира. Уже три года реализуется и проект Seabed 2030, направленный на то, чтобы хотя б к 2030 году получить карту морского дна с «адекватным» разрешением. «”Адекватным» считается такое разрешение, которого позволяют добиться современные эхолоты, установленные на надводном или подводном судне. Оно в любом случае лучше «спутникового» и лежит в пределах примерно до 100 м”, — объяснила нам Юлия Зарайская из Геологического института РАН. Выпускница «батиметрических курсов» GEBCO, Юлия стала одним из создателей беспилотной системы картографирования морского дна, победившей в конкурсе Shell Ocean Discovery XPRIZE.
Цифры и факты
В среднем 25 млн км 2 поверхности океана покрывает лед, дополнительно затрудняющий картографию морского дна.
$18,5 млрд в проект Seabed 2030 вложит Nippon Foundation.
8 команд приняли участие в конкурсе Shell Ocean X-Prize. Задача: картировать за 24 часа 250−500 км 2 дна на глубине до 4 км с разрешением не менее 5 м.
$4 млн получили победители из команды GEBCO-NF Alumni.
Спонсоры и роботы
Фонд поддержки инноваций XPRIZE в особом представлении не нуждается. Организованные им конкурсы привели к появлению множества громких технологических проектов, включая израильский аппарат Beresheet (см. «ПМ» 05’2019), который лишь по обидной случайности не преуспел в посадке на Луну. Спонсорами этих соревнований выступают крупнейшие корпорации, такие как IBM и Google. Нефтяники из Shell поддержали конкурс роботизированных систем исследования морского дна. Объявленный в 2015 году Shell Ocean Discovery XPRIZE заставил выпускников «батиметрических курсов» GEBCO выступить большой международной командой.
Главным спонсором стал тот же Nippon Foundation, одну из своих беспилотных субмарин предоставили судостроители норвежской компании Kongsberg Maritime. Всего же за время работы над проектом к нему приложили руку 78 человек из 22 стран мира. «Ключевые технологии — эхолоты, подводные лодки — существуют давно, они хорошо отработаны и широко представлены на рынке, — рассказывает Юлия Зарайская. — Поэтому задача состояла в том, чтобы создать на этой основе роботизированную систему, способную самостоятельно выйти из порта, преодолеть 15−20 миль и провести картирование без участия человека».
Подлодка и катер
«Одна из команд использовала воздушные дроны, которые при приводнении выпускали сонары в воду, — продолжает Юлия. — Но все группы, принявшие участие в финале, выбрали примерно тот же вариант, что и мы: с надводным кораблем и подводными аппаратами. Британцы прорабатывали применение «роя» малых субмарин, японцы — «бригаду» из двух субмарин и одного катера. У нас получилось еще проще: одна подлодка и одна лодка, надводный робот, задача которого — доставить ее на место, спустить в воду, а после завершения работы поднять на борт и вернуть на базу».
Автономная подлодка Kongsberg Hugin Размеры: 6,9 х 0,75 м // Масса: 1200 кг // Скорость: до 6 узлов (11 км/ч) // Глубина: до 4500 м.
Внушительных размеров подлодка Kongsberg HUGIN оснащена целым массивом сонаров и батареями, позволяющими работать до 24 часов без подзарядки. Погружаясь на глубину до 4,5 км, она способна вести картографирование полосой шириной до 400 м и со сверхвысоким разрешением. Радиосвязь под таким слоем воды уже невозможна, поэтому используется акустическая, но лодка может действовать и автономно, следуя за рельефом дна и ориентируясь по бортовой инерциальной системе навигации. Написав новые алгоритмы работы сонаров, команда GEBCO-NF смогла расширить полосу сканирования до 1100 м. «Но все равно можно подсчитать, — продолжает Юлия Зарайская, — что даже с такими способностями отснять за сутки 250 км 2 , как это требовалось по условиям конкурса, просто невозможно». Поэтому дополнительная нагрузка легла на надводное судно, второе звено беспилотной системы.
Субмарина несет набор сонаров, а также труботрассо-искатель, камеры, магнитометр, инструменты навигации и связи. Инфракрасные и оптические видеокамеры, радары, антенны беспроводной и спутниковой связи (Iridium, Inmarsat).
В «транспортной конфигурации» 12-метровый катер вместе с субмариной размещается в стандартном 40-футовом грузовом контейнере — таково было еще одно из поставленных организаторами условий. «Лодку пришлось создавать с нуля, и это было самым прекрасным, что с нами случилось, — говорит Юлия. — Бен Симпсон, разработчик из Великобритании, предложил нам два варианта — катамаранного и обычного типа. Но катамаран оказался недостаточно безопасен для подлодки, и мы остановились на классическом однокорпусном судне». Открытая кормовая часть позволяет конвейерной лентой спускать подлодку на воду и поднимать ее после завершения миссии.
Стыковка и победа
«Стыковка происходит почти как на космической станции», — объясняет Юлия. Корабль-носитель выходит на точку и замедляется, субмарина самостоятельно всплывает, выходит на тот же курс и понемногу нагоняет корабль, пока не окажется на конвейере. Последние, самые опасные шаги этого маневра происходят под управлением оператора. Для этого надводный катер оснащен панорамной видеокамерой и ИК-системой ночного видения, а также средствами спутниковой связи, необходимой для коммуникаций с берегом на дистанциях в десятки морских миль.
Но SEA-KIT выполняет не только функцию транспортного судна. Размещенный на борту эхолот позволяет ему самостоятельно сканировать дно на не слишком больших глубинах, пока катер ожидает возвращения подлодки. Они не настолько точны, как сонары подлодки, однако именно совместная работа надводного и подводного аппаратов позволила охватить за сутки работы нужные 250 км 2 . Финальные «заплывы» прошли в Греции в мае 2020 года, и система GEBCO-NF оказалась единственной, сумевшей выполнить все требования конкурса. Собранные 1,5 ТБ данных были доставлены в порт на жестком диске и обработаны, превратившись в карту с разрешением до 5 м.
Беспилотный катер Sea-Kit
Длина: 11,75 м. Mасса: около 12 000 кг. Скорость: до 8 узлов (14 км/ч).
Запас хода: до 130 дней или 12 500 морских миль (23 тыс. км). Двигатели дизель-электрические 2×10 кВт.
Наука и бизнес
«Теперь к проекту уже проявили интерес и добывающие, и сервисные компании, — говорит Юлия Зарайская. — Но больше всего нам, конечно, хотелось бы поучаствовать в съемках для Seabed 2030». Получение «адекватной» карты морского дна к 2030 году — задача действительно грандиозная. Но и 5-метрового разрешения, как на конкурсе, для нее не требуется. А значит, подлодка сможет действовать быстрее и сканировать за сутки намного большую площадь.
Дроны покоряют океан
Помните, в детстве мы мечтали о том, как везде-везде будут роботы? С роботами не получилось, но их место заняли дроны. Не такие умелые, не настолько самостоятельные, не всегда надёжные, они всё-таки успешно пробуют ногами, лапами и колёсами почти каждую среду, где человек обитает и работает. Дроны реют над головами, дроны подминают асфальт, дроны приучаются к бездорожью. И как раз сейчас они открывают для себя ещё одно профессиональное пространство, вытесняя человека: океан. На удивление именно здесь их применение оборачивается немедленными огромными выгодами.
«Плавать по морю необходимо, жить не так уж необходимо» — говорили древние, подчёркивая разом все опасности и пользу морских путей. Но хоть освоением водных просторов Человек разумный занимается всю свою историю как вида, о морях и океанах мы и сегодня знаем намного меньше, чем, к примеру, о поверхности Луны. Океанские просторы столь широки, глубины так недоступны, а цена пребывания в море так велика, что и сегодня мы ещё в состоянии потерять там гигантский авиалайнер, месяцами его искать и остаться ни с чем в итоге. Безусловно, по сравнению с эпохой Великих географических открытий техника сильно продвинулась вперёд, но море остаётся загадкой: торговый флот ходит узкими изученными дорожками, а отдельные изыскательские проекты (вроде тех, что спонсирует Эрик Шмидт) погоды не делают. Представьте только, сутки работы научного судна стоят от десятков до сотен тысяч долларов! Вот тут и пригодились дроны.
Wave Glider отправляется исследовать тропический циклон.
Айтишники наверняка помнят произошедшую года три назад странную кадровую перестановку: Джеймс Гослинг — живая легенда, отец Java и вообще столп ИТ — променял Oracle и Google на место главного софтверного архитектора в мало кому известном американском стартапе Liquid Robotics (LR). Так вот занимается LR именно океанскими дронами и весьма преуспел.
Основанный в 2007 году, он впервые продемонстрировал свой потенциал вскоре после прихода Гослинга: его плавающие дроны установили мировой рекорд по продолжительности пребывания автономных аппаратов в море, проделав примерно за год непрерывного плавания путь в тысячи километров сквозь тихоокеанские шторма и штили. Компания и сейчас ещё сравнительно невелика (сотня с небольшим сотрудников) и давно не единственная: проектированием и эксплуатацией морских дронов занимаются несколько аналогичных по размеру предприятий (помните Bluefin Robotics, помогавшую искать MH370?), но в общем и целом сосредоточившись на одной, можно составить представление о всех.
Детище Liquid Robotics — Wave Glider, автоматический плавающий аппарат весьма необычной конструкции. Он состоит из двух частей. Верхняя, постоянно находящаяся на поверхности воды, по размерам и форме напоминает доску для сёрфинга (разве что толще, чтобы уместить всё электронное оборудование). Прочным канатом она связана с нижней частью — висящей шестью метрами ниже под водой и оснащённой шестью парами крыльев. Такая конструкция позволяет использовать энергию волн для движения. Несколько упрощая (подробный ролик есть на сайте компании), фокус вот в чём: верхнюю платформу постоянно таскают волны, тогда как нижняя неподвижна — и разницу, направлением крыльев и рулей, возможно преобразовать для перемещения всего аппарата в нужном направлении. Скорость невелика, сравнима со скоростью пешехода, зато движение не прерывается ни на минуту — ведь и волнение на море не прекращается никогда (на случай сильного течения и штиля, впрочем, предусмотрен электрический движитель).
Wave Glider.
Вот так, метр за метром, сутки за сутками, Wave Glider покрывает огромные расстояния. Пару лет назад он уже доказал, что Тихий океан для него не проблема. Нынче же летом успешно пережил ураган в Южно-Китайском море: шторма причинили многомиллионный ущерб прибрежным зонам, а конструкторы дрона лишь скромно заметили, что функционирование аппарата шло в номинальном режиме. Он плыл и собирал данные, чего ни один надводный обитаемый аппарат в таких условиях, конечно же, сделать бы не смог.
Wave Glider способен подчиняться командам по радио или следовать заданной программе. Электронный «мозг» его, правда, питается не от волн, а от солнца: верхняя платформа покрыта панелями солнечных батарей, которые заряжают литий-ионный аккумулятор и удовлетворяют потребности бортовой электроники — в задачи которой входят коммуникации (спутниковый канал, сотовый, даже Wi-Fi), навигация, сбор информации об окружающей среде (погода, течения, рельеф дна, биология и пр.). Последняя модификация Wave Glider способна играть роль своеобразного плавучего сервера, в реальном времени обрабатывающего большие объёмы данных и предоставляющего информационные сервисы окружающим дронам или судам. Без сильных ИТ тут не обойтись — и вот где помог Гослинг: под его руководством была разработана облачная операционная система Regulus (основа: Linux + Java), превращающая неорганизованную стаю дронов в действующий скоординированно рой.
Вообще получилось так, что востребованы оказались не столько сами дроны, сколько собираемая ими информация. Две с половиной сотни аппаратов Wave Glider сегодня сознательно ходят, например, сквозь шторма, предоставляя уникальные сведения для погодных моделей труднопредсказуемых явлений. Объёмы измеряются терабайтами — Big Data в полный рост! — а все институты, ведомства, бизнесы, заинтересованные в доступе к этим данным и сервисам, непросто даже перечислить. Тут и океанография, и метеорология, и исследования окружающей среды, даже безопасность. Впрочем самым богатым клиентом, безусловно, стал нефтегазовый сектор.
Специалисты говорят так: применяемые сегодня в «нефтегазе» техника и технологии устарели, примитивны. Это в основном классические решения: суда, буи, самолёты, которые дороги и грубы. Дроны не только делают операции разведки, изучения, обслуживания дешевле (в десять раз — легко), но и ускоряют их, и уменьшают непосредственное участие человека, что здорово сказывается на рисках, которые в море опять-таки очень дороги. В результате сейчас наметился тренд на совместные предприятия: разработчики углеводородных ресурсов кооперируются с дроностроителями — и, вместо полноценного корабля с командой, на монотонную вахту по изучению нового района отправляется рой дронов а-ля Wave Glider. Они собирают данные с подводных сенсоров, оценивают химический состав воды, рельеф дна: всё это примеры из практики.
Огромный спрос, платёжеспособность клиентов, отсутствие докучливых регуляторов (ох, сколько крови попортивших строителям дронов авиационных!) приносят свои плоды. Флот морских дронов растёт завидными темпами: одна только Liquid Robotics каждый год увеличивает численность своих аппаратов примерно вдвое. В ближайшей перспективе — быстрый доступ к информации о происходящем в любой точке на площади двух третей мирового океана. Начало эпохи, как минимум.
Saildrone – беспилотные плавучие роботы, изучающие Мировой океан
Материал подготовил: Аркадий Софрыгин, основатель сайта Беспилот.
Присоединяйтесь к обсуждению темы в Facebook
Друзья, познакомьтесь с океанскими беспилотниками калифорнийской компании Saildrone, работающими исключительно на энергии ветра и солнца, которые смело отправляются на задание даже в те регионы нашей планеты, где рискнет работать не каждый человек, в том числе и в суровую, непрощающую ошибок Антарктику.
Новые исследователи океана
Saildrone проектирует, производит и эксплуатирует глобальный флот океанских беспилотных аппаратов (назовем их сейлдронами), которые работают исключительно на энергии солнца и ветра. Беспилоты следят за состоянием планеты в режиме реального времени. Основные задачи, которые выполняют сейлдроны – сбор океанических данных и прогноз погоды.
Компания Saildrone предлагает полностью управляемые услуги по сбору океанических данных в любой точке мира в формате Mission-as-a-Service. Заказчик определяет план миссии, после чего океанские беспилотники отправляются в плавание и передают необходимые данные на берег в режиме реального времени. Роботы могут автономно работать в течение длительного времени и самостоятельно передвигаются на значительные расстояния.
За один поход сейлдрон может пройти десятки тысяч километров, а миссия может длиться до 12 месяцев. Каждый морской беспилот следует заданному пользователем плану миссии, осуществляя автономную навигацию от точки к точке маршрута, при этом не требуя управления с кораблей.
Комплект основных датчиков Saildrone может быть дополнен дополнительными специализированными датчиками для решения самых разнообразных задач.
Сбор океанических данных
Компания предлагает наборы данных, собранные в океанах по всему миру с теми характеристиками, которые нужны заказчику и в высоком разрешении в формате, соответствующем NetCDF (Network Common Data Form) – машинонезависимый двоичный формат файлов, являющийся стандартом для обмена научными данными.
Флот сейлдронов проплыл уже более 500 тысяч морских миль (более 925 тыс км), транспортируя по необходимым маршрутам атмосферные и океанографические датчики. В результате была создана серия наборов данных, описывающих те части Мирового океана, которые никогда не были подробно изучены. Существенная часть данных находится в открытом доступе на сайте Saildrone.
Прогноз погоды
Помимо сбора океанических данных компания предлагает мобильный сервис прогноза погоды высокой точности, дополненный глобальными наблюдениями за окенами. Информативное приложение прогноза доступно как для компьютеров, так и для смартфонов.
Другие услуги Saildrone
- Обнаружение утечек и разливов нефти, с помощью эхолотов и специальных ойл-детекторов.
- Изучение чистоты океана и обнаружение загрязненных участков.
- Услуги для рыболовных компаний.
- Отслеживание миграции рыб (со специальными метками) и млекопитающих.
- Мониторинг нелегального движения судов около морских заповедников.
- Высокоточное картографирование для морской навигации.
Беспилоты Saildrone не продаются, они доступны для клиентов только как услуга. Сайт Saildrone: saildrone.com и да пребудет с вами беспилот!
Cмотрите видео о работе беспилотов Saildrone.
Подводные дроны будут использоваться для добычи редкоземельных металлов на дне океана
Дроны, используемые в новой индустрии добычи полезных ископаемых с морского дна, могут помочь обнаружить редкоземельные металлы, такие как кобальт, жизненно важные для цепочек поставок технологий таких компаний, как Apple и Tesla.
На глубоководных зонах Кларион-Клиппертон, примерно в 15 000 футов ниже поверхности Тихого океана, обнаружены залежи марганцевых клубней размером с картофель. Месторождения редкоземельных металлов росли здесь со скоростью около трети дюйма каждые несколько миллионов лет. Теперь они стали целью для зарождающейся отрасли добычи на морском дне.
Однако, добыть эти полезные ископаемые на таких глубинах нелегкая задача. Сначала их нужно найти. Для эти целей созданы подводные беспилотники. Находясь в нескольких футах над морским дном, роботы могут записывать любые детали поверхности, которая менее исследована, чем Марс.
«Если необходимо получить информацию с высоким разрешением, то датчик должен быть расположен близко к объекту исследования. AUV [автоматизированный подводный аппарат] – лучший и самый точный способ сделать это», – сказал Ричард Миллс, вице-президент по продажам морской робототехники в Kongsberg Maritime. Подводные дроны его компании могут передавать изображения с разрешением 2×2 см, что намного точнее, чем при помощи гидролокатора наземного уровня.
Возможно, самое захватывающее будущее для технологии беспилотных летательных аппаратов – не в небе, доставляя посылки для Amazon, а под водой, помогая обнаружить там огромные богатства. Использование подводных автоматических транспортных средств приобретает решающее значение в областях разведки и картирования морского дна. Частные компании разрабатывают транспортные средства с улучшенными датчиками и большими возможностями, в то время как программы Европейского Союза и университетов по всему миру финансируют подобные проекты.
Охота на редкоземельные металлы
Дно океана, на глубинах, куда едва достигает свет и температура близка к замерзанию, потенциально содержит самые большие неиспользованные запасы редкоземельных металлов. На сегодняшний день независимый Международный орган по исследованию морского дна заключил десятки контрактов с компаниями до начала исследований.
Только стоимость потенциальных объемов золота на морском дне оценивается в 150 триллионов долларов. Между тем, стоимость конкреций, содержащих марганец, никель, медь и кобальт, также достигает триллионов. Кроме того, вокруг термальных источников образуются отложения. С сохраняющимся спросом на редкие металлы, используемые в современной электронике, от айфонов до компонентов солнечной энергии, становится ясно, почему ряд правительств и стран начали гонку за глубинные исследования дна океана.
Горнодобывающая компания DeepGreen Metals имеет три лицензионных участка в Тихом океане, в том числе два отчета о выделенных ресурсах с миллиардами тонн потенциальных металлов. «Мы знаем, что мир будет очень сосредоточен на воздействии на окружающую среду. Автоматизированные транспортные средства, работающие на дне океана, – единственный выход», – сказал генеральный директор компании Джерард Баррон.
По словам Баррона, подводные беспилотники будут полезны для изучения окружающей среды потенциальных районов добычи, а также для наблюдения за добывающими машинами, сбора данных о пылевых шлейфах, которые могут нанести вред глубоководным существам. Он даже сказал, что были проведены испытания дронов для сбора небольших конкреций, хотя в настоящее время гусеничная машина на морском дне является наиболее распространенным инструментом для сбора.
«Наиболее эффективный способ сбора этих конкреций со дна океана еще не найденн», – сказал Баррон.
Подводные беспилотники прошли долгий путь развития за столетие. Первый беспилотный, неуправляемый подводный аппарат был создан в 1864 году и в основном напоминал торпеду. В 1950-х годах Вашингтонский университет проводил исследования с использованием автоматических подводных аппаратов вместе с ВМС США. После этого инновации не сильно продвинулись, пока технологии не позволили использовать более мелкие источники энергии.
Первый AUV Kongsberg, сделанный в начале 90-х, практически неузнаваем для современных технологий. Транспортное средство – которое выглядит как гладкая оранжевая торпеда – теперь принимает акустические, лазерные и фотографические изображения. Недавно робот снял дно арктических вод, нанеся на карту марганцевые конкреции в Норвегии.
Такая технология может быть впереди рынка. Nautilus, первая компания, получившая права на глубоководную добычу, обанкротилась в прошлом году после неудачной попытки разбатывать морское дно в территориальных водах Папуа-Новой Гвинее. Против этого проекта активно выступили местные природоохранные группы. До сих пор не было успешной крупномасштабной глубоководной добычи.
Универсальная технология также применяется в энергетическом секторе. В прошлом году был подписан первый контракт между норвежским нефтегазовым гигантом Equinor и итальянской Saipem на использование современных беспроводных дронов на месторождении Ньорд, расположенном у побережья Норвегии.
Тем временем группа ученых и инженеров при поддержке Японского фонда Ниппона и Общей батиметрической карты океанов к 2030 году пытается составить подробную карту дна океана. На сегодняшний день картировано менее 20%. В прошлом году Белый дом объявил о плане обследования 4,47 миллионов квадратных миль морского дна в пределах американских границ.
«Этот новый статус картирования океана, в котором мы хотим не просто наносить на карту объекты, а еще и поисывать их характеристики. Автономные подводные аппараты, являются чрезвычайно важным компонентом», – сказал Ларри Майер, профессор Университета Нью-Гемпшира и со-руководитель Регионального центра Морского дна Арктики и северной части Тихого океана. Майер сказал, что подводные беспилотники будут использоваться для детального изучения конкретных областей. Возможно, впервые в истории океаны станут более понятными для тех, кто находится на поверхности.
Протестировали компактный подводный дрон Chasing Dory на море
Незабываемые впечатления после отпуска.
В прошлом году на нашем канале вышел видеообзор, в котором Наташа рассказывала о подводном дроне Gladius Mini компании Chasing. Если вы ещё его не видели, то очень советую с ним ознакомиться:
Аппарат оказался очень интересным, но хоть и была у него приставка «Mini», всё равно он требовал отдельного места багажа, если возникало желание взять устройство в отпуск. И вот, в конце года, компания Chasing представила действительно компактное решение — подводный дрон Dory.
Меньше во всём
Первое, с чего хочется начать, говоря о Dory, — это цена. Дрон стоит в два раза меньше своего предшественника. В магазине CopterTime, который любезно предоставил нам Dory на обзор, его стоимость составляет порядка 48 000 рублей. Сейчас, когда подводный аппарат уже не стоит заоблачные 120 000 рублей, начинаешь его действительно рассматривать как приобретение для отпуска.
Chasing Dory
Теперь о самом дроне. Дрон разработан для использования в спокойном море, озере или пруду, Dory удерживает соединение с вашим мобильным устройством на расстоянии до 15 метров, поэтому погружаться можно на глубину до 15 метров — так что вы получите настоящую свободу при его использовании. Главная радость путешественника — габариты уменьшились почти в три раза по сравнению с Gladius Mini, а по весу разница почти двукратная: 1,3 кг против 2,5 кг в пользу новинки.
Dory — слева, а Gladius Mini — справа
Теперь в комплекте нет громоздкого пульта с держателями для смартфона, поскольку всё управление осуществляется через ваше мобильное устройство. Также из комплекта пропали утяжелители для пресной и солёной воды, а кабель, передающий сигнал, теперь длиной 15 метров, в то время как у Gladius Mini кабель (а соответственно, радиус действия и глубина) был 100 метров.
Комплектация Chasing Dory
Компактный блок питания с вилками для разных стран. Передатчик сигнала водонепроницаемый и работает в качестве буя, чтобы вы могли определять местоположение лодки.
Сравнение базовых станций Dory (слева) и Gladius Mini
Сразу хочется отметить, что разъёмы для подключения кабеля у Gladius Mini и у Dory не совпадают, так что подключить 100-метровый кабель и отправить малыша в дальнее плавание не получится.
Сравнение разъёмов для подключения кабеля. Dory слева
Ещё одним основным отличием является камера, вернее, её разрешение. Оно уменьшилось до 1080р, но, как показал опыт тестирования Gladius Mini, разрешения Full HD вполне достаточно для любительской подводной съёмки. Фотографии получаются также в разрешении 1920 × 1080 пикселей. По своей сути — это просто скриншоты из видео.
Chasing Dory-вид спереди
Приложение
Для управления дроном требуется отдельное приложение Chasing Dory. Опять же, в сравнении с приложением Chasing Mini, оно стало, мягко говоря, минималистичным. Параметры видео изменению не подлежат (только Full HD в автоматическом режиме). Можно переключаться между двумя скоростными режимами лодки, переключать режим фото/видео, менять угол наклона лодки и включать внешнюю подсветку.
Интерфейс приложения Chasing Mini 
Интерфейс приложения Chasing Dory
Также на экране отображается глубина погружения, температура и дистанция от лодки до буйка-передатчика. К большому сожалению, пропало 3D-отображение лодки на экране смартфона, но об этом немного позже.
Запись фото и видео идёт во встроенную память устройства, ёмкость 16 ГБ. Впоследствии эти файлы через приложение можно сохранить на своём устройстве.
Как видно, дрон стал по всем параметрам меньше и проще, но это и понятно: производитель хотел сделать доступное устройство. Давайте испытаем Dory в воде.
Тестирование в полях (то есть в морях)
Где, как не в коралловых рифах Индийского океана, тестировать возможности компактного подводного дрона? Итак, чемодан собран, дрон в комплектном жёстком кейсе занял почётное место между феном жены и другим компактным дроном Mavic Mini. В путь!
Подводный дрон Chasing Dory
Поразившись разнообразию подводного мира почти у самого берега, включаю дрон, подключаюсь к нему через приложение, запускаю Dory в воду, удобно устраиваюсь в тени пальмы на лежаке со смартфоном и тут же сталкиваюсь с первой проблемой. При почти минимальном волнении океана на небольшой глубине около 1,5–2 метров дрон нещадно болтает из стороны в сторону так, что получить вменяемую картинку почти невозможно. Отсюда первый вывод: нормально эксплуатировать его можно либо на стоячих водоёмах типа озёр или бассейнов, либо на достаточной глубине.
После нескольких попыток поплавать на мелководье выявилась вторая проблема. Поскольку в приложении никоим образом не отображается положение лодки в пространстве, где происходит погружение, можно запросто потеряться, не зная местность.
Лодка достаточно быстрая и манёвренная, так что если нет возможности её визуально наблюдать, то можно приплыть совсем не туда, куда планировал — например, к своим собственным ногам у берега. Если бы я знал (как в приложении Chasing Mini), куда повёрнут нос лодки относительно пульта, то подобных ситуаций бы не возникало. Надеюсь, разработчики с обновлениями исправят этот недочёт.
Chasing Dory на глубин
Попытка доплыть до глубины, которая начиналась в 50 метрах от берега, также не увенчалась успехом. Первой причиной оказалась, собственно, длина кабеля, который передаёт сигнал передатчику. Пятнадцати метров абсолютно недостаточно. Но поскольку в данной модели передатчик выполнял роль буя, была предпринята попытка направить лодку к глубине, следя за ней с берега по расположению буя-передатчика.
К сожалению, и тут ничего не вышло: связь телефона с буем разорвалась по достижении 5-7 метров, лодка легла в дрейф и пришлось доставать её вплавь. Кстати, видеозапись при разрыве связи со смартфоном автоматически останавливается. Проблему можно было бы решить использованием более длинного кабеля (например, от Gladius Mini), но разъёмы у разных моделей лодок разные.
Для того чтобы понять, как всё же ведёт себя лодка на глубине и как она снимает, была предпринята последняя отчаянная попытка. Взяв в аренду каноэ и загрузив в него всё оборудование, я пересёк риф, доплыл на глубину, откуда и совершил погружение.
Chasing Dory перед погружением
В принципе, сама идея оказалась неплоха. Достигнув глубины, я запустил Dory, погрузился на глубину 5-6 метров и начал исследовать окрестности.
Chasing Dory-запуск с лодки
Но, во-первых, исследование получилось почти вслепую, поскольку яркое солнце практически полностью убивало картинку на экране смартфона, даже при попытках переместить его в тень. Оставалось только надеяться, что что-то мимо лодки всё-таки плавало и какие-то кадры я получу.
Во-вторых, всё та же проблема с ориентацией лодки. На относительно большой глубине её просто не было видно с поверхности. Вот ты направляешь дрон от себя в сторону рифа, немного подруливая, а потом понимаешь что он оказывается под тобой или вообще плывёт в сторону океана. Плюс каноэ активно сносило течением и приходилось рулить одновременно двумя судами! В общем, мне не удалось получить удовольствие от погружения.
Качество съёмки
Тем не менее после нескольких дней погружений мне удалось собрать некоторый материал, из которого получился следующий ролик:
Как видно, качество картинки очень неплохое, однако мне хотелось бы, чтобы баланс белого подстраивался под среду и картинка выглядела бы более разнообразной в плане цветов. Например, DJI Osmo Action с выставленным балансом белого в режим «под водой» выдавал гораздо более естественные цвета.
Фото сделано на Chasing Dory 
Фото сделано на DJI Osmo Action
Также неплохим решением было бы наличие в комплекте красных фильтров, которые бы позволяли убирать синеву океана и делать цвета более естественными.
Заключение
Новинка компании Chasing получилась весьма интересной с точки зрения габаритов устройства и его стоимости, но попытки снизить стоимость дрона привели и к сокращению вариантов его использования.
Я уже писал о том, что Dory будет уместно использовать в стоячих водоёмах либо в бассейнах. Что касается большой открытой воды, то, конечно, хотелось бы иметь в распоряжении более длинный кабель. Либо погружаться нужно с лодки, где предусмотрена каюта для защиты от палящих солнечных лучей. Заодно обязательно нужен человек для контроля за расположением этой лодки. В противном случае никакого удовольствия от использования подводного дрона вы не получите.
В любом случае подводный дрон — это очень интересное устройство, открывающее новые горизонты, и если вы уже наигрались с квадрокоптерами, советую обратить свой взгляд на данный вид техники.
За предоставленное на тест устройство благодарим магазин «КоптерТайм».
AntBot — робот, который использует для навигации методы пустынных муравьев
Поделитесь в соцсетях:
- Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
- Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
Большинство современных роботизированных устройств ориентируется в пространстве благодаря GPS. Но французские инженеры из Национального центра научных исследований Франции и Университета Экс-Марсель уверены, что существует более удобная система навигации, которая, будучи не менее точной, не требует сложной обработки данных. Это «солнечный компас», которым пользуются пустынные муравьи.
Ученые поясняют, что эти удивительные создания способны преодолевать сотни метров в поисках пищи, а затем возвращаться в свои гнезда, не сбившись с пути. Секрет их необыкновенного навигационного таланта заключается в том, что их глаза имеют специальные клетки, обнаруживающие поляризованный свет. Они помогают муравьям определять направление движения «по небу», ориентируясь на высоту солнца над горизонтом (поляризация рассеянного излучения зависит от времени суток).
«Представьте, что на небе есть линии, расположение которых меняется в зависимости от положения солнца. Это своеобразная карта, которую муравей использует для корректировки курса», — говорит биоробототехник Стефан Виолле из Университета Экс-Марсель.
Вдобавок пустынные муравьи способны оценивать пройденное расстояние. Для этого они подсчитывают количество сделанных шагов и учитывают собственную скорость движения (ее насекомые «определяют» по оптическому потоку — скорости движения поверхности относительно сетчатки).
Объединяя информацию о расстоянии и направлении, муравьи возвращаются в гнезда, причем делают это по кратчайшему пути, используя метод интегрирования по траектории.
Французские инженеры решили попробовать наделить робота такими же способностями. С этой целью они создали AntBot — двухкилограммового гексабота, оборудованного рядом датчиков, показания которых собираются в одноплатном компьютере Raspberry Pi.
В качестве солнечного компаса робот использует пару ультрафиолетовых сенсоров, а также поляризаторов, вращение которых позволяет установить распределение поляризации падающего света по небу. С их помощью «робомуравей» определяет направление движения.
Также AntBot оснащен датчиком оптического потока, состоящем из двух рядов по шесть гексагональных пикселей. Изучая задержку появления изображения на двух соседних пикселях, устройство рассчитывает оптический поток.
Помимо этого, робот может запоминать количество сделанных шагов и контролировать скорость передвижения.
В качестве экспериментальной площадки авторы подготовили пол с текстурированной поверхностью. Сначала робот двигался по ней по случайной кривой, доходя до края площадки, а затем возвращался в исходную позицию, останавливаясь несколько раз для пересчета направления и расстояния с учетом новых данных. В ходе исследования инженеры проверили пять различных алгоритмов, использующих один или несколько компонентов муравьиной навигации.
Эксперименты показали, что Antbot, как и пустынные муравьи, способен исследовать окружающую среду и без проблем самостоятельно возвращаться на свою базу. Удаляясь от нее на расстояние от 5 до 14 метров, он каждый раз находил «дом» кратчайшей дорогой вне зависимости от сложности пройденного пути (иногда с погрешностью всего в несколько сантиметров).
Инженеры отмечают, что роботы, оснащенные солнечным компасом, смогут передвигаться в условиях, неблагоприятных для существующих решений, и будут более эффективны при проведении спасательных операций в районах стихийных бедствий, а также при изучении мест, где недоступен сигнал GPS.
В дальнейшем специалисты намерены усовершенствовать навигационную систему, чтобы AntBot мог ориентироваться в пространстве при плохой погоде, под покровом деревьев и даже ночью (муравьи, к примеру, в отсутствие солнца калибруют навигационную систему по геомагнитному полю Земли).
Источник: N+1
- Разработка подробно описывается в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.
