🇫🇷 Научные миссии. Глубоководные. АНПА. Франция

4 июня 2025 года я уже рассказывал вам о миссии NODSSUM, в рамках которой с помощью глубоководного автономного подводного аппарата UlyX Французского океанографического флота планируется обследовать зону сброса радиоактивных отходов в Атлантике в 600 км от побережья Франции.

Этой же теме посвящена публикация За рубежом - в ней об этой миссии рассказывается чуть подробнее.

@SeaRobotics

🇷🇺 Сахалинская область. Полигоны. Россия

В Сахалинской области на озере Тунайча в Корсаковском районе открыт полигон для испытаний надводных и подводных роботизированных систем

Инженеры смогут тестировать здесь автоматизированные комплексы с различным оборудованием, установленных на БЭК. В частности, планируется отрабатывать работу «мультисредовых программ», сценарии совместных действий, параллельное использование БЭК + БАС. Об этом сообщает CitySakh.

Для тех, кого удивил выбор места для создания полигона приводятся аргументы – это протяженный водоем – до 28 км в длину и почти в 10 км шириной, к тому же озеро сообщается с Охотским морем. Это дает возможность испытывать роботов в широком спектре условий.

На Тунайче уже проходили испытания БЭК с гидролокатором и ТНПА.

Пока что полигон - это, скорее, название. Но под него выделен земельный участок, на нем планируется сооружение инфраструктурных объектов, силами НПЦ Крылья Сахалина. В частности, планируется установить слип для спуска судов на воду и разместить контейнерные модули. Идут переговоры о совместных учениях с Тихоокеанским флотом, если получится договорится, это расширит возможности полигона и спектр решаемых на нем задач.

Хорошее дело – полигон. И все же, с учетом стоимости авиабилетов, стоит иметь несколько таких объектов, в том числе ближе к европейской части России.

@SeaRobotics

🔬 Гетерогенные системы. Научные публикации. Китай

Гетерогенные водные роботизированные системы (ГВС)

ГВС – это системы, состоящие из ROV, AUV, ASV и UAV. Очень актуальная и перспективная тема, которой посвящена статья, фрагменты которой предложу вам в моем пересказе. Авторы статьи – из Шанхайского университета Цзяотун, Шанхайского научно-исследовательского института интеллектуальных автономных систем, Университет Тунцзи, Шанхай; Школа информационной и коммуникационной инженерии, Хайнаньский университет, Хайкоу, Китай.

Введение

Роботы стали незаменимыми инструментами в современном обществе, имея значительную исследовательскую ценность [1–5].

Гетерогенные водные роботизированные системы, состоящие из роботов различного типа, таких как подводные дистанционно управляемые аппараты (ROV), автономные подводные аппараты (AUV), автономные надводные аппараты (ASV) и беспилотные летательные аппараты (UAV), играют решающую роль в исследовании окружающей среды, мониторинге и выполнении задач [6–8]. Эти системы расширяют свое действие за пределы традиционных водоемов, таких как реки, озера и океаны [9–11], расширяя применимость на воздушное пространство и прилегающие участки суши, создавая трехмерное исследовательское и операционное пространство [12,13]. Способность гетерогенных систем получать доступ к подводным средам, которые в противном случае остаются недоступными для людей, позволяет с помощью таких систем выполнять разнообразные задачи, включая мониторинг окружающей среды [12,13], экологические исследования [14,15], разведку ресурсов [16,17] и реагирование на стихийные бедствия [18,19].

Однако, несмотря на свой огромный потенциал, для гетерогенных водных роботизированных систем характерны несколько технических проблем, которые необходимо решить для обеспечения широкого и эффективного развертывания. Одной из основных проблем является связь, поскольку в современных системах затухание сигнала и помехи значительно затрудняют эффективность подводной связи [20–22]. Роботы должны полагаться на объединение данных с множества сенсоров и интеллектуальные алгоритмы для автономной работы, чтобы адаптироваться к динамичным подводным средам. Это позволяет им воспринимать препятствия, точно локализовать и картировать свое окружение. Кроме того, для координации внутри систем роботов и выполнения ими задач требуются эффективные алгоритмы навигации и управления, особенно когда эти роботы работают в сложных условиях.

Диверсификация технологий водных роботов позволяет им удовлетворять различные потребности в разведке и эксплуатации.

Традиционные подводные дистанционно управляемые аппараты (ROV) славятся своими высокоточными операционными возможностями, но ограничены по дальности действия длиной кабеля или расстоянием связи [23, 24].

Автономные подводные аппараты (AUV) преодолевают это ограничение и могут самостоятельно выполнять долгосрочные миссии, хотя они сталкиваются с проблемами адаптации к сложным средам и принятия решений в реальном времени [25–27].

Автономные надводные аппараты (ASV) и беспилотные летательные аппараты (UAV) играют важную роль в широкомасштабном покрытии, связи [28, 29] и навигационной поддержке при работе с обширными водными пространствами [30–33]. Но они не могут напрямую участвовать в подводных операциях. Учитывая изменчивость и сложность морской среды, практически никакой водный робот не отвечает всем требованиям. Поэтому существует необходимость в разработке комплексных систем, объединяющих сильные стороны нескольких типов роботов. Такие система могут использовать точные операции ROV, автономность AUV, обширные операционные возможности ASV и преимущества UAV (БАС) в воздушной среде, способствуя более эффективному и гибкому выполнению задач. Благодаря этому междисциплинарному сотрудничеству можно повысить успешность миссий. Этому будет способствовать и повышение автоматизации и использования AI в комплексных системах роботов. (..) @SeaRobotics

(Если тема ГС вам интересна, не стесняйтесь ставить лайки, не помешают и перепубликации или ссылки-анонсы).

(2) Несмотря на демонстрацию значительного потенциала в теории и применении, водные гетерогенные робототехнические системы сталкиваются с различными техническими проблемами при попытках их развертывания.

Во-первых, необходима разработка сложных алгоритмов навигации и управления для обеспечения эффективного взаимодействия и точного распределения задач между роботами одного и различного типа.

Во-вторых, срочно необходимы разработка и внедрение инновационных технологий подводной связи для преодоления проблем с затуханием сигнала и помехами в подводной среде [20–22].

Кроме того, существенное значение для успешной адаптации к подводным средам имеют возможности автономного восприятия роботов, для этого необходимы передовые сенсорные технологии и интеллектуальные алгоритмы. Возможность принятия решений гетерогенными робототехническими системами в водной среде имеет первостепенное значение, что требует интеллектуальных алгоритмов для повышения их автономности [34,35] и адаптивности [36–38].

Наконец, учитывая существенное потребление энергии, ограничивающее продолжительность подводных операций, существует острая необходимость в разработке эффективных систем управления энергией для увеличения времени работы роботов и повышения надежности исполнения миссии.

Подводя итог, можно сказать, что преодоление этих проблем требует междисциплинарного сотрудничества [39,40] и применения инновационных технологий, что помогло бы усовершенствовать водные гетерогенные роботизированные системы [41–44].

Хронология развития гетерогенных роботизированных систем в водной сфере показана на рисунке 1.

Признаться, не совсем понимаю, чем эта картинка связана с гетерогенными роботизированными системами. Разве что косвенно. (..) @Searobotics

(3) В публикации китайских авторов рассматриваются достижения в области исследований подводных ГС, обсуждаются ключевые технологии и перспективные направления развития в этой области. Структура статьи представлена на рис. 2. (..) @SeaRobotics

(4) В публикации описывается состав и основные концепции подводных гетерогенных роботизированных систем, исследуются преимущества их применения в различных областях.

Приведен анализ критических технологий, включая обеспечение навигации и управления, связь, сбор данных о внешней среде и их обработка, принятие решений, управление энергией. В статье упоминаются достижения в этой области и примеры применения ГС.

Перечислены основные проблемы, с которыми сталкиваются исследователи, намечаются пути развития.

Структура статьи:

🔹 Раздел 2 - коммуникации внутри ГС и с ГС

🔹 Раздел 3 - возможности восприятия ГС окружающей среды

🔹 Раздел 4 - навигационные возможности ГС

🔹 Раздел 5 – управление ГС

🔹 Раздел 6 – принятие ГС самостоятельных решений

🔹 Раздел 7 – управление энергией в ГС

🔹 Раздел 8 – этические последствия

🔹 Раздел 9 – применения и кейсы в смежных областях

🔹 Раздел 10 - выводы и направления дальнейшего развития

Полная структура публикации показана на рисунке 3. (..) @SeaRobotics

(5) 2. Связь в гетерогенной системе водных роботов

Гетерогенная связь роботов имеет решающее значение для систем с несколькими роботами, особенно в таких приложениях, как исследования океана, мониторинг окружающей среды и подводные операции [49–51]. Эти роботы, включая AUV и ASV, требуют эффективной и надежной связи [52–54].

Гидроакустическая, радио- и оптическая связь, - основные технологии связи, используемые в этих системах. Каждая из них имеет преимущества и ограничения, в зависимости от условий окружающей среды [55–57]. Основные проблемы: затухание сигнала, помехи, задержки передачи данных и дальность связи [58–60]. Недавние исследования сосредоточены на разработке гибридных систем связи, интеллектуальных систем и адаптивных технологий для решения этих проблем [61–63].

По мере развития технологий ожидается, что гетерогенные системы связи роботов станут более интегрированными и эффективными в операциях, где задействованы гетерогенные системы водных роботов.

2.1. Обзор основных коммуникационных технологий

Эффективная коммуникация между гетерогенными роботами в водной среде гарантирует, что различные типы роботов могут надежно обмениваться данными в различных условиях окружающей среды. В этом разделе рассматриваются основные коммуникационные технологии для гетерогенных водных роботизированных систем: гидроакустическая связь, радиосвязь и оптическая связь. Ниже показаны их преимущества, ограничения и подходящие сценарии применения.

Сравнение основных коммуникационных технологий для водных роботов. (..) @Searobotics

(6) Подводная акустическая связь

Особенности: высокая дальность передачи данных; низкая скорость передачи данных (порядка 1500 м/с); высокая зависимость от температуры воды, солености и глубины;

Преимущества: подходит для дальней связи; подходит для использования в условиях глубоководья;

Недостатки: ограниченная полоса пропускания; низкая скорость передачи данных; подверженность эффектам многолучевости и интерференции с шумами среды;

Сценарии: широко применяется для навигации, управления и передачи данных AUV в различных приложениях, например, в исследованиях океана, мониторинге окружающей среды и в военных применениях.

Ссылки на источники: [55, 64-75]

Радиосвязь

Особенности: быстрое распространение в воздушной среде (~3*108 м/с); распространение в воде подвержено быстрому затуханию;

Преимущества: широкая полоса пропускания; высокая скорость передачи; подходит для коммуникации между надводными роботами (роботами на поверхности воды) и оборудованием на берегу;

Недостатки: ограниченная дальность распространения под водой; в серьезной степени подвержено эффектам абсорбции и ослабления водой;

Сценарии: подходит для обеспечения связи между несколькими ASV и центрами управления, мониторинга ситуации на поверхности, миссий по поиску и спасению, и т.п.

Ссылки на источники: [76-82]

Оптическая связь

Особенности: световые лучи быстро распространяются в том числе в воде; распространяются лишь на ограниченное расстояние; их распространение в значительной степени зависит от качества воды и особенно от плотности частиц в ней;

Преимущества: высокие скорости передачи данных; подходит для приложений, где требуется высокая скорость передачи данных; высокая устойчивость к электромагнитным помехам;

Недостатки: ограниченная дальность передачи данных; требует точного наведения передатчика на приемник; подходит для использования в чистой (прозрачной) воде с малой плотностью частиц в ней;

Сценарии: подходит для передачи данных на небольшие расстояния с высокой скорость, в частности, для передачи данных между подводными роботами, когда они находятся сравнительно близко друг к другу; позволяют передавать большие объемы данных, включая передачу видео в реальном времени.

Ссылки на источники: [76,83-93] (..) @SeaRobotics

(7) Перечисленные методы по-разному работают в разных средах, как показано ниже:

Мелководье: на мелководье часто хорошо работает радиосвязь из-за ее способности быстро передавать данные на высоких скоростях, хотя эффективный диапазон ограничен. Оптическая связь может использоваться на небольших дистанциях, обеспечивая высокую пропускную способность, таких как передача видео в реальном времени между соседними роботами. Однако, в зависимости от факторов окружающей среды, таких как волны на поверхности или высокая мутность, производительность оптической связи может заметно снижаться.

Глубоководье: гидроакустическая связь остается доминирующим выбором для исследований в условиях глубоководья. Здесь большая дальность передачи и надежность работы в сложных средах перевешивают ее сравнительно низкую скорость передачи данных и уязвимость к помехам от эффектов многолучевого распространения. Однако для задач с высокой пропускной способностью в реальном времени, таких как потоковая передача видео, оптическая связь, как правило, невозможна из-за ограниченного диапазона и зависимости от условий чистой воды.

Мутная среда или среда с помехами: в средах с высокой мутностью, таких как русла рек или зоны со значительным содержанием взвешенных частиц, оптическая связь часто неэффективна. В таких условиях гидроакустическая связь предлагает лучшую альтернативу, хотя она по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как многолучевые помехи и затухание сигнала из-за шума окружающей среды.

🔹 Гетерогенные роботизированные коммуникационные технологии в водной сфере охватывают различные подходы, каждый из которых имеет уникальные преимущества и ограничения. Гидроакустическая связь подходит для дальних и глубоких морских сред, радиосвязь имеет хорошие перспективы применения на поверхности и на мелководье, а оптическая связь отлично подходит для передачи на короткие расстояния с высокой пропускной способностью.

В дальнейшем ожидается синтез этих технологий для разработки гибридных коммуникационных систем, адаптированных к различным средам и требованиям для улучшения общей производительности гетерогенных роботизированных систем в воде. (..) @SeaRobotics

(8) 2.2 Критические проблемы для связи роботов в воде

Несмотря на прогресс в области коммуникационных технологий, гетерогенная роботизированная связи в воде по-прежнему сталкивается с рядом существенных проблем, включая затухание сигнала, помехи, задержку передачи данных и ограничение покрытия. Эти проблемы различаются в зависимости от конкретной водной среды, будь то глубоководные сценарии или работа на прибрежном мелководье, их следует учитывать при выборе подходящего метода связи.

2.2.1 Затухание сигнала и помехи

Затухание сигнала – одна из основных проблем подводной связи, и ее серьезность зависит от типа среды. Например, гидроакустические сигналы очень чувствительны к температуре воды, солености и глубине. В глубоководных средах, где эти факторы значительно варьируют, гидроакустическая связь остается наиболее эффективной для передачи на большие расстояния, но при этом страдает от ограниченной скорости передачи данных и существенных помех среды.

Радиоволны подвержены значительному затуханию даже на мелководье, что ограничивает эффективность их применения в подводной связи, особенно по мере роста дистанции связи.

Оптическая связь, хотя и обеспечивает высокую скорость передачи данных, очень чувствительны к прозрачности воды и взвешенным частицам, что делает этот вид связи наиболее подходящим для ближней связи в чистой водной среде.

В подводной среде затухание сигнала это неизбежная проблема. Гидроакустические сигналы значительно затухают с увеличением расстояния распространения. Уравнение (1) описывает затухание гидроакустического сигнала. Здесь A(d) – затухание на дистанции распространения d, P0 – начальная интенсивность сигнала, а β – коэффициент затухания, зависящий от среды.

Для радиоволн затухание еще более значительно, высокочастотные радиоволны едва проникают в толщу воды. В то же время радиоволны среднечастотного диапазона также подвержены значительному поглощению и затуханию. Затухание можно выразить уравнением (2), где P(d) – сила сигнала на расстоянии распространения d, P0 – начальная сила сигнала, а β – коэффициент поглощения среды.

Оптические сигналы проходят в воде ограниченное расстояние и сильно зависят от качества воды, взвешенных частиц и преломления света. Затухание оптического сигнала описывает уравнение (3), в котором I(d) — интенсивность света на расстоянии d, I0 — начальная интенсивность света, а κ — коэффициент поглощения среды.

Сложность подводной среды делает сигналы связи подверженными различным помехам. Например, эффект многолучевого распространения вызван отражением и преломлением сигналов в воде, что может вызывать задержки и помехи. Эффект многолучевого распространения описывает уравнение (4), где r(t) — принятый сигнал, ai — коэффициент затухания для каждого пути, s(t) — переданный сигнал, а τi — задержка для каждого из путей. (..) @SeaRobotics

(9) 2.2.2. Задержка при передаче данных

Задержка передачи данных имеет решающее значение в гетерогенной роботизированной связи в воде, особенно в приложениях, требующих управления в реальном времени и обратной связи по данным. Относительно низкая скорость распространения гидроакустических сигналов (1500 м/с) приводит к значительным задержкам при двусторонней связи, особенно на больших расстояниях. Задержку можно описать уравнением (5), где Td — время задержки, d — расстояние распространения, v — скорость распространения.

Когда гетерогенные роботы работают вместе, задержки связи могут приводить к проблемам синхронизации команд управления и данных зондирования, что влияет на общую производительность системы. Например, в подводных миссиях по обнаружению и спасению роботы должны быстро реагировать на команды и передавать видео и данные в реальном времени, что требует очень низкой задержки в системе связи.

Чтобы уменьшить задержки передачи данных, можно использовать различные подходы. Например, разрабатывая эффективные методы модуляции и кодирования для увеличения скорости передачи данных.

Требуется разработка интеллектуальных алгоритмов маршрутизации для оптимизации путей передачи данных и сокращения количества ретрансляционных узлов при передаче данных. Имеет смысл использование методов кэширования и предварительной обработки для приоритетной передачи важных данных и снижения нагрузки на канал в реальном времени. Кроме того, эффективно объединение нескольких коммуникационных технологий и использование преимуществ каждого для выбора оптимального метода связи в различных сценариях с целью минимизации задержки передачи. (..) @SeaRobotics

(10) 2.2.3 Расстояние связи и покрытие

Гетерогенные роботы в водной сфере обычно работают в различных условиях морских сред, работая порой на удалении друг от друга, что создает проблему качества покрытия системой связи. Хотя гидроакустическая связь подходит для передачи на большие расстояния, ее ограниченная полоса пропускания не может удовлетворить спрос на высокие скорости передачи данных. Радиосвязь, это хорошее решение для поверхности воды, но она быстро затухает под водой. Оптическая связь подходит для передачи на короткие расстояния с высокой полосой пропускания, но ее зона покрытия ограничена оптическими свойствами среды.

Чтобы решить проблему покрытия, можно использовать технологию многоузловой сети для расширения покрытия связи посредством релейной передачи между несколькими роботами. Кроме того, применение гибридной системы связи может эффективно объединять преимущества различных технологий связи для оптимизации покрытия и производительности передачи системы. Многоузловые сети используются для пересылки сигналов через несколько релейных узлов, что позволяет сигналам охватывать больший район проведения работ. Этот метод может значительно улучшить дальность связи, но для этого необходимо решить проблемы маршрутизации, координации узлов и синхронизации сигналов.

Применение интеллектуальных алгоритмов маршрутизации и самоорганизующихся сетевых протоколов может повысить эффективность и надежность многоузловых сетей. Производительность многоузловой сети можно выразить как уравнение (6), где Deff — эффективная дальность связи, а di — расстояние на один переход. Узлы ретрансляции могут быть фиксированными или мобильными, и они отвечают за прием, обработку и пересылку сигналов. Мобильные узлы ретрансляции (например, беспилотные корабли или беспилотные подводные лодки) могут динамически корректировать свое положение в соответствии с требованиями миссии для оптимизации путей связи и улучшения покрытия.

Конструкция узлов ретрансляции должна учитывать их энергопотребление, вычислительную мощность и долговечность. Разработка гибридных систем связи путем объединения различных технологий, таких как гидроакустическая, радио- и оптическая связь, позволяет выбирать оптимальные методы связи в различных условиях и требованиях к миссии. Например, гидроакустическая связь используется для дальней связи, радиосвязь используется между наземным и береговым оборудованием, а оптическая связь применяется для передачи на короткие расстояния с высокой пропускной способностью. При проектировании гибридных систем связи необходимо учитывать совместимость и проводить совместную оптимизацию различных технологий связи. (..) @SeaRobotics

(11) 2.3. Передовые тенденции исследований и разработок

По мере развития гетерогенной робототехники развиваются и коммуникационные технологии. Исследователи стремятся преодолеть существующие технологические проблемы и изучить новые методы и системы связи для улучшения производительности и дальнодействия применения гетерогенных роботов в водной среде. В этой статье мы обсудим текущие передовые направления исследований и будущие тенденции, включая три аспекта новых коммуникационных технологий, интеллектуальных коммуникационных систем и междоменного сотрудничества.

2.3.1. Новые коммуникации

Гидроакустическая связь является основным средством связи для подводных роботов, и исследования в последние годы были сосредоточены на повышении ее надежности и скорости передачи данных. Например, гидроакустическая система связи, основанная на ортогональном частотном разделении каналов (OFDM), улучшает спектральную эффективность и помехоустойчивость за счет передачи на нескольких несущих [94–96].

Основным ограничением гидроакустической связи является высокое затухание акустических сигналов в воде, что ограничивает дальность связи. Чтобы смягчить этот эффект, можно, например, использовать методы усиления сигнала с регулярными интервалами, или разработать более энергоэффективных акустические преобразователи. Кроме того, сложная подводная среда как правило характеризуется многолучевыми помехами, которые можно устранить с помощью усовершенствованных алгоритмов выравнивания. Исследователи также изучили адаптивные методы модуляции и кодирования для оптимизации передачи сигнала и адаптации к различным подводным средам и условиям связи.

Оптическая связь с ее высокой пропускной способностью и низкой задержкой подходит для передачи данных на короткие расстояния с высокой скоростью. В последние годы исследователи разработали подводные оптические системы связи на основе синих и зеленых лазеров, для которых характерно более низкое затухание излучения, что значительно увеличивает дальность передачи и скорость передачи данных.

Тем не менее, оптическая связь в воде очень чувствительна к мутности воды и содержанию частиц. Когда вода мутная, лазерный луч может рассеиваться и поглощаться, что снижает дальность и качество связи. Возможные решения могут включать использование алгоритмов предварительной обработки для очистки полученных оптических сигналов или разработку оптических систем связи, которые могут изменять длину волны в соответствии с качеством воды. Кроме того, ограниченный диапазон передачи ограничивает широкое применение оптической связи в крупномасштабных подводных сценариях с большим числом объектов. Чтобы преодолеть это, можно создавать сети оптической связи на основе релейной связи.

Кроме того, изучаются подводные системы связи, опирающиеся на оптоволоконную технологию, с целью достижения дальней, стабильной и высокоскоростной передачи данных.

Магнитно-индукционная связь использует для передачи сигнала низкочастотное магнитное поле, которое имеет хорошую проникающую способность и подходит для связи в сложных условиях, таких как мелководье и загрязненная вода. Исследователи разработали новые магнитно-индукционные антенны и методы модуляции и демодуляции для повышения эффективности связи и дальности передачи. Однако магнитно-индукционная связь характеризуется относительно низкой скоростью передачи данных по сравнению с другими методами.

Чтобы повысить скорость передачи данных, необходимо исследовать новые схемы модуляции, которые могут «упаковывать» больше информации в магнитное поле. Кроме того, необходимость в антенне сравнительно большого размера для достижения эффективной передачи может быть препятствием в некоторых приложениях. Миниатюризация магнитно-индукционных антенн с помощью передовых материалов и технологий производства может быть потенциальным решением. Ожидается, что магнитно-индукционная связь будет играть важную роль в конкретных сценариях применения в качестве дополнения к гидроакустической и оптической связи. (..) @SeaRobotics