海洋观测机器人技术与应用

1、海洋观测人技术与应用中国沈阳自动化2018年11月21日 南京沈阳自动化所成立于1958年三大方向：员工1200人、智能制造、光电信息，500除沈阳本部外，在四个城市设有分支机构沈阳自动化所海洋人研发团队试验应用一只高效团队应用基础研究技术攻关封锡盛n 现有职工200多人（研究员19位），80人n 水下人研究室n 海洋人卓越创新中心n 海洋装备中心沈阳自动化所海洋人谱系报告提纲一、海洋观测技术概述二、水面观测人技术三、水下滑翔机观测技术四、“”滑翔机应用五、海洋观测技术与展望一、海洋观测技术概述p全球模式分辨率1/32°(3.5km)，公开数据分辨率1/12°(9.2km)

2、，我国全美国球海洋模式分辨率1/10 °(11km)p区域模式分辨率1/15 °(7.4km)我国中国海洋环境预报中心全球模式，分辨率1/10°法国麦卡托海洋中心全球模式，分辨率1 /12°全球模式，分辨率1/32°美国大量缺少现场实时观测数据，我国海洋模式分辨率低一、海洋观测技术概述因缺乏有效观测，对重要海域实时观测严重不足，使我国海洋信息保障长期信息不对称、过程不清楚、预报确的困境。发展实时海洋观测技术，提升海洋信息保障能力一、海洋观测技术概述科考船观测：1872-1876, 英国察，开启了现代海洋观测的历史“者号”开展全球海洋科学考WOC

3、E（1990-2002）海洋科考船，开启现代海洋观测，实现人工走航观测一、海洋观测技术概述锚系潜（浮）标观测：上世纪50年代于美国，可实现原位固定长期观测。我国上世纪80年始研究GTMBA（1985-1994-至今）锚系潜（浮）标，定点剖面观测，实现长期无人固定观测一、海洋观测技术概述剖面漂流浮标观测：1955年Henry Stommel （U.S.）和John Swallow（U.K.）提出剖面浮标概念，实现无人移动观测准实时观测，并催生了全球Argo观测计划，引起全球海洋观测的一场，全球海洋模型的主要数据来源。lllll间隔3°× 3°(300km)每10天完

4、成一个剖面0-2000m深度4000个浮标100000条剖面数据/年Argo（1998-2007-至今）全球海洋布放Argo浮标数量已超14000个，提供2000米水体约300公里空间分辨率温度、盐度 近实时数据剖面漂流浮标，移动剖面观测，实现长期无人移动观测一、海洋观测技术概述海洋观测人：将是下一个对海洋观测产生性影响的新技术，对海洋科技发展产生深远影响。人（USV）无人水面21世纪人（AUV）水下20世纪50年代19世纪70年代水下滑翔机（Glider）三类典型海洋观测人实现从水面到水下的科考船观测浮观测海洋人观测海洋观测人，可控移动观测，实现智能移动一、海洋观测技术概述Saildrone

5、Ø 2012年美国SaildroneØ 长7 m，高7.5 m，重545kg， 载荷100 kgØ 单次最远航行1.6万km，累计航行46.3万kmWave GliderØ 2005年美国Liquid RoboticØ 浮体长3.05 m， 滑翔体长2.2 m， 重小于100kgØ 累计航行263万km，单次最远航行17371kmDatamaranØ 2014年美国AutonomousMarine System公司Ø 长2.5 m，宽1.7 m，高2.3 m， 重量85 kg，载荷25 kg。Submaran S1

6、0Ø 2014 年美国Ocean AeroØ 长4.14 m、高2.45m、重127 kg，有效载荷23 kgØ 航行半径可达5500 km ， 具备实用化水平海洋观测型USV，连续观测距离超过一万公里一、海洋观测技术概述l可以在0.5m/s和1m/s两种速度模式下航行l续航时间一，最大航行距离可达3000km 重量120kg， 最大下潜深度300mlAutosub LR ， 潜 深 度6000m，续航时间6 ， 范围6000km，速度0.4m/s美国SAUVII，500，数月海洋观测型AUV，连续工作时间超过1一、海洋观测技术概述1991年，美国在、法国先后开展

7、研究（ONR）支持下，率先开始水下滑翔机研制，之后美国水下滑翔机中心拥有世界上规模最大的滑翔机14水下滑翔机隐蔽性强，可进入敏感海域获取信息，难以被发现水下滑翔机，连续工作时间超过12，航程超一万公里报告提纲一、海洋观测技术概述二、水面观测人技术三、水下滑翔机观测技术四、“”滑翔机应用五、海洋观测技术与展望二、水面观测人技术Ø 探究海-气耦合模式对极区气-海-冰相互作用等粗糙度影响、海洋环流与气候、海洋碳循环、海洋酸化、前沿科学问题需要大量观测数据的支撑 Ø 高质量、高分辨率的海气界面观测数据需要先进观测平台来获取！海洋表面是一个非常重要的界面，海洋与大气的能量及其他交换过

8、程都是通过这个界面进行的，海洋内部的变化也会部分地透过这一表面表现出来二、水面观测人技术海洋环境能源驱动USV无人帆船USVWave Glider混合驱动太阳能USV续 航 力水面观测人：路径可控、机动灵活、程度高二、水面观测人技术USV应用方向统计图水面环境参数移动观测系统中国沈阳自动化长度7.0米，空气中重量3000公斤，巡航速度10节，最大航速13节，续航时间8小时10节精海3号上海大学长6.28 m、宽2.86 m、深0.90 m，设计吃水0.43 m，满载重量2.60 t，续航力大于200海里USV作为海上高性能无人装备得到了长久的关注与发展，是目前海上移动观测平台中技术发展最成平台

9、优点：快速性好、机动性好缺点：航行范围有限，续航能力数小时适用于对突发海洋现象的快速响应观测USV二、水面观测人技术测量要素： 气压、风向风速、海水、溶解氧、等将波浪作用于滑翔机的沉浮运动转化为滑翔机的前进运动优点：航行范围大缺点：航速慢适用于大范围长时间连续观测、Liquid Robotics公司的波浪滑翔机累计航行263.71万km，32667天，单次最远航行距离为17371.76 km通信中继水下目标探测波浪滑翔机二、水面观测人技术优点：航行范围大、航速较高缺点：恶劣海况下生存性差适用于大范围长时间连续观测、极地极区恶劣环境下海气界面观测其他应用场景海观测TAO阵列对比观测构建量化星球无

10、人帆船是一种以海洋环境能源为驱动，可以胜任远海作业、具有实时数据传输功能和 实时功能、低运营成本的多用途新型海气界面移动观测平台。无人帆船二、水面观测人技术“”波浪滑翔器“海鳐”波浪滑翔器海上连续92天，航行里程达3242公里海上连续99天，航行里程达3600公里我国环境能源驱动观测USV报告提纲一、海洋观测技术概述二、水面观测人技术三、水下滑翔机观测技术四、“”滑翔机应用五、海洋观测技术与展望三、水下滑翔机技术水下滑翔机是一种依靠自身净浮力驱动的自治式水下无人潜水器（AUV），它通过浮力调节实现升沉，并借助固定翼的水动力实现水下滑翔运动。载人潜水器Human Occupied Vehicle

11、, HOV水下人有缆水下人Remotely Operated Vehicle, ROV螺旋桨驱动：常规AUV浮力驱动：水下滑翔机水下人Autonomous Underwater Vehicle, AUV水下滑翔机 （Underwater Glider）三、水下滑翔机技术水下滑翔机优点：成本低、观测数据分辨率高、续航力高缺点：速度低、导航精度低、负载能力有限-水下滑翔机性能特点三、水下滑翔机技术数值模型数据中心地面U 20-40 cm/sW 10-20cm/s水下滑翔机工作原理三、水下滑翔机技术英国中国美国美国法国澳大利亚世界主要水下滑翔机研发机构九州大学三、水下滑翔机技术美国水下滑翔机已经实现

12、化，续航时间标称18。SpraySeagliderSlocumDeepgliderXRayFlying WingExocetus Coastal Glider美国水下滑翔机三、水下滑翔机技术也是世界上较早开始水下滑翔机研究的翔周期的水下滑翔机ALBAC，但是没有形成，1993年就研制出了单滑。ALBACBOOMERANGALEX"Tsukuyomi"水下滑翔机三、水下滑翔机技术STERNE：法国国立(ENSIETA)于 2005 年研发了一种混合驱动水下滑翔机 STERNE，其体积很大，安装有螺旋桨推进器，携带较高的能量。直径0.6m, 长度4.5m航程120km螺旋桨驱动

13、模式3.5节Sea Explorer：法国 ACSA 公司研发2.2m长59kg质量1节滑翔速度续航时间2工作深度850m直径0.25m滑翔速度2.5节质量990kg法国水下滑翔机三、水下滑翔机技术美国Webb公司于1998年在全世界首次提出 了温差能水下滑翔机的构想，历经20年已完成四代样机的研制。第四代：工程样机（2013）特点：具有温差能转换为电能的能力，可为系统供电第三代：工程样机（2009）特点：续航160天、航程3000km第二代：工程样机（2008）特点：续航120天、航程3000km第一代：原理样机（1998）第一代温差能驱动效率3%，热机功率40W第四代温差能可供电温差能驱动

14、特种滑翔机三、水下滑翔机技术为提高滑翔机的机动性与能力，出现了混合驱动水下滑翔机。Ø 2008年，法国ACSA公司开发SeaExplorer可声学、已经商品化。Ø 2010年纽芬兰纪念大学研Ø 2010 年法国ENSIETA 学院研发了混合推进水下滑翔机Sterne长度为4.5米，外径0.6米， 质量约为990千克究在其尾部Ø 2009年，NURC（NATO Undersea Research Centre， 北 约 水 下 研 究 中 心 ) Folaga加装可折叠螺旋桨推进器航行范围与航行速度平方成反比，提升速度将牺牲续航力Ø 2004年，

15、美国普林斯顿大学的R. Bachmayer 和N. E. Leonard 等人提出了混合推进水下滑翔机“Hybrid Glider”的概念设计混合驱动水下滑翔机三、水下滑翔机技术溶解氧传感器/ 光学氧传感器CTD/GPCTD剪切流传感器水计光学反向散射仪水下滑翔机科学载荷三、水下滑翔机技术哈尔滨：哈尔滨工程大学沈阳：自动化沈阳：大学青岛：中国海洋大学无锡： 中船重工702所西安：西北工业大学上海： 上海交通大学宜昌：中船重工第710台北：大学：华技大学杭州：浙江大学三、水下滑翔机技术2018201320082005二代工程样机(3000km)工程样机(1000km)海试样机(500km)原理样

16、机“”水下滑翔机发展历程三、水下滑翔机技术模块化、小型化技术三、水下滑翔机技术远程监控与自主能力船基监控系统RS232或USB 操作员 便携式计算机控制盒天线岸基监控系统水下滑翔机RS232调制解调器实验室人员服务器三、水下滑翔机技术“”系列水下滑翔机满足全球大洋移动观测应用需求。1000上层海洋观测4500及大洋矿区观测7000大洋深部观测重量：140kg最大深度：7000m航行速度：0.5-1knot 航行范围：1000km 续航时间：1重量：95kg最大深度：4500m航行速度：0.5-1knot 航行范围：3000km 续航时间：5重量：76kg最大深度：1000m航行速度：0.5-1

17、knot 航行范围：3000km 续航时间：5“”水下滑翔机三、水下滑翔机技术CTD传感器ADCP水声通信机浊度计、叶绿素水溶解氧硝酸盐传感器湍流传感器“”水下滑翔机三、水下滑翔机技术虚拟锚系观测断面观测模式根据观测任务执行设定观测断面的连续往复观测设置点模拟锚系潜标执行连续实时剖面观测水下滑机作业模式三、水下滑翔机技术为开展西边界流持续精细观测，2018年7月开始，4翼”滑翔机对四条设定断面进行连续观测。最长已经连续观测126天水下滑翔机断面观测作业模式三、水下滑翔机技术水下滑翔机断面观测作业模式三、水下滑翔机技术Ø56%观测点在1公里直径范围内82%观测点在2公里直径范围内

18、16;水下滑翔机虚拟锚系观测作业模式三、水下滑翔机技术Ø 中尺度涡旋追踪观测 中尺度涡旋是一种重要的海洋动力过程，在海洋中分布广泛 中尺度涡旋直径一般为100-300千米左右，生存周期为2-10水下滑翔机特征追踪观测三、水下滑翔机技术Ø 中尺度涡旋追踪观测涡旋点检测、聚类和边界优化三个步骤，识别得到涡旋区域；对连续卫星高度图中的涡旋进行演化关系判别得到涡旋系统的连续发展变化涡旋区域检测结果涡旋区域识别结果公开定时发布高度异常数据水下滑翔机特征追踪观测三、水下滑翔机技术Ø 中尺度涡旋追踪观测得到涡心坐标系内采样路径以后，设计实现对涡旋的追踪观测人追赶行为和沿行行为，

19、大地坐标内涡旋中心坐标系水下滑翔机特征追踪观测三、水下滑翔机技术2016年7月2日-7月16日三台滑翔机同步观测同一中尺度涡旋。水下滑翔机特征追踪观测三、水下滑翔机技术水下滑翔机特征追踪观测报告提纲一、海洋观测技术概述二、水面观测人技术三、水下滑翔机观测技术四、“”滑翔机应用五、海洋观测技术与展望四、“”滑翔机应用“、”已执行1300多天、30000多公里的海上观测任务，进入东海、洋、太平洋、海等重要海域，获取重要海洋信息数据海观测东海观测东太平洋观测洋观测观测“”已进入重要海域执行信息观测任务四、“”滑翔机应用2015年“”滑翔机在北部观测到一个高温高盐中尺度涡旋水团，首次获得了2公里分辨率

20、的精细结构特征，精确揭示了该水团来源于西北太平洋黑潮3025201510533.83434.234.4Sali(psu)34.634.850Temperature¡ãCKSW SCSW EDYW EEDYW WEDYW观测应用1：精确揭示了中尺度涡旋水团特征及其四、“”滑翔机应用2017年实施了12台滑翔机集群同步观测，获得3700多个剖面数据， 刻画了涡旋立体时空精细结构，揭示了涡旋能量耗散过程51观测应用2： 刻画了中尺度涡旋三维立体时空结构四、“”滑翔机应用海上观测期间，“” 经受住了2017年9号和10号台风的考验。当 “科学号”科考船无法正常工作避风是，水下滑翔机

21、均保持正常观测作业。观测应用2： 刻画了中尺度涡旋三维立体时空结构四、“”滑翔机应用水下滑翔机与组成“点（固定）+线（移动）”新观测模式，持续开展4年观测，为揭示西边界流结构特征及时间演变提供重要数据18.51817.51711.5112532016年4-5月2014年9-10月2018年7-11月2015年3-4月观测应用3：多年观测揭示西沙西边界流演变规律四、“”滑翔机应用“”水下滑翔机完成45天连续观测，观测到海海盆与精细结构，这在我国极地中尚属首次。温度剖面数据盐度剖面数据观测应用4：海精细结构观测四、“”滑翔机应用2018年9-10月， 2翼7000”在海沟累计工作46天，完成144

22、8公里断面观测，获得102条剖面数据，为开展环流和混合研究提供了关键数据。海沟水团特征、两翼7000”观测路径55观测应用5：海沟水团精细结构观测四、“”滑翔机应用Ø 2017年8月，两Ø 2017年12月，一Ø 两个航次应用中，“翼1000”水下滑翔机参与翼1000”水下滑翔机首次在洋第45航次洋应用”水下滑翔机完全由用户完成布放与回收作业，验证了“”水下滑翔机的易用性与可靠性东太平洋、洋观测应用四、“”滑翔机应用2016年12月，水下滑翔机搭载水观测应用。进行了连续9天的海洋环境噪声在环境噪声观测应用四、“”滑翔机应用2017年9月，“”水下滑翔机搭载水声通信

23、机在实现了与的通信，通信效果良好。ØØ滑翔机100米下潜周期平均通信时间11min、可获取约3k的数据量。之间有效通信距离约为2km。水下滑翔机与水下滑翔机与水声通信四、“”滑翔机应用软件测试附件安装通信测试准备布放布放完成起吊布放水下滑翔机布放过程四、“”滑翔机应用搜索调整姿态套圈打捞合力拉上甲板安全回收淡水冲洗水下滑翔机回收过程报告提纲一、海洋观测技术概述二、水面观测人技术三、水下滑翔机观测技术四、“”滑翔机应用五、海洋观测技术与展望五、海洋观测技术与展望海洋其他人具有广阔的空间活动能力、季度至年际的长期观测能力，是过去所不可企及的(美国大学资深海洋学家）技术优势：大数

24、据量、低成本、机动、无限到达约1万元约0.07万元约10倍约0.01万元约50倍海洋人固定浮船只海洋人固定浮船只稀疏稀疏隐蔽性弱机动性弱恶劣环境移动观测全面覆盖环境干扰漂移失准无法观测军事应用安全、隐蔽、机动海洋人，具有显著技术优势五、海洋观测技术与展望观测型USV：n 重量：不大于300kgn 能源：环境能n 续航力：大于1年深海滑翔机：n 重量：不大于100kgn 最大潜深：6000mn 续航力：大于1年长航程观测AUV：n 重量：不大于200kgn 最大潜深：6000mn 续航力：大于6面向海洋观测的海洋人续航力将持续提升五、海洋观测技术与展望海洋观测技术经历了从有人到无人、从固定到移动、从单点到网络的技术，随着人和人工智能技术的发展，将向自动化和智能化方向发展下一阶段移动 无人化小型化立体Argo 移动 无人化小型化立体GDP移动 无人化小型化智能WOCE 移动GTMBA海洋 固定人自动剖面浮标海面漂流浮标科考船锚系海洋观测技术向人集群智能化方向发展五、海洋观测技术与