上世纪70年代到90年代,我国首次对青藏高原地区进行了综合性科学考察,获得了大量一手资料,填补了青藏高原研究的诸多空白。时隔40多年,我国再次启动为期约10年的青藏高原综合科学考察研究,60多个专题科考分队开展十大科考任务,涉及五大综合考察区域。

为深入实施“科技助力青藏科考”,促进青藏高原环境变化机理揭示,此次科考中加入了无人机、无人船和卫星等新技术手段采集相关数据。据新华社9月21日报道,由中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的“云雀飞行机器人”(以下简称“云雀”)在青藏高原开展了高海拔冰川与湖泊智能化科考工作,实现了我国首次机器人化高海拔环境科考。

机器人助拳 打退科考工作“拦路虎”

青藏高原拥有世界上最壮丽的雪山和冰川,同时也是生物多样性最丰富的地区。但由于海拔高、氧气稀薄、气候恶劣多变、地势险峻、人迹罕至,尤其在极高海拔区,科考活动难度大、危险系数高,严重制约了高原科考全面深入持续开展。

与“有人化”相比,“无人化”科考在高海拔地区的优势较为突出,体能、体力不再成为恶劣环境下科考工作的“拦路虎”,科考效率和数据准确性能得到大幅提升。

中国科学院沈阳自动化研究所研究团队负责人何玉庆说,特别是在“无人区”,采用机器人代替科考人员开展相关科考工作,可以深入到危险区域或人类难以抵达的区域,获取更多“有人化”科考无法获取的数据或样本,大大提升了科考的空间尺度。

能抗七级风 小飞机展示大力量

然而,高海拔地区恶劣的环境让飞行机器人参与科考面临着多重困难:空气稀薄会使飞行机器人升力明显降低,大风将影响飞行机器人的稳定飞行,冰川、湖泊、山地等多变地形则需要飞行机器人具备高度自主的飞行能力和仿地、避障等多种功能。

为了适应高海拔环境,“云雀”突破了“稀薄大气中的高效升力系统设计”“高原强风干扰下的自主控制”等多项技术瓶颈,实现了在稀薄空气、强风扰等极端环境下的飞行。它可以自主完成起降、定点/航迹飞行、仿地飞行、动静态障碍物规避等动作,具备独特的“高空垂直梯度数据连续准静态观测”能力。

“它身高58厘米,体长138厘米,能抵御7级大风,可携带5公斤科考载荷,其自主作业能力可覆盖青藏高原所有野外科考站和绝大部分冰川区,具备在海拔6000米高度飞行近30分钟的综合能力。”何玉庆说,“云雀”执行了多项科考任务,在实际应用中充分验证了多项创新技术和自主作业能力。

海拔6000米 “云雀”采集多项数据

冰川表面温度是冰川动力学模型中非常重要的参数,可以反映出冰川对气候变化的响应,其准确性会直接影响冰川运动和气候变化的模拟及预报结果,对我国东部、西南部气候变化,以及北半球气候具有巨大的影响,甚至对全球气候变化也有明显的敏感性、超前性和调节性。

廓琼岗日冰川集冰川、湖泊、草甸于一体,地形复杂多变,“云雀”通过冰面温度热红外影像监测和冰川三维地形勘测与建模,可助力科研人员获取冰川的面积、厚度、冰储量等数据,这对全球水资源和气候变化、灾害预警等方面具有重要意义。

在廓琼岗日冰川高空大气温湿压与黑碳通量垂直廓线监测工作中,“云雀”采集的数据可以剖析青藏高原典型冰川和积雪区吸光性杂质(黑碳)的含量分布及其对反照率的影响,并对冰川和积雪消融的贡献量进行评估。

纳木错湖风景秀丽,湖水清澈,是我国第二大咸水湖和世界上海拔最高的湖泊。在海拔4730米的纳木错湖区,“云雀”通过对高原湖泊深部水体样品自动化采集和湖水温度垂直剖面进行实时监测,分析高原湖泊的水质、矿盐物质的时空变化情况,评估了区域气候变化对冰雪融水、区域降水以及水生物等的影响。

为进一步推动我国第二次青藏科考向无人化、立体化、网络化方向发展,适应大尺度、高时空密度的科考需求,中国科学院沈阳自动化研究所项目团队将继续提升机器人抵御极端恶劣环境的能力,进一步探索并突破空地、空水机器人互联协作技术,构建起由空中、地面、水面、水下机器人组成的立体化智能科考装备体系,持续推动机器人应用于更广泛的高海拔科考任务。(郝晓明)