海洋視界|ROV的電力/信號傳輸
現階段,觀察級水下機器人的動力系統按照供電方式主要分為系纜供電和電池供電兩種,目前市面上幾乎所有的觀察級ROV都采用系纜供電,系纜除了供電、信號傳輸以外,而且,還可以保證ROV可以順利的回到母船,畢竟誰也不想看到自己心愛的“寶貝”游著游著就不見了……
根據水下機器人的類型和臍帶纜長度,電力系統可以是交流電,也可以是直流電。一般來說,工作級遙控水下機器人采用交流電,在水下將一部分電力轉換成直流,在這個輸送過程中,通常會有超過20%的電力損耗,如果系纜較長、功率較大的話采用交流臍帶纜。此外,由于工作級機器人的體型很大,可以容納大功率電氣設備,通過電壓將電力輸送至水下,能夠減少損耗。例如,有些6000米深度等級的機器人采用460Hz,6.6kV。
使用高頻交流是因為水下變壓器設備的尺寸和重量都可以減小,有人推算過,將頻率從60Hz升高到400Hz,變壓器質量可以減少66%。Saab Seaeye 的Leopard ROV以800Hz的高頻傳輸3000伏交流電,大大減小了水下變壓器的尺寸和臍帶纜的直徑。
如果系纜較長的話,需要用到電纜絞盤,絞盤上面有滑環。滑環也稱為旋轉接頭,是一種光/電機械接頭,通過旋轉接頭可以傳輸光電信號和電力。該設備對絞車旋轉期間持續地向水下機器人供電、遙控至關重要。如果臍帶纜只有銅線,滑環就是由電刷和旋轉金屬環組成的簡單結構。但是如果臍帶纜里面有光纖,滑環就會非常復雜、昂貴。無論是電的、光的、還是光電混合的水密纜,都能多通道傳輸,單通道光纖滑環與多通道光纖滑環設計結構和工作原理是有很大的區別,多通道光纖滑環只有多模傳輸,而單通道光纖滑環可以有單模和多模。每款滑環都有一個通道數,這是固定的,你需要用這個滑環來傳輸多少信號量,這也是在設備設計之前已經做好的事情,這些都要選擇,即使為了后續擴展的需要,可以預留2個備用通道,雖然現在用不到,后面如果進行設備升級或者更新換代的時候,也能用到。在許多情況下,滑環選擇和光纖芯數都得設計冗余,以備不測。
較大的水下機器人系統,由于本體和臍帶纜絞車的尺寸較大,需要定制收放系統(LARs)和臍帶纜管理系統(臍帶纜中繼器TMS)。雖然對于小型觀察級機器人來說,用交流電的不多,但也不是說沒有。波爾圖大學的水下系統技術實驗室開發的一種機器人通過230V交流電,在水下轉換成375V直流電,再進一步轉換成48V的直流電用來驅動推進器。交流臍帶纜中混合光纖是很常見的,但是交流電會對信號產生干擾,需要一定的shielding層。
觀察級ROV采用直流更加普遍,原因如下:
*尺寸限制
*成本
*適用水深/臍帶纜長度
*功率要求
*復雜程度
然而,隨著機器人本身電力需求的增加,沿臍帶纜輸送的電壓也必須增加,有人開發了一種中型觀察級ROV(90公斤),采用150V直流供電。一些商業制造商也開發了150~300V直流供電的水下機器人。
近年來的趨勢是,在水面將230V的交流電轉換成400-500V直流中壓,然后輸送至水下機器人。這種方式已經在許多海洋觀測站上應用,傳輸到主節點的電壓為千伏,然后以400V直流電下傳到輔助節點,再將400伏直流電轉換成電子設備和傳感器的工作電壓48V、24V、12V等等。有很多觀察級水下機器人就直接用400~500V的直流電,例如 Seatronics和Saab Seaeye等。