כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) הפכו לכלים חיוניים למחקר ים אוקיאנוסים, פיקוח על אנרגיה offshore, ניטור סביבתי ומשימות הגנה ימית אלה פלטפורמות בלתי מאוישות, עצמיות-מונעות יכולות לפעול בעומקים ומשך שאינם מעשיים עבור מנגנוני בקרה מאוישים או tetherated אלקטרו-תחומיים, אשר כוללים מנגנונים מורכבים של ניהול חשמל אלקטרוניקה, ומערכת הפעלה מרחוק (ROVs).

מיצגים מרכזיים של מערכות אלקטרו-מכניות ב- AUVs

ניתן לנתק את המערכות האלקטרו-מכניות של AUV טיפוסי לארבע מערכות משנה עיקריות: הנעה, כוח, שליטה ותקשורת.כל תת-מערכת מציגה הזדמנויות אופטימיזציה ומגבלות שונות.

מערכות הנעה

ההנעה הופכת אנרגיה חשמלית מאוחסנת לדחף להעביר את הרכב במים.האדריכלות הנפוצה ביותר כוללות:

  • (FLT:0Brushless DC (BLDC) Motors:veFLT) 1DC BLDC מנועים שולטים ב- AUV המודרנית Propulsion בשל יעילותם הגבוהה (בדרך כלל 85-95%), תחזוקה נמוכה (ללא מצחצחים), וגישה מעולה להורדת ל-Freque-to-inertia יחס. הם לעתים קרובות תואמים עם מניעים מרובים או משאבה-jets.
  • (FLT:0)Thrusters:FLT:1 AUVs בדרך כלל להשתמש דחף ducted עבור תמרון מהיר במהירות נמוכה ורחף. תצורה דוקד גדל דחף ביחסים מתקדמים נמוך ולהגן על המדחף מפני פסולת. אופטימיזציה כוללת דינמיקות נוזלי חישובית (CFD) ניתוח של גאומטריה, הפצת להב, ו nozzles כדי למקסם את הכוח סטטי תוך כדי צמצום כוח.
  • (FLT:0) חסידי Propulsors:FreaLT:1 ; עבור ארוך טווח gliing AUVs, buoyancy- המונעת הנעה (באמצעות מנועי buoyancy משתנה) מחליפים מניעים מסורתיים. כמה עיצובים היברידיים משלבים כנף גלימה עם דחף חשמלי קטן להתפרצות.

מקורות כוח וניהול

מערכת הכוח היא הגורם היחיד המגביל ביותר עבור טכנולוגיות מפתח וגישות אופטימיזציה כוללים:

  • (FLT:0) ליתיום-יון וליתיום-פוימר בטריקים:BuildFLT:1 High- Energy-density ליתיום-יון (בדרך כלל 150-250 Wh/kg) מהווים את עמוד השדרה של סוללות ליבת מסחריות ומחקר ספציפיות AUVs. אופטימיזציה כוללת בחירת תאים עם התנגדות פנימית נמוכה עבור פסגות, תכנון מערכות ניהול סוללות חזקות (BMS) עבור תאים עמידים משפטיים ומניעה, לחץ דם תרמיים, ומניעה, לחץ אווירית, ומניעה.
  • (FLT:0)Fuel Cellsib: 1) החלפת תאי דלק עבור AUVs מתמקדת צפיפות אחסון מימן (PEM) תאי דלק מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה משמעותית מאשר סוללות כאשר בשילוב עם אחסון מימן.אופטימיזציה של מערכות תא דלק עבור AUVs מתמקדת צפיפות אחסון מימן (מתיל hydrelic, בקבוקי גז דחוסים), רכיבי איזון של דלק (מדומים, קירור, אוויר), ושילוב של מתחמי דלק מכניים למחזור.
  • (FLT:0)Energy Management Algorithms:BuildFLT:1 התפלגות כוח מותאם באמצעות תוכנה. ניהול אנרגיה חיזוי משתמש במערכי דרך, נתונים חיישן הנוכחי, מודלים דינמיים כדי לתכנן הקצאת כוח בין הנטורציה, חיישנים, ותשלומים. Regenerativeking מ מרכזי דחף (באמצעות המנוע כמחולל בעת ירידה בגלידות) יכול לשחזר 10-15% של אנרגיה מופחתת.

מערכות בקרה ופעולה

מערכת הבקרה מתאמת את ה- אלקטרו-מכאניים - מדרגות, מעליות, סנפירים, דפנינים, משאבות כדוריות - כדי לשמור על המסלול הרצוי והגישה.

  • (FLT:0) פועלים:00 (מעשים:FLT:1) גבוה-reliability servo motors או לינארי פעולה עם משוב עמדה (מחסנים, פותרים, או חיישני אפקט הול) משמשים עבור משטחים שליטה.מטרות אופטימיזציה כוללות צמצום השברה, צמצום צריכת כוח פעולה (במיוחד עבור מרחף AUVs כי כל הזמן להסתגל), ושימוש בקורטורים עבור חומרים וקטורנטים עבור חומרים הילוך.
  • (FLT:0)Control Algorithms: ההרחבה 1 (בעוד בקרים PID נפוצים ליציבות בסיס, AUVs מודרני להשתמש מודל בקרה חיזוי (MPC) או שליטה הסתגלותית כדי להתמודד עם הידרודינמיקה לא לינארית, עומסי תשלום משתנים וזרםי האוקיינוס כוללים משקולות על מאמץ נגד מעקב, יישום נגד סימולציה של תרופות נוגדות חמצון והתאמה אישית של OF2F.
  • (FLT:0)Sensor Fusion:FLT:1 יחידות מדידה אינרטיבית (IMUs), יומני מהירות דופלר (DVLs), חיישנים עומק, ואלטרים מתכנסים באמצעות מסננים מלוטשים מורחבים או מסננים חלקיקים.

תקשורת מכשירים

מאז גלי רדיו מתעצמים במהירות מתחת למים, AUVs מסתמכים על מודמים אקוסטיים עבור חילופי נתונים עם תחנות פני השטח או כלי רכב אחרים.

  • (FLT:0) Transceivers: ⁇ 1 (העברה אלקטרו-מכאנית ורשת ההתאמה שלה חייב להיות מכוון ללהקת התדר שנבחרה (בדרך כלל 10-50 kHz עבור לטווח בינוני) אופטימיזציה כוללת הגדלת יעילות העברת כוח (על ידי התאמה לקויה ובחירת רמות גבוהות של פרופ'ד או מחלקה-E מגבר), מיני-מספק משקל ומדכאות, עבור דירוגים, ומדכאים,
  • (FLT:0)Protocols and Energy-Aware Scheduling:FLT:1 כדי לחסוך אנרגיה, AUVs לעתים קרובות לתקשר רק במהלך מרווחי צלילה מראש או באמצעות אופטימיזציה של נתונים.
  • (FLT:0) קישורים אינדוקטיביים ואינטגרטיביים: ההרחבה של נתונים לטווח קצר, גבוה פסווידנטי (תחנות דו-צדדיות או פעולות סף-קרקע), מודמים אופטיים ועמודים מטעים אינדוקטיביים מציעים חלופות.

אתגרים באופטימיזציה של מערכת

הסביבה התת-ימית מטילה מגבלות ייחודיות שהופכות אופטימיזציה של מערכות אלקטרומכאניות של AUV במיוחד תובעניות.

אנרגיה יעילה לעומת דירוג

לחץ הידרוסטטי עולה על ידי בערך אווירת אחת כל עשרה מטרים של עומק. לעמוד בלחץ עמוק-אוקיינוסי (אלפי מטרים), דיור סובלני לחץ נדרשים.אלומיניום מסורתי או כלי לחץ טיטניום כבדים, להגדיל את המשקל היבש של המכונית ואת הכוח הנדרש כדי לדחוף אותה.

קורוזיה ו Biofouling

ים הוא מאוד קורוזי לאלקטרוניקה ורכיבים מתכתיים.אופטימיזציה חייבת לכלול מבחר של פלדות אל-חלד (316L, דופלקס), ⁇ טיטניום, ציפויים מגן (למשל, aodizing, ציפוי, ציפוי, epoxy) ו-Taomches הם נקודות כישלונות נפוצות; עיצובם חייב להקל על הרכבה (עבור החלפת סוללות) עם OLT-corrosscrevation, ו-Folrevation של אסטרטגיות אחסון; אורגניזמים מכניים המבוססים על פני השטח; אורגניזמים מכניים; אורגניזמים מכניים: אורגניזמים מכניים המבוססים על משטחים; cvcrelimpvcrelimpvcrelimpvcrelimpvcrelimpvcrelimpvcrelimpvcrelimpvcrelimpvation) עם אורגניזמים: DRA-Fol-Fol-Fols: אורגניזמים: אורגניזמים מבוססי אורגניזמים: אורגניזמים מבוססי אורגניזמים מבוססי אורגניזמים מבוססי אורגניזמים: אורגניזמים: אורגניזמים: אורגניזמים מבוססי אורגניזמים: אורגניזמים: אורגניזמים: אורגניזמים מנקה, אורגניזמים: אורגניזמים מנקה, אורגניזמים: אורגניזמים: אורגניזמים

ניהול תרמי בחללים

פנים AUV הם ארוזים בצפיפות ולעתים מבודדים תרמיים על ידי דיור הלחץ.חום שנוצר על ידי מנועים, בקרים מוטוריים, סוללות, ואלקטרוניקה כוח יש להתפזר ללא חימום יתר. אופטימיזציה של נתיבים תרמיים כולל באמצעות תרכובות תרמיות התנהגותיות תרמית, הטמעת צינורות חום או לולאות קירור נוזלי בצ'אסה, והתנהלות פסיבית של קירור פעיל (pus), לעתים רחוקות יכול להוביל למניעה נאותה של תפקודים מופעלת, אם לא יעיל.

משקל ומרחב

AUVs הם מוגבלים בנפח.כל רכיב - סוללות, חיישנים, מעבדים, דחף - תחרותי בחלל בתוך ה- hydroדינמית של הרכב. אופטימיזציה כרוכה לעתים קרובות בחילופי מסחר בין סיבולת (סוללות גדולות) וקיבולת עומס תשלום (חבילות חיישן זחל) , אופטימיזציה תלת-ממדית באמצעות כלים כמו אלגוריתמים מבוססי אריזה וניתוחים סופיים להבטיח כי מרכז של כוח הכבידה הוא הנכון עבור יציבות מבנית ללא שלמות.

אמינות ו Redundancy

כשל משימה במים עמוקים יכול להיות אובדן של הרכב.רכיבים אלקטרומכניים חייב להיות אמין מאוד.כשלים חד-צדדיים (למשל, בקר מנוע הנעה עיקרי) ניתן להפחית על ידי אדמוניות (פודים דחף כפול, סוללות גיבוי) עם זאת, Redundancy מוסיפה משקל ועלויות.

אסטרטגיות לאופטימיזציה

אופטימיזציה שיטתית משלבת מודלים חישוביים, בדיקות ניסיוניות ושיפור עיצוב הרהרטיבי. להלן אסטרטגיות מוכחות החלים ברמות הרכיב והמערכת.

חומרים מתקדמים לירידה במשקל ולהגדיל את יכולת הפחתת

החלפת מתכות מסורתיות עם תרכובות מתקדמות (סיבים פחמן מחזקים פולימרים (CFRP), סיבים זכוכית מאמתים את משקל הירכיים תוך שמירה או שיפור עמידות הלחץ.CRP כלי לחץ יכול להיות 30-50% קל יותר מאשר חלופות אלומיניום למעמקים רדודים עד בינוניים.עבור דירוג עמוק יותר (6,000 מ"ג) קרמיקה וקצף סינקטי (מיקרוסים ב epsin) מציעים רטיקוליום ארוך (Ric) ו-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-cy) בהשוואה ל-to-to-to-to-to-to-cydcinic) בהשוואה ל-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-cydcinic הדפסה זמן רב יותר של חומרים מתקדמים יותר של חומרים מתקדמים יותר של חומרים מתקדמים יותר (6,000 לחץ דם ארוך (מאטרקורד לחץ דם ארוך (6,000 לחץ דם ארוך (מתאים (מסוג) בהשוואה ל-to-to-to-to-cydic הדפסה (6,000 לחץ דם מגנטיים) בהשוואה ל-to-to-

Fluid Dynamics (CFD) עבור Hull ו- Thruster Design

סימולציות CFD מאפשרות אופטימיזציה של צורת ההילה להפחית את הגרור הידרודינמי – צרכן אנרגיה עיקרי.Minimizing משטח רטוב, אופטימיזציה של יחס הנאות (אורך / מד), והוספת גנרטורים מערבים או רצועות נסיעה בשכבות גבול יכול להפחית את העומס על ידי 10-20%.עבור דחף, ניתוח CFD של מעצבי duct ו-להב (pitch, מספר ord של להבים) מנפחים ואפקטיביים פתוחים.

ניהול סוללות חכם ואדריכלות כוח

מערכות BMS מודרניות מאפשרות איזון תאים פעיל, ניטור המדינה של הבריאות, והתאמה של הגבלת זמן נוכחית של אופטימיזציה כולל באמצעות ארכיטקטורת סוללות מבוזרת (מנהגות קטנות יותר במקום חבילה גדולה אחת) כדי לאפשר לסובלנות חלקית וניהול תרמי קל יותר. בחירת מתח אוטובוס (למשל, 48, 96 V) משפיע על יעילות מוטורית והפסדי; מתח גבוה יותר להפחית את הפסדי I2R דורש גבוה יותר עבור מערכות לחץ גבוה יותר (מחץ גבוה יותר) יכולות לספק מתח גבוה יותר עבור סוללות חלקה) מתחים חלקי יותר (מחץ חלקי).

בקרת מנוע מתקדמת Algorithms

שליטה ממוקדת שדה (FOC) עבור מנועים BLDC מספק מומנט מדויק ובקרת מהירות עם יעילות גבוהה בטווח התפעול.אופטימיזציה של הפרמטרים של FOC (PI רווחים עבור לולאות נוכחיות, פלוקס נחלשה עבור תפעול מהיר) נעשה באמצעות סימולציה ובדיקת חומרה-in-the-loop בדיקות. for Driveer-based AUVs, כדי למנוע חיישנים מבוקרים לאפשר חלק עבור מעקב אחר חיישנים משוחררים ולהפחית את החיישנים).

מערכת משולבת Simulation ו-Co-Design

במקום לנסח כל תת-מערכת בבידוד, גישה משותפת לזוגות את הדחף, הכוח, והמודלים השולטים.לדוגמה, את כוח המשיכה של דחף במהלך פרופיל משימה מסוים ניתן להאכיל למודל תרמי של הבקר המנוע, אשר לאחר מכן מעצימה את מגבלות האצת האלגוריתם של שליטה ב-25% (האלגוריתמים האופטימיים, אופטימיזציה המבוססת על תחליפית) יכול לחקור את המרחב המסחרי בין רווחי סיבולת, מהירות ומהירות של 1V:

כיוונים עתידיים

הדור הבא של מערכות אלקטרו-מכאניות של AUV יכיל מספר טכנולוגיות טרנספורמטיביות.

אנרגיה מתחדשת

המרת אנרגיה תרמית של האוקיינוס (OTEC) ולחץ על קצירת אנרגיה שונה נחקרים עבור ניתוח קבוע AUV. Gliding AUVs יכול לחלץ אנרגיה מטמפרטורה ⁇ בין מים קרים עמוק מים משטח חם באמצעות חומרים של שינוי בשלב (למשל, שעווה) כי להרחיב כדי להניע גנרטור הידראולי. Piezoelectric קצירים על כנפיים גמישות או פינים יכול לנפח אנרגיה מזרימה של זרימת חומרים אלקטרוניים, בעוד חודשים נוספים כדי למנוע אופטימיזציה של חשמל זרם נמוך יותר (אונקמיים), בעודם) יכול להיות מסוגל להמשיך לייצר חומרים אלקטרוניים נוספים.

המונחים: ocking

תחנות לעגון תת-ימיות מצוידות בלוחות הטעינה אינדוקטיביים מאפשרות ל- AUVs לטעון סוללות מבלי להצמיד.אופטימיזציה של מנגנון הרציף - קונוס בצורת משפך וחקירה חוזרת - היערכות מדויקת רגישה לזרמים ולדינמיקה של כלי רכב.Inductive transfer יעילות (בדרך כלל 90–95% עם הפיכה קרובה) ניתן לייעל באמצעות קידוד מהיר ורשתות מהירות משולבת באמת.

Neuromorphic ו- Edge מחשוב

אלגוריתמים של משימות מתקדמות (למשל, בדיקה אוטונומית של מבנים תת-ימיים מורכבים) דורשים חישוב גבוה באמצעות חישובים בתוך תקציבי כוח הדוקים. מעבדים נוירומורפיים (מחשבה מבוססת על ספייקטיבית) מציעים הזמנות של צריכת חשמל נמוכה יותר של ידע לעיבוד חיישן ושליטה בהשוואה ל- CPUs קונבנציונלי של חוקי בקרה עבור ארכיטקטורות אלה הוא אזור מחקר פעיל, עם פוטנציאל להפחית את הכוח הדרוש עבור מכשולים אמיתיים למנוע אופטימיזציה של שטח הגנה והגנת שטח.

ייצור משולב של Additive

הדפסה תלת-ממדית של כל AUV hulls, כולל ערוצים משובצים עבור חיווט, קירור, וחילוף קצף, הוא באופק. גישה זו מאפשרת אופטימיזציה טופולוגית למזער משקל תוך כדי למקסם את הנוקשות ואת עמידות הלחץ.דפס רוחות עבור מנועים ולוחות מעגלים מודפסים משולבים לתוך קירות מבניים יכול לפשט באופן קיצוני ולהקטין חלקים, המוביל כלי רכב קלים, אמינים יותר.

אופטימיזציה של מערכת אלקטרו-מכונית נותרה אבן הפינה של קידום יכולת AUV. על ידי התייחסות שיטתית יעילות הנטועה, צפיפות כוח, דיוק שליטה ואמינות באמצעות חומרים מתקדמים, עיצוב מונע סימולציה ואלגוריתמים אינטליגנטיים, מהנדסים יכולים להאריך את משךי המשימה, להגדיל את יכולת העומס, ולהרחיב את המעטפה המבצעית של כלי רכב יוצאי דופן אלה.כפי שהביקוש לנתונים עמוקים של הים גדל, התפקיד של מערכות אלקטרו-מכאולוגיות מותאמות אישית רק הופך להיות קריטי יותר.