Table of Contents

המונחים: powering the Unseen Frontier

האוקיינוס העמוק נותר אחד האזורים הפחות נחקרים על פני כדור הארץ, עם יותר מ-80% מהשטח שלה עדיין ללא ממפה וללא סייגים. חוקרי רובוטיקה - כלי רכב המופעלים על פני כדור הארץ וכלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) - הפכו כלים חיוניים לגילוי מדעי, הערכה משאבים, ניטור סביבתי בסביבה קיצונית זו.

מה זה חשמל ל-Black Robots?

מערכות הנעה חשמלית ברובוטים עמוקים הים משתמשות במנועים חשמליים או יותר – מנועים הידראוליים ללא מברשת או מנועים קבועים של מגנטי synchronous – כדי להניע את הדחפורים, את הדחף, או מנגנוני השקיה אחרים.המנוע ממיר אנרגיה חשמלית ממקור חשמל חיוני (שחית, תא דלק או מערכת היברידית) לתוך מומנט מכני, אשר מועבר דרך פיר או זרם חשמלי מדויק מאוד, שלא כמו גם למנוע שינויים חשמליים.

מערכת הנעה חשמלית

  • (FLT:0) מנוע חשמלי:FLT:1 בדרך כלל מנוע ללא מכחול DC (BLDC) או מנוע קבוע synchronous מוטורי (PMSM) עבור יעילות גבוהה וצפיפות מומנט.
  • (FLT:0)Motor Controller/Drive:FLT:1, מודול אלקטרוניקה כוח שממיר את מתח הסוללה DC לתוך גלציה AC רב-phase לשלוט מהירות המנוע ו- torque. , בקרים מתקדמים תומכים בזיוף מחדש עבור התאוששות אנרגיה במהלך הירידה או הדריסה.
  • (FLT:0)Propeller או Thruster: FIRLT:1) מיועד לשקיטה נמוכה ודחף גבוה במהירויות נמוכות.דפני דדוק הם נפוצים לתמרון ROVs, בעוד מניעים פתוחים משמשים על מהירות גבוהה יותר AUVs.
  • מקור:0 [Power Source:BuildFLT:1] Batteries, תאי דלק או supercapacitors אשר מאחסנים ומספקים אנרגיה חשמלית.המערכת עשויה לכלול יחידות ניהול חשמל כדי להסדיר מתח, לפקח על מצב המטען ולהגן מפני מעגלים מקבילים או קצרים.
  • (FLT:0) מינוף ועומס: ההרחבה:ראהבייט:1 (נפט מלא), דיור מלא מאוזנים, מאוזנים של שמן מלא (PBOF) מפזורים, והזנת קרמיקה משמשים למניעת מי ים בתוקפנות, תוך מתן לחץ שווה ערך מערכות הנעה חשמלית בעלות ביצועים גבוהים מדורגים עבור מהירויות של מעל 6,000 מטרים.

היתרונות של הנעה חשמלית ב- Deep-sea Robots

הדחף החשמלי השתלב בעיקר במערכות הידראוליות ו pneumatic ברובוטים עמוקים בים המודרני בשל המאפיינים הביצועים הגבוהים ביותר שלו.למטה אנו בודקים כל יתרון בפירוט.

High Efficiency and Extended Mission Duration

מנועים חשמליים משיגים יעילות של 85–95% בטווח מהיר רחב של מומנט, הרבה יותר גבוה מנועי הבעירה (2–40%) ומערכות הידראוליות (60%) ויעילות זו מתורגמת ישירות לזמני משימה ארוכים יותר עם יכולת סוללה נתונה. לדוגמה, מנוע ההיברידי AUVFLT:0BathynomusFLT:1 פועל עבור עד 30 שעות על בסיס יחיד באמצעות דחיסה נמוכה יותר, כמו גם על פני השטח, כדי להפחית את צריכת חשמל קומפקטית, ולהפחית את כמות גדולה יותר.

פיקוח על שליטה ואנושיות

הנעה חשמלית מאפשרת שליטה מהירה, מהירה ומוזנחת של גודל דחף וכיוון. AUVs יכול לבצע דפוסי סקר מורכבים עם דיוק ברמה גבוהה של נקודת דרך ברמת סנטימטר, בעוד ROVs יכול להחזיק תחנה בזרמים חזקים עם יציבות תת-מטר.דיוק זה חיוני למשימות כגון דגימה עמוק הידראולית של אלמוגים עמוקים בים, מניפולציה של מכשירים מדעיים, או ביצוע תשתיות פיקוח תת-ימיות.

השפעה על Noise and Marine Life Impact

שיטות הנעה מסורתיות לייצר רעש אקוסטי ניכר ממנועי הבעירה, רכבות הילוכים, משאבות הידראוליות.חשמל מוטורים, במיוחד כאשר משתמשים בתצורה ישירה של נהיגה, לייצר רמות צליל נמוכות משמעותית - לעתים קרובות מתחת 60 dB re 1 μPa בשעה 1 מ ', פעולה שקטה זה קריטי לחקר מינים עמוקים חמקמק (למשל, cephalopsodsods, דגים, יונקים ימיים) כי הם רגישים להורדת ביצועים עצמיים של הדבקה עצמית.

תחזוקה נמוכה וחיזוק אמינות

עם כמה חלקים נעים ללא חותמות על נוזל הידראולי בלחץ גבוה, מערכות הנעה חשמלית דורשות תחזוקה תכופה פחות בהשוואה לכוננים הידראוליים או מכניים.מנועים חשמליים יכולים לרוץ במשך אלפי שעות ללא החלפת מברשת או שינויי שמן.העדר נוזל הידראולי גם מבטל את הסיכון של זיהום סביבתי מדלפות. במבצעי ים עמוקים מרחוק - שבו כלי רכב עשוי להיות אלפי קילומטרים מתיקון - זה יתרון תפעולי משמעותי.

סקלאלה ומודולריות

ניתן להגדיל את הדחפורים החשמליים ממיקרו-ROVs קטנים (תחת 10 ק"ג) לרכבי כרייה מהירים (מעל 100 טון) באמצעות מנועים של דירוגי חשמל שונים.האדריכלות של שליטה וטכנולוגיה סוללות ניתן להשתמש מחדש על פני פלטפורמות שונות, צמצום עלויות הפיתוח ודרישות הכשרה.מודולריות חשמליות מודולריות מאפשרות החלפת או שדרוג קלים של יחידים ללא תקפים גדולים.

מקורות כוח למניעה חשמלית

צפיפות האנרגיה, צפיפות האנרגיה ובטיחות של מקור הכוח לקבוע ישירות את הסיבולת של רובוט עמוק, דירוג עומק ופרופיל תפעולי.שלושת המעמדות העיקריים של מקורות כוח משמשים כיום: סוללות נטענות, תאי דלק ומערכות היברידיות. טכנולוגיות מתפתחות כגון supercapacitors וקצירת אנרגיה מתחילים גם למצוא יישומים נישה.

Lithium-ion Batteries: The Workhorse

סוללות ליתיום-יון (Li-ion) שולטות רובוטיקה מודרנית של הים, המציעות משקעים אנרגיה של 200-300 Wh / ק"ג בלחץ עד 600 בר.חבילות בעלות גבוהה בנויות מ-cylindrical 18650 או תאים prise, מקובצי ליפטפטים חוזרים על תצורה דומה של 300 ליטרים, ומצטברות בדיור סובלני לחץ שמן, למשל, FLT5, עד 20 מטר ל-V קריטי, עד 16.

סולידריות-מדינה בטיטריות: הגבול הבא

סוללות מוצקות המדינה להחליף את הפוטנציאל אלקטרוליט נוזלי עם קרמיקה מוצקה או פולימר אלקטרוליט, המאפשרת משקעים אנרגיה גבוהה יותר (400-500 Wh / ק"ג פוטנציאל) וחיסול סיכונים של החיסרון, למרות עדיין בפיתוח, חבילות של מצב מוצק נבדק בהצלחה בלחץ שווה ל -11,000 מטרים עומק.

תאים דלק: הכחשת אנרגיה גבוהה למשימה המורחבת

תאי דלק הידרוגן-אוקסגן מציעים שלוש עד חמש פעמים את צפיפות האנרגיה של סוללות ליון, מה שהופך אותם אידיאליים עבור משימות ארוכות טווח (ימים עד שבועות) את ה-FLT:0URV-MAPLT:1 רכב תת-ימי אוטונומי, שפותח על ידי אוניברסיטת טוקיו, משתמש תא דלק פולימרימוס 200 W עם אחסון מימן דחוס כדי להשיג סיבולת של 96 מטרים, כולל תאי מימן וחום), או תאים צבאיים (מרפאים), או תאים).

אנרגיה מאוקיינוס

(ב) כמה רובוטים עמוקים ממוסיפים את אספקת החשמל העיקרית שלהם עם טכנולוגיות קצירת אנרגיה (FLT:0) לוחות Solar PanelssssphcioFLT:1 יכול לטעון את הסוללה כאשר משטחי הרכב, כפי שניתן לראות ב-FLT:2WaveveveveBuildderFLT 3 ו-Essss-FLT:4 או חום גבוה ביותר (T) הם רק בתנאי מים חמים (מעגל) ו-Fal) עם זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הם מספקים את רמת מים חמים (מעגל מים חמים (אך ורק על ידי LT) ו-FLT5) ו-Fal) עם זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הם מספקים את רמת מים חמים (מעגל מים חמים (מעגל מים חמים (מעגל מים חמים) ו-FLT) ו-FLT) ו-FLT5 על ידי שימושים) עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, הם מספקים את רמת מים חמים של מים חמים (אך ורק על ידי שימוש בטמפרטורה גבוהה יותר) עם זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, בין קיבולת גבוהה ביותר, לעומת זאת, לעומת זאת

אתגרים העומדים בפני הדחף החשמלי ב- Deep-sea Robots

למרות היתרונות הרבים שלה, טכנולוגיה הנעה חשמלית חייבת להתגבר על כמה אתגרים אדירים המוטלים על הסביבה המעמקית הים.

לחץ הידרוסטטי ו- Seal Integrity

בעומק של 6,000 מטרים, הלחץ עולה על 600 בר (60 MPa) מנועים חשמליים ואת הבקר האלקטרוני שלהם חייב להיות שוכנו במכלים עמידים בלחץ ( טיטניום או קרמיקה) או לחץ מלא שמן מלא שמן (PBOF) תאים. PBOF מאפשר שמן פנימי להשוות עם לחץ מסובך, המאפשר שימוש סטנדרטי של רכיבים סטנדרטיים מדורגים עבור מים רק רדום, אבל דורש התרחבות מגנטית של פחמן מתקדמת.

הגבלת הכחדות האנרגיה

טכנולוגיית סוללות נוכחית מספקת אנרגיה מספקת למשימות היברידיות לאורך עשרות שעות, אך לא עבור סקרים טרנסקרו-אטלנטיים ארוכים או קמפיינים עתיריים עמוקים של ים שעשויים לדרוש חודשים של פעילות רציפה.תאים דלק מציעים צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, אלא מציגים מורכבות אחסון מימן וניהול מים.הגבול הבסיסי של אחסון אלקטרו-כימי (כ-500 Wh/kg עבור סוללות Li-air) עדיין נמוך מצריכת דלק הידרו-2,000 (12,000), אשר הם דרישות דלק גבוהות לשימוש בטמפרטורות גבוהות או ק"לקטנטמי.

ניהול עשיר בלחץ גבוה

מנועים חשמליים ואלקטרוניקה כוח יוצרים חום פסולת כי יש להתפזר. במים עמוקים, זיהום טבעי מדוכא, ואת מוליכות תרמית גבוהה של מים ים לא ניתן לנצל לחלוטין כי המנוע הוא מבודד בתוך דיור חתומה. מערכות קירור פעיל באמצעות מחזור שמן פנימי עם חילופי חום חיצוניים נדרשים עבור משחתים בעלי עוצמה גבוהה (abo 10 קילוואט).

קורוזיה ו Biofouling

Seawater הוא מאוד קורוזי ל מתכות ופולימרים רבים.חשמל מנועים ומחברים חייבים להיות מוגנים עם חומרים עמידים קורוזיון (טיtanium, נירוסטה פלדה 316L, Monel) או ציפויים (ניקל ceramic Complexs) biofouling - הצטברות של barnacles, אצות, ואורגניזמים אחרים - יכול להזיז ביצועים ולהגדיל את הציפוי של לוח הזמנים ההחלמה שלהם עמוק מתחת לשרירים.

רובוט עמוק בעולם באמצעות הנעה חשמלית

ROV ג'ייסון (Woods Hole Oceanographic Institution)

ROVFLT:0) JaciosonFLT:1 הוא ROV מדעי עמוק הים מדורג 6,500 מטר עומק.מערכת ההנעה החשמלית שלה מורכבת שבעה 7.5 מברשות ללא מכחול DC (ארבע אופקי, שלושה אנכיים) המספק שליטה מדויקת עבור sampling, הדמיה, ופריסת כלי רכב מלאת שמן, המאפשרת הפעלה מלאה ללא לחץ מלא של כלי רכב חשמלי הוא משמש כלי רכב מגופת.

AUV Sentry (Woods Hole Oceanographic Institution)

ה-FLT:0 sentersFLT:1 ; AUV הוא רכב אוטונומי עמוק ים מסוגל מיפוי קרקעית הים בעומק של עד 4,500 מטרים.זה משתמש שני 1.5 מ"ש דחף חשמלי עבור הנעה קדימה וארבעה 0.75 מ"ג אנכי עבור שליטה לעומק, כל המונע על ידי חפיסות סוללות ליתיום-יון.

ROV/AUV Nereid under Ice (WHO)

ה-FLT:0)Nereid under Ice (NUI)BuildFLT) 1 הוא ROV היברידית (AUV) המיועדת לחיפוש תחת מדפי קרח.זה יכול לפעול כ- AUV ללא tethered עבור סקרים רחבים-שטחיים או כ- tethered ROV עבור מחשבי קרח מתוחמים ו-Sampling.

פיתוח עתידי ומגמות מתפתחות

המונחים: inductive Charging and Docking

כדי להרחיב את משך המשימה ללא פיגור, צוותי מחקר מפתחים תחנות מעוקל תת-ימיות שיכולות להעביר כוח אלחוטי באמצעות הפיכה אינדוקטיבית. AUVs כגון FLT:0TethyssFLT:1 ו-FLT:2SeaEyeFLT 3 הוכיחו חקיקת מוצלח ומטעינה במים רדודים.

AI משולב עבור ניהול כוח אופטי

אלגוריתמים של בינה מלאכותית ולמידה של מכונות משולבים בתכנון המשימה כדי לייעל את צריכת האנרגיה הנטועה המבוססת על זרמי האוקיינוס, צפיפות המים וסדרי עדיפויות המשימה. An AUV יכול להתאים את המהירות שלה ולהוביל בזמן אמת כדי למזער צריכת אנרגיה, הרבה כמו גלן אבל עם דחף פעיל. גישה זו, הנקראת "תוכנית אנרגיה-מודע", הוכח להפחית את הסוללה על ידי עד 30% בסימולציות משולבות עם מודלים של האוקיינוס השקט, כמו טמפרטורות ארוכות, ללא מגבלות האוקיינוס השקט.

מערכות היברידיות חשמליות-Hydraulic Systems

עבור משימות כוח גבוהות מאוד כגון קידוח עמוק או מניפולציה אובייקטים כבדים, אקטוציה חשמלית טהורה עדיין לא יכולה לספק צפיפות מספיק מומנט. מערכות היברידיות - שימוש במנועים חשמליים כדי להניע משאבה הידראולית שמעצמות פועל - כמו פשרה.מנוע החשמלי פועל בנקודה אופטימלית שלו יעילות, בעוד המערכת הידראולית מספקת כוח שיא גבוה למשך זמן קצר.

חומרים מתקדמים להנעה של משקל האור

ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) של דיור מוטורי מתכת, מדוחנים, ומקרי לחץ יכולים להפחית במשקל ולאפשר גיאוגרפיות מורכבות שמשפרות הידרודינמיקה.לדוגמה, מדחף מובנה של lattice מודפס מסגסוגת טיטניום יכול לשמור על כוח תוך צמצום מסה עד 40%, להגדיל באופן ישיר את יכולת המטענים או סיבולת פחמן-מרוס כבר בשימוש מוגבל עבור מים לטווח ארוך.

אחסון אנרגיה עמוק מחוץ לסוללות

לטווח ארוך, החוקרים בוחנים אחסון אנרגיה באמצעות חומרי שינוי שלב (PCMs) או אוויר דחוס בשלפוחית השתן גמישות בעלות נמוכה, כוח לטווח ארוך, בעוד אלה אינם צפויים להחליף סוללות עבור הנעה בעוצמה גבוהה, הם יכולים סוויטות כוח או מצעים מהירים נמוך (למשל הצצה) במשך חודשים.מערכת מבוססת מחשב M ישתמשו בטמפרטורה בין פני השטח החמים לבין מים חמים וכדורי חום עמוק כדי ליצור אטמוספירה של חומר דמויי חשמל מהיר (F) עבור חודשים בזמן.

מסקנה: ⁇ חשמלית היא קרן ל- Ocean Discovery

הנעה חשמלית הפכה לסטנדרט עבור רובוטים מתקדמים של חקר הים, המציעה יעילות ללא תחרות, דיוק ואמינות בסביבה הקיצונית ביותר של כדור הארץ, מדחף של יציבות גבוהה של ROVs כמו ג'ייסון להובלת אוטונומית של Senters ו- Nereid תחת קרח, מנועים חשמליים רק מאפשרים תגליות אינסופיות של ייצור - ממערכות אינטראקטיביות עמוק תחת לחץ אווירי, כמו גם לחץ חשמלי עמוק יותר, 000 מטר מגנטי, ואווירי, 000 עמוק, 000, 000, 000, 000, 000 לחץ חשמלי איטי יותר, 000, 000, 000 לחץ אווירי חשמל איטי יותר, 000, 000, 000 איטי יותר, 000, 000, 000, 000, 000 לחץ אווירי חשמל איטי יותר, 000, 000, 000, 000 לחץ אוויריות, 000, 000 לחץ אווירי, 000 לחץ אווירי חשמל איטי יותר, 000, 000, 000 לחץ אווירי, 000, 000, 000 איטי יותר, 000 איטי יותר, 000 איטי יותר, 000.

(ב) [ה] [ה]] ל[ה]: [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]]] [ה]] [ה]] [ה]]]] [ה'], [ה'], [ה'], [ה']'[ה']'[ה']']'[ה']']'''[ה'[ה']']']'[ה']']''[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה']'[ה']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה