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前段时间,当设计人员开始考虑无人海底飞行器(UUV)应用时,有人担心海底环境可能如此不同或奇特,以至于标准解决方案需要大幅修改。然而,令许多人惊讶的是,发现无人机(UAV)和UUV环境之间存在显着的共性。可以肯定的是,每种类型的平台都有独特的方面,但总的来说,标准坚固的军事商用现货(COTS)嵌入式解决方案适用于这两种平台。

美国海军看到了使用无人水下飞行器(UUV)的巨大潜力,这些车辆今天已经在搜索和排除水雷以及收集海洋学数据等任务中服役。如果无人驾驶空中和地面车辆的使用激增是任何预测因素,那么这些平台的任务范围和范围肯定会迅速扩大。

预计这些车辆,无论是小到足以从潜艇的鱼雷发射管发射,还是像波音的Echo Voyager一样长51英尺,都将具有越来越多的自主性,并将被派往越来越复杂的任务,如情报,监视和侦察(ISR)和态势感知。这些类型的计算密集型应用程序将推动需要在UUV上部署的处理和网络能力的大幅增加。好消息是,许多已经在无人机(UAV)上开发、部署和现场验证的COTS解决方案也适用于UUV。无人潜航器面临的挑战,就像它们的空中和地面兄弟姐妹一样,通常归结为尺寸、重量和功率——尤其是功率。

UUV系统设计人员的诀窍是如何最好地优化任务有效载荷,同时考虑到水下航行器动力源的限制,这最终决定了最大续航力,距离和速度。根据定义,无人潜航器必须穿过浓稠的水介质,这意味着它需要八倍的能量才能使其以两倍的速度行驶。这就是为什么有一场技术竞赛来开发为UUV提供动力的最佳方式。今天的动力候选范围从环境推进的波浪滑翔机到电池,如锂离子设计,再到燃料发动机和电池。例如,最近,Aerojet Rocketdyne获得了美国海军的合同,开发技术,使UUV的电池能够在海底无线和远程充电。

COTS供应商通过应用他们在小型化电子设备和恶劣环境加固方面的专业知识,在帮助扩展UUV的能力方面发挥着重要作用。无人机典型的SWaP约束与水下航行器中的约束相似。此外,可以使用相同的系统架构、技术、模块和线路可更换单元 (LRU) 方法来加快开发速度并降低成本。但是,在海底部署COTS系统与在空中部署时存在一些差异。其中一些差异实际上使UUV设计人员的生活更轻松,并增加了与机载系统集成商不同的要求。

冷却它

可以肯定的是,对于大多数COTS系统设计人员来说,水下环境是不熟悉的。因此,发现UUV相对于空中和地面车辆的最大区别(和优势)之一是它们在所谓的世界上最大的散热器上运行,可能会令人惊喜。因此,提供高效的热管理在水下的麻烦要少得多。事实上,对于某些设计,实际上可以让水流过UUV的内部,以直接冷却隔离的有效载荷室。

冷却对无人机来说是一个挑战,原因很简单,在高海拔地区,空气中的分子较少。在无人机系统要求没有为冷却电子设备提供气流的情况下,热管理更加困难。UUV系统设计人员的优势在于,为在高海拔地区运行而建造的COTS系统也是可以信赖的在水下表现良好的系统。事实上,在没有空气的地方飞行的无人机的冷却要求比部署在密封室中的系统要严格得多,就像许多UUV子系统一样。

UUV系统设计师也不必担心高度。对于机载应用,海拔高度可能令人担忧,因为它对电解电容器等组件有潜在影响,这些组件在较高海拔地区容易发生故障。无人机系统设计人员必须确保他们使用的组件符合预期用途的高度等级。例如,直升机通常对可以在15,000英尺高空运行的设备感到满意,而侦察机可能需要可以在30,000至60,000英尺的高度运行的设备。机载 COTS 系统通常必须在高度模拟室中通过 MIL-STD-810 高度测试,以验证在预期应用所需的高度下的操作。

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无人潜航器的不同之处:冲击测试

虽然高度不是UUV的要求,但它们可能与无人机具有非常不同的冲击和振动要求。例如,UUV测试可能需要模拟鱼雷击中的影响。认证此类威胁意味着UUV子系统可能需要证明MIL-S-901D(美国海军冲击测试标准)所涵盖的相关频率的可靠性。在这种情况下,用于部署在UUV上的COTS解决方案可能需要在浮动驳船测试中幸存下来,在那里它暴露在爆炸性冲击下。或者,冲击测试可能涉及901D锤击测试,在此期间,电子设备被硬安装在金属板上,然后用大型锤状摆锤装置敲击,产生大量的G力。

全面的 SoC

总体而言,UUV、无人机甚至无人驾驶地面车辆 (UGV) 的 COTS 解决方案要求存在很大的共性。例如,所有三个平台都可以使用片上系统 (SoC) 技术: 由于 SWaP 是一个关键问题,因此使用基于 IntelARM 内核 SoC 的移动类处理器(将 CPU、I/O 和内存控制器全部整合到单个 IC 封装中,例如英特尔凌动 3800 系列处理器)是有益的。可以选择组合处理器、其配套芯片组和图形处理器(如英特尔凌动)的单个芯片,或组合更高性能的 CPU 和集成 GPU(如英特尔酷睿 i7 产品)有助于减少物理板的空间和重量,从而减少系统的整体物理尺寸。此外,这些架构中的每一个都使用先进的电源管理技术,从每瓦特MIPS(每秒数百万条指令)或FLOPS(每秒浮点运算)的角度来看,它们的效率要高得多。因此,它们越来越多地用于存在功率灵敏度的应用,例如UUV。

UUV 组件的一个很好的解决方案是通过被动自然对流冷却的 LRU;在这些中,热量通过机箱的热质量向外辐射,没有任何移动部件、液体或气流。由于机箱不需要用螺栓固定即可将热量向下传导到冷板,因此这些类型的子系统更容易进行热管理和集成,并且可以位于平台内更广泛的位置。在自然对流下冷却的坚固耐用的LRU的一个例子是Curtiss-Wright的Parvus DuraCOR任务计算机和DuraNET网络交换机(图1)。

图1:DuraNET 20-11 交换机支持 IEEE-1588 PTP,可用于 UUV 和 UAV 应用。

无论平台是UUV还是UAV,任务通常需要通信,计算和传感器。目标环境,无论是空中、地面还是海上,都将决定需要支持哪些类型的传感器。例如,无人机需要FLIR(一种前视红外摄像机),而UUV则需要声纳。尽管各种类型的车辆之间的有效载荷会有所不同,但基本的COTS电子设备不会有太大差异。

UUV和UAV之间的另一个共同点似乎是使用以太网作为选择的网络骨干。两个平台的底层基础设施将使用相同的传统以太网接口连接,并且可以使用相同的 COTS 构建块进行构建。此外,通过网络进行IEEE-1588精确计时协议(PTP)同步也越来越成为海底和飞行器之间的共同特征。

审核编辑:郭婷

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