观察级水下机器人设计原理之:通信

Sealien

全文共3000字,阅读大约需要5分钟。

上期我们从水面直流交流供电和电池供电的角度出发简单阐述了观察级水下机器人的供电,如何考虑两种供电方式的优劣,电气的关键部件光电滑环以及未来的创新趋势可再生能源水下自充电等。本节和大家分享一下水下机器人通过系缆进行通信的一些技术。这里主要介绍传输硬件和通信协议。
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深海智人推出观察级ROV设计原理入门,了解了原理,也就接近具备自制一台小型ROV的能力,本文简要介绍观察级ROV的通信。

Sonardyne 采用水下光通信和第六代声学应答器测试机器人全自主入库

© Sonardyne

深  海  智  人     用  智  慧  点  亮  深  海
作者 | 草履虫
排版 | 三叶虫
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传输硬件

因为无线数据通信在水中的传输速率很低,不能用于水下机器人的控制和通信。电磁波信号在海水中0.2 m的范围内的最大传输速率为10-100 Mbps,当距离增加到200 m时,传输速率低至50–100 bps。此外还有其他形式的水下通信方式,如声学通信光学通信,但也都有局限性,很少用于观测级ROV,比如Sonardyne 的Blue Comm就是一款商用级水下光通信产品。

综上,由于无线技术的限制,观测级ROV通信通常通过系缆/脐带缆进行。通信的传输介质是金属导体或光纤

基于成本考虑,金属导体通常由铜制成,并且可以是双绞线或同轴电缆的形式。

双绞线电缆是观测级ROV最常用的通信电缆。它们由多组的“电线对”均匀缠绕形成整个电缆。这种电线对相互缠绕扭曲降低了外部共模噪声干扰。这种类型的电缆称为无屏蔽双绞线(UTP)。使用屏蔽双绞线可以进一步降低噪声影响。双绞线用于以太网通信网络。电缆的类型根据其类别而有所不同。以太网通信通常使用5类线或更高规格。5类线的传输速率约为1Gb/s。尽管制造商建议这些电缆的最大传输长度为100米,但观测级ROV通常在300米的距离内使用它们,这样可以通过降低带宽来满足设计人员的要求。

超高速数字用户线路(VDSL)技术允许通过标准双绞线硬件实现大带宽。该技术使用频分复用来实现对称和非对称数据传输。早期系统允许在740米上进行高达25Mbps对称数据传输。然而,随着VDSL2技术的进步,速率已经增加到2公里的距离内实现100 Mbps对称数据传输,在非对称数据传输中支持100 Mbps下载和50 Mbps上传。近年来,随着研究的开展,在光纤入户(FTTH)无法实现的地区,家庭与骨干光纤节点之间的连接有了进一步的改善。下一代技术包括G.fast技术、Vplus技术和 XG-fast (原理阶段)技术。目前这些还是尖端技术,但在不久的将来可能会复用到水下领域应用。

不同传输技术的特点

水下传感器制造商现在正在生产能够利用更大VDSL数据吞吐量的设备。比如Kongsberg,Teledyne BlueView 和Tritech。

一些水下传感器引入了从串行通信技术转变为以太网供电(POE)的设备,后者通过单根以太网电缆提供电力和通信。最初的IEEE802.3af-2003 POE标准规定每个设备在48伏直流电下的功率为15.4瓦,但是由于电缆损耗,在设备端只能传输12.95瓦的功率。2009年,为IEEE 802.3at的POE+引入了一个修订的标准,规定在50伏直流电时为30瓦,电缆损耗后的工作功率为25.5瓦。这些标准仅使用网络电缆中四对电缆中的两对。然而,IEEE协会目前有一个工作组正在研究提出的的IEEE 802.3bt标准,这项标准拟使用四对电缆,这样可以传输更高的功率。

另一种数据传输形式是电力线载以太网,也称为电力线网络技术。它允许通过电力线传输通信数据。多年来,供电公司一直在使用这一理念,通过向输电线路发送信号来区分峰值和非峰值情况。这项技术已针对家庭网络进行了重新设计,将房屋内现有的电线重新适配为通讯线,组网就更加经济实惠。最新的适配器在最高300米的范围内的额定速率最高可达2Gbps,但在实际测试中,数据传输速率非常低,实测30米速度仅为117 Mbps。有人将这种电力线载以太网技术用于水下机器人,能够在400米长的18号双绞线上传输速率为60-80Mbps。

还有一种传输线是同轴电缆,由于其特殊的结构,适用于需要高频传输的应用。10–100 Mbps的传输速率可在高达500米的距离内实现。一些早期的观测级ROV在设计中使用了同轴脐带缆,但随着光纤技术的进步,这些系统的使用在过去几年中有所减少

光纤技术现在已经成为工作级ROV领域的行业标准配置了。一方面因为光纤传输不受交流电感应噪声的影响,另一方面是因为在较远距离有较大的带宽

单模(SM)和多模(MM)光纤都适用于水下机器人应用,但是多模光纤传输距离的限制,以及近年来单模光纤成本的降低,ROV行业几乎都采用单模光纤

过去,单模光纤设备需要一根用于发送,另一个根用于接收,这种方式称为单工通信。现在使用全双工系统,可以适应双向通信。为了允许双向和增加通信容量,使用了多路复用技术,多个信号可以同时沿一条线路发送。在光纤通信领域,波分复用(WDM)是一种常见的技术,通过这种技术,独立的信号以不同的波长通过纤芯传输,一个波长称为一个信道。随着信道的增加,传输速率也会增加。波分复用技术分为粗波分复用(CWDM)和密集波分复用(DWDM)。

不同传输技术的特点

尽管可以通过DWDM实现大容量传输,但很少用于ROV应用,因为配套设备又大又重,而且光纤通信不是瓶颈,传输速率在很大程度上取决于以太网或许多传感器的串行输出。取而代之的是,CWDM多路复用器被广泛使用。可以为摄像机、导航和控制以及各种其他传感器提供足够通道。

如前所述,通过光纤传入/传出ROV的数据传输受到系统瓶颈的限制,无论是以太网还是传感器的串行输出。高清和4K摄像机现已投入生产,允许使用SFP/SFP+(小型可插拔)收发器将光纤直接连接到摄像机上,SFP收发器传输距离高达10km,传输速率为1–10Gbps。但多路器最高速率可能会限制在10Gbps。这种技术也可以集成到水下应用和传感器中

一些观测级ROV使用多个高清摄像机和/或声纳系统,以及控制和导航设备。对于这些ROV来说,为如此大的数据吞吐量提供大带宽是很重要的。光纤开始在观测级ROV中变得更加普遍。研究型ROV项目通常利用光纤进行通信,一些制造商还提供多余的纤芯作为可选升级。

一般来说,脐带缆的缆芯被一种铠装材料包围,这种材料电缆提供足够的抗拉强度。至少,脐带缆必须能够安全承受ROV的重量,因为ROV通常使用脐带缆布放回收。许多电缆制造商,如麦卡尼,使用凯夫拉编织以增强脐带缆的强度。

由于ROV使用的传感器数量不断增加,并且未来对带宽的需求将会更高。一种预测是使用直接光纤连接的传感器,从而消除串行或以太网传输的瓶颈。另外,随着地面传输技术继续推动通过铜材料获得更高的带宽,这也可以用于水下机器人行业,减少对昂贵光纤设备的需求。

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通信协议

网络和通信离不开通信协议,每一个协议都为系统间的数据交换提供了一套规则。ROV行业采用工业应用中最常见的标准。

RS-232通信协议是20世纪60年代为数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间的传输而开发的。它将逻辑1定义为-3V至-25V之间的电压,将逻辑0定义为+3V至+25V之间的电压电平。

RS-485通信协议于1983年推出,将逻辑1定义为-1.5V至-5V之间的电压,将逻辑0定义为+1.5V至+5V之间的电压电平。它是一种多点配置,以主、从配置方式中将多个设备连接在一起。

以太网是一种物理层协议,用于在网络的物理层传输数据。由于其相对较低的成本、可靠性和适应性,它是最广泛的本地接入网(LAN)技术。

目前水下机器人行业使用的三种常见通信协议的比较

从上表可以看出,每种通信方式都有其优劣,RS232抗干扰能力强,但是传输距离短,千兆以太网传输速率高,但是协议复杂。在实际设计过程中,我们更多地考虑充分利用不同通信方式的优点以满足实际需求,同时也考虑设备和传感器预定的通信接口进行匹配。


注:

1、文章部分图片和信息引自互联网。

2、转载请在文章开头处注明“转自深海智人”。

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