-
Die vorliegende Erfindung betrifft
ferngesteuerte Fahrzeuge oder ROVs und insbesondere ROVs für die Verwendung
bei der Erforschung einer Unterwasserumgebung.
-
Konventionelle ROVs werden typischerweise
verwendet von kommerziellen Firmen und weisen auf eine "Untersee"-Einheit oder -Fahrzeug
(der Fisch), eine landbasierte Fernsteuereinheit (die Oberseite),
die mit einer Energiequelle, wie z. B. einem Generator oder Energiezellen
verbunden ist, und ein Versorgungskabel, das die beiden Einheiten miteinander
verbindet für
das Übertragen
von Energie und Steuersignalen von der Oberseite zu dem Fisch.
-
Der Fisch ist üblicherweise ausgerüstet mit einer
Schwimmeinrichtung, wie z. B. motorangetriebenen Schrauben, für das Manövrieren
des Fisches unter Wasser, und einer Kamera, typischerweise einer
Videokamera. Bilder von der Kamera können von dem Fisch über das
Versorgungskabel zu der Oberseite übertragen werden für die Anzeige
auf einem Monitor oder einem Bildsucher, der an der Oberseite befestigt
ist. Fotokameras können
ebenso auf dem Fisch aufgesetzt sein, die die Aufnahme von detaillierteren
Bildern, z. B. mit höheren
Auflösungen,
erlauben. Andere Information kann ebenso über das Kabel gesendet werden,
wie z. B. die Geschwindigkeit oder Steuerkurse.
-
Die Oberseite wird verwendet, um
Steuersignale nach unten über
das Versorgungskabel zu dem Fisch zu übertragen für die Steuerung der Strahlruder und
jeglicher Hilfseinrichtungen oder Optionen, wie z. B. Tiefenruder
oder Greifer, wie z. B. diejenigen auf Armen mit Greifeinrichtung
für das
Aufnehmen von Artikeln auf dem Meeresgrund, oder möglicherweise ein
Schwenk- oder Kippmechanismus,
der an der Kamera befestigt ist. Es kann ebenso verwendet werden,
um gleichzeitig Energie zu übertragen.
-
Kommerzielle ROVs sind im allgemeinen sehr
massiv und können
daher nicht durch eine einzelne Person von Ort zu Ort transportiert
werden. Sie werden üblicherweise
mit Hilfe eines Krans auf einem Schiff bewegt und werden beispielsweise
für die
Kontrolle bzw. Prüfung
von Unterseerohren und -kabeln verwendet. Ihre große Größe und deren
enorme Kosten haben die Entwicklung der Verwendung von ROVs für den Freizeitbereich
verhindert, wie z. B. die Untersuchung von Riffen oder die Überprüfung der Sichtweite
an einem Tauchort, wie z. B. einem Wrack, bevor Taucherausfallzeiten
entstehen. Es wäre
daher wünschenswert,
ein ROV bereitzustellen, das von einer einzelnen Person für die Freizeitverwendung transportiert
werden kann.
-
Kleine und leichtgewichtige ROVs
wurden kürzlich
von VideoRay Inc. entwickelt, wie z. B. die VideoRay 2000 ROV-Einheit,
die für
die Freizeitverwendung konstruiert wird. Der Fisch ist ausreichend klein
und leichtgewichtig, so daß er
von einer Person getragen werden kann. Selbst mit einem kleineren Fisch
kann es jedoch immer noch schwierig sein, die Energieversor gung
zusammen mit dem Versorgungskabel für die Übertragung der Energie von
der Oberfläche
zu dem Fisch von Hand zu bewegen.
-
Ein dünnes (~1 mm Durchmesser) Versorgungskabel
aus einer optischen Faser für
ein ROV wird von Taro Aoki et al in "Development of expendable optical fiber
cable ROV UROV",
Proceedings of the Oceans Conference, US, New York, IEEE Band 26,
Oktober 1992, Seiten 813–818,
ISBN 0-7803-0838-7 beschrieben. Dieses Kabel ist für die Verwendung
eines ROV mittlerer Größe (~500
kg) konstruiert, das für
die kommerzielle/Forschungsverwendung gedacht ist. Dieses ROV muß von einem erfahrenen
Betreiber gesteuert werden, um das Verheddern des Versorgungskabels
aus der optischen Faser zu verhindern.
-
Gemäß eines ersten Aspektes der
vorliegenden Erfindung wird ein Versorgungskabel für ein ROV bereitgestellt
für das
Transportieren von Signalen zwischen einer Oberseite und einem Unterwasserboot
bzw. Unterwasserfisch des ROV, wobei der Fisch eine Bordstromversorgung
erfordert, wobei das Kabel eine schwimmende Haut und einen Steuersignal
tragenden Kern aufweist.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung wird ein ROV bereitgestellt, das eine Oberseite, einen
Fisch für
die Verwendung unter Wasser und ein Versorgungskabel gemäß dem vorherigen
Abschnitt aufweist für
das Verbinden der Oberseite und des Fisches, wobei der Fisch dafür vorgesehen
ist, von einer Bordstromversorgung versorgt zu werden.
-
Die Bordstromversorgung ist vorzugsweise von
der Form einer entfernbaren wasserdichten Batterie. Die Batterie
kann vollständig
elektrisch isoliert sein. Eine nicht-kontaktierende Kopplungseinrichtung,
z. B. eine reaktive Kopplung, wie z. B. eine induktive oder kapazitive
Kopplung, kann verwendet werden, um Leistung von der Batterie zu
extrahieren ohne daß eine
direkt elektrisch leitende Kontakteinrichtung zwischen dem Batteriepack
und seiner benachbarten Komponenten benötigt wird. Vorzugsweise erfolgt
die Kopplung mittels induktiver Kopplung.
-
Vorzugsweise hat der Kern einen Durchmesser
von weniger als 2 mm entlang eines wesentlichen Abschnittes der
Kabellänge.
Vorzugsweise beträgt der
Durchmesser 1,2 mm. Der Kern des Kabels ist vorzugsweise ein Koaxialkabel.
Koaxialkabel erlauben die Übertragung
von Informationen durch das Frequenzmultiplexverfahren, beispielsweise
Hochfrequenzübertragungen.
Solche Übertragungen
erlauben es, daß eine
große
Menge an Information, wie z. B. TV, entlang dünner Kabel über Abstände übertragen werden. Daher kann
die Übertragung
von nicht nur den Steuersignalen zu dem Fisch, sondern ebenso auch
der Rückgabesignale
von dem Fisch zu der Oberseite, wie z. B. Videosignale, erzielt
werden. Belastungen mit hoher Leistung, wie z. B. diejenigen, die
erforderlich sind, um die Strahlruder an dem Fisch zu steuern, werden
jedoch nur mit sehr hohen Spannungen übertragbar sein.
-
Vorzugsweise ist der Kern des Kabels
von linearen Fasern des flexiblen Materials hoher Zugfestigkeit,
wie z. B. Dynema® oder Kevlar® umgeben. Vorzugsweise
umgibt das Kabel ein Polypropylenhaargeflecht. Dieses Geflecht kann
den Widerstand des Kabels in Wasser reduzieren.
-
Da die Hauptleistung für ein ROV
der vorliegenden Erfindung im Betrieb an Bord des Fisches gehalten
wird, besteht nicht die Notwendigkeit, wesentliche Energiemengen
nach unten entlang des Versorgungskabels zu dem Fisch zu übertragen.
Die einzige Energie, die entlang des Versorgungskabels zu übertragen
ist, sind die Steuersignale, z. B. für das Befehlen eines Steuerprozessors,
der auf dem Fisch bereitgestellt wird, für die Steuerung der Ruder des Fischs,
der Kameras oder anderer Hilfseinrichtungen.
-
Vorzugsweise ist das ROV mit einer
Bordvideokamera ausgestattet für
das Fördern
von Videobildern zu der Oberseite. Dies ermöglicht die Verwendung des ROV
bei der Bereitstellung einer "Unterwassererfahrung", beispielsweise über ein
Headset virtueller Realität.
Die Videobilder werden auf dem Versorgungskabel von dem Fisch zu
der Oberseite übertragen.
-
Das ROV hat vorzugsweise zwei Kameras, eine
ist an der Vorderseite des Fisches montiert, wobei die Schwenk-
und Kipprichtung hiervon vorzugsweise einstellbar ist für das Unterwasserbetrachten in
variablen Richtungen, und wobei die zweite Kamera in einer "Periskop"-Position bereitgestellt wird. Vorzugsweise
ist die Periskop-Kamera oberhalb des Hauptkörpers des Fisches befestigt.
Sie kann jedoch auch indirekt in solch einer Position positioniert
sein durch das Vorsehen von periskopischen Spiegelanordnungen. Die
Periskop-Kamera kann beispielsweise entweder eine alternative Sicht
im Wasser oder an der Wasseroberfläche eine Überwasseransicht bereitstellen,
beispielsweise, um das Leiten des Fisches zurück an Land oder zu dem Kontroller
oder zu einem teilweise eingetauchten Objekt, das betrachtet werden
soll, zu unterstützen.
Bilder von den Kameras können
auf dem Versorgungskabel zu der Oberseite übertragen werden. Wenn jedoch
das Kommunikationssystem zwischen dem Fisch und der Oberseite keine
zwei Videokanäle
handhaben kann, dann können
Einrichtungen für
das Auswählen,
welche Kamera aktiv ist, bereitgestellt werden.
-
Die erste Kamera könnte eine
Farbkamera und die zweite Kamera könnte eine Monochromkamera,
wie z. B. eine Schwarzweißkamera,
sein. Die Monochromkamera wird im allgemeinen bessere Dunkellichtfähigkeiten
haben als die Farbkamera aufgrund sowohl ihrer konventionell höheren Auflösung als
auch ihrer Anpaßbarkeit
für die
Niedriglichtempfindlichkeit, beispielsweise aufgrund ihrer intrinsisch
höheren
Empfindlichkeit oder durch das Vorsehen von bildverstärkenden
Einrichtungen. Die Niedriglichtempfindlichkeit wird die Verwendung
des ROV in Umgebungen mit reduziertem Licht erlauben, wie z. B.
bei Tiefen, wo das Umgebungslicht von dem Wasser ausgefiltert wurde,
oder während
der Dämmerung.
Niedriglichffähigkeiten
beseitigen ebenso die Notwendigkeit kontinuierlich Lichter anzuschalten,
die an dem Fisch bereitgestellt werden, z. B. für die Zwecke der Batterieeinsparung.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nun unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
-
1 schematisch
ein ROV einschließlich einer
Fernbedienung, einer Oberseite, eines Versorgungskabels und eines
Fisches zeigt,
-
2 eine
perspektivische Ansicht eines Fisches der vorliegenden Erfindung
ist,
-
3 eine
Draufsicht von hinten auf den Fisch von 1 ist,
-
4 eine
weitere perspektivische Ansicht eines Fisches der vorliegenden Erfindung
ist,
-
5 eine
Batterie für
die Befestigung an dem Fisch der vorliegenden Erfindung zeigt,
-
6 und 7 schematisch die Anordnung
einer Induktionskopplung zwischen einer Bordbatterie und dem Fisch
zeigen,
-
8 eine
Explosionsansicht einer Batterie der vorliegenden Erfindung ist,
-
9 schematisch
die Optionsteuerimplementierungsanordnung für das ROV der vorliegenden
Erfindung zeigt,
-
10 ein
Querschnitt durch ein Versorgungskabel der vorliegenden Erfindung
ist,
-
11 ein
Querschnitt durch den Fisch von 2 ist,
der den gefluteten Doppelschichtdom der vorliegenden Erfindung zeigt,
-
12A bis 12J den Schwenk-/Kippmechanismus
der vorliegenden Erfindung für
eine Kamera des ROV der vorliegenden Erfindung zeigen, und
-
13A und 13B ein Kabelfreigabemechanismus
für das
ROV der vorliegenden Erfindung zeigen.
-
Das ROV
-
In den 1 bis 4 ist ein ROV-Satz in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gezeigt.
-
Das ROV ist eine Sammlung von Einheiten, die
zusammen die Funktion einer ferngesteuerten Unterwasserfernsehkamera
erfüllen.
Der ROV-Satz weist zwei Haupteinheiten auf, wobei diese die Unterwassereinheit
oder der "Fisch" 10 und
die Obertlächensteuereinheit
oder die "Oberseite" 12 sind.
Ein Kabel oder ein "Versorgungskabel" 14 verbindet
die beiden Haupteinheiten. Das Kabel 14 ist vorzugsweise
zumindest 200 m lang und ist folglich für die leichte Handhabung im
allgemeinen auf einer Aufwickelvorrichtung, die nicht gezeigt ist,
aufgewickelt.
-
Die Oberseite 12
-
Die Oberseite 12 weist einen
Funk-Handapparat 16 und eine Computereinheit 18 auf.
Während der
Einsatzoperationen eines Fisches 10 gibt es verschiedene
Aktivitäten,
wie z. B. das Aussetzen, die Tiefeneinsetzung und die Bergung des
Fisches 10 aus dem Wasser. Für diese unterschiedlichen Operationen
kann es für
den Bediener notwendig sein, an unterschiedlichen Orten zu sein,
oder es kann notwendig sein, sich über der Zone, in der die Operationen
stattfinden, zu bewegen. Der Funk-Handapparat macht dies einfach
und sicher, da es keinen Draht gibt, der Behinderungen verursacht
und der Benutzer wird frei, sich irgendwo innerhalb des Bereiches
der Funkverbindung zu bewegen.
-
In der Computereinheit 18 der
Oberseite ist ein Empfänger
beinhaltet, der Signale von dem Handkontroller nimmt und diese vor
der Weiterleitung von Befehlen über
das Kabel 14 zu den Steuerkomponenten des Fischs verarbeitet.
-
Die Funkkommunikation erfolgt in
Luft, so daß sie
Radio-, elektromagnetische Induktions-, Ultraschall- oder optische
Signale, z. B. Infrarot, enthalten kann. Die bevorzugte Kommunikationseinrichtung
verwendet Hochfrequenzübertragungen.
-
Ein Monitor 20 oder ein
Sichtschirm wird für die
Computereinheit 18 bereitgestellt für das Anzeigen von Bildern,
die von Kameras bereitgestellt werden, die in dem Fisch 10 montiert
sind.
-
Die Computereinheit 18 beinhaltet
die Verschaltung, die notwendig ist für das Frequenzmultiplexverfahren,
FDM, und das Zeitmultiplexverfahren, TDM, der Signale auf dem Kabel 14.
Die Signale können
die Befehle von der Oberseite 12 zu dem Fisch 10 (Fernsteuerung),
die Befehle von dem Fisch 10 zu der Oberseite 12 (Telemetrie),
den Videostrom zu der Oberseite 12, die Audiosignale zu
der Oberseite 12 und mögliche
Ultraschalldaten von den Sensoren auf dem Fisch 10 zu der
Oberseite 12 enthalten.
-
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das FDM wie folgt zugewiesen:
- 1. Telemetrie und Fernsteuerung sind mittels
TDM auf einem Träger,
der auf 50 MHz zentriert ist,
- 2. zusätzliche
bidirektionale Daten ("Optionen") sind mittels TDM
auf einem Träger
bei 5,5 MHz vorhanden,
- 3. Audiodaten sind bei 6 MHz zentriert und
- 4. Videodaten sind bei 32 MHz zentriert und umfassen 20–40 MHz.
-
Der Fisch 10
-
Die bevorzugte Konstruktion des Fisches 10 ist
in den 2 bis 4 und 11 gezeigt. Der Fisch 10 weist
einen Hauptkörper 11 mit
einem vorderen Ende 22, einem hinteren Ende 24,
einer linken und rechten Seite 26, 28 und einer
oberen und unteren Seite 30, 32 auf. Der Hauptkörper 11 enthält ein Druckgefäß 227,
das eine verarbeitende Einheit für
das Steuern der Komponenten des Fisches 10 enthält.
-
An dem vorderen Ende 22 ist
eine) transparenter Dom bzw. Kuppel 34 bereitgestellt,
in der eine Videokamera 225 (siehe 11 bis 12J)
montiert ist. An der Vorderseite besteht ein erhöhtes Risiko des Kollisionsschadens.
Die Vorderseite stellt jedoch die bequemste Position zur Verfügung, um
die Kamera 225 zu positionieren, da sie den größten nicht-verdeckten
Sichtkreis bereitstellt, möglicherweise
mehr als 180°.
-
Die Kamera 225 ist eine
elektronische und optische Einrichtung, die wahrscheinlich nicht
speziell angepaßt
ist, um in einem Leitmedium, wie z. B. Wasser, bei hohem Druck zu
arbeiten. Daher ist sie innerhalb eines wasser- und druckbeständigen Gehäuses 227 plaziert.
Siehe 11. Das Gehäuse 227 ist
im allgemeinen aus einem transparenten Material hergestellt. Die
optischen Eigenschaften der Vorderseite 229 des Gehäuses 227 sind
für das
Betrachten von Objekten in Wasser optimiert. Vorzugsweise ist die
Vorderseite eine Perspex®- oder Glasfrontkuppel 229,
die von dem Gehäuse 227 für die Wartung
der Kamera 225 abgenommen werden kann. Die Dichtung zwischen
der Kuppel 229 und dem Gehäuse ist jedoch bei hohem Druck
wasserdicht und semi-permanent, d. h. erneut zu öffnen, und weist O-Ringe und
einen Einschnappklemmechanismus auf.
-
Wenn die Vorderseite unter Wasser
mit einem Objekt kollidiert, kann die Front verkratzt werden. Für eine optische
Kuppel 229 ist dies offensichtlich unerwünscht. Daher
ist eine zusätzliche
transparente äußere Kuppel 231 entfernbar
vor dem Druckgehäuse 227 befestigt.
Die äußere Kuppel 231 hat optische
Eigenschaften, die derart konstruiert sind, daß sie einen vernachlässigbaren
Einfluß auf
die Unterwassersicht hat und ist typischerweise dünn. Sie stellt
ebenso eine profilierte Erscheinung der Front des Fisches zur Verfügung, die
das Teilen des Seetangs oder dergleichen von dem Pfad des Fisches 10,
wenn er schwimmt, unterstützt.
Die äußere Kuppel 231 ist
eine geflutete Kuppel, d. h. Löcher
oder andere Belüftungseinrichtungen
können
zur Verfügung
gestellt werden, um den freien Durchgang von Wasser um die Rückseite
der Kuppel herum zur Verfügung
zu stellen. Aufgrund des vollständigen
Eintauchens beider Seiten in das Wasser ist als erstes der Unterschied
im Brechungsindex des Materials und des Wassers derart, daß die optische
Verzerrung klein gemacht werden kann, und zweitens kann sie dünn ausgeführt werden,
da es keine Druckdifferenz über
ihre Dicke gibt. Die Dicke kann ausgewählt werden, so daß sie geeignet
ist, um Stößen zu widerstehen.
-
Wenn eine Kollision auftritt mit
einem Unterwasserobjekt, würde
nur die äußere Kuppel 231 beschädigt und
diese kann leicht ersetzt werden, wobei sie, da sie eine nichtdruckwiderstandsfähige Kuppel ist,
nicht schwer ist.
-
Die Kamera schaut durch die zwei
Kuppelschichten und alle Bilder von der Kamera werden auf dem Kabel 14 zu
der Oberseite 12 übertragen.
-
Zusammen mit den Bildern können die
Geräuschen
der lokalen Umgebung durch ein Unterwasserschallempfänger (nicht
gezeigt) erfaßt
werden. Diese Geräusche
können
ebenso zu der Oberfläche
mittels desselben Kabels 14, das die Video- und andere
Steuer- oder Instrumentierungsinformation trägt, weitergeleitet werden.
-
In Richtung des hinteren Endes 24 sind
sowohl auf der linken als auf der rechten Seite 26, 28 des
Fisches 10 Zwillingsstrahlruder 36 bereitgestellt. Die
Strahlruder 36 sind jeweils an dem Hauptkörper 11 des
Fisches 10 an zwei Armen 38, 40 montiert, von
denen sich einer im wesentlichen seitwärts von dem hinteren Ende 24 des
Hauptkörpers 11 erstreckt, und
der ande re sich nach außen
erstreckt und dann von dem vorderen Ende 22 des Fisches 10 zu
dem Zentrum des Strahlruders 36 zurückgebogen ist. Die Zwillingsstrahlruder 36 sind
unabhängig
antreibbar, um eine vorwärtsgerichtete,
eine rückwärtsgerichtete und
eine Drehantriebskraft (um eine vertikale Achse durch entgegengesetztes
Antreiben der beiden Strahlruder 36), die dem Fisch 10 mitgegeben
wird, zu erlauben. Die Strahlruder weisen jeweils innerhalb einer
speziell geformten Röhre
eine Schraube 90 auf, die Kort 92 genannt wird.
-
Der Hauptkörper und die zurückgebogenen Arme 40 sind
derart geformt, so daß es
keine nach vorne gerichteten Kanten gibt, um mit Seetang und dergleichen
im Wasser in Eingriff zu treten. Dies erlaubt es unerfahrenen Benutzern,
das ROV zu benutzen mit einem reduzierten Risiko des Festfahrens des
Fisches in Sand oder Gestein.
-
Ein drittes Strahlruder 42 (siehe 1) befindet sich innerhalb
des Hauptkörpers 11 des
Fisches innerhalb einer Öffnung 44,
die sich durch den Hauptkörper 11 von
der Oberseite 30 zu der Unterseite 32 erstreckt.
Das dritte Strahlruder 42 stellt eine Antriebskraft zur
Verfügung,
um die Tiefe des Fischs im Wasser zu erhöhen oder zu erniedrigen.
-
Der Fisch 10 ist vorzugsweise
derart konstruiert, daß er
bei einer Tiefe von 5 m von selbst schwimmt. Dies kann erreicht
werden durch Hinzufügen
von Ballastgewichten oder schwimmenden Abschnitten in geeigneten
Proportionen. Einige schwimmende Abschnitte können komprimierbar sein, so daß der Fisch
oberhalb von 5 m einen positiven Auftrieb hat und unterhalb von
5 m der Fisch einen negativen Auftrieb hat.
-
Vorzugsweise sollte der Schwerpunkt
derart positioniert sein, so daß der
Fisch sich in einer Niveauorientierung im Wasser einstellt, z. B.
durch Positionieren des Zentrums des Auftriebs direkt oberhalb des
Schwerpunkts. Dies kann in Übereinstimmung
mit bekannten Prinzipien der Gewichtsverteilung in einem untergetauchten
Gegenstand erfolgen.
-
Lichter 46 werden an jedem
zweiten Arm 40, der die Seitenstrahlruder hält, bereitgestellt.
Die Lichter stellen eine nach vorwärts gerichtete Beleuchtung zur
Verfügung,
um die nach vorne zeigende Kamera darin zu unterstützen, ein
Bild unter Wasser aufzunehmen. Wenn jedoch die Kamera ausreichend
empfindlich ist, um Bilder mit wenig Licht aufzunehmen, müssen die
Lichter nicht verwendet werden. Die Lichter können einstellbar sein.
-
Eine zweite Kamera wird innerhalb
eines Periskopabschnittes 48, der sich nach oben von einem hinteren
Abschnitt der Öffnung 44 auf
der Oberseite 30 des Hauptkörpers 11 erstreckt,
bereitgestellt. Die zweite Kamera kann eine Fotokamera oder eine
Videokamera sein, ist jedoch vorzugsweise eine Monochromvideokamera.
Sie ermöglicht
eine Sicht von oberhalb der Wasseroberfläche, die betrachtet werden
kann, wenn der Fisch 10 an der Wasseroberfläche ist.
Alternativ stellt sie eine zweite Unterwassersicht zur Verfügung, wenn
der Fisch 10 abgetaucht ist. Ein kleineres nach vorne zeigendes
Fenster 50 wird bereitgestellt, damit die Kamera hindurchsehen kann.
Die zweite Kamera kann jedoch ebenso einen Schwenk/Kippmechanismus
haben, und das Fenster 50 könnte dann durch eine Kuppel
ersetzt sein, um den Sichtwinkel zu erhöhen. Ein Stroboskoplicht kann
an der Oberseite des Periskopabschnittes 48 befestigt sein
für das
Unterstützen
bei der Lokalisierung des Fischs auf der Oberfläche des Wassers.
-
Die Energieversorgung
-
In den 4, 5 und 8 ist der Fisch 10 mit einer
Bordstromversorgung ausgestattet. Dies erfolgt in der Form einer
Batterie 52. Die Batterie 52 ist an dem Boden 32 des
Hauptkörpers 11 des
Fisches 10 befestigt und ist mit einer Verriegelungseinrichtung 54,
wie z. B. einem Mechanismus, bestehend aus Hebel 114 und
Gurt 113 (siehe 5 und 8), befestigt. Ein integrierter
Handgriff kann ebenso an der Batterie befestigt sein. Der Handgriff
kann Teil der Verriegelungseinrichtung 54 für das Verriegeln
der Batterie 52 mit dem Fisch 10 sein, beispielsweise
der Gurt 113.
-
Eine Bordbatterie 52, obgleich
bevorzugt, ist nicht wesentlich für jeden Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Beispielsweise kann die Energie von dem Versorgungskabel 14 in
der konventionellen Art und Weise nach unten geführt werden, es führt jedoch
zu der Notwendigkeit eines dicken und schweren Versorgungskabels 14.
Für ein
ROV mit einem dünnen Versorgungskabel 14,
z. B. einem mit einem Kern von einem Durchmesser von 2 mm oder weniger, wäre es jedoch
in Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung notwendig, um eine ausreichende
Antriebsleistung oder Bordenergie zur Verfügung zu stellen, sehr hohe
Spannungen bei den niedrigen Strömen,
die ein dünnes
Kabel erlauben würden,
zu verwenden. Hohe Kabelspannungen sind jedoch aufgrund von Sicherheitsaspekten
nicht wünschenswert.
-
Daher enthält der Fisch 10 der
bevorzugten Ausführungsform
eine Bordbatterie 52. Um die geeignete Größe, den
Typ, die Kapazität
und die Ausgabeanforderungen der Batterie 52 zu bestimmen,
ist es notwendig, den Preis und die Leistung zu beachten. Ebenso
muß der
gesamte Widerstand, die wahrscheinlichen Betriebsgeschwindigkeiten
und die wahrscheinliche Tauchdauer betrachtet werden. Eine typische
Ausgabeanforderung kann 160 Watt für eine Stunde sein. Ein Typ
von Batterie, der als geeignet erachtet wurde, verwendet NiCd-Zellen.
Die Anzahl von Zellen sollte sorgfältig ausgewählt werden, da die Batterie 52 wahrscheinlich
der schwerste Teil des Fisch 10 ist. Typischerweise wir
eine NiCd-Batterie 52 eine Masse von näherungsweise 3 kg haben. Ein anderer
geeigneter Batterietyp 52 wären Lithiumionen (Li-Ion),
was leichtgewichtiger wäre.
Eine bevorzugte Batterie 52 würde neun große Lithiumionenzellen
(12V) aufweisen.
-
Durch Plazieren der Batterie 52 an
dem Boden des Fisches wird eine Schwankstabilisierung erzielt. Eine
andere Schwanksteuerung würde
den Verbrauch von Energie durch Schrauben oder Strahlruder erfordern.
Dies ist jedoch mit einer erhöhten Stampfstabilität verknüpft.
-
Ein Batterieladesteuerschaltkreis
kann auf dem Fisch 10 bereitgestellt werden. Da jedoch
alternative Batterietypen verwendet werden können, werden unterschiedliche
Ladesteue rungen erforderlich abhängig
von der verwendeten Batterietechnologie. Daher sollte der Ladeschaltkreis
oder die Ladeverwaltungselektronik nicht in den Fisch 10 eingebaut sein.
Vorzugsweise sollte sie in die Batterie 52 eingebaut sein.
-
Mit einer Batterie 52, die
konstruiert ist, so daß sie
von dem Fisch 10 entfernbar ist, kann der Benutzer verschiedene
Batterien verwenden, bevor diese wieder aufgeladen werden müssen. Mehrere
Batterie können
beispielsweise über
Nacht geladen werden.
-
Die Anzahl von Zellen bestimmt die
Batteriespannung. Die Batteriespannung ist ein Kompromiß zwischen
dem Wunsch nach weniger Zellen, was kosteneffektiver und leichter
ist, und dem Wunsch nach hohen Spannungen, was Widerstandsverluste für die selbe
Energie reduziert und beispielsweise es erlauben würde, daß mehr Leistung
entlang eines dünnen
Kabels übertragen
wird. Der Fisch verwendet vorzugsweise eine 12 V-Lithiumionenbatterie,
die auf die erforderliche Spannung herauftransformiert werden kann.
-
Elektrische Unterwasserverbinder
sind teuer, da sie Seewasser bei hohem Druck aushalten müssen, so
daß beispielsweise
eingeschlossene Luft die elektrischen Kontakte isolieren kann. In
dem Fisch der vorliegenden Erfindung liefert die Batterie das Energieverteilungssystem
des Fischs. Eine Einrichtung für
die Verbindung der Energie von der Batterie zu dem Fisch ist daher
erforderlich. Da die Ladekontrolle jedoch ebenso innerhalb der Batterie
ist, wird ein zweiter Verbinder benötigt, um die Batterie zu laden.
-
Die Batterie kann zwei oder mehrere
Packungen aus Zellen, beispielsweise für jede Ni-Cd-Zelle aufweisen, wobei jeder Pack
siebzehn 1,2 V-Zellen (insgesamt 40 V) aufweist. Dies erlaubt es,
daß ein
fehlerhafter Zellpack identifiziert wird und der Pack verworfen
wird, anstatt daß die
gesamte Batterie verworfen wird. 8 zeigt
eine Batterie, die zwei Zellen 201 aufweist. Die Batterie 52 weist
ein oberes Gehäuse 203 und
ein unteres Gehäuse 205 auf.
Die beiden Gehäuse 203, 205 könne mit
vier Schrauben 207, eine in jeder Ecke der Batterie 52 zusammengeschraubt
werden. Eine Wasserdichtung 209 erstreckt sich um den gesamten
Umfang der Gehäuse 203, 205.
Gummikontaktflächen 211 werden bereitgestellt,
um einen sicheren Sitz der Batterie 52 auf dem Fisch 10 sicherzustellen.
Vier E-förmige
Induktionskupplungen werden auf dem oberen Gehäuse 203 der Batterie
bereitgestellt.
-
Die Energiekopplung
-
Um dem Benutzer den Vorteil des Austauschens
von Batterien in vollständiger
Sicherheit in einem Produkt, das mit Seewasser trieft, zu ermöglichen,
wird die Energie von der Batterie 52 induktiv zu den Strahlrudern 36, 42 gekoppelt.
Dieselbe Technik wird für
die Lichter 46 und andere Elektronik verwendet. Die 6 und 7 zeigen Induktionsschleifen, die für diesen
Zweck geeignet sind. Kapazitätskoppler, fotoelektrische
Koppler oder andere nichtelektrische Kontaktkoppler, wie z. B. mechanische
oder Schallkoppler, könnten
jedoch ebenso arbeiten. Induktive Kopplung hat jedoch den Vorzug
der geringen Größe und hohen
Effizienz.
-
Jede Batterie 52 enthält nicht
nur die Zellen, sondern ebenso Steuereinrichtungen, nicht gezeigt, für die Energiekoppler.
Wie in 5 gezeigt ist,
gibt es vier magnetische Induktionspunkte, einen für jeden
der drei Strahlruder und einen, der zwischen den Lampen und der
Steuer- und Videoelektronik gemeinsam genutzt wird.
-
Die gemeinsam nutzende Anordnung,
die ebenso für
die Hilfsenergie für
die Kommutatoren der Strahlruder 36, 42 verwendet
wird, wird nun unter Bezug auf die 6 und 7 beschrieben.
-
Jeder Induktionskoppler für das Übertragen von
Energie von der Batterie 52 zu dem Fisch 10 weist
zwei E-förmige
Kerne 56 auf, einen in der Batterie 52 und einen
in dem Hauptkörper 11 des
Fisches 10. Die Schenkel 58, 60 der beiden
gegenüberliegenden
E-förmigen
Kerne 56 sind miteinander ausgerichtet. Die Steuereinrichtung
legt selektiv, wenn die Batterie angeschaltet ist, siehe unten,
eine geeignete Wechselspannung an die Spulen 62, 64, 66,
die um die Schenkel 58, 60 des E-förmigen Kerns in
der Batterie 52 bereitgestellt werden, an, in Antwort auf
Steuerbefehle, die von dem (den) Bordprozessoren) erhalten werden.
-
Die Wechselspannung wird von einem
Haupterreger 68 oder einem Hilfserreger 70 angetrieben. Der
Haupterreger 68 legt die Spannung an die Spule 64 um
den zentralen Schenkel 60 herum an und der Hilfserreger 70 legt
die Spannung an zwei im Drehsinn entgegengesetzte Spulen 62, 66 an
den beiden äußeren Schenkeln 58 an.
Wie in 7 gezeigt ist, stellt
dies drei Flußschleifen 72, 74, 76 in
der E-förmigen
Spule ein.
-
Die Flußdichten und Richtungen während eines
Momentes sind in 7 durch
die Konstanten A und M (für
die Hilfs(A)- und Haupt(M)flußdichten) quantifiziert.
Aufgrund der entgegengesetzten Wicklungen in den Spulen 62, 66,
die von dem Hilfserreger 70 angetrieben werden, wird der
Effekt der Flußschleifen 72, 74 von
der Schleife 64 auf dem zentralen Schenkel 60 ausgelöscht. Daher
sind die Hauptenergie und die Hilfsenergie, die zu dem Fisch 10 durch
Induktion über
die Flußschleifen 72, 74, 76 übertragen
werden, unabhängig
voneinander: Die zwei Spulen 78, 82 auf den äußeren Schenkeln 58 addieren
den Fluß und
dies löscht
die Effekte des Flusses M aus: (A – M) + (A + M) = 2A, die Spule 80 auf
dem zentralen Schenkel 60 ist vollständig von den Effekten der Hilfsflußschleife 76 ausgenommen.
-
Die Grenze zu dem Gesamtfluß wird eingestellt
durch die Größe in der
Phase in einer der Seitenschenkel = M/2 + A, was die Sättigungsflußdichte des
Kernmaterials nicht überschreiten
darf.
-
Die Induktionskopplung ist ein ausreichend empfindliches,
effizientes und genaues Mittel für
die Übertragung
von Strom über
einen Isolator für
nicht nur das Ermöglichen,
daß Leistung übertragen
wird, sondern ebenso für
die Kommunikation von Steuerbefehlen zwischen dem Fisch und der
Batterie oder dem Fisch und dem Kabel.
-
Prozessoranschalt-/-abschaltseguenzen
-
Stromführende Induktionsschleifen
können aufgrund
von in einem leitenden Objekt durch Wirbelströme induzierter Wärme eine
Gefahr darstellen. Daher werden, um sicherzustellen, daß die Batterie 52 keine
starken magnetischen Felder erzeugt, wenn sie nicht an dem Fisch 10 befestigt
ist, Sicherheitsverriegelungen bereitgestellt, um die Induktionskupplungen 213 und
die Prozessoren der Batterie auszuschalten, bis die Batterie korrekt
angebracht ist. Eine Einschaltsequenz für die Prozessoren der Batterie wird
ebenso bereitgestellt, um die korrekte Initiierung mit Anschluß der Batterie 52 an
dem Fisch 10 oder dem Batterielader (nicht gezeigt) sicherzustellen. Dies
liegt daran, daß eine
andere Batterieprozessoreinstellung für den Fisch und den Lader erforderlich ist.
Ebenso ist eine Abfolge für
das Abschalten der Batterie 52, ohne diese von dem Fisch 10 zu
entfernen, wünschenswert,
jedoch werden in jedem Fall die eigenen Prozessoren des Batteriepacks
diesen sofort abschalten, wenn ein Entfernungsversuch erfaßt wird
durch eine durchbrochene Verriegelung.
-
In 5 sind
drei Sicherheitsverriegelungen 215, 216 gezeigt.
Sie sind alle an dem oberen Gehäuse 203 der
Batterie 52 positioniert. Die ersten beiden sind an der
dem Fisch zugewandten Fläche 217 des
Gehäuses 203.
Die dritte 216 ist dem Hebel 114 der Verschließeinrichtung 54 zugewandt.
Sie sind jeweils vorzugsweise magnetische Reedschalter, so daß sie in
einer Art und Weise vollständig
ohne Kontakt arbeiten können.
Andere Verriegelungseinrichtungen könnten Elektromagnete, optische
Einrichtungen oder Schalter durch das Gehäuse oder verdrahtet durch die
Box oder über
Hochfrequenz- oder elektrostatische Kommunikationseinrichtungen
beinhalten. Jede solche Verriegelung muß den Zustand der Batterie 52 anzeigen,
so daß die
Batterie 52 entscheiden kann, ob ihr Energieübertragungsschaltkreis
betrieben wird. Alle solche Einrichtungen können räumlich auf der Batterie in
solch einer Weise plaziert werden, daß die Wahrscheinlichkeit, daß die Verriegelungen
zufällig
aktiviert werden, sehr gering ist.
-
Für
die magnetischen Reedschalterverriegelungen werden geeignet positionierte
Magnete auf dem Fisch 10, dem Hebel 114 und dem
Batterielader positioniert, um die magnetischen Reedschalter in
einer geeigneten Art und Weise zu betreiben, wie unten beschrieben
wird: Die dritte Verriegelung ist ein An-/Ausschalter. Wenn der
Hebel neben der Verriegelung positioniert ist, bringt ein Magnet
in dem Hebel 114 den Reedschalter in einem "ein"-Zustand. Wenn der
Hebel 114 in eine offene Position bewegt wird, wird der
Reedschalter zu seinem voreingestellten "aus"-Zustand
zurückkehren.
-
Die beiden Verriegelungen 215 auf
der dem Fisch zugewandten Fläche 217 des
oberen Gehäuses 203 ermöglichen
es der Batterie, den Einrichtungszustand der Batterie 52 zu
bestimmen, d. h. ob sie in einem Fisch 10, in einer Ladeeinheit
oder in keinem von beidem ist. Wenn die dritte Verriegelung in einem "ein"-Zustand ist und
nur eine der beiden anderen Verriegelungen "an" ist,
zeigt der Prozessor in der Batterie 52 der Batterie 52 an,
daß die
Batterie
52 in einer Ladeeinheit ist. Daher darf die Ladeeinheit nur
einen entsprechenden Magneten haben. Wenn alle Verriegelungen 215, 216 "an" sind, dann zeigt der
Prozessor der Batterie 52 an, daß sie in einem Fisch 10 ist.
Falls keiner der beiden Verriegelungen 215 in der dem Fisch
zugewandten Fläche 217 des oberen
Gehäuses 203 "an" ist, dann zeigt
der Prozessor an, daß die
Batterie 52 ausgeschaltet zu halten ist, da sie weder in
einer Ladeeinheit noch in einem Fisch 10 ist.
-
Ein Prozessor in der Batterie ist
permanent mit den Zellen der Batterie verbunden und überprüft intermittierend
die Verriegelungen 215, 216 auf ihrem Zustand.
Der Rest der Schaltkreise der Batterie kann dann eingeschaltet werden,
wenn die geeigneten Rückgabesignale
von den Verriegelungen 215, 216 erhalten werden,
d. h. der Ausschaltmodus, der Batterielademodus oder der Fischenergiemodus.
-
Zusätzliche Datenempfangsknoten 219 können ebenso
auf der Batterie 52 bereitgestellt werden, die keine Leistung
oder die Größe der vier
Induktionsenergiekopplungen 213 benötigen. Diese können permanent
laufen, um die Datenkommunikation zu und von einer abgeschalteten
Batterie 52 zu erlauben.
-
Die zusätzlichen Datenempfangsknoten 219 können beispielsweise
als eine zusätzliche
Sicherheitsüberprüfung für einen
Ladezyklus verwendet werden. In dem Lademodus könnte eine Batterie 52 oder
die Prozessoren darin leicht beispielsweise durch einen Kurzschluß der Induktionskoppler
beschädigt
werden. Daher könnten,
bevor in den Lademodus übergegangen
wird, die Prozessoren ein spezifisches Datenstromsignal fordern,
das von der Ladeeinheit über
die zusätzlichen
Datenknoten 219 gesendet wird. Die Datenknoten 219 können ebenso unter
Verwendung der induktiven Kopplung oder sogar der kapazitiven Kopplung
betrieben werden.
-
Der Datenknoten 219 auf
der Batterie 52 weist einen hohlen Ferritkern mit einer
Spulenwicklung auf, die mit dem Prozessorschaltkreis verbunden ist.
Ein entsprechender Knoten kann mit dem Kern ausgerichtet sein, um
die induktive Kopplung zwischen diesen zu ermöglichen. Durch Herstellen des
Kerns als hohles Bauteil, kann sein Gewicht reduziert werden. Aufgrund
des großen
Durchmessers des Kerns wird jedoch eine erhöhte induktive Kapazität bereitgestellt.
Der Knoten kann daher für
eine begrenzte Energieübertragungsmenge
verwendet werden. Seine Energieübertragungseffizienz
ist jedoch verglichen mit dem E-förmigen Kern reduziert. Nichtsdestotrotz
braucht er für
den Datentransfer keine Effizienz.
-
Eine Einschalt- und Abschaltsequenz
wird ebenso verwendet, um dem Fisch zu ermöglichen, seine Batterieenergie
zu sparen, wenn sie nicht erfordert wird. Dies kann in solch einer
Weise durchgeführt
werden, daß der
Benutzer nicht daran denken muß,
den Fisch an- oder auszuschalten, beispielsweise durch einen getakteten
Aktivitätsschalter – wenn ein
manueller An-/Ausschalter statt dessen auf dem Fisch 10 bereitgestellt
wurde, würde
der Schalter durch das Schott des Fischs arbeiten müssen, was
eine Druckkammer ist. Das Hinzufügen
solch eines Schalters ist nicht erwünscht. Ein Schlafmodus kann
ebenso für
die Batterie 52 bereitge stellt werden. Ein Schalter auf
der Oberseite 12 kann diesen aktivieren. Der Schlafmodus
würde dem
Fisch 10 erlauben, bei einer festen Position unter Wasser
(bei stiller See) für
eine verlängerte
Zeitperiode zu bleiben, ohne in seinen Rettungsmodus einzutreten
oder seine Energieversorgung zu entleeren.
-
Die Energie des Fischs wird vorzugsweise auf
ein Stromabfluß von
nur näherungsweise
200 μA heruntergefahren,
d. h. der Stromstärke,
die für
das Bereitstellen der Energie zu einem Prozessor für das Erfassen
eines Einschaltbefehls von der Oberseite erforderlich ist. Dies
ist wesentlich weniger als die Selbstentladung der Hauptbatterien
(näherungsweise
1% pro Tag für
die Nickeltechnologie oder unter 0,1% pro Tag für Li-Ionen).
-
Die Energie auf dem Fisch 10 wird
in verschiedenen Situationen abgeschaltet:
-
Eine erste Situation ist es, wenn
der Benutzer entscheidet, das System durch Betätigen eines Schalters auf der
Oberseite 12 abzuschalten.
-
Eine zweite Situation ist es, wenn
entweder das Versorgungskabel 14 gebrochen ist, oder wo
ein Befehl für
das Ablösen
des Versorgungskabels 14 von dem Fisch 10 gesendet
wurde.
-
Eine dritte Situation ist es, wenn
die Batterie 52 von dem Fisch 10 entfernt wird.
-
Ein zusätzliches Merkmal des Systems könnte einen
Wiedergewinnungsmodus beinhalten. Wenn der Kommunikationsbordprozessor
erfaßt, daß die Kommunikation
mit der Oberfläche
nicht länger
möglich
ist und daß ein
Abschaltbefehl empfangen wurde, würde der Prozessor des Fischs
eine Rückholprozedur
einsetzen. Diese ist wahrscheinlich von der Natur eines kontrollierten
Aufstiegs zu der Oberfläche
des Wassers. Sensoren können
mit dem Prozessor verbunden sein, so daß der Prozessor den Fisch selbständig in
einem geraden Auftauchen steuern kann und dann die Energie an der
Oberfläche
des Wassers abschalten kann. Er würde vorzugsweise dann ebenso
zumindest eines der Lichter 46 oder ein Stroboskoplicht
anschalten, um die Aufmerksamkeit auf die Position des Fisches zu
ziehen, wenn er an der Oberfläche
ist. Beispielsweise kann das Gehäuse
transparente Abschnitte haben, hinter denen ein Stroboskoplicht
eingesetzt sein könnte.
-
Kommunikationen zwischen
dem Fisch 10 und der Oberseite 12
-
Das Versorgungskabel 14 ist
das Mittel für das Übertragen
von Videobildern von dem Fisch 10 zu der Oberseite 12.
Es ist ebenso das physische Medium, durch das der Fisch 10 von
der Oberseite 12 befehligt werden kann und durch welches
der Fisch 10 Information betreffend seinen Status zu der Oberseite 12 senden
kann.
-
Ein Verbinder 257 verbindet
das Kabel 14 mit dem Fisch 10. Im Zentrum dieses
Verbinders 257 ist ein nicht-kontaktierender Datenkoppler
vorgesehen. Vorzugsweise ist dieser Koppler ein induktiver Koppler.
-
Da der Datenkoppler nicht erforderlich
ist, um Energie zu dem Fisch zu übertragen,
muß er nicht
effizient sein. Es ist lediglich erforderlich, die Dateninformation über die
Verbindung zu übertragen. Daher
muß für eine induktive
Kopplung der magnetische Kern nicht eine vollständige Schleife für den Fluß bilden,
um hier entlang zu laufen. Es ist lediglich eine Flußverbindung über die
Lücke zwischen
dem Fisch und dem Kabel erforderlich. Weiterhin würde vor
dem Hintergrund der Hochgeschwindigkeitsverbindung, die zwischen
dem Kabel und dem Fisch erforderlich ist, eine große Induktivität unerwünscht sein.
Der bevorzugte Koppler weist daher ein Paar von Ferritkernstangen
von näherungsweise
3 mm Durchmesser auf, wobei jede eine um diese herumgewickelte Spulenwindung
hat. Die Kerne sind mit einem Plastik umhüllt, so daß sie nicht in Kontakt mit dem
Wasser sind und im Gebrauch werden zwei Kerne axial zueinander ausgerichtet,
um den Flußpfad über die
Lücke zu
definieren.
-
Die Information, die übertragen
wird, beinhaltet den Videostrom von der Kamera, die Wassergeschwindigkeit
des Fischs, die Fahrtrichtung, die Tiefe und Lage und andere Positionsinformationen und
dergleichen.
-
Die Wassergeschwindigkeit des Fischs
kann bestimmt werden durch ein sich drehendes Laufrad, das einen
Magneten enthält,
der den Zustand eines Sensors, wie z. B. eines Hohleffektgerätes oder
eines Reedschalters verändert.
Dieses Signal würde
direkt mit dem Kommunikationsprozessor verbunden, der das Intervall
zwischen Pulsen mißt
und den Wert in eine Nachricht zu der Oberfläche einfügt.
-
Ein Erdinduktionskompaß kann verwendet werden,
um den Winkel des magnetischen Erdfeldes in der horizontalen Ebene
relativ zu dem Steuerkurs des Fischs 10 zu messen. Ein
Magnetfeldmeßgerät wurde
ausgewählt,
das innerhalb des Bereichs von ±40° gegenüber der Horizontalen kardanisch
aufgehängt
ist. Die Spulen des Kompasses werden direkt von einem Prozessor
angetrieben und ein A-D wird verwendet, um den Ausgang des Magnetfeldmessers
zu messen. Seine Werte werden direkt zu der Oberfläche übertragen,
um zu vermeiden, daß der Winkel
innerhalb des Fisches berechnet wird.
-
Ein Drucktransducer kann in dem Körper des Fisches 10 montiert
sein für
das Erfassen des Wasserdruckes, beispielsweise durch ein Loch in
der Wand des Gehäuses.
Sein Signal wird verstärkt
und einem A-D zugeführt,
der an einem der Computer des Fischs befestigt ist. Der erhaltene
Wert wird zu der Oberfläche
gesendet.
-
Das Computersystem des Fischs enthält ein nicht-flüchtiges
Speichermedium, das verwendet wird für die Kalibrierung von Daten,
wie z. B. die Druckspanne, die Magnetfeldspanne und die Korrekturparameter,
die von einem Fisch zu einem anderen variieren können und Sicherheitsdaten,
wie z. B. Seriennummern.
-
Die Höhe des Fischs 10 kann
bestimmt werden unter Verwendung eines Transducers:
-
Ein Rohr wird mit einer magnetischen
Flüssigkeit
gefüllt.
Eine Spule reduziert den Fluß in
der Flüssigkeit,
ihre relative Position bestimmt jedoch aufgrund seiner Höhe, wie
stark er mit zwei anderen Erfassungsspulen gekoppelt ist. Die Differenz
in dem Signal ist ein direktes Maß der Höhe.
-
Optionen
-
Es kann Vorrichtungen und Mechanismen (Optionen)
geben, die der Benutzer an das ROV anzuhängen wünscht. Der Benutzer würde wünschen in der
Lage zu sein, sie zu betreiben oder von ihnen Daten zu bekommen
mittels Kommunikationseinrichtungen entlang des Versorgungskabels.
Daher würde die
Option die physikalische Befestigung, eine elektrische/Kommunikationssteuereinrichtung
und Energie erfordern. Solche Kommunikationen müßten mit den existierenden
Kommunikationen koexistieren und dürften diese nicht beeinflussen
oder von diesen beeinflußt
werden. In ähnlicher
Weise sollten Drittgeräte
davon abgehalten werden, auf die Software zuzugreifen, die den Betrieb
des ROV leitet.
-
Das ROV der vorliegenden Erfindung
kann daher entweder in dem Fisch 10 oder der Batterie 52 mit
einem getrennten Prozessor für
das Steuern der Option oder einem getrennten Subsystem ausgestattet
sein, der eine gewisse Kabelbandbreite entweder durch FDM oder durch
TDM verwendet, das aber leicht von Dritten verwendet werden kann.
Das Subsystem wird das Optionensubsystem (OS) genannt, siehe 9, und es stellt ein oder
mehrere serielle Kanäle
(drei in der Implementierung von 9)
mit einer festen Datenrate (z. B. 300 b/s) zur Verfügung. Der
Oberseitenzugriff erfolgt durch ein konventionelles serielles Interface
vom RS232-Typ. Die Option, z. B. eine zusätzliche Kamera, z. B. eine
Fotokamera, muß jedoch,
wenn sie mit dem Fischende verbunden ist, mechanisch und übermittelungstechnisch
in einer Art und Weise verbunden sein, die beide verbindbar und
trennbar sind, und die nicht durch Meerwasser hohen Druckes beeinträchtigt werden.
Beispielsweise könnten
nichtkontaktierende Energie-/Datenkommunikationskoppler, die resonante
Schaltkreise verwenden, und Klammern bei bestimmten Orten um den
Fisch 10 oder an der Basis der Batterie 52 für sowohl
der Energie-/Kommunikations- und physikalischen Verbindung der Option
mit dem Fisch 10 ausgestattet sein. Durch Einbauoptionen
unterhalb oder unten an dem Fisch 10 oder der Batterie 52 sollte
es möglich
sein, zu verhindern, die Stabilität des Fisches zu beeinflussen.
-
Induktive oder kapazitive Kopplungspunkte, wie
z. B. diejenigen, die in den Datenknoten an der Batterie 52 oder
dem Datenkoppler in dem Kabelverbinder verwendet werden, werden
die gewünschte Kommunikationsverbindung
erzielen. Alternativ hierzu kann der Prozessor oder das Subsystem
mit der Option über
eine faseroptische Einrichtung, beispielsweise einer preisgünstigen
Faser mit großem Durchmesser
für die Übertragung
und einer anderen für
den Empfang, kommunizieren. Der Vorteil dieser Ansätze ist
der, daß es
keine elektrische Verbindung zwischen der Option und dem Fisch 10 oder
der Batterie 52 gibt. Die magnetischen Koppler können ebenso
verwendet werden, um etwas Energie zu den Optionen zu senden, so
daß sie
nicht ihre eigene Energiequelle benötigen. Beispielsweise können Einrichtungen
zur Messung des Salzgehaltes des Wassers, Einrichtungen zur Messung
der Wassertemperatur und dergleichen mit einer sehr geringen Energiezuführung betrieben
werden. Daher könnte
Energie von einem nicht-kontaktierenden Datenkoppler (niedrige Energiekapazität) bereitgestellt
werden. Für energiehungrigere
Optionen, wie z. B. Greiferarme, könnte jedoch statt dessen ein
leistungsfähigerer nicht-kontaktierender
Koppler bereitgestellt werden oder die Option könnte ihre eigene Energiequelle,
d. h. die eigene Batterie, haben.
-
Neben den nicht-kontaktierenden Kopplern wird
eine mechanische Fixiereinrichtung bereitgestellt, so daß die Koppler
an dem Drittgerät
(die Option) leicht durch den Benutzer befestigt werden können. Es
ist ins Auge gefaßt
worden, daß die
Option in zwei Teilen – einem
nassen Teil und einem trocknen Teil – zugeführt wird. Der nasse Teil ist
die Option selbst und ist an dem Fisch 10 befestigt und
sein Kommunikationskoppler ist an dem richtigen Teil der Haut des
Fischs 10 fixiert. Der trockene Teil ist in einen entsprechenden
Verbinder an dem Gerät
der Oberseite eingesteckt.
-
In der bevorzugten Ausführungsform
hat die Oberseite 12 einen Mikrokontroller, der den seriellen Datenstrom
von dem Steuersystem der Oberseite nimmt und Bytes aus seriellen
Daten, die von dem RS232-Anschluß der Option erhalten wurden,
einfügt.
Dies erfolgt durch das TDM-Verfahren mit den Fernsteuersignalen.
Eine ähnliche
Einrichtung wird in den seriellen Datenstrom, der von dem Fisch 10 empfangen
wird, eingesetzt, um die Information der Option wieder zu gewinnen
und sie zu den entsprechenden RS232-Anschlüssen zu leiten. Ähnliche Einrichtungen
in dem Fisch 10 selbst trennen sowohl die übertragenen
als auch die empfangenen Daten der Option von den Telemetrie- und
Fernsteuerströmen.
Andere Verfahren könnten
ein getrenntes Frequenzband, z. B. durch FDM, auf dem Versorgungskabel 14 einfügen.
-
Die Notwendigkeit von wasserdichten
Verbindungen für
hohen Druck oder Induktionskupplungspunkte für das Bereitstellen von Energie
zu der Option kann vermieden werden durch Vorsehen der Option als
selbstversorgend, d. h. sie hat ihre eigene Batterie.
-
Durch Übertragen von allen Steuerkommunikationen
der Option über
die nichtkontaktierende Kommunikationseinrichtung, die oben beschrieben wurde,
durch den Kommunikationsprozessor und nach oben durch das Versorgungskabel 10 zu
der Computereinheit 18 der Oberseite, besteht nicht die Notwendigkeit,
die Software auf dem Fisch 10 zu aktualisieren, wenn eine
Option installiert wird.
-
Das Versorgungskabel 14
-
Das Kabel 14 wird während der
Verwendung auf eine große
Länge,
beispielweise 200 m, abgewickelt. Mit Versorgungskabeln großen Durchmessers bedeutet
solch eine lange Länge,
daß es
einen beträchtlichen
Oberflächenbereich
gibt, der von dem Fisch 10 durch das Wasser zu ziehen ist.
Daher weist in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung das Kabel 14 eine äußere Haut 86 und
einen Bidrahtkern auf. Durch Anordnen der beiden Drähte in einer koaxialen
Art und Weise wird die Hochfrequenzleistung des Kabels 14 erhöht, was
die Möglichkeit
für das
FDM innerhalb eines gegebenen Kabeldurchmessers erhöht. Somit
kann durch sorgfältige
Auswahl von FDM und TDM und der Bandbreitenerfordernisse der Durchmesser
des Kabels 14 in einer Art und Weise reduziert werden,
die konsistent mit der gewünschten
Maximallänge
ist, so daß die
Größe, das
Gewicht und die Kosten des Kabels beträchtlich reduziert werden.
-
Eine bevorzugte Konstruktion des
Versorgungskabels 14 der vorliegenden Erfindung ist im Schnitt
in 10 gezeigt. In dem
bevorzugten Koaxialkabel hat der Kern 84 einen Durchmesser
D von weniger als 2 mm, vorzugsweise 1,2 mm. Dieses sehr dünne leichtgewichtige
Versorgungskabel 14 enthält sehr wenig Kupfer. Daher
ist es leicht zum Schwimmen zu bringen durch Herstellen der äußeren Haut 86 aus
einem schwimmfähigen
Material.
-
Der Kern kann ein faseroptisches
Kabel sein; er muß in
der Lage sein, Fernsehsignale und Steuersignale, vorzugsweise in
vollem Duplexbetrieb zu übertragen.
Der Vorteil des Koaxialkabels ist jedoch der, daß es billiger zu erhalten ist
und billiger ist, eine Schnittstelle für die bidirektionale Transmission
von Steuersignalen zu bilden. Weiterhin kann ein Koaxialkabel einen
gewissen Ladestrom tragen.
-
Um die Leistung zu erhöhen, muß die gesamte
Fläche
des Kupfers für
die Leistung verwendet werden. Durch Modulieren der Signale, z.
B. durch das Frequenzmultiplexverfahren, können all die Telemetrie- und
alle Videodaten, sowie auch die Energie, auf nur zwei Leitern getragen
werden.
-
Ein anderer Vorteil, der mit einem
Kabel 14 eines geringen Durchmessers und geringem Gewicht verbunden
ist, ist der, daß selbst
lange Längen
leicht durch eine einzelne Person gehandhabt werden können.
-
Kabel mit kleinem Durchmesser haben
eine geringe Zugfestigkeit bzw. Zerreißfestigkeit. Daher umgeben
lineare Fasern 88 aus Dynema® oder
Kevlar® das
Kabel, um dem Kabel eine mechanische Zugfestigkeit zu geben. Dies
kann dann durch ein Polypropylenhaargeflecht zusammengehalten werden, was
eine Farbe bereitstellt und verwendet werden kann, um verteilte
Auftriebskörper
oder Gewichte an dem Kabel am Platz zu halten (siehe unten). Weiterhin
kann das Haargeflecht den hydraulischen Widerstand des Kabels im
Wasser reduzieren.
-
Kabelschwingung liegt vor, wo das
Kabel aufgrund seiner Bewegung durch das Wasser vibriert. Dies stellt
dem Wasser gegenüber
einen erhöhten
Widerstand dar. Durch Plazieren winziger Gewichte oder Schwimmer
an unregelmäßigen Intervallen
entlang der Länge
des Kabels oder durch Verwenden eines Haargeflechtes an der äußeren Fläche des
Kabels, wird der Schwingungs- bzw. Strumming-Effekt reduziert.
-
Ein anderes Problem, das mit dem
Kabel verknüpft
ist, ist es, wie es die Manövrierbarkeit
des Fisches 10 beeinflußt. Wird das Kabel 14 an
der Oberseite des Fisches 10 im Drehzen trum hiervon befestigt,
kann sich der Fisch durch Schwenken um den Kabelbefestigungspunkt
drehen.
-
Das Kabel 14 kann Schwimmer
haben, die nahe seinem Befestigungspunkt an dem Fisch 10 befestigt
sind. Diese Schwimmer heben das Kabel 14 deutlich über dem
Fisch 10 an. Um dem Anheben entgegenzuwirken, daß dieses
bei dem Fisch bewirkt, kann 2 m weiter unten das Kabel mit Gewichten an
dem Kabel 14 ausgestattet sein, so daß es zurück zu dem Meeresboden fällt. Dann
nach weiteren 2 m kann es aufgrund seines Verkleidungsmaterials,
das Auftrieb zeigt, vollständig
bis zur Meeresoberfläche schwimmen.
-
Die Gewichte in dem Kabel 14 sorgen
dafür, daß ein Teil
des Kabels 14 einem erhöhten
Risiko einer Berührung
des Meeresgrundes ausgesetzt ist. Es kann daher verdickt oder verstärkt sein
entlang einer begrenzten Länge
am Ort des Fisches 10, um einen Schaden zu verhindern,
der durch Abrasion auftritt, ohne den Widerstand der gesamten Länge des
Kabels 14 wesentlich zu erhöhen.
-
Ein Kupferkabel, das für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, kann in einer Anzahl
von Wegen hergestellt werden. Diese beinhalten:
- 1)
Laminieren von Kupferstreifen auf jeder Seite eines dünnen Plastiksubstrates
und dann, durch Wärme
oder durch andere Mittel, Verschmelzen eines Plastikmaterials auf
beiden Seiten des Kupfers, um das Kupfer auf seinen beiden Seiten komplett
zu isolieren. Dieses isoliert die Kupferstreifen voneinander und
gegenüber
dem Meerwasser. Da die Anmeldung für ein Freizeitfahrzeug ist,
wird damit gerechnet, daß nur
niedrige Spannungen zwischen den Leitern angelegt werden, so daß jede involvierte
Isolierung von minimaler Dicke sein kann.
- 2) Elektroabscheidung von Kupfer auf dünnen Substraten. Diese kann
dann mit der Isolierung, die durch Aufdrucken oder Spray aufgebracht wird,
entfernt werden.
- 3) Extrudieren der Isolierung um runde Leiter herum, wobei solche
Leiter verseilt sind für
die beste Flexibilität
und koaxial organisiert sind für
die beste Hochfrequenzübertragung.
-
Kabelverbindung
-
Das Versorgungskabel ist an beiden
Enden sowohl elektrisch als auch mechanisch abgeschlossen. An dem
Fischende schließt
das Kabel 14 mit einem speziellen Verbinder ab, der eine
hohe mechanische Stärke
hat. Sorgfalt wird bei der Konstruktion verwandt, um sicherzustellen,
daß eine
minimale elastische Verformung an das Kupfer angelegt wird. Eine
elektromechanische Einrichtung wird bereitgestellt, um diesen Konnektor
zu lösen,
wenn der Bordcomputer einen Trennbefehl erzeugt.
-
Der elektrische Teil des Kabels ist
mit dem Fisch unter Verwendung eines induktiven Kopplers verbunden,
d. h. einer zweiteiligen passiven resonanten Transformationswicklung,
wobei die Hälfte
hiervon in dem Ende des Kabels ist und die andere Hälfte hiervon
in dem Fisch gerade unterhalb der Oberfläche des Druckgehäuses verdrahtet
ist.
-
Das Spannungselement der Kabelverbindung
verwendet einen Bajonettmechanismus 257, der jede Kabelspannung
direkt auf das Chassis des Fisches 10 überträgt. Der Mechanismus 257 kann
mit Hilfe eines elektrischen Signals betätigt werden, um das Ende des
Kabels 14 von dem Fisch zu lösen, wenn die Notwendigkeit
auftritt. Dies kann erreicht werden unter Verwendung eines Formgedächtnislegierungsbetätigers,
der aufgeheizt wird, so daß er sich
kontrahiert, wodurch der Verbinder Iosgelassen wird.
-
In den 13A und 13B ist eine bevorzugte Verbinderanordnung
gezeigt. Der Verbinder weist ein Bajonett 257 vom Drück- und
Drehtyp auf, so daß Stifte 258 in
Absätzen 256 des
Bajonetts 257 ruhen können.
Die Stifte 258 werden auf dem Fisch 10 bereitgestellt.
Das Kabel, wenn es mit dem Fisch 10 verbunden ist, spannt
ein Federgehäuse 255 in
einen teleskopartig komprimierten Zustand vor, wobei das Federgehäuse 255 einen äußeren Ring
und einen inneren Ring aufweist, die federnd relativ zueinander montiert
sind, um als Vorgabe in einer teleskopartig erweiterten Orientierung
zu sein. Das Federgehäuse 255 ermöglicht es,
daß das
Kabel 14 von dem Fisch 10 ausgeworfen wird, wenn
das Bajonett 257 mit den Stiften 258 außer Eingriff
tritt.
-
Der Lösemechanismus, um das Bajonett 257 von
den Stiften 258 außer
Eingriff zu bringen, weist eine Entriegelungsscheibe 259 auf,
die Zapfen 260 hat für
das Ineingrifftreten mit Schlitzen 254 des Bajonetts 257.
Das Drehen der Entriegelungsscheibe 259 wird daher das
Bajonett 257 drehen, die Absätze 256 relativ zu
den Stiften 258 drehen, so daß die Stifte 258 nicht
länger
an den Absätzen 256 des
Bajonetts 257 ruhen. Alternativ dazu können die Zapfen 260 angeordnet
sein, um die Stifte 258 zu bewegen oder um sich von den
Absätzen 256 zurückzuziehen.
-
Die Entriegelungsscheibe 259 ist
durch ein federbelastetes Auslöseschloß 261 verriegelt.
Eine manuelle Betätigung
des Schlosses 261 kann das Kabel 14 lösen. Ein
Befehl von der Oberseite 12 kann jedoch, wenn es unter
Wasser ist, gesendet werden, um einen Betätigen zu aktivieren, um das
Schloß 261 zu
bewegen, so daß die
Entriegelungsscheibe 259 gedreht wird. Solch ein Betätiger könnte eine
Formgedächtnislegierung
sein, die sich gegen die Federkraft des Schlosses 261 kontrahiert.
-
Versorgungskabelverwaltung
-
Das Versorgungskabel ist mit einer
Winde an der Oberfläche
verbunden und nichtgewünschtes Kabel 14 wird
auf der Spule belassen. Die Winde kann von einem von zwei Arten
sein: eine feste Spulenwinde oder eine sich drehende Spulenwinde.
Um 100 bis 200 m dünnes
Kabel zu handhaben, wird vorzugsweise ein elektrisch angetriebener
Aufwickelmechanismus bereitgestellt, der einen Motor und ein Getriebegehäuse aufweist.
-
In dem Fall einer festen Spule wird
eine Spule mit großem
Durchmesser verwendet, so daß eine minimale
Verdrillung des Kabels auftritt. Weiterhin wird es durch Zufügen einer
Vor verdrillung zu dem Kabel, d. h. es wird, wenn es aufgerollt wird,
eine Nettoverdrillung von 0 für
eine durchschnittlich eingesetzte Länge des Kabels erzielt.
-
In dem Fall einer sich drehenden
Spule gibt es das Problem, wie die elektrischen und elektronischen
Steuersignale mit den fixierten Komponenten der Winde zu koppeln
sind. Dies kann erreicht werden durch Bereitstellen eines Schlupfringes
für die Leistung,
falls sie entlang des Kabels übertragen wird,
und innerhalb der Spule von Komponenten, um die Signale von der
Leistung oder Basisbrandbreite zu filtern. Die Signale (10 MHz–50 MHz)
werden durch einen kleinen Drehtransformator übertragen. Durch diese Maßnahme wird
es keine Interferenz auf dem Videosignal aufgrund von Rauschen in
einem der Schlupfringbürsten
geben. Solch ein Transformator kann derart konstruiert sein, daß er ein
Teil von zwei feineingestellten Schaltkreisen ist, so daß er die Signale
von dem lokalen Befehlstransmitter und dem entfernten Video- und Telemetrietransmitter
getrennt hält.
-
Die Spulen können derart angepaßt sein, daß sie sich
selbst von der Winde lösen
im Falle, daß die
Verspannung in dem Kabel den Brechungspunkt des Kabels erreicht.
Das Kabel führt über eine
krafterfassende Einrichtung von Federn, Rollen und Schaltern, so
daß die
Spannungsinformation zu dem Prozessor der Winde geleitet werden
kann. Alternativ dazu kann der Drehtransformator sich trennen, so daß er das
Kabel losläßt.
-
Eine kurze Staberweiterung kann für die Winde
vorgesehen sein, so daß das
Kabel klar an den Seiten eines Bootes gehalten werden kann, von denen
der Fisch eingesetzt werden kann.
-
Der Prozessor der Winde wird von
der Computereinheit 18 der Oberseite befehligt für das Vorwärtsantreiben
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder das Verriegeln oder
das Rückwärtsantreiben
mit verschiedenen Geschwindigkeiten abhängig von der Position des Fisches 10 oder
der Spannung in dem Kabel, wie sie mit Hilfe der Sensoren bestimmt
wird. Er kann ebenso Rollenarme beinhalten, die sich gegen die Streifen
bewegen. Die Bewegung des Kabels 14 kann erfaßt werden
und verwendet werden, um den Motor zu steuern, um das Kabel 14 bei
einer bekannten Spannung mit mehr oder weniger Leistung zu betreiben.
-
Ein Teil der Funktion der Oberseite 12 ist
es, die gesamte Oberflächenelektronik
und die elektrischen Komponenten zu betreiben. Hierfür kann eine wiederaufladbare 12 V-Batterie
vorgesehen sein. Eine kleine Steuerplatte wird für die Winde bereitgestellt,
um dem Benutzer zu erlauben, manuell auszuwählen, das Kabel auf die Winde
aufzuwickeln oder von dieser abzuwickeln. Ebenso kann eine Handkurbel
für die
Winde bereitgestellt werden.
-
Videoübertragung zu der Oberseite 12
-
Idealerweise sollte das Videosignal
von den Unterwasserkameras zu der Oberseite 12 mit so wenig
Verlust wie möglich übertragen
werden. Dies wird erzielt durch Erfassen des Signals von der Kamera und
Modulieren des Signals um 32 MHz mit dem FM-Verfahren. Durch das
Besetzen von 40 MHz bis hinunter zu 20 MHz bleibt genügend Spektrum
unterhalb von 20 MHz für
die Befehls- und Telemetrie- und andere FDM-Kanäle, wenn die Kabelabschwächung gering
ist.
-
Die Videokameras
-
Die Frontkamera hat einen Schwenk-
und Kippmechanismus. Dies erlaubt es dem Benutzer, die Ansicht zu
steuern und seitlich zu schauen, z. B. für das Betrachten eines Fisches
oder anderen Kreaturen, während
sie schwimmen. Dies hindert jedoch den Benutzer daran, zugleich
direkt zu sehen, wo der Fisch schwimmt. Durch das Aufnehmen einer
vorwärtszeigenden
zweiten, festen Kamera auf dem Fisch 10, kann der Benutzer
sehr schnell zu einer nach vorne gerichteten Ansicht umschalten,
um das Problem der Kollisionsvermeidung zu lösen. Zur selben Zeit kann der
Bediener zwei Brennweiten geben. Beispielsweise kann die feste Kamera
eine Linse mit sehr breitem Winkel sein und die Schwenk- und Kippkamera
kann eine Weitwinkellinse sein. Zoom- oder Telefotolinsen könnten alternativ
bereitgestellt werden. Um Elektronikkosten einzusparen, ist es möglich, zumindest
teilweise die Steuerelektronik der beiden Kameras zu integrieren.
Es ist beabsichtigt, Silizium-CCD-Technologie in den Kameras zu
verwenden.
-
Schwenk- und Kippmechanismus
-
In dem Schwenk- und Kippmechanismus
ist es nicht nur wünschenswert,
die Kamera oder das Licht mechanisch zu positionieren. Es ist ebenso wünschenswert,
dem Benutzer (und den Computersystemen) zu ermöglichen, die Achsenwinkel der
Kamera und/oder der Lichter zu kennen.
-
In den 12A bis 12J ist eine bevorzugte Ausführungsform
des Schwenk- und Kippmechanismus der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Es macht nichts, wenn das Kippen des Mechanismus die Kamera ebenso
schwenkt oder umgekehrt. Beispielsweise müssen die beiden Achsen (Schwenken 251, Kippen 253)
nicht vertikal und horizontal sein. Die Software des Systems kann
die Wechselwirkung zwischen dem Schwenkmechanismus und dem Kippmechanismus
kompensieren durch Anwenden eines korrigierenden Antriebs an den
geeigneten Mechanismus.
-
Eine Standard-CCD-Kamera 225 hoher Qualität mit Weitwinkellinsen,
die an einer Leiterplatte 249 befestigt ist, wird in einem
kardanischen Rahmen 233 montiert, der durch kleine elektrische
Motoren 235, 237 angetrieben wird, um eine Schwenk- und
Kippwirkung bereitzustellen. Die Kamera 225 schaut aus
dem Druckgehäuse
durch die Doppelschichtkuppel 34.
-
Die Schwenk- und Kippmotoren 235, 237 treiben über die
Bandverbinder 239 Führungsmuttern/Räder 243 an,
die aufgrund ihrer Drehung dazu veranlaßt werden, sich entlang festen
mit Gewinde versehenen Stangen oder Bolzen 241, 242 zu
bewegen. Die Muttern sind mit dem kardanisch aufgehängten Rahmen 233 verbunden.
Die Stangen 241, 242 sind im wesentlichen halbkreisförmig, um
die Drehbewegung des kardanisch aufgehängten Rahmens 233 bereitzustellen.
-
Die erste Stange 241 ist
um die Kippachse 253 zentriert und die zweite Stange 242 ist
um die Schwenkachse 251 zentriert. Ein Paar linearer Potentiometer 245 (nur
eines ist in 12A für die Kippmessung
gezeigt) sind funktionell mit dem kardanisch aufgehängten Rahmen 233 verbunden
für das Bestimmen
dessen Schwenk- oder Kippwinkels. Die Verbindung kann mit Hilfe
eines Schneckenantriebs (nicht gezeigt) oder auf andere Weise erfolgen.
-
Die 12C bis 12F zeigen verschiedene Positionen,
in denen die Kamera 255 eingestellt werden kann mit Hilfe
des Schwenk- und Kippmechanismus.