JP2022003863A - 海底自律航行機の効率的な海底充電 - Google Patents
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Abstract
【課題】海底自律航行機を効率的に海底充電するドッキング/充電モジュールを提供する。【解決手段】海底自律航行機UAV750のドッキング/充電ステーション602は、海底自律航行機とドッキングでき、データ交換モジュール706と海底自律航行機との間でデータ接続及び電力接続を確立するハウジングを備える。該ステーションが搭載するバッテリー704は、電力導体を有する海底ケーブル(分岐ケーブル104)から充電され、海底自律航行機がドッキング/充電ステーションにドッキング又は接近すると、バッテリーは、電力接続を介して海底自律航行機のバッテリー752を充電する。【選択図】図7
Description
本出願は、2020年6月23日に提出された米国仮特許出願番号63/042886に対して利益を主張するものであり、その内容の全てが本出願に含まれるものである。
本発明は、海底自律航行機(undersea autonomous vehicle、UAV)の分野に関し、特に、これらの航行機に電力を提供するバッテリーの充電に関する。
水中自律航行機は、通常、水中で独立して操作されるロボットを備える。このような航行機は、遠隔制御されてもよいし、または搭載ソフトウェアにより制御されて特定のタスクを実行してもよい。UAVは、商業、研究、および軍事部門での様々なタスクを実行するように配備される。例えば、深海インフラまたはパイプラインを取り付ける前に、石油および天然ガス業界では、UAVを用いて海底の詳細な地図を描画することができる。科学家は、様々なセンサが搭載されたUAVを用いて海底環境の様々な面を測定することができる。軍隊はUAVの多くの応用を有し、例えば、情報収集、監視、偵察、および戦時活動(例えば、ペイロードの送達および機雷除去)を含む。
UAVは、通常、再充電可能なバッテリーにより給電される。再充電可能なバッテリーを有するUAVの1つの制限は、バッテリーの再充電が周期的な間隔で行う必要があることであり、これは実行するタスクの強度に依存する。現在、UAVのバッテリーに再充電するためのいくつかの方法が存在し、UAVを海底環境から物理的に取り除いて陸上に移動すること、再充電するためにUAVを船に持ち込むこと、または充電ポートを船から海底環境に下げることを含む。他の場合、UAVは、地上に戻ってプラットフォームに接続して再充電することができ、ここで、プラットフォームは、太陽光、モーションまたは風力により給電されるものであってもよい。しかし、UAVを主要な活動から取り除き、海岸に移動したり海上で回収したりしてバッテリーを再充電することは、効率が低い。また、UAVのバッテリーを再充電するために地上活動が必要となるため、UAVを望ましくない監視および悪天候の危険に曝す。
1つまたは複数の充電ステーションは既に海底に配備され、UAVは、これらの充電ステーションに接続されてそのバッテリーを再充電することができる。このような充電ステーションは、通常、電力容量を有する海底ケーブルに接続され、該ステーションに接続されると、該電力容量は、UAVを充電することに用いられる。海底ケーブルは、通常、比較的高い電圧を持つが低い電流を持つ電力容量を有する。そのため、UAVのバッテリーの再充電に必要な時間は、受けられない可能性がある。
そのため、UAVを再充電するとともにUAVを海底環境に保持する更なる効果的な手段が期待されている。
本発明は、ドッキング/充電ステーションを備え、UAVは、該ドッキング/充電ステーションに物理的または無線的にドッキングしてもよい。ドッキングステーション/充電ステーションには、バッテリーまたは他の蓄電デバイスが設けられ、該バッテリーまたは他の蓄電デバイスは、UAVがドッキングステーション/充電ステーションからドッキング解除されると、海底通信システムの分岐ケーブルにおける電力導体から徐々に充電される。UAVがドッキング/充電ステーションにドッキングすると、UAVに搭載されるバッテリーは、ドッキング/充電ステーションに搭載されるバッテリーによって急速充電され得る。ドッキングステーション/充電ステーションには、データ伝送および受信用のハードウェアが設けられてもよく、これにより、UAVがそのタスク期間で収集して記憶したデータをドッキングステーション/充電ステーションに/から伝送し、その後、分岐ケーブルにおける光ファイバを介して海岸施設に伝送することを許容する。
海底通信システムは、通常、1本または複数本の光ファイバケーブルからなる海底ケーブルを採用し、各ケーブルは、1つまたは複数の光ファイバペアおよび1つまたは複数の電力導体を有する。海底通信システム100の1つの実施例は、図1において模式的な形式で示されている。通信システム100は、長距離水中システムであってもよく、該長距離水中システムは、異なる長さのケーブルを介して光チャネルを伝送端末から受信端末に運ぶように構成される。通信システム100は幹線ケーブル102を備えてもよく、該幹線ケーブルは、ケーブルの各端部で陸上ケーブル着陸ステーション(cable landing station、CLS)110に接続できる。各ケーブル着陸ステーションは、ケーブル102に電力を供給するための給電装置(power feed equipment、PFE)112と、その間で光信号を伝送して受信するための回線終端装置(line terminating equipment、LTE)114とを備えてもよい。
通信システム100は、ケーブル102内に収納された光ファイバを介して複数の光チャネルを伝送する。該システムは双方向であってもよく、ここで、各LTE 114は、受信器および発信機を備え、且つ、各光ファイバペアは双方向通信に使用される。通信システム100は、高密度波長多重(dense wavelength division multiplexing、DWDM)を用いて光ファイバで通信チャネルを伝送することができる。海底ケーブルは、DWDM信号を増幅するためのケーブル着陸ステーションの間に設けられた複数の海底中継器116および他の様々なコンポーネントに電力を供給するために、通常、少なくとも1つの電力導体を備える。電力導体は、ケーブルの両端における海岸にあるPFE 112により給電され得る。PFE 112は、通常、10kV〜20kVの間でケーブルシステムに電力を供給するが、他の電圧を使用してもよい。いくつかの実施例において、分岐ケーブル104は二重導体ケーブルであってもよく、該二重導体ケーブルは、単一導体分岐ケーブルが要求するように、大地の接地を使用する必要を回避するために、幹線から電力を伝導して幹線に接続することができる。1つまたは複数の分岐ケーブル104は、異なる位置で幹線ケーブル102に接続することができる。分岐ケーブル104は、海岸でCLS 110(図1に示されず)に接続されてもよいし、図1に示すように、海底で配置パレット120に接続されてもよい。海底で接続された分岐ケーブル104は、配置パレット120に接続された様々なペイロード122A〜122Cに/からデータを伝送し、様々なペイロードに電力を供給するために使用できる。ペイロード122A〜122Cは、例えば、異なるタイプのセンサアレイであってもよい。
幹線ケーブル102は、スイッチ分岐部(switch branching unit、sBU)106を備えてもよく、該スイッチ分岐部は、電力とDWDMの光チャネルとの両者を分岐ケーブル104に切り替えることができる。図2(A)は、幹線ケーブル102からの電力が導体202を介して分岐ケーブル104に転向され、且つ導体204を介して幹線ケーブル102に戻ることを示す。図2(B)は、通電せずにバイパスされた状態にある分岐ケーブル104を示し、ここで、幹線ケーブル102からの電力は、幹線ケーブル102における単一の導体206を介して分岐ケーブル104をバイパスした。コマンドチャネルでsBU106に光信号を送信することにより、sBU106は、海岸からLTE 114を介して構成され得る。図3(B)に示すように、幹線ケーブル102における光ファイバの通信信号は、分岐104に転向することができる。図3(A)は、分岐ケーブル104をバイパスした光ファイバ302を示す。なお、図3は、1対の光ファイバにおける信号が分岐ケーブル106に転向されることのみを示しているように見えるが、複数対の光ファイバの通信信号を1対ごとに幹線ケーブル102から分岐ケーブル104に転向してもよい。いくつかの実施例において、光ファイバにおける全ての波長の光を分岐ケーブルに送信してもよいし、様々な波長の光を分けたり追加したりしてもよい。
図1に戻り、1つまたは複数の配置パレット120は、分岐ケーブル104に接続できる。配置パレット120は、1つまたは複数のペイロード122が接続され得るベースとして用いられる。ペイロード122は、例えば、様々なタイプのセンサアレイ、または商業、研究または軍事応用を有する他の装置を含んでもよい。例えば、ペイロード122Aは、海洋底部から地震の読み取り値を収集するための地震計を含んでもよい。配置パレット120は、電力を分岐ケーブル104からペイロード122に伝送することができる。また、配置パレット120は、ペイロード122との双方向通信を実現でき、ペイロード122により収集されたデータの収集とコマンドの発行との両者を許容してペイロード122を設定する。配置パレット120には、複数の商業に使用可能なウェットメイトコネクタまたは他のタイプのコネクタが搭載されてもよく、これにより、1つまたは複数のペイロード122を配置パレット120に容易に接続するまたは配置パレットから切断することができる。無線技術を用いて電力およびデータ接続を行ってもよい。あるいは、単一のペイロード122は、配置パレット120を必要とせずに分岐ケーブル104に直接接続することができる。
幹線ケーブル102は、通常、10kV〜20kVで操作されるため、分岐ケーブル104に送達される電力は、電力伝送部(PTU)108により調整できる。PTU 108は、DC−DCコンバータモジュール(DDCM)を備えてもよく、該DC−DCコンバータモジュールは、電圧を幹線ケーブル102におけるハイレベルから分岐ケーブル104に取り付けられたペイロード122に必要なローレベルまでステッピングすることができる。いくつかの実施例において、分岐ケーブル104に取り付けされたペイロード122に送達された電圧のレベルを制御し、また、電流のレベルを制御するために、光ファイバにおける1つまたは複数のサイドキャリアバンドまたはコマンドバンドを介してコマンド信号を送信して海岸からPTU 108を制御することができる。従って、PTU 108は、ペイロード122と高い幹線電圧とを隔離する。PTU 108は、ペイロード122に定電流または定電圧操作を提供するように制御可能であってもよく、且つ、出力電力をその全出力電力の電位の値よりも小さいように制限するように設定されてもよい。
図4は、PTU 108のブロック図である。PTU 108は、sBU106の下流の分岐ケーブル104にカップリングされている。解釈するために、分岐ケーブル104が2つの電力導体408aおよび408bを有すると仮定する。幹線ケーブル102は、単一電力導体または二重電力導体を有することができる。PTU 108は、パワー・アンド・テレメトリ部402を備え、該パワー・アンド・テレメトリ部は、分岐ケーブル104における光ファイバ406を介して光信号を送受信するのに適した回路システムおよびコンポーネントを備える。このような場合、sBU106は、光信号を幹線ケーブル102における光ファイバから分岐ケーブル104における光ファイバに伝送するように構成する必要がある。パワー・アンド・テレメトリ部402が受信した光信号を用いてDC−DCコンバータモジュール(DDCM)404の操作を設定して調節し、例えば、電圧設定点およびソースモード(定電流、定電圧)のような新たな操作パラメータを使用する。410において、調整された電圧は、1つまたは複数のペイロード122に電力を供給するために、PTU 108から下流の目的地(例えば、配置パレット120)に出力される。
図5は、PTU 108での使用に適用されたDDCM 404の1つの可能な実施例の図を示す。DDCM 404は、第1、第2および第3ポート408a、408bおよび410を備え、ここで、ポートのうちのそれぞれは、ケーブルセグメントの導電体にカップリングするように構成される。例えば、第1ポート408aは、分岐ケーブル104の第1導電体にカップリングするように構成され得る。第2ポート408bは、分岐ケーブル104の第2導電体にカップリングするように構成され得、且つ、第3ポート410は、分岐ケーブル104の下流の導電体にカップリングするように構成され得る。DDCM 404は、第1および第2ポート408a、408bのうちの1つまたは2つから電流を抽出し、第3ポート410を介して分岐に電力を提供するように構成され得る。
更に示されるように、DDCM 404は、クランプ回路502と、第1および第2コンバータ504−1、504−2と、コントローラ506と、整流器514と、フィルタ516と、クランプ回路508とを備える。コントローラ506は、PTU 108のパワー・アンド・テレメトリ部402における電源を介して給電され得る。いくつかの場合、コントローラ506は、パワー・アンド・テレメトリ部402内に実施でき、且つ、必ず示された分離されたコンポーネントであるとは限らない。コントローラ506は、マイクロプロセッサ、プロセッサ、回路システム、フィールドプログラマブルゲートアレイ(field programmable gate array、FPGA)または任意の他の適当なコントローラデバイスとして実施できる。第1および第2コンバータ504−1、504−2は、調整制御されたDC電圧を生成した後、調整制御されたDC電圧をチョッピングしてAC信号を生成できるように構成され得る。図5において第1および第2コンバータのみが示されているが、複数のコンバータが使用できることを認識すべきである。ACは、その後、隔離するようにトランスを通過し、更に、それぞれ整流器514およびフィルタ516を介して整流およびフィルタリングされ、DC出力を生成することができる。DDCMの出力セクションに複数のステージが設定されてもよい。例えば、出力上のクランプ回路508は、作業者の安全のためにケーブルが放電されることを確保できる。ケーブルの故障期間において、入力上のクランプ回路502は、コンバータの周囲のサージ電流を転向する(例えば、通路を提供する)。クランプ回路502は、各幹線ケーブルを修理する際に作業者を保護するために、各幹線ケーブルで接地にクランプしてもよい。
従って、第1および第2コンバータ504−1、504−2は、2つの電力ステージを提供することができる。第1および第2コンバータ504−1、504−2のうちのそれぞれは、昇圧コンバータ(図示せず)およびチョッパー(図示せず)を備えてもよい。例えば、第1および第2コンバータ504−1、504−2は、ハーフブリッジ(例えば、2つのトランジスタ構成)またはフルブリッジ(例えば、4つのトランジスタ構成)の切り替え配置で構成されてもよい。第1および第2コンバータ504−1、504−2のうちのそれぞれは、第1および第2ポート408a、408bのうちの1つまたは2つからのライン電流のある部分を導くために、例えば、コントローラ506を介して行われるソフトスイッチング(例えば、PWM信号)により現在の操作モードで操作され得る。他の電力調整制御形態は、本発明の範囲内にあり、且つ、本発明は、必ずPWM実施形態に限定されるとは限らない。また、共通トランスは、磁束量とともに使用でき、出力ステージで電力を加える。いずれにせよ、第1および第2コンバータ504−1、504−2は、昇圧された電流をチョッパーに給送することができ、ここで、対応する各チョッパーは、絶縁トランス530の一次巻線を駆動する。絶縁トランス530は、第1および第2ポート408a、408bと第3ポート410との間でガルバニック(galvanic)絶縁を提供することができる。
第1および第2コンバータ504−1、504−2の昇圧コンバータのうちのそれぞれは、それぞれ第1および第2パルス幅変調(PWM)信号を介してコントローラ506により駆動でき、ここで、第1PWM信号は第2PWM信号と異なる。コントローラ506は、第1および第2PWM信号に基づいて第1および第2ポート408a、408bのうちのそれぞれから非対称負荷を汲み上げることができる。従って、コントローラ506は第1および第2ポート408a、408bから異なる量の電力を汲み上げることができ、所望の出力電流/電圧を実現する。所望の構成に依存し、第1および第2コンバータ504−1、504−2のうちのそれぞれは、同じまたは異なるように構成されてもよい。出力(例えば、ポート410)の調節は、単一入力コンバータの調節に相対的に類似し、ここで、第1および第2ポート408a、408bのうちのそれぞれから電流を選択的に抽出するために第1および第2コンバータ504−1、504−2の切り替えを確保する制御形態が加えられる。このような方式で切り替えると、第1コンバータ504−1が「オン」に切り替えられ、第2コンバータ504−2が「オフ」に切り替えられることを確保でき、逆も同様に、2つのポートを介した同時入力を防止する。コンバータ504−1、504−2のうちのそれぞれが「オン」に切り替えられている期間において、電流はポート408a、408bを流れる。その期間における第1コンバータ504−1の第2コンバータ504−2がオンに切り替えられている時間に対する割合を制御することにより、入力電流の比率を制御することができる。実施例において、第1および第2ポート408a、408bの間の入力電流の比率は、総出力負荷電流に依存するとは限らず、第1および第2コンバータ504−1、504−2のうちのそれぞれのデューティー制御(例えば、第1および第2PWM信号)を、このような方式で2つの入力電流時間だけスケーリングすればよく、即ち、第1ポート408aおよび第2ポート408bを介した入力の比率をほぼ一定に保持する。いくつかの場合、DDCM 404は、周期内の切り替え形態、または周期毎に操作する他の形態で定電流または定電圧を出力することができる。DDCM 404の記載された実施例は、例示的なものと考えられるべきである。本発明の予想される範囲内で、DDCM 404の他の実施例は可能である。
図6を参照し、ペイロード122のうちの1つは、UAV 750用のドッキング/充電ステーション602であってもよく、図7において模式的な形式でドッキング/充電ステーション602にドッキングするように示されている。UAV 750は、通常、UAV 750に動力を提供し、ナビゲーション用およびUAV 750により実行されるタスクの制御用の搭載回路システムに電力を供給するためのバッテリー752を備える。UAV 750は、データストア754を更に備えてもよく、該データストアは、UAV 750がドッキング/充電ステーション602から離脱した際に収集したデータを含む。
図7を更に参照し、ドッキング/充電ステーション602は配置パレット120に接続でき、且つ、バッテリー704が設けられてもよく、該バッテリーは、UAV 750がドッキング/充電ステーション602からドッキング解除した際に徐々に充電され得る。分岐ケーブル104が電力を送達する有限能力を有するため、UAV 750がドッキング解除されると、バッテリー704は時間の経過に伴って徐々に充電され得る。UAV 750がドッキング/充電ステーション602にドッキングすると、UAV 750におけるバッテリー752は、ドッキング/充電ステーション602におけるバッテリー704から急速充電され得る。
また、ドッキングステーション/充電ステーション602は、分岐ケーブル104に含まれているケーブルを介してUAV 750が収集してデータストア754に記憶したデータを伝送するために、データ交換モジュール706を備えてもよい。これに加え、UAV 750がドッキング/充電ステーション602と接合して充電される時、データおよび新たなタスク命令は、ドッキング/充電ステーション602からUAV 750に伝送され得る。いくつかの実施例において、配置パレット120はオプションであり、且つ、分岐ケーブル104は、ドッキング/充電ステーション602に直接接続できる。
図7に示すコンポーネントに加え、ドッキング/充電ステーション602は、UAV 750とドッキング/充電ステーション602との接合(ドッキング)を可能にするハードウェアを更に備えてもよい。なお、UAV 750は、物理的ドッキングまたは他の方式によりUAV 750とドッキング/充電ステーション602との間で1つまたは複数の物理的データおよび電力接続を確立してドッキング/充電ステーション602と「接合」することができる。他の実施例において、「接合」という用語は、データおよび/または電力が、UAV 750とドッキング/充電ステーション602との間で無線交換されることを意味すると解釈できる。また、ドッキング/充電ステーション602は、UAV 750がドッキング/充電ステーション602を容易に測位および/または識別できるように、ビーコンまたは発信機として機能するハードウェアを更に備えてもよい。他の実施例において、コマンドまたはプログラムが分岐ケーブル104を介してUAV 750に送信することができるように、UAV 750とドッキング/充電ステーション602との間のデータ接続は双方向であってもよい。
様々な実施例を既に大まかに説明した。当業者であれば理解できるように、本発明の実際の実施形態は、記載された実施例から逸脱してもよいが、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内に含まれる。
Claims (10)
- ハウジングと、
海底ケーブルへの接続と、
前記ハウジング内に設けられるバッテリーと、
前記海底ケーブルを介して水中自律航行機および陸上基地局とデータ交換を行うためのデータ交換モジュールとを備える、
海底自律航行機用のドッキング/充電モジュール。 - 前記海底ケーブルは、電力導体およびデータ伝送用の光ファイバの両方を備え、
前記海底ケーブルへの前記接続は、
前記電力導体への電力接続と、
前記光ファイバへのデータ接続とを含む、
請求項1に記載のドッキング/充電モジュール。 - 前記ドッキング/充電モジュールは、前記海底自律航行機と接合し、電力を前記バッテリーから前記海底自律航行機に伝送することに用いられるように構成され、
前記バッテリーは、前記海底ケーブルとの前記電力接続を介して充電される、
請求項2に記載のドッキング/充電モジュール。 - 前記ドッキング/充電モジュールと前記海底自律航行機との間にこれらの間でデータ伝送を行うための接続を更に含む、
請求項3に記載のドッキング/充電モジュール。 - 前記海底ケーブルへの電力接続およびデータ接続は、前記海底ケーブルと前記ドッキング/充電モジュールとの間で電力およびデータのリンケージを提供するための配置パレットを介して行われる、
請求項2に記載のドッキング/充電モジュール。 - 前記データ交換モジュールは、
前記海底自律航行機によって収集されたデータを受信し、前記海底ケーブルを介して前記データを前記陸上基地局に伝送する機能と、
データを前記陸上基地局から前記海底自律航行機に伝送する機能とを実行する、
請求項1から5のいずれか一項に記載のドッキング/充電モジュール。 - 海底自律航行機を海底ドッキング/充電モジュールにナビゲーションすることと、
前記海底自律航行機を前記海底ドッキング/充電モジュールにドッキングし、前記ドッキングは、電力を前記海底ドッキング/充電モジュールから前記海底自律航行機に伝送するための物理的接続の確立を含むことと、
電力を前記海底ドッキング/充電モジュールにおける充電バッテリーから前記海底自律航行機におけるバッテリーに伝送することと、
前記物理的接続を切断することと、を含み
前記海底ドッキング/充電モジュールが海底ケーブルに接続され、
前記海底ケーブルは、陸上基地局への電力接続およびデータ接続の両方を兼ねる、
海底自律航行機への急速充電を提供する方法。 - 前記海底自律航行機におけるデータストアからのデータを前記海底ドッキング/充電モジュールに伝送することと、
前記海底ケーブルを介して前記データを前記海底ドッキング/充電モジュールから地上局に伝送する、またはドッキング/充電モジュールと通信する別のデバイスに伝送することと、を更に含む、
請求項7に記載の方法。 - 前記海底ケーブルを介してデータを前記地上局から前記海底ドッキング/充電モジュールに伝送することと、
前記データを前記海底ドッキング/充電モジュールから前記海底自律航行機におけるデータストアに伝送することと、を更に含む、
請求項8に記載の方法。 - 前記海底自律航行機が前記海底ドッキング/充電モジュールから離脱した場合、前記海底ケーブルにおける電力接続を介して前記海底ドッキング/充電モジュールにおけるバッテリーを充電することを更に含む、
請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
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