前段時(shí)間，當(dāng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)始考慮無(wú)人海底飛行器（UUV）應(yīng)用時(shí)，有人擔(dān)心海底環(huán)境可能如此不同或奇特，以至于標(biāo)準(zhǔn)解決方案需要大幅修改。然而，令許多人驚訝的是，發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)（UAV）和UUV環(huán)境之間存在顯著的共性?？梢钥隙ǖ氖?，每種類(lèi)型的平臺(tái)都有獨(dú)特的方面，但總的來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)堅(jiān)固的軍事商用現(xiàn)貨（COTS）嵌入式解決方案適用于這兩種平臺(tái)。

美國(guó)海軍看到了使用無(wú)人水下飛行器（UUV）的巨大潛力，這些車(chē)輛今天已經(jīng)在搜索和排除水雷以及收集海洋學(xué)數(shù)據(jù)等任務(wù)中服役。如果無(wú)人駕駛空中和地面車(chē)輛的使用激增是任何預(yù)測(cè)因素，那么這些平臺(tái)的任務(wù)范圍和范圍肯定會(huì)迅速擴(kuò)大。

預(yù)計(jì)這些車(chē)輛，無(wú)論是小到足以從潛艇的魚(yú)雷發(fā)射管發(fā)射，還是像波音的Echo Voyager一樣長(zhǎng)51英尺，都將具有越來(lái)越多的自主性，并將被派往越來(lái)越復(fù)雜的任務(wù)，如情報(bào)，監(jiān)視和偵察（ISR）和態(tài)勢(shì)感知。這些類(lèi)型的計(jì)算密集型應(yīng)用程序?qū)⑼苿?dòng)需要在UUV上部署的處理和網(wǎng)絡(luò)能力的大幅增加。好消息是，許多已經(jīng)在無(wú)人機(jī)（UAV）上開(kāi)發(fā)、部署和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的COTS解決方案也適用于UUV。無(wú)人潛航器面臨的挑戰(zhàn)，就像它們的空中和地面兄弟姐妹一樣，通常歸結(jié)為尺寸、重量和功率——尤其是功率。

UUV系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的訣竅是如何最好地優(yōu)化任務(wù)有效載荷，同時(shí)考慮到水下航行器動(dòng)力源的限制，這最終決定了最大續(xù)航力，距離和速度。根據(jù)定義，無(wú)人潛航器必須穿過(guò)濃稠的水介質(zhì)，這意味著它需要八倍的能量才能使其以?xún)杀兜乃俣刃旭偂＿@就是為什么有一場(chǎng)技術(shù)競(jìng)賽來(lái)開(kāi)發(fā)為UUV提供動(dòng)力的最佳方式。今天的動(dòng)力候選范圍從環(huán)境推進(jìn)的波浪滑翔機(jī)到電池，如鋰離子設(shè)計(jì)，再到燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和電池。例如，最近，Aerojet Rocketdyne獲得了美國(guó)海軍的合同，開(kāi)發(fā)技術(shù)，使UUV的電池能夠在海底無(wú)線和遠(yuǎn)程充電。

COTS供應(yīng)商通過(guò)應(yīng)用他們?cè)谛⌒突?a target="_blank">電子設(shè)備和惡劣環(huán)境加固方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在幫助擴(kuò)展UUV的能力方面發(fā)揮著重要作用。無(wú)人機(jī)典型的SWaP約束與水下航行器中的約束相似。此外，可以使用相同的系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)、模塊和線路可更換單元 （LRU） 方法來(lái)加快開(kāi)發(fā)速度并降低成本。但是，在海底部署COTS系統(tǒng)與在空中部署時(shí)存在一些差異。其中一些差異實(shí)際上使UUV設(shè)計(jì)人員的生活更輕松，并增加了與機(jī)載系統(tǒng)集成商不同的要求。

冷卻它

可以肯定的是，對(duì)于大多數(shù)COTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，水下環(huán)境是不熟悉的。因此，發(fā)現(xiàn)UUV相對(duì)于空中和地面車(chē)輛的最大區(qū)別（和優(yōu)勢(shì)）之一是它們?cè)谒^的世界上最大的散熱器上運(yùn)行，可能會(huì)令人驚喜。因此，提供高效的熱管理在水下的麻煩要少得多。事實(shí)上，對(duì)于某些設(shè)計(jì)，實(shí)際上可以讓水流過(guò)UUV的內(nèi)部，以直接冷卻隔離的有效載荷室。

冷卻對(duì)無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，原因很簡(jiǎn)單，在高海拔地區(qū)，空氣中的分子較少。在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)要求沒(méi)有為冷卻電子設(shè)備提供氣流的情況下，熱管理更加困難。UUV系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的優(yōu)勢(shì)在于，為在高海拔地區(qū)運(yùn)行而建造的COTS系統(tǒng)也是可以信賴(lài)的在水下表現(xiàn)良好的系統(tǒng)。事實(shí)上，在沒(méi)有空氣的地方飛行的無(wú)人機(jī)的冷卻要求比部署在密封室中的系統(tǒng)要嚴(yán)格得多，就像許多UUV子系統(tǒng)一樣。

UUV系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也不必?fù)?dān)心高度。對(duì)于機(jī)載應(yīng)用，海拔高度可能令人擔(dān)憂(yōu)，因?yàn)樗鼘?duì)電解電容器等組件有潛在影響，這些組件在較高海拔地區(qū)容易發(fā)生故障。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確保他們使用的組件符合預(yù)期用途的高度等級(jí)。例如，直升機(jī)通常對(duì)可以在15，000英尺高空運(yùn)行的設(shè)備感到滿(mǎn)意，而偵察機(jī)可能需要可以在30，000至60，000英尺的高度運(yùn)行的設(shè)備。機(jī)載 COTS 系統(tǒng)通常必須在高度模擬室中通過(guò) MIL-STD-810 高度測(cè)試，以驗(yàn)證在預(yù)期應(yīng)用所需的高度下的操作。

無(wú)人潛航器的不同之處：沖擊測(cè)試

雖然高度不是UUV的要求，但它們可能與無(wú)人機(jī)具有非常不同的沖擊和振動(dòng)要求。例如，UUV測(cè)試可能需要模擬魚(yú)雷擊中的影響。認(rèn)證此類(lèi)威脅意味著UUV子系統(tǒng)可能需要證明MIL-S-901D（美國(guó)海軍沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）所涵蓋的相關(guān)頻率的可靠性。在這種情況下，用于部署在UUV上的COTS解決方案可能需要在浮動(dòng)駁船測(cè)試中幸存下來(lái)，在那里它暴露在爆炸性沖擊下?；蛘?，沖擊測(cè)試可能涉及901D錘擊測(cè)試，在此期間，電子設(shè)備被硬安裝在金屬板上，然后用大型錘狀擺錘裝置敲擊，產(chǎn)生大量的G力。

全面的 SoC

總體而言，UUV、無(wú)人機(jī)甚至無(wú)人駕駛地面車(chē)輛 （UGV） 的 COTS 解決方案要求存在很大的共性。例如，所有三個(gè)平臺(tái)都可以使用片上系統(tǒng) （SoC） 技術(shù)： 由于 SWaP 是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因此使用基于 Intel 和 ARM 內(nèi)核 SoC 的移動(dòng)類(lèi)處理器（將 CPU、I/O 和內(nèi)存控制器全部整合到單個(gè) IC 封裝中，例如英特爾凌動(dòng) 3800 系列處理器）是有益的?？梢赃x擇組合處理器、其配套芯片組和圖形處理器（如英特爾凌動(dòng)）的單個(gè)芯片，或組合更高性能的 CPU 和集成 GPU（如英特爾酷睿 i7 產(chǎn)品）有助于減少物理板的空間和重量，從而減少系統(tǒng)的整體物理尺寸。此外，這些架構(gòu)中的每一個(gè)都使用先進(jìn)的電源管理技術(shù)，從每瓦特MIPS（每秒數(shù)百萬(wàn)條指令）或FLOPS（每秒浮點(diǎn)運(yùn)算）的角度來(lái)看，它們的效率要高得多。因此，它們?cè)絹?lái)越多地用于存在功率靈敏度的應(yīng)用，例如UUV。

UUV 組件的一個(gè)很好的解決方案是通過(guò)被動(dòng)自然對(duì)流冷卻的 LRU;在這些中，熱量通過(guò)機(jī)箱的熱質(zhì)量向外輻射，沒(méi)有任何移動(dòng)部件、液體或氣流。由于機(jī)箱不需要用螺栓固定即可將熱量向下傳導(dǎo)到冷板，因此這些類(lèi)型的子系統(tǒng)更容易進(jìn)行熱管理和集成，并且可以位于平臺(tái)內(nèi)更廣泛的位置。在自然對(duì)流下冷卻的堅(jiān)固耐用的LRU的一個(gè)例子是Curtiss-Wright的Parvus DuraCOR任務(wù)計(jì)算機(jī)和DuraNET網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（圖1）。

圖1：DuraNET 20-11 交換機(jī)支持 IEEE-1588 PTP，可用于 UUV 和 UAV 應(yīng)用。

無(wú)論平臺(tái)是UUV還是UAV，任務(wù)通常需要通信，計(jì)算和傳感器。目標(biāo)環(huán)境，無(wú)論是空中、地面還是海上，都將決定需要支持哪些類(lèi)型的傳感器。例如，無(wú)人機(jī)需要FLIR（一種前視紅外攝像機(jī)），而UUV則需要聲納。盡管各種類(lèi)型的車(chē)輛之間的有效載荷會(huì)有所不同，但基本的COTS電子設(shè)備不會(huì)有太大差異。

UUV和UAV之間的另一個(gè)共同點(diǎn)似乎是使用以太網(wǎng)作為選擇的網(wǎng)絡(luò)骨干。兩個(gè)平臺(tái)的底層基礎(chǔ)設(shè)施將使用相同的傳統(tǒng)以太網(wǎng)接口連接，并且可以使用相同的 COTS 構(gòu)建塊進(jìn)行構(gòu)建。此外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行IEEE-1588精確計(jì)時(shí)協(xié)議（PTP）同步也越來(lái)越成為海底和飛行器之間的共同特征。

審核編輯：郭婷