隨著軍方繼續尋找將這些智能機器用于戰斗、偵察和反地雷任務的新方法，無人海上車輛的開發和部署正在迅速擴大。無人水下航行器（UUV）制造商正面臨著包括成本、時間、尺寸、重量和功耗在內的關鍵設計挑戰。此外，為現有I/O和通信系統添加功能，特別是擴展有效載荷選項，是無人駕駛海上車輛的一個關鍵設計考慮因素。進入先進的嵌入式計算架構，將 I/O 和通信與任務關鍵型計算機相結合，無需重新設計昂貴的機箱或背板。這些基于以太網通信的系統可以配置多個 I/O 功能，以滿足不斷變化的有效載荷要求。

無人潛航器成長于公海（盡管淺水威脅也是一個問題）威脅的時代。這些車輛更傾向于使用基于COTS的嵌入式系統和模塊化架構，因為需要更高的運營效率，減少軍事預算和任務時間設計限制。

可互換的以任務為中心的電子設備是UUV設計的標志，因為海軍任務的性質不斷變化 - 水下搜索，海岸防御，海上拒止，封鎖等 - 需要能夠執行各種應用的替代有效載荷。在這些情況下，模塊化設計架構使開發人員免于集成難題，同時使他們能夠根據當前和未來的任務要求快速配置系統或機箱。（圖 1）。

圖1：使用先進嵌入式系統的設計有助于解決無人水下航行器的尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 挑戰。

換句話說，UUV制造商可以采用基于特定應用和標準COTS產品的智能I / O和通信系統和子系統，而不是僅僅使用單板計算機（SBC），鑒于背板和機箱設計的特定性質，最終可能導致I/O如何在盒子中連接的不確定性。此外，非經常性工程（NRE）成本可能會飆升，而系統集成商被迫重新認證。

因此，毫不奇怪，像Bluefin-21和Knifefish這樣的早期UUV設計在使用COTS產品時依賴于具有模塊化和分布式接口的嵌入式計算解決方案。嵌入式計算、能源效率、傳感器、機器人和位置引導技術的進步現在使海軍能夠用更便宜的全自動UUV來增強昂貴的載人系統。

為什么選擇模塊化設計？

無人駕駛海上車輛通常由多個非機外傳感器組成，包括指南針、多普勒速度記錄儀、慣性導航系統和聲速傳感器，它們以高度自動化的方式執行搜索、避開或跟蹤操作。首先，車輛需要一個穩定的控制系統來執行車輛自主性、任務規劃和執行、有效載荷數據管理以及其他以處理為中心的任務。

接下來，UUV 需要了解其環境中的特征，以便它們能夠智能地檢測和分類物品，然后以自動方式響應傳感器數據。在這個領域，基于低功耗和高性能處理器的車輛控制系統與監控傳感器密切合作，使用適當的有效載荷對物理或戰術任務做出反應。

這種復雜性恰恰表明了控制或處理器部分與傳感器部分之間的連接是多么重要。同時讀取和仿真數據的能力需要強大的處理和I / O功能，這是UUV設計中的巨大要求。

模塊化和高度自適應的架構（圖2）允許UUV設計人員將控制器板添加到現有系統，并將其連接到以太網或CAN總線;控制器板將連接到UUV制造商想要支持的任何有效載荷。它必須是一個靈活且可擴展的設計解決方案，因為主系統不能進行重大更改。

圖2：模塊化架構使UUV設計人員能夠為特定有效載荷選擇合適的COTS組件，將它們添加到子系統中，并連接到以太網網絡。

相比之下，創建一個具有上述所有功能的新盒子可能會增加設計復雜性并導致額外的 NRE 成本。以為新有效載荷添加新的任務計算機為例：首先，設計人員可能不知道如何將舊式傳感器/換能器與新板連接。然后，設計師可能不得不重新鑒定整個盒子，這可能需要幾個月的時間。

智能 I/O 功能

無人潛航器可以改變游戲規則 - 就像無人機（UAV）在空中一樣 - 通過為海軍艦隊提供完整的作戰圖景。然而，作為公海的眼睛意味著有大量的水需要監測。提供智能多功能I/O和通信功能將成為UUV設計的關鍵要求。

I/O 功能專門針對 UUV 必須攜帶的有效載荷。例如，如果UUV必須處理從以太網到同步/解析器或以太網到CANbus的I/O功能，則必須能夠輕松地為I/O設備配置多種功能。另一個例子：以需要使用電阻溫度檢測器（RTD）通道監測溫度的UUV為例。

在這種情況下，COTS 模塊化和可配置板使 UUV 設計人員能夠快速為這種新有效載荷創建應用程序。可配置的 I/O 模塊足夠靈活，可以適應具有各種 I/O 設備的不同有效負載。此外，對于UUV上的新有效載荷，系統集成商可以簡單地將預認證板添加到已經合格和測試的盒子中。

無人機設計重演

值得注意的是，無人潛航器不一定只是“海上無人機”，因為它們在大多數情況下不是遠程駕駛的。與無人機不同，無人機天生就能夠很好地從空中獲取無線電信號，海水對于無線電通信是不透明的;此外，聲音信號的傳播速度比無線信號慢。

UUV 是完全自主和高度自動化的，這一事實要求基于基本構建模塊（通信、電源管理、數據管理和存儲）的極其堅固可靠的電子設備。然而，與此同時，UUV 的解剖結構與無人機設計藍圖非常相似。這一現實對海軍工程師來說是一種可喜的解脫。無人機通過使用COTS組件和模塊化架構開創了先例，現在UUV設計人員正在效仿，以實現SWaP-C問題。

使用特定應用的標準 COTS 系統，使工程師能夠通過使用多功能 I/O 和與以太網數據集中器的通信來繞過昂貴的機箱重新設計。

顯然，無人潛航器正在重塑海戰的基本基礎。美國海軍承認無人潛航器將成為其常規艦隊的力量倍增器，并在2016年預算中為擴大其無人潛航器艦隊分配了大量資金。現在，由設計工程師來證明他們可以在不進行SWaP-C權衡的情況下創建創新的電子系統。

審核編輯：郭婷