Signal- und Stromkabel über große Entfernungen

Ich arbeite an einem Hobbyprojekt, bei dem ich versuche, ein ROV (Remotely Operated Vehicle) für den Unterwassereinsatz zu bauen. Das ROV wird einige elektronische Teile haben, die mit 12 V und 5 V betrieben werden, die ich noch nicht ausgewählt habe. (Bürstenlose Gleichstrommotoren, Servos, LED-Leuchten, Videokamera, Mikrocontroller, ...)

Für die Mobilität erwäge ich eine oder mehrere 12-V-Batterien (Autobatterie oder Bleibatterie) an Land und einen Laptop mit Mikrocontroller zur Steuerung.

Ich möchte also ein Kabel mit 4 Adern verwenden, zwei für Strom und zwei für Daten.

Ich hätte gerne mindestens 100 Meter Kabel, aber eine Reichweite von 200 bis 300 Meter oder noch länger wäre viel besser. Ist das möglich ?

Welches Kabel sollte ich wählen (niedrige Kosten haben Priorität)? Was ist mit dem Spannungsverlust über die Entfernung? Ist es besser (und sicherer), den 12-V-Gleichstrom von den Batterien in Wechselstrom umzuwandeln und am ROV wieder in Gleichstrom umzuwandeln? Und wie gestaltet man die Datenübertragung am besten?

Die Daten, die von meinem Laptop zum ROV kommen, werden hauptsächlich Steuersignale sein, die ein Mikrocontroller am ROV interpretieren wird. Die Daten, die vom ROV zurück zum Laptop kommen, sind Video- und Sensordaten.

Wenn die Datenübertragung (hauptsächlich die Videodaten) ein Problem darstellen würde, dachte ich daran, nur ein Kabel für die Stromversorgung zu verwenden, aber die HF-Kommunikation für Sensordaten, Steuerung und Live-Video zu verwenden. Ich möchte mich nicht mit der Niederfrequenzübertragung unter Wasser herumschlagen (da ich denke, dass dies viel zu kompliziert ist), also dachte ich daran, eine Antenne zu verwenden, die auf der Wasseroberfläche schwimmt. (Über ein Kabel mit fester Länge mit dem ROV verbunden, das würde mich in der Betriebstiefe einschränken)

Ich freue mich über all eure Ideen und Ratschläge.

Danke.

Wenn Sie sich mit 100 m begnügen könnten, würde ich sagen, PoE (Power over Ethernet - schauen Sie nach, Sie finden vielleicht interessante Designüberlegungen).
Ich habe zwar viele Leute gesehen, die Ethernetkabel verwenden, aber da ich den Kostenaspekt im Auge behalten muss, möchte ich mich auf eine möglichst einfache Lösung beschränken.
Ein anderer Gedanke ist, wenn Sie eine schwimmende Antenne in Betracht ziehen, machen Sie sie mit den Batterien an Bord zu einem Mutterschiff. Dann haben Sie ein viel kürzeres Netzkabel.
@Ace: PoE ist billig. Es ist eine weit verbreitete Technologie, Kabel sind billig, eine riesige Auswahl an Hardware ist leicht verfügbar, sie unterstützt Video und Steuerung als Ethernet-Daten, sie unterstützt eine Stromversorgung von 48 V (wenn der Speicher korrekt ist und Sie höher gehen könnten), können Sie einen Schritt hinzufügen -Down-Regulierung im ROV. Ihr einziges Problem besteht darin, die Kabeleinführung wasserdicht zu machen.
Denken Sie daran, dass ich 3 bis 6 12-V-Gleichstrommotoren mit Strom versorgen muss ...
Wie Transistor sagte, kann PoE relativ billig sein. Darüber hinaus kann Ihnen die Tatsache, dass Ihr Kabel durch die Umgebung gekühlt wird, dabei helfen, die Leistung etwas zu erhöhen. Das Problem könnte mechanisch sein, aber abhängig von der Gesamtleistung könnten Sie mit Koax (oder mehreren Koax) arbeiten. Antennenkabel können sehr wasserdicht sein (obwohl Salzwasser immer noch ein Problem sein könnte, IDK). Ich denke, Sie sollten die Leistung angeben, die Sie übertragen müssen, nicht die Spannung.

Antworten (5)

Echte ROVs betreiben am Kopfende des Kabels oft bis zu 1.000 V oder so (natürlich nichts dergleichen, wenn es unter Last zum Fahrzeug gelangt). Es ist problematisch, eine erhebliche Leistung an das Fahrzeug zu senden.

Das andere Problem ist, dass Sie wirklich möchten, dass das Kabel am Fahrzeug insgesamt einen neutralen Auftrieb hat, und das ist viel schwieriger als es sich anhört, wenn Sie viel schweres Kupfer darin haben.

Wenn ich es tun würde, würde ich die Batterien (Bleisäure ist gut) auf das Fahrzeug legen, nicht auf die Oberfläche (kein Bedarf an Lithium, das ist gewichtseffizient, aber Sie brauchen sowieso Ballast, um das Ding untertauchen zu lassen) und würde schauen Ernsthaft bei Glasfaser für die Datenverbindung (Kleiner Switch mit einem SFP an jedem Ende, 300M sind einfach, und eine 300M-Trommel aus Einzelpaarglas ist im Schema der Unterwasserelektronik nicht gerade teuer, eine sehr schnelle Suche impliziert ~ £ 150, was ist nicht schlecht für eine 300M-Gigabit-Geschwindigkeitsverbindung).

Wenn Sie nicht viel mit Unterwasseraktivitäten gespielt haben, werden Sie sehr schnell feststellen, dass es SCHWIERIG ist, Wasser draußen zu halten. Vergessen Sie 300 m. Wenn Sie es nur in Schnorcheltiefen tun, werden Sie Anfälle bekommen. Ich sehe viele PUR-Harze und seltsame Probleme mit Osmose in Ihrer Zukunft voraus .

Ich mache mir keine Sorgen darüber, das gesamte Setup wasserdicht zu machen. Obwohl das Wasser in meiner Gegend, in der ich das ROV einsetzen möchte, nicht wirklich tief ist (maximal 5 m), würde die von mir entworfene Konstruktion einem Druck von bis zu 25 bar standhalten. Außerdem habe ich nicht viel Wasserströmung, mit der ich fertig werden muss, also sollte der Zug des Kabels auch kein großes Problem sein. Wenn es problematisch wird, würde ich versuchen, eine Art Schwimmkörper oder Schwimmelemente zu verwenden, die alle paar Meter um das Kabel gewickelt werden.
Der erste Grund, warum ich Auto- oder Bleibatterien (an Land) verwenden möchte, ist die Maximierung der Kapazität = längere Betriebszeit. Ich habe das ROV relativ kompakt und leicht gebaut, wobei es noch von alleine sinken kann, und ich brauche nicht viel Schub von den Motoren, um kleinere Gegenstände vom Boden zu heben und den Wasserströmungen problemlos standzuhalten, um sicherzustellen ein stabiler Tauchgang. Auf diese Weise kann ich die Gesamtprojektgröße und -kosten auf ein für den Zweck erforderliches Minimum beschränken.

Mir scheint, wenn Sie das U-Boot über das Kabel mit 12 V versorgen möchten, haben Sie ein Problem mit der Entfernung oder Dicke des Kabels.

Sie möchten den Widerstand der Drähte in Ihrem Kabel anhand des Abstands und des Drahtquerschnitts berechnen. Beachten Sie, dass Sie mindestens zwei Leiter (Drähte) im Kabel für + und - benötigen, also müssen Sie mit dem doppelten Widerstand und/oder Spannungsabfall rechnen, wie für eine einzelne Ader berechnet.

Sie können die Mathematik von Hand machen (es ist nicht schwierig) oder Sie können einen Online-Rechner für diese spezielle Formel verwenden:

http://chemandy.com/calculators/round-wire-resistance-calculator.htm

Sie müssen auch eine Vorstellung davon haben, wie viel Strom die Bordelektronik und die Motoren benötigen.

Danach gilt U = R * I . U für den Spannungsabfall über der Übertragungsleitung.

Vielleicht sollte die Batterie besser mit an Bord genommen werden :-) Sie werden sowieso ein schweres Gewicht benötigen, um das U-Boot zum Sinken zu bringen (um seinen Auftrieb zu überwinden).

Es gibt eine alte grobe Faustregel, die von Elektrikern verwendet wird, dass die geeignete Übertragungsentfernung für eine bestimmte Spannung die in Fuß gemessene Spannung ist. Ich möchte nicht versuchen, einen nennenswerten Strom bei 12 V über Entfernungen von annähernd 1000 Fuß zu liefern, wie es das OP erfordert.
Ja, Sie haben Recht, ich habe bereits einige geschätzte Berechnungen für das Kabel durchgeführt, und das war meine Sorge. Wenn ich 3 bis 6 Motoren verwenden möchte, muss ich wahrscheinlich sowieso mit einer enormen Strombelastung umgehen, auch wenn ich sie nicht alle gleichzeitig mit voller Leistung fahren werde. Ich wette also, es wäre viel besser, einige LiPo-Batterien in das ROV einzubauen. Ich interessiere mich noch nicht so sehr für Batterien, aber ich denke, ich muss herausfinden, wie viel Kapazität / Batterielebensdauer ich benötige, bevor ich mich weiter dafür entscheide.

Daten und Phantomspeisung ist ziemlich einfach. Sie müssen sicherstellen, dass der Dateninhalt AC in der Natur ist, dh er "zu Null zurückkehrt". Die Manchester-Codierung ist dafür ziemlich üblich. Als nächstes muss die Stromschnittstelle betrachtet werden.

Der Strom wird dem Kabel durch eine Induktivität entnommen, die bei der Datenrate eine hohe Impedanz aufweist (auch bekannt als manch. Codierung, wie erwähnt). Strom wird genauso auf das Kabel geleitet. Datenkabelabschlüsse sind AC-gekoppelt, um Leistungsverluste durch den Abschluss zu verhindern.

Erhöhen Sie die Versorgungsspannung so hoch wie möglich - vielleicht 70 Volt -, es gibt ein paar Abwärtsregler (am Sub-Ende), die diese Spannung auf 12 V heruntersetzen, und die Stromaufnahme des Kabels wird proportional geringer sein und dies bedeutet Es kann ein wesentlich dünneres Kabel verwendet werden, als wenn 12 V bis zum Sub gesendet würden.

Das große Problem sind weder Datengeschwindigkeiten, Reduzierung der Kabeladern noch Phantomspeisung - es geht darum, ein Kabel zu bekommen, das wasserdicht und für moderate Highspeed-Daten geeignet ist. Sie könnten auf einen Schlag mit Gummikabeln davonkommen (die zum Antrieb von Wechselstrom-Tauchmotoren in Fischteichen verwendet werden) - sie übertragen Daten ziemlich gut bis zu und über 10 Mbit / s über 100 m (meine Schätzung), vorausgesetzt, Sie entwerfen die Schnittstelle am Ufer -receive-end korrekt.

Ich wäre auch versucht, eine mittelgroße Batterie im Sub zu haben, nur um sicherzustellen, dass bei Spitzenstrombedarf das mögliche Rauschen, das auf das Kabel geworfen wird, nicht so hoch ist, dass es die Daten beschädigt.

Uplink-Steuerung - Da die Rückdaten Manchester-codiert sind, haben sie eine Gesamtbandbreite, die keine Frequenzen unterhalb der Taktrate enthält. Wenn die Daten also 10 Mbit / s betragen, gibt es im kHz-Bereich einen großen Freiraum für die Uplink-Steuerung und , um Querinterferenzen mit den Downlink-Daten zu vermeiden, würde ich ziemlich reines (gut gefiltertes) FSK verwenden.

Ich denke, es wäre keine große Sache, wenn die Datenrate relativ niedrig ist. Eine kleine Verzögerung von Steuerdateneingang und Videoausgang wäre also kein Problem für mich. Vereinfacht das die Sache?
Es macht für mich keinen großen Unterschied - ich übertrage Daten mit 600 Mbit / s über 50 m Phantomspeisung, daher scheint dies ein wenig trivial zu sein, außer dass ich ein wasserdichtes Kabel bekomme. Ich verwende jedoch keine M-Codierung, da die Gesamtbandbreite zu hoch wäre - ich verwende Datenverschlüsselung, um Basisbandartefakte zu entfernen.
Was ist mit längeren Distanzen, sagen wir +200 Meter, da ich wirklich in der Lage sein möchte, alle Punkte meines Interesses zu erreichen, worum geht es eigentlich bei dem ganzen Projekt?
Finden Sie ein Kabel, das wasserdicht und angemessen gewichtet ist, und lösen Sie dann die Datenübertragungsprobleme. Ich garantiere Ihnen, dass es schwieriger sein wird, ein geeignetes Kabel für Unterwasser zu finden, als eine Datenverbindung und eine Phantomspeisungsschnittstelle zu entwerfen.
Ich habe nicht verstanden, warum ein beschichtetes und isoliertes Kabel nicht wasserdicht sein sollte. Was meinst du damit?
Auf welchen Punkt beziehst du dich?
Sie sagten, ich solle ein wasserdichtes Kabel finden. Ich dachte, dass alle gängigen Elektrokabel wasserdicht sind, da die einzelnen Adern mit einem Isoliermaterial ummantelt sind und das gesamte Kabel mit Kunststoff (Mantel) ummantelt ist. Warum also sollte ein Kabel nicht wasserdicht sein?
Natürlich brauchen Sie ein wasserdichtes Kabel, weil Sie ein Tauchboot füttern, aber Standardkabel sind nicht zum Eintauchen gedacht, weshalb sollten Hersteller von Wasserpumpen spezielle Gummikabel für die Stromversorgung verwenden. Ich sage, dass Ihre größte Hürde darin besteht, ein geeignetes Kabel für Ihr Projekt zu finden, und wie andere angedeutet haben, werden Osmose und Versiegelung Kopfschmerzen bereiten. Die Betriebstiefe ist ein wichtiger Faktor. Ich habe NIE gesagt "ein beschichtetes und isoliertes Kabel sollte nicht wasserdicht sein", also zitiere mich nicht falsch.
Wasserdicht? Ha, netter Versuch.
Nein das war nicht mein Zitat Kumpel. Ich wusste nicht, dass Standardkabel für den normalen Gebrauch nicht für den Unterwassereinsatz geeignet sind. Können Sie mir sagen, warum das so ist? Was für eine spezielle Beschichtung verwenden Unterwassergeräte wie Wasserpumpen denn? Wie @davidcary in seiner Antwort erwähnte, gibt es Leute da draußen, die es bereits erfolgreich mit Ethernet-Kabeln oder anderen Standardkabeln gemacht haben, die nicht speziell für den Unterwassereinsatz konstruiert sind. Ich verstehe also immer noch nicht, warum ein isoliertes Kabel nicht unter Wasser verwendet werden sollte. Also ich bin jetzt ratlos.
PUR-ummantelt kann manchmal in Ordnung sein, aber es hängt stark vom Hersteller ab, PVC ist in einer unter Druck stehenden Salzwasserumgebung immer ein Fehler (es nimmt mit der Zeit Wasser auf). Für ein Spielzeug kommen Sie vielleicht damit durch, aber für langfristige Zuverlässigkeit wird es viel schwieriger. Es gibt einen Grund, warum Leute wie MacArtney-Kabel das tun, was sie tun, aber Sie werden den Preis hassen. Sie können Kat. 6 mit PUR-Ummantelung finden, aber das reicht nicht für die Leistung.
Ich bin nicht derjenige, der fragt. Fragen Sie David Cary, aber googeln Sie auch ein bisschen herum. Ich weiß nur, dass die Wahl des richtigen Kabels (natürlich) die größte Herausforderung sein wird.

Haben Sie darüber nachgedacht, sich vielleicht andere ROV-Projekte anzusehen und zu sehen, welche Kabel sie ausprobiert haben - welche Kabel funktionierten und (was noch wichtiger ist), warum einige Kabel nicht funktionierten?

Einige Optionen, die Sie in Betracht ziehen könnten:

  • VDSL + Stromversorgung über CAT5- oder CAT6-Kabel (*): Wenn ich die Testergebnisse richtig lese, erreichte die SV Seeker CAT5 ROV-Kommunikation über 8 Mbit/s über ein 1 Kilometer langes Kabel mit einem Paar für VDSL2 und Gleichstrom über die anderen 3 Paare von Drähten.

  • Strom und Ethernet über Koax: Die "Kabelfirmen" nutzen offenbar Koaxkabel, um Hunderte von Videokanälen plus Internet über viele Kilometer zu leiten - hohe Datenraten plus große Entfernungen. Das DiSEqC-Protokoll überträgt sowohl Strom zu den Rotormotoren der Schüssel als auch analoge und digitale TV-Signale von der Schüssel über ein einziges Koaxialkabel – hohe Datenraten plus Strom zum Betreiben eines Motors. SV Seeker-Koaxialkabel ROV-Kommunikation hat RG6-Koaxialkabel als viel stärker als CAT5-Massivkern getestet (ungefähr 400 lb Bruchfestigkeit gegenüber ungefähr 180 lb Bruchfestigkeit) – ist das stark genug, dass Sie kein separates Schleppkabel benötigen?

  • Powerline-Kommunikation über das Netzkabel: Es gibt einige handelsübliche Schmalband-SPS , die Daten über mehrere Kilometer Netzkabel senden können; auch viele handelsübliche Breitband-über-Powerline- Powerline-Adapter, die einige Mbit/s über ein paar hundert Meter Netzkabel senden können.

  • Power over Ethernet (PoE): CAT5- oder CAT6-Kabel(*) Viele Geräte sind mit diesem 48-V-DC-System kompatibel. Der Standard von 2009 erfordert 25 W (Dauer-) Leistung über ein 100-m-Kabel; konforme Hardware funktioniert im Allgemeinen besser als dieser Mindeststandard.

(*) Wie Sredni Vashtar und Transistor bereits erwähnt haben, sind CAT5- und CAT6-Kabel aufgrund von Größenvorteilen billig – selbst wenn Sie etwas mehr für die „direkte Erdverlegung“ oder „gelgefüllte“ oder andere wasserdichtere Konstruktion bezahlen, anstelle von Standardkabeln für den Innenbereich.

Die Kommunikation unter Wasser ist aufgrund des dielektrischen Verlusts und der hohen Dielektrizitätskonstante von Wasser = 80 schwierig. Noch größer sind die Verluste im Meerwasser.

Die US Navy verwendet 1-Megawatt-VLF-Sender mit sehr niedrigen Bitraten, die für Video nicht ausreichen.

Ein 100 m langes Kabel erzeugt bei erheblichen Wasserströmungen viel Luftwiderstand.

Ich habe ähnliche Projekte über Land mit Video-, Audio-, SCADA- und 12-Mbit/s-Daten mit 1-Mbit/s-Steuerkanal auf einem Koaxialkabel durchgeführt.

Aber ich denke, Sie können dies auf einem Kupferpaar mit Modem über Powerline-Einheiten tun oder Glasfaser für Video in Betracht ziehen.

Vielleicht funktioniert ein 300-Ohm-TV-Kabel mit hohen DC-Verlusten in einem DC-Power-over-RF-AC-Trägermodem. Sie kosten etwa 150 $/Paar (D-Link), wenn Sie sich auf Batterieleistung für Motoren mit Fernladung verlassen.

Signal- und Stromkabel über große Entfernungen
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