การออกแบบและระบบสื่อสารสำหรับโดรน (UAV) โดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสง

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับสายเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงสำหรับโดรน หมายถึงแผงวงจรเชื่อมต่อภายในตัวโดรนที่ใช้เมื่อระบบโดรนแบบมีสายเชื่อมต่อมีใยแก้วนำแสงเป็นส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อสื่อสาร ในการออกแบบสายเคเบิลสำหรับโดรนแบบมีสายเชื่อมต่อในทางปฏิบัติ พลังงานไฟฟ้ามักจะถูกส่งผ่านตัวนำทองแดง ในขณะที่ใยแก้วนำแสงอาจถูกเพิ่มเข้าไปในสายเชื่อมต่อเดียวกันเมื่อต้องการการถ่ายโอนข้อมูลที่มีแบนด์วิดท์สูง การสื่อสารที่ปลอดภัย หรือการส่งสัญญาณที่มีการรบกวนต่ำ ดังนั้น แผงวงจรนี้จึงเป็นส่วนเชื่อมต่อการสื่อสารด้วยแสงภายในระบบสายเคเบิลโดรนแบบมีสายเชื่อมต่อที่กว้างขึ้น แทนที่จะเป็นโมดูลจ่ายไฟแบบแยกต่างหาก

ในการกำหนดค่านี้ แผงวงจรจะอยู่ตรงขอบเขตระหว่างสายเคเบิลยึดและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในของโดรน ทำหน้าที่แปลงสัญญาณแสงในใยแก้วนำแสงด้านสายเคเบิลยึดและอินเทอร์เฟซข้อมูลไฟฟ้าภายในตัวเครื่อง พร้อมทั้งรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณภายใต้การสั่นสะเทือน การเคลื่อนไหวของสายเคเบิล การเปลี่ยนแปลงแรงดึง และความเครียดทางกลที่เกิดจากม้วนสาย ในระบบที่ใช้สายเคเบิลยึดอเนกประสงค์ แผงวงจรอาจทำงานร่วมกับโมดูลแปลงพลังงานบนตัวเครื่องแยกต่างหาก ซึ่งทำหน้าที่จัดการพลังงานไฟฟ้าแรงสูงที่ส่งผ่านตัวนำสายเคเบิล

สายเคเบิลใยแก้วนำแสงสำหรับโดรน (UAV) ที่ใช้เป็นขอบเขตของระบบ

ในแง่ของสถาปัตยกรรมระบบ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับโดรนที่เชื่อมต่อกับสายเคเบิลใยแก้วนำแสง ทำหน้าที่เป็นขอบเขตการสื่อสารระหว่างเส้นทางแสงด้านสายเคเบิลและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนตัวโดรน บทบาทนี้มีความสำคัญเมื่อสายเคเบิลของโดรนที่เชื่อมต่ออยู่ไม่ได้ใช้เพียงแค่สำหรับการจ่ายพลังงานเท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับการสื่อสารด้วย ภายนอก แผงวงจรจะเชื่อมต่อกับสายเคเบิลที่ต้องเผชิญกับการเคลื่อนไหว การโค้งงอ แรงลม การเปลี่ยนแปลงแรงดึง และการเปลี่ยนแปลงของม้วนสาย ส่วนภายใน จะเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์ เส้นทางวิดีโอ อุปกรณ์สื่อสาร หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับภารกิจที่ต้องการพฤติกรรมของสัญญาณที่เสถียรและคาดการณ์ได้

ด้วยเหตุนี้ บอร์ดจึงมักถูกนำไปใช้เป็นอินเทอร์เฟซเฉพาะ แทนที่จะรวมเข้ากับตัวควบคุมการบินหลักโดยตรง ขั้วต่อด้านสายเคเบิล เส้นทางเดินสายใยแก้วนำแสง และโครงสร้างทางเข้าสายเคเบิลแบบกลไก ทำให้เกิดข้อกำหนดที่แตกต่างอย่างมากจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ บนเครื่องบิน บริบทของระบบที่กว้างขึ้นสำหรับฮาร์ดแวร์ประเภทนี้จะกล่าวถึงในภาพรวมสถาปัตยกรรมPCB ของโดรนใยแก้วนำแสง

เส้นทางสัญญาณแสง: จากสายไฟเบอร์ออปติกไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนตัวอุปกรณ์

สัญญาณขาเข้าจะส่งมาถึงโดรนผ่านใยแก้วนำแสงที่ติดตั้งอยู่ในสายเคเบิลเชื่อมต่อ และสิ้นสุดที่ขั้วต่อหรืออินเทอร์เฟซทางเข้าใยแก้วนำแสงที่มีการป้องกัน ขึ้นอยู่กับแพลตฟอร์ม อาจใช้ขั้วต่อใยแก้วนำแสงมาตรฐานทั่วไป หรือโครงสร้างที่ทนทานกว่าซึ่งออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง บนตัวเครื่อง สัญญาณแสงที่ได้รับจะถูกแปลงเป็นรูปแบบไฟฟ้าโดยเส้นทางรับสัญญาณ แล้วส่งต่อไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการสื่อสารหรือการประมวลผลของโดรน

ในทิศทางตรงกันข้าม ข้อมูลบนบอร์ดจะถูกแปลงเป็นอนุกรมหรือเตรียมการโดยเส้นทางการสื่อสาร แปลงเป็นแสงแบบมอดูเลตโดยวงจรส่งสัญญาณ และส่งเข้าสู่ใยแก้วนำแสงฝั่งสายเชื่อมต่อ ดังนั้นบอร์ดจึงรองรับการไหลของข้อมูลแบบสองทิศทางในขณะที่ควบคุมการสูญเสียการแทรก การไวต่อการสะท้อน และการรบกวนรอบ ๆ อินเทอร์เฟซทางแสง

หลักการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณระดับบอร์ดแบบเดียวกันกับที่ใช้ในการออกแบบอินเทอร์เฟซออปติคอลสำหรับโดรนอื่นๆ ยังคงใช้ได้ในที่นี้ รวมถึงการควบคุมอิมพีแดนซ์ ความต่อเนื่องของแหล่งอ้างอิง และการแยกสัญญาณฝั่งตัวรับส่งสัญญาณอย่างระมัดระวัง หลักการพื้นฐานเหล่านี้ได้มีการกล่าวถึงไว้ในหน้าบอร์ดเชื่อมต่อข้อมูลออปติคอลสำหรับโดรน ด้วยเช่นกัน

ความสัมพันธ์กับสถาปัตยกรรมสายส่งไฟฟ้า

ไม่ควรสับสนระหว่าง แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของโดรนแบบมีสายไฟเบอร์ออปติกกับขั้นตอนการแปลงพลังงานหลักบนอากาศของโดรนแบบมีสาย ในระบบโดรนแบบมีสายหลายระบบ พลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านสายเคเบิลโดยใช้ตัวนำทองแดง ซึ่งมักจะใช้แรงดันไฟฟ้าสูงเพื่อลดน้ำหนักของสายเคเบิลและการสูญเสียในการส่ง จากนั้นเครื่องบินจะใช้โมดูลพลังงานเฉพาะเพื่อแปลงอินพุตนั้นให้เป็นแรงดันไฟฟ้าต่ำที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนเครื่อง

เมื่อมีการรวมใยแก้วนำแสงไว้ในสายเคเบิลด้วย บทบาทของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับสายเคเบิลใยแก้วนำแสงก็จะแตกต่างออกไป โดยหลักแล้วจะมีหน้าที่ในการสื่อสาร ควบคุม หรือถ่ายโอนข้อมูลที่ขอบเขตทางแสง ในสายเคเบิลอเนกประสงค์ เส้นทางพลังงานไฟฟ้าและเส้นทางการสื่อสารด้วยแสงอาจอยู่ร่วมกันในสายเคเบิลเดียวกัน แต่ยังคงเป็นระบบย่อยที่แยกจากกันในฝั่งเครื่องบิน ความแตกต่างนี้มีความสำคัญเนื่องจากแผงวงจรเชื่อมต่อการสื่อสารและฮาร์ดแวร์แปลงพลังงานไม่ได้มีลำดับความสำคัญในการออกแบบที่เหมือนกัน

ในโดรนแบบมีสายเชื่อมต่อระยะสั้น สายเชื่อมต่ออาจเป็นสายเคเบิลไฟฟ้าหรือเชือกเคเบิลที่ออกแบบมาเพื่อการส่งพลังงานที่มีน้ำหนักเบาเป็นหลัก ในระบบที่มีความสามารถสูงกว่าหรือใช้งานได้หลายวัตถุประสงค์ อาจมีการเพิ่มใยแก้วนำแสงเพื่อรองรับการส่งข้อมูลแบนด์วิดท์สูง การสื่อสารที่มีการรบกวนต่ำ หรือข้อกำหนดการเชื่อมต่อขั้นสูงอื่นๆ

การบูรณาการกับระบบจัดการม้วนสายและสายเคเบิล

ระบบโดรนแบบมีสายเชื่อมต่อจำนวนมากใช้แกนม้วนสาย ม้วนสาย หรือโครงสร้างจัดการสายเคเบิลที่เกี่ยวข้องเพื่อจัดการการปล่อยและการดึงกลับ ในกรณีที่ใยแก้วนำแสงถูกรวมเข้ากับสายเชื่อมต่อ บอร์ดควบคุมจะไม่สามารถทำงานได้เพียงแค่จากจุดเชื่อมต่อสายเคเบิลแบบคงที่เท่านั้น แต่ยังต้องมีความน่าเชื่อถือในขณะที่สายเชื่อมต่อถูกนำทาง ดึงให้ตึง ม้วนเก็บ หรือเปลี่ยนทิศทางโดยฮาร์ดแวร์โดยรอบด้วย

ในระบบที่มีม้วนสายไฟเบอร์ออปติกหรือฮาร์ดแวร์การติดตั้งที่เกี่ยวข้อง แผงวงจรอาจอยู่ใกล้จุดเปลี่ยนสายเคเบิล ซึ่งการควบคุมการโค้งงอ ความเสถียรในการจัดวาง การป้องกันขั้วต่อ และการยึดทางกลล้วนมีความสำคัญอย่างยิ่ง นั่นคือเหตุผลที่แผงวงจรประเภทนี้มักเชื่อมต่อกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของม้วนสายไฟเบอร์ออปติกหรือในฝั่งตัวรองรับ แผงวงจรพิมพ์ (PCB ) ของกระบอกไฟเบอร์ออปติก

ระบบจัดการสายเคเบิลยังสามารถส่งผลต่อสภาพแวดล้อมอินเทอร์เฟซบนเครื่องบินได้อีกด้วย ระบบเหล่านี้อาจตรวจสอบแรงดึงของสายเคเบิล ปรับความหย่อน และชดเชยการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของเครื่องบินหรือสถานีฐาน แม้ว่าแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของสายเคเบิลใยแก้วนำแสงจะออกแบบมาเพื่อการสื่อสารมากกว่าการจัดการพลังงาน แต่ก็ยังต้องทนต่อผลกระทบทางกลที่เกิดจากพฤติกรรมการจัดการสายเคเบิลในระหว่างการใช้งาน

การตรวจสอบสถานะการเชื่อมต่อและสายเคเบิลอย่างต่อเนื่อง

ในการใช้งานขั้นสูงขึ้น บอร์ดอาจตรวจสอบสภาพของลิงก์ใยแก้วนำแสงและสภาพทางกลของเส้นทางสายเคเบิลระหว่างการทำงานด้วย ซึ่งจะช่วยตรวจจับความเสื่อมสภาพก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวโดยสิ้นเชิง และสนับสนุนพฤติกรรมภารกิจที่เชื่อถือได้มากขึ้น

ข้อมูลการตรวจสอบสามารถส่งไปยังตัวควบคุมการบิน คอมพิวเตอร์ภารกิจ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สนับสนุน เพื่อแจ้งเตือน จัดการข้อผิดพลาด หรือติดตามการบำรุงรักษา ประสิทธิภาพทางแสงที่ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปอาจบ่งชี้ถึงการปนเปื้อนหรือความเครียดจากการดัดงอที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันอาจกระตุ้นขั้นตอนการป้องกัน ฟังก์ชันสนับสนุนเสริมทางด้านภาคพื้นดินอาจได้รับการจัดการโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในตัวเรือนและสถานีภาคพื้นดิน

การออกแบบเชิงกลที่จุดเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง

บริเวณทางเข้าสายเคเบิลและขั้วต่อใยแก้วนำแสงเป็นหนึ่งในส่วนที่มีความไวต่อแรงทางกลมากที่สุดของอินเทอร์เฟซ ต้องรักษาการจัดแนวและความเสถียรของเส้นทางภายใต้การสั่นสะเทือน การขยายตัวจากความร้อน การเคลื่อนที่ของสายเคเบิล และแรงกระทำแบบไดนามิกใดๆ ที่เกิดจากการม้วนสาย การปรับความหย่อน หรือการเปลี่ยนแปลงแรงดึงของสายยึด

โดยทั่วไปแล้ว ข้อกำหนดระดับแผงวงจรประกอบด้วย:การรองรับตัวเชื่อมต่อที่แข็งแรง การติดตั้งที่เสริมความแข็งแรงรอบจุดยึดทางกล การลดแรงดึงที่ป้องกันไม่ให้แรงดึงของสายเคเบิลกระทำโดยตรงต่อปลายสายใยแก้วนำแสง และการจัดวางรูปทรงเรขาคณิตของทางเข้าสายเคเบิลอย่างระมัดระวังเพื่อให้เส้นทางใยแก้วนำแสงยังคงเสถียรในระหว่างการใช้งาน หากมีการใช้สารเคลือบแบบคอนฟอร์มอล จะต้องมีการปิดบังบางส่วนเพื่อรักษาพื้นผิวการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงให้สะอาดและใช้งานได้

รัศมีโค้งงอของเส้นใยเป็นข้อจำกัดที่สำคัญอีกประการหนึ่ง เส้นทางเข้าของสายเคเบิลต้องอยู่เหนือรัศมีโค้งงอขั้นต่ำที่กำหนดไว้สำหรับเส้นใย ดังนั้นตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อ PCB โครงสร้างนำทาง และส่วนประกอบทางกลที่อยู่ใกล้เคียงต้องรักษาเรขาคณิตนั้นไว้ตลอดช่วงการทำงานทั้งหมดของระบบ

วัสดุ การเสริมความแข็งแรงให้ทนทานต่อสภาพแวดล้อม และการประกอบ

ระบบสายเคเบิลของโดรนที่เชื่อมต่อด้วยสายเคเบิลมักใช้งานกลางแจ้งในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ฝุ่นละออง และการกระแทก แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้านที่เชื่อมต่อกับสายเคเบิลอาจอยู่ใกล้บริเวณที่สายเคเบิลเข้า ซึ่งมีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนและแรงกดทางกายภาพสูงกว่าในช่องเก็บอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีการป้องกันมากกว่า

กระบวนการผลิตอาจต้องใช้การผลิตแบบควบคุมอิมพีแดนซ์สำหรับส่วนความเร็วสูงทางแสง โครงสร้างการติดตั้งที่เสริมความแข็งแรง การประกอบแบบผสมผสานเทคโนโลยี และการปิดบังส่วนต่างๆ รอบบริเวณที่สำคัญต่อแสงและตัวเชื่อมต่ออย่างเลือกสรร ในกรณีที่ระบบโดยรวมยังแบ่งส่วนตรรกะการควบคุมผ่านเส้นทางแสง แผงวงจรอาจทับซ้อนกันในเชิงแนวคิดกับแผงวงจรควบคุม UAV ที่ใช้ใยแก้วนำแสงขึ้นอยู่กับวิธีการจัดเรียงฟังก์ชันการสื่อสารและการควบคุม

บริษัท Highleap Electronics ผลิตแผงวงจรสำหรับสายเคเบิลเชื่อมต่อโดรน (UAV tether circuit boards) สำหรับใช้งานเชิงพาณิชย์และด้านการป้องกันประเทศ โดยรองรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณที่แม่นยำ การออกแบบอินเทอร์เฟซที่ทนทาน และข้อกำหนดการประกอบเฉพาะสำหรับการใช้งานแต่ละประเภท สำหรับโครงการใหม่ สามารถส่งข้อมูลการออกแบบและข้อกำหนดของระบบผ่านแบบฟอร์มการตรวจสอบทางวิศวกรรมเพื่อการตรวจสอบความเป็นไปได้ในการผลิตและขอใบเสนอราคาได้

ขอรับใบเสนอราคา PCB ของ Tether