一种跨界面海洋航行器的大变量浮力调节系统的制作方法

本发明涉及海洋无人航行器技术领域，具体涉及一种跨界面海洋航行器的大变量浮力调节系统。

背景技术：

随着人类对海洋探索的深入，对于能够替代人类在危险场景中同时开展水面和水下作业的海洋无人运载器也越来越受到重视。作为进行水面、水下航态切换的核心装置，航行器的浮力调节系统在航行器的作业中扮演了至关重要的角色。

目前应用于海洋航行器的浮力调节系统的调节方式大致分为改变自身重力和改变排水体积这两类，但有着如下的缺点：

第一、现有的应用于水面水下航行器的浮力调节系统多采用单一的液体压载方式，即通过将海水压入或排出压载舱改变自身重力从而达到上浮和下潜的目的。但此种方法所能改变的重浮力范围受到压载舱大小的限制。

第二、虽然也有利用液压油加油囊的方式，通过充入或排出油囊内的液压油，改变航行器排水体积，进而达到浮力调节的目的。但此种方法浮力调节范围能力有限，只适用于小型轻质航行器的浮力调节，对于体积稍大的航行器无能为力。

第三、现有的浮力调节系统大多都是单独装配上述装置中的一种，一旦发生故障，无法进行补救。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种跨界面海洋航行器的大变量浮力调节系统。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明一种跨界面海洋航行器的大变量浮力调节系统，包括舱体，舱体盖板，舱体中设置有液体压载装置、气体压载装置和控制器模块；所述控制器模块与液体压载装置连接，用于控制液体压载装置的进水与排水；所述控制器模块与气体压载装置连接，用于控制气体压载装置的进气与排气；所述舱体外部设置有第一压力传感器。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，所述气体压载装置包括高压储气罐、气泵、第二电机、第一气囊、第二气囊、第二常断式电磁阀；所述高压储气罐的气体出口通过管道与气泵的气体进口连通；气泵的气体出口通过管道分别与第一气囊的气体进口、第二气囊的气体进口连接；第一气囊的气体出口与第二气囊的气体出口通过管道均与第二常断式电磁阀的进口连通；第二常断式电磁阀的出口通过管道与外界环境连通；第二电机与气泵连接，用于为气泵提供动力；其中，高压储气罐用以储存高压浮升气体；第一气囊与第二气囊安装于航行器设备舱内两侧，通过向气囊内充入气体或排出气囊内气体改变航行器的排水体积，从而改变无人航行器的浮力；第二电机用以带动气泵运转，为第一气囊和第二气囊充气提供动力。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，所述液体压载装置包括液体压载舱、海水泵、第一电机；所述海水泵通过管道与液体压载舱底部的进出水口连通，用于控制液体压载舱内海水的流入与排出；第一电机与海水泵连接，用于为海水泵提供动力；其中，液体压载舱用以海水的储存，以此来调节航行器的重力；第一电机用以带动海水泵运转，为液体压载装置的进水与排水提供动力。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，所述气体压载装置还包括第一常断式电磁阀、第五电磁阀、第一单向阀、第六电磁阀；所述第一常断式电磁阀设置在高压储气罐与气泵之间；所述第五电磁阀设置在气泵与第一气囊之间；所述第六电磁阀设置在气泵与第二气囊之间；所述第一单向阀的进口通过管道与第二常断式电磁阀的出口连通；其中，所述气泵为单向变排量气泵；第一单向阀用以防止第一气囊、第二气囊排气时发生海水回流。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，所述液体压载装置还包括：第一节流阀、第一常开式电磁阀、电磁阀组、第二节流阀、过滤器；所述第一节流阀的进口通过管道与液体压载舱底部的进出口连通；所述第一节流阀的出口通过管道依次与第一常开式电磁阀、电磁阀组、第二节流阀、过滤器连通；过滤器通过管道与设置在舱体底部的水密通孔连通；所述电磁阀组由四个电磁阀组成，分别为第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀，其中，第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀与第四电磁阀通过管道依次连通，第四电磁阀与第一电磁阀通过管道连通；第一常开式电磁阀通过管道与第一电磁阀和第二电磁阀之间的管道连通；第二节流阀通过管道与第三电磁阀和第四电磁阀之间的管道连通；所述海水泵为单向变排量海水泵；单向变排量海水泵的进水口通过进水管道与第一电磁阀和第四电磁阀之间的管道连通；单向变排量海水泵的出水口通过出水管道与第二电磁阀和第三电磁阀之间的管道连通；在单向变排量海水泵的进水管道与出水管道之间设置有压力平衡阀；其中，第一节流阀用以防止管道内液体压载流量过大；第一常开式电磁阀起开关作用，在液体压载装置发生故障时紧急断开，用以保护液体压载舱；通过控制电磁阀组中不同电磁阀的开断，使电磁阀组与单向变排量海水泵形成进水或出水回路；第一电机用以带动单向变排量海水泵运转，为液体压载装置的进水与排水提供动力；压力平衡阀用以平衡液体压载装置管道内的压力。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，为了防止液体压载舱内气体压力过高，所述液体压载装置还包括泄压模块；所述泄压模块包括气压计和与气压计通过管道依次连通的第三常断式电磁阀、第一溢流阀、第二单向阀；所述气压计通过排气管道与液体压载舱的顶部连通；所述第二单向阀通过管道与舱体外部连通；其中，气压计用以实时监测液体压载舱内的气压；第二单向阀用以防止泄压时海水回流。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，为了防止液体压载舱内气体压力过低，所述液体压载装置还包括加压模块；所述加压模块包括第四常断式电磁阀、第三单向阀；所述第四常断式电磁阀的进口通过管道与单向变排量气泵的出口连通，所述第四常断式电磁阀的出口通过管道与第三单向阀的进口连通；所述第三单向阀的出口通过管道与液体压载舱的顶部连通；其中，第四常断式电磁阀用以控制是否向液体压载舱内加压充气；第三单向阀用以防止液体压载舱内高压气体回流。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，所述液体压载舱上设置有液位计；所述第一节流阀与第一常开式电磁阀之间设置有第二溢流阀；所述单向变排量海水泵的出水管道上设置有第四单向阀；单向变排量海水泵的出水口处设置有第三溢流阀；其中，液位计用以实时获取液体压载舱内的液位信息；第一节流阀用以防止管道内液体压载流量过大；第二溢流阀用以释放管道内压力，防止液体压载舱进出水口的水压过大；第三溢流阀用以防止单向变排量海水泵出水口压力过高发生故障；第四单向阀用以防止液体压载舱内压力过高发生海水回流。

根据上述的大变量浮力调节系统，优选地，所述第一常断式电磁阀与单向变排量气泵之间设置有第三节流阀；所述第五电磁阀与第一气囊之间设置有第五单向阀；所述第六电磁阀与第二气囊设置有第六单向阀；所述第一气囊上设有第二压力传感器；所述第二气囊上设有第三压力传感器；其中，第三节流阀用以防止高压储气罐出气管道内气体流量过高；第五单向阀用以防止第一气囊内由于气体压力过高回流；第六单向阀用以防止第二气囊内由于气体压力过高回流；第二压力传感器用以实时监测第一气囊内的气体压力；第三压力传感器用以实时监测第二气囊内的气体压力。

第二方面，本发明提供了一种上述大变量浮力调节系统的浮力调节方法，所述浮力调节方法包括下潜步骤和上浮步骤：

所述下潜步骤包括以下过程：

a1：控制器模块根据接收到的下潜指令，控制液体压载装置进行进水；同时，控制气体压载装置进行排气；

a2：当液体压载装置进行进水与气体压载装置进行排气的过程中，航行器进行下潜；

所述上浮步骤包括以下过程：

b1：控制器模块根据接收到的上浮指令，控制液体压载装置进行排水；同时，控制气体压载装置进行充气；

b2：当液体压载装置进行排水与气体压载装置进行进气的过程中，航行器进行上浮。

根据上述的浮力调节方法，优选地，液体压载装置进行进水的过程包括以下步骤：

s1：控制器模块根据接收到的进水指令，打开第二电磁阀和第四电磁阀，关闭第一电磁阀和第三电磁阀，形成进水回路；

s2：然后，接通第一电机，第一电机带动单向变排量海水泵运转，使海水依次经过舱体底部的水密通孔、过滤器、第二节流阀、第四电磁阀、单向变排量海水泵、第二电磁阀、第一常开式电磁阀、第一节流阀进入液体压载舱；

s3：使用液位计实时观测液体压载舱内的水位，当液体压载舱内的水位到达指定水位时，通过控制器模块断开第一电机；关闭第二电磁阀和第四电磁阀；

所述气体压载装置的排气过程，包括以下步骤：

p1：控制器模块根据接收到的排气指令，关闭第一常断式电磁阀、第二电机、第五电磁阀、第六电磁阀，停止向第一气囊和第二气囊中通入气体；

p2：然后，打开第二常断式电磁阀，使第一气囊、第二气囊中的气体依次通过第二常断式电磁阀、第一单向阀排出；同时，海水进入舱体内部；

所述上浮步骤包括液体压载装置的排水过程和气体压载装置的进气过程：

所述液体压载装置的排水过程，包括以下步骤：

q1：控制器模块根据接收到的排水指令，打开第一电磁阀和第三电磁阀，关闭第二电磁阀和第四电磁阀，形成排水回路；

q2：然后，接通第一电机，第一电机带动单向变排量海水泵运转，使液体压载舱中的海水依次通过第一节流阀、第一常开式电磁阀、第一电磁阀、单向变排量海水泵、第三电磁阀、第二节流阀、过滤器、舱体底部的水密通孔排出到外部海洋环境中；

q3：使用液位计实时观测液体压载舱内的水位，当液体压载舱内的水位到达指定水位时，通过控制器模块断开第一电机；关闭第一电磁阀和第三电磁阀；

所述气体压载装置的进气过程，包括以下步骤：

r1：控制器模块根据接收到的进气指令，打开第一常断式电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀，形成进气通路；

r2：然后，打开第二电机，使高压储气罐中的气体依次通过第一常断式电磁阀、第三节流阀、单向变排量气泵；然后气体分别通过第五电磁阀、第五单向阀进入第一气囊；通过第六电磁阀、第六单向阀进入第二气囊；

r3：根据第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器实时计算第一气囊、第二气囊的内外压力差，调节进气量；

r4：第一气囊与第二气囊膨胀，将舱体内部的海水排出；

r5：第一气囊与第二气囊完全膨胀后，先关闭第五电磁阀、第六电磁阀；然后关闭第二电机；最后关闭第一常断式电磁阀。

根据上述的浮力调节方法，优选地，还包括液体压载舱的泄气过程，所述泄气过程包括以下步骤：

t1：根据气压计实时观测液体压载舱上部的气压；

t2：当检测到液体压载舱内的气压高于指定压力时，打开第三常断式电磁阀，液体压载舱内的气体依次通过气压计、第三常断式电磁阀、第一溢流阀、第二单向阀排出到外部环境中；

t3:观测气压计值，当液体压载舱内的气压达到期望压力时，关闭第三常断式电磁阀。

根据上述的浮力调节方法，优选地，还包括液体压载舱的充气加压过程，所述充气加压过程包括以下步骤：

u1：根据气压计实时观测液体压载舱上部的气压；

u2：当检测到液体压载舱内的气压低于指定压力时，打开第四常断式电磁阀；

u3：打开第一常断式电磁阀、接通第二电机，使第二电机带动单向变排量气泵预转，使高压储气罐中的气体依次通过第一常断式电磁阀、第三节流阀、单向变排量气泵、第四常断式电磁阀、第三单向阀进入液体压载舱内；

u4：观测气压计值，当液体压载舱内的气压达到期望压力时，依次关闭第二电机、第一常断式电磁阀和第四常断式电磁阀。

与现有技术相比，本发明的积极有益效果为：

（1）本发明的浮力调节系统为二级浮力调节系统，结合了液体和气体两种压载方式，利用单向变排量海水泵与电磁阀组来控制海水的通入与排出，改变航行器的自重，实现航行器的下潜与上浮；同时，通过气囊的充气与放气来控制舱体内部海水的排出与通入，实现航行器的浮潜过程；本发明将液体与气体两种压载方式相结合，使航行器具有更大的给排水体积，改变无人航行器自重浮力的范围更广，进水排水方式更为灵活，能够使无人航行器具有更快的下潜和上浮速度。

（2）本发明的液体压载装置中设有加压模块和泄压模块，通过对液体压载舱进行加压或泄压，防止液体压载舱内压力过低或过高而导致排水或进水困难，影响航行器的上浮与下潜。

（3）本发明的浮力调节系统能够有效的调节航行器的浮力，实现航行器快速的上浮与下潜；液体压载与气体压载相结合，但又相对独立，当其中一种压载方式出现故障时，另一种压载方式仍能正常工作，保证了上浮与下潜的有效性，具有一定的容错性能。

附图说明

图1为本发明的外观结构图；

图2为本发明实施例1的浮力调节系统框图；

图中，1为舱体，2为舱体盖板，3为液体压载装置，4为气体压载装置，5为液体压载舱，6为液位计，7为第一节流阀，8为第一常开式电磁阀，9为第二溢流阀，10为电磁阀组，101为第一电磁阀，102为第二电磁阀，103为第三电磁阀，104为第四电磁阀，11为第二节流阀，12为过滤器，13为单向变排量海水泵，14为第一电机，15为第四单向阀，16为压力平衡阀，17为第三溢流阀；18为高压储气罐，19为第二气囊，20为第一常断式电磁阀，21为第三节流阀，22为单向变排量气泵，23为第二电机，24为第六电磁阀，25为第六单向阀，26为第三压力传感器，27为第五电磁阀，28为第五单向阀，29为第二压力传感器，30为第一气囊，31为第二常断式电磁阀，32为第一单向阀，33为第三常断式电磁阀，34为第一溢流阀，35为第二单向阀，36为气压计，37为第四常断式电磁阀，38为第三单向阀，39为控制器模块，40为第一压力传感器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下通过具体实施例对本发明一种跨界面海洋航行器的大变量浮力调节系统作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种跨界面海洋航行器的大变量浮力调节系统，其外观结构图如图1所示，浮力调节系统框图如图2所示，外观结构图包括舱体1，舱体盖板2，舱体1与舱体盖板2形成设备舱；舱体1中设置有液体压载装置3、气体压载装置4和控制器模块39；所述液体压载装置3和气体压载装置4中的可控元件、传感器和执行器都与控制器模块39连接；所述舱体1外部设置有第一压力传感器40。

所述液体压载装置3包括：液体压载舱5和通过管道与液体压载舱5底部依次连通的第一节流阀7、第一常开式电磁阀8、电磁阀组10、第二节流阀11、过滤器12；过滤器12通过管道与设置在舱体1底部的水密通孔连通；所述电磁阀组10由四个电磁阀组成，分别为第一电磁阀101、第二电磁阀102、第三电磁阀103、第四电磁阀104，其中，第一电磁阀101、第二电磁阀102、第三电磁阀103与第四电磁阀104通过管道依次连通，第四电磁阀104与第一电磁阀101通过管道连通；第一常开式电磁阀8通过管道与第一电磁阀101和第二电磁阀102之间的管道连通；第二节流阀11通过管道与第三电磁阀103和第四电磁阀104之间的管道连通；所述液体压载装置3还包括单向变排量海水泵13和第一电机14，单向变排量海水泵13的进水口通过进水管道与第一电磁阀101和第四电磁阀104之间的管道连通；单向变排量海水泵13的出水口通过出水管道与第二电磁阀102和第三电磁阀103之间的管道连通；在单向变排量海水泵13的进水管道与出水管道之间设置有压力平衡阀16；所述单向变排量海水泵13与第一电机14连接；其中，液体压载舱5用以海水的储存，以此来调节航行器的重力；第一节流阀7用以防止管道内液体压载流量过大；第一常开式电磁阀8起开关作用，在液体压载装置3发生故障时紧急断开，用以保护液体压载舱5；通过控制电磁阀组10中不同电磁阀的开断，使电磁阀组10与单向变排量海水泵13形成进水或出水回路；第一电机14用以带动单向变排量海水泵13运转，为液体压载装置3的进水与排水提供动力；压力平衡阀16用以平衡液体压载装置3管道内的压力。

所述气体压载装置4包括高压储气罐18和通过气体管道与高压储气罐18依次连接的第一常断式电磁阀20、单向变排量气泵22、第五电磁阀27、第一气囊30、第二常断式电磁阀31、第一单向阀32；所述气体压载装置4还包括第六电磁阀24、第二气囊19；所述第六电磁阀24通过管道分别与单向变排量气泵22和第二气囊19连通，所述第二气囊19通过管道与第二常断式电磁阀31连通；所述单向变排量气泵22连接有第二电机23；其中，高压储气罐18用以储存高压浮升气体；第一气囊30与第二气囊19安装于航行器设备舱内两侧，通过向气囊内充入气体或排出气囊内气体改变航行器的排水体积，从而改变无人航行器的浮力；第二电机23用以带动单向变排量气泵22运转，为第一气囊30和第二气囊19的充气提供动力；第一单向阀32用以防止第一气囊30、第二气囊19排气时发生海水回流。

为了防止液体压载舱5内气体压力过高，所述液体压载装置3还包括泄压模块；所述泄压模块包括气压计36和与气压计36通过管道依次连通的第三常断式电磁阀33、第一溢流阀34、第二单向阀35；所述气压计36通过排气管道与液体压载舱5的顶部连通；所述第二单向阀35通过管道与舱体1外部连通；其中，气压计36用以实时监测液体压载舱5内的气压；第二单向阀35用以防止泄压时海水回流。

为了防止液体压载舱5内气体压力过低，导致舱内水位过高，所述液体压载装置3还包括加压模块；所述加压模块包括第四常断式电磁阀37、第三单向阀38；所述第四常断式电磁阀37通过管道分别与单向变排量气泵22和第三单向阀38连通；所述第三单向阀38通过管道与液体压载舱5的顶部连通；其中，第四常断式电磁阀37用以控制是否向液体压载舱5内加压充气；第三单向阀38用以防止液体压载舱5内高压气体回流。

所述液体压载舱5上设置有液位计6；所述第一节流阀7与第一常开式电磁阀8之间设置有第二溢流阀9；所述单向变排量海水泵13的出水管道上设置有第四单向阀15；单向变排量海水泵13的出水管道上设置有第三溢流阀17；其中，液位计6用以实时获取液体压载舱5内的液位信息；第一节流阀7用以防止管道内液体压载流量过大；第二溢流阀9用以释放管道内压力，防止液体压载舱5进出水口的水压过大；第三溢流阀17用以防止单向变排量海水泵13出水口压力过高发生故障；第四单向阀15用以防止液体压载舱5内压力过高发生海水回流。

所述第一常断式电磁阀20与单向变排量气泵22之间设置有第三节流阀21；所述第五电磁阀27与第一气囊30之间设置有第五单向阀28；所述第六电磁阀24与第二气囊19设置有第六单向阀25；所述第一气囊30上设有第二压力传感器29；所述第二气囊19上设有第三压力传感器26；其中，第三节流阀21用以防止高压储气罐18出气管道内气体流量过高；第五单向阀28用以防止第一气囊30内由于气体压力过高回流；第六单向阀25用以防止第二气囊19内由于气体压力过高回流；第二压力传感器29用以实时监测第一气囊30内的气体压力；第三压力传感器26用以实时监测第二气囊19内的气体压力。

实施例2：

一种实施例1所述的大变量浮力调节系统的浮力调节方法，所述浮力调节方法包括下潜步骤和上浮步骤：

所述下潜步骤包括液体压载装置3的进水过程和气体压载装置4的排气过程：

所述液体压载装置3的进水过程，包括以下步骤：

s1：控制器模块39根据接收到的进水指令，打开第二电磁阀102和第四电磁阀104，关闭第一电磁阀101和第三电磁阀103，形成进水回路；

s2：然后，接通第一电机14，第一电机14带动单向变排量海水泵13运转，使海水依次经过舱体1底部的水密通孔、过滤器12、第二节流阀11、第四电磁阀104、单向变排量海水泵13、第二电磁阀102、第一常开式电磁阀8、第一节流阀7进入液体压载舱5；

s3：使用液位计6实时观测液体压载舱5内的水位，当液体压载舱5内的水位到达指定水位时，通过控制器模块39断开第一电机14；关闭第二电磁阀102和第四电磁阀104；

所述气体压载装置4的排气过程，包括以下步骤：

p1:控制器模块39根据接收到的排气指令，关闭第一常断式电磁阀20、第二电机23、第五电磁阀27、第六电磁阀24，停止向第一气囊30和第二气囊19中通入气体；

p2：然后，打开第二常断式电磁阀31，使第一气囊30、第二气囊19中的气体依次通过第二常断式电磁阀31、第一单向阀32排出；同时，海水进入舱体1内部。

所述上浮步骤包括液体压载装置3的排水过程和气体压载装置4的进气过程：

所述液体压载装置3的排水过程，包括以下步骤：

q1：控制器模块39根据接收到的排水指令，打开第一电磁阀101和第三电磁阀103，关闭第二电磁阀102和第四电磁阀104，形成排水回路；

q2：然后，接通第一电机14，第一电机14带动单向变排量海水泵13运转，使液体压载舱5中的海水依次通过第一节流阀7、第一常开式电磁阀8、第一电磁阀101、单向变排量海水泵13、第三电磁阀103、第二节流阀11、过滤器12、舱体1底部的水密通孔排出到外部海洋环境中；

q3：使用液位计6实时观测液体压载舱5内的水位，当液体压载舱5内的水位到达指定水位时，通过控制器模块39断开第一电机14；关闭第一电磁阀101和第三电磁阀103；

所述气体压载装置4的进气过程，包括以下步骤：

r1：控制器模块39根据接收到的进气指令，打开第一常断式电磁阀20、第五电磁阀27、第六电磁阀24，形成进气通路；

r2：然后，打开第二电机23，使高压储气罐18中的气体依次通过第一常断式电磁阀20、第三节流阀21、单向变排量气泵22；然后气体分别通过第五电磁阀27、第五单向阀28进入第一气囊30；通过第六电磁阀24、第六单向阀25进入第二气囊19；

r3：根据第一压力传感器40、第二压力传感器29和第三压力传感器26实时计算第一气囊30、第二气囊19的内外压力差，调节进气量；

r4：第一气囊与第二气囊膨胀，将舱体1内部的海水排出；

r5：第一气囊与第二气囊完全膨胀后，先关闭第五电磁阀27、第六电磁阀24；然后关闭第二电机23；最后关闭第一常断式电磁阀20。

浮力调节方法，还包括液体压载舱5的泄气过程，所述泄气过程包括以下步骤：

t1：根据气压计36实时观测液体压载舱5上部的气压；

t2：当检测到液体压载舱5内的气压高于指定压力时，打开第三常断式电磁阀33，液体压载舱5内的气体依次通过气压计36、第三常断式电磁阀33、第一溢流阀34、第二单向阀35排出到外部环境中；

t3:观测气压计36值，当液体压载舱5内的气压达到期望压力时，关闭第三常断式电磁阀33。

浮力调节方法，还包括液体压载舱5的充气加压过程，所述充气加压过程包括以下步骤：

u1：根据气压计36实时观测液体压载舱5上部的气压；

u2：当检测到液体压载舱5内的气压低于指定压力时，打开第四常断式电磁阀37；

u3：打开第一常断式电磁阀20、接通第二电机23，使第二电机23带动单向变排量气泵22预转，使高压储气罐18中的气体依次通过第一常断式电磁阀20、第三节流阀21、单向变排量气泵22、第四常断式电磁阀37、第三单向阀38进入液体压载舱5内；

u4：观测气压计36值，当液体压载舱5内的气压达到期望压力时，依次关闭第二电机23、第一常断式电磁阀20和第四常断式电磁阀37。