一种主动平衡耐压装备及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于深海潜水器耐压装置，尤其设及一种主动平衡耐压装备及其控制方 法。
【背景技术】
[0002] "可上九天揽月，可下五洋捉整"，人类对海洋的探索从未停止，21世纪更是被称为 海洋的世纪，各种深海潜水器也层出不穷，载人下潜深度纪录也不断被打破。然而深海的高 压、海水的流动对潜水器耐压性、平衡能力W及人员的安全造成不小的威胁。作为潜水器的 重要组成部分，耐压壳体起着保障下潜过程中内部设备正常工作和人员健康安全的作用， 其重量占潜水器总重的1/4-1/2,因此，一种轻便、高耐压、稳定、平衡性好的耐压壳成了较 为理想的追求。
[0003] 海水的流动等外力会对耐压壳造成扰动，目前技术中，耐压壳在受到外力后仅靠 耐压壳的自重及配重来保持内层壳的平衡（自平衡），效果并不理想。一方面，整个过程 漫长，且过程中壳体都处于晃动状态，运种晃动幅度及时间周期与从人员的安全舒适的角 度W及舱内设备的可靠性方面考虑所要求的晃动幅度及时间周期相差较大，因此，运种自 平衡的效果并不理想。另一方面，现在的潜水器主要通过较为复杂的负反馈闭环控制系统 控制布置在潜水器周围的多组推进器调节潜水器的姿态并减小晃动W及晃动的时间周期， 然而，此种方法的缺点也是非常明显的。首先，该种控制系统需要消耗大量的能量，潜水设 备的能源需要分出一部分给控制系统，从而用于动力驱动的能源就少了，影响到潜水设备 的续航，工作周期的缩短对深海工作来说是非常不利的，会增加工作人员的时间紧迫感；其 次，由于其控制环节较多，需要一个较为复杂繁琐的控制系统及程序，控制过程复杂、繁琐、 易出错。
[0004] 因此，需要一种新的技术方案W解决上述技术问题。
【发明内容】
阳〇化]本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种主动平衡耐压装备及其控制方法， 解决了在耐压设备受到外力扰动时，耐压设备可快速依靠自身重量及配重进行平衡调节、 保持稳定的技术问题，W保护人员的安全及工作的精准进行。
[0006] 为实现本发明的目的，本发明提出了一种主动平衡耐压装备，该主动平衡耐压装 备包括从内向外依次设置的内层壳，中层支架，外层架套装组成，所述内层壳、中层支架为 中屯、线重合的蛋形结构；所述内层壳与中层支架之间、中层支架与外层架之间均通过一对 轴线过内层壳重屯、的连接轴组件连接，两对连接轴组件的轴线相互垂直且在同一水平面 内，使得内层壳与中层支架之间、中层支架与外层架之间分别可W相互转动；其中，每对连 接轴组件中，均有一个连接轴组件与步进电机相连用W调节内层壳与中层支架之间、中层 支架与外层架之间的相互转动；所述内层壳内部安装有内层壳配重、巧螺仪和加速度计一 体传感器及主控系统，所述内层壳配重用于保持内层壳的自平衡，所述巧螺仪和加速度计 一体传感器用于感测内层壳的运动状态及倾斜角度，进而通过主控系统控制步进电机w调 节内层壳的平衡。
[0007]本发明的主动平衡耐压装备与现有技术相比，内层壳采用蛋形壳体结构，中层支 架采用蛋形钢架结构，最外层借助潜水器的舱体通过轴承结构与中层架相连组成外层架。 外面两层支架结构起到固定内层壳体W及平衡调节的作用。当壳体受到外力作用晃动时， 一方面，由于Ξ层结构类似于两轴巧螺仪结构，耐压装备可W通过自身重量及配重进行部 分平衡调节；另一方面，主控系统通过接收巧螺仪和加速度计一体传感器的反馈信息并控 制步进电机调整内层耐压壳的转动W达到平衡，保持稳定，W保护人员的安全及工作的精 准进行。
[0008] 对应地，本发明还提出了主动平衡耐压装备的控制方法，该控制方法包括W下步 骤：
[0009] (1)当外层架发生晃动而带动内层壳的晃动时，所述巧螺仪和加速度计一体传感 器会分别测得内层壳在X，Y方向上的角速度和角加速度，运时巧螺仪和加速度计一体传感 器输出的电压就会发生变化，在测量范围内电压值与角速度为一一对应关系，可W根据所 述巧螺仪和加速度计一体传感器输出的电压分别计算得知内层壳在X，Y两个方向上的运 动状态W及倾斜角度；
[0010] (2)使用PLC左侧高速A/D模块将采集到的电压模拟量转化为PLC所需要的数字 量，通过化C内部写入的PID程序进行计算，使用两个PID，分别对应内层壳的X、Y两个方 向；
[0011] (3)将巧螺仪和加速度计一体传感器采集到的信号经过PID程序计算之后，PLC输 出相应的脉冲信号，主控系统接收脉冲信号，主控系统通过步进电机驱动装置控制步进电 机的旋转方向W及旋转的速度、角度，步进电机按照指令旋转，内层壳与中层支架之间的步 进电机带动内层壳旋转，中层支架与外层架之间的步进电机带动中层支架和内层壳旋转， 实现内层壳平衡的调节；
[0012] (4)在步进电机旋转调节的同时，巧螺仪和加速度计一体传感器还在继续采集内 层壳在X，Y两个方向上的运动状态W及倾斜角度，主控系统接收采集到的信息、实现信号 的反馈，经过不断循环，使得内层壳维持在平衡稳定状态。
[0013] 本发明的主动平衡耐压装备的控制方法与现有技术相比：增加主控平衡调节的方 式，可W消除余差，又能够提高系统的稳定性，控制过程简单、快速高效，可增加潜水设备的 续航。
【附图说明】
[0014] 图1本发明主动平衡耐压装备立体图。
[0015] 图2为本发明主动平衡耐压装备全剖俯视图。
[0016] 图3为本发明主动平衡耐压装备全剖主视图。
[0017] 图4为图2中内层壳与中层支架第一连接轴组件9局部放大剖视图。 阳01引图5为图2中内层壳与中层支架第二连接轴组件10局部放大剖视图。
[0019] 图6为图5中圆锥滚子轴承、轴、轴承套、轴承端盖部分连接的局部放大图。
[0020] 图7为图2中中层支架与外层架第Ξ连接轴组件11局部放大剖视图。
[0021] 图8为图2中中层支架与外层架第四连接轴组件12局部放大剖视图。 阳0巧图9为图2中外层架与法兰连接组件13局部放大剖视图。
[0023] 图10电控系统线路连接图。
[0024] 图11航空接头组件局部放大图。 阳0巧]图12为内层壳舱盖的俯视图。
[0026] 图13为内层壳舱盖主视全剖图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】，进一步阐明本发明，应理解下述【具体实施方式】仅 用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本 发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0028] 请参阅图1-3所示，本发明提出了一种主动平衡耐压装备，该主动平衡耐压装备 包括从内向外依次设置的内层壳1，中层支架2,外层架3(外层潜水器舱体）套装组成，内 层壳1、中层支架2为中屯、线重合的蛋形结构；内层壳1与中层支架2之间、中层支架2与 外层架3之间均通过一对轴线过内层壳1重屯、的连接轴组件连接，两对连接轴组件的轴线 相互垂直且在同一水平面内，使得内层壳1与中层支架2之间、中层支架2与外层架3之间 分别可W相互转动；其中，每对连接轴组件中，均有一个连接轴组件与步进电机相连用W调 节内层壳1与中层支架2之间、中层支架2与外层架3之间的相互转动；内层壳1内部安装 有内层壳配重4、巧螺仪和加速度计一体传感器5及主控系统6,内层壳配重4用于机械保 持内层壳1的自平衡，巧螺仪和加速度计一体传感器5用于感测内层壳1的运动状态及倾 斜角度，进而通过主控系统6控制步进电机W调节内层壳1的平衡。其中，巧螺仪和加速度 计一体传感器5及主控系统6固定在固定台7上，固定台7通过Ξ角支架8固定在内层壳 1内部。
[0029] 请结合图4-6所示，内层壳1与中层支架2之间的一对连接轴组件设置在内层壳1 的长轴上，包括设置在内层壳尖头部一端的第一连接轴组件9和远离内层壳尖头部的另一 端的第二连接抽组件10,第二连接轴组件10上设有第一步进电机1001。
[0030] 第一连接轴91、第二连接轴1002焊接在内层壳1上，第一连接轴91与第二连接 轴1002的外侧分别套设有轴承套92/1003,第一连接轴91、第二连接轴1002的轴肩与轴 承套92/1003的内阶梯肩之间固定有圆锥滚子轴承93/1004,轴承套92/1003上通过螺钉 94/1005连接有轴承端盖95/1006,轴承端盖95/1006与第一连接轴91、第二连接轴1002之 间卡有0型密封圈96/1007,螺钉94/1005与轴套端盖95/1006之间夹有金属垫片97/1008、 轴承端盖95/1006与轴承套92/1003之间也夹有垫片98/1009,第二连接轴1002的远离内 层壳1的一端设有凹槽并通过键1010与第一步进电机1001的电机主轴1011相连，第一步 进电机1001设置在电机舱1012内，电机舱1012的前端连接在第二连接轴1002的轴承套 1003上。其中，0型密封圈弥补了第一连接轴91与第二连接轴1002两侧的非密封线，既保 证了轴承93/1004和电机1001的防水性，又保证了其可更换性，大大增加了耐压装备的使 用寿命。电机舱1012的两侧通过焊接的方式与中层支架2连接。
[0031] 请结合图7-8所示，中层支架2与外层架3之间的一对连接轴组件设置在中层支 架2的短轴上，包括对称设置在中层支架2短轴相对两侧的第Ξ连接轴组件11和第四连接 抽组件12,第Ξ连接轴组件11上设有第二步进电机110。中层支架2与外层架3之间的 连接方式除外层架3的连接方式与内层壳1与中层支架2连接方式的不同外，第Ξ连接轴 111、第四连接轴121、圆锥滚子轴承112/122、轴承套113/123、轴承端盖114/124、第二步进 电机110、电机轴115、电机舱116、键117相互之间的连接方式及密封方式与内层壳1与中 层支架2的完全相同。
[0032] 请参阅图9所示，外层架与法兰连接组件13,包括外层架3与法兰131通过螺栓 132与螺母133连接，法兰131与螺母133之间夹设有金属垫圈134。
[0033] 优选地，内层壳1铁合金材料或者其他高强度复合材