一种潜水器用浮力调节及压力补偿系统和方法与流程

本发明属于潜水器浮力调节和压力补偿装置领域，特别涉及该领域中的一种适用于水下机器人、水下观测平台等水下潜水器的浮力调节及压力补偿系统和方法。

背景技术：

当前，潜水器的浮力驱动有三种方案：

第一种方案是利用高压气瓶中的高压气体，排挤水箱中的海水，实现浮力调节。这种方案的气体压力需高于水深压力，当水深增加到一定程度时，气源发生装置所需的体积急剧增加，能耗急剧，故对于深海无法采用。

第二种方案是采用外软油囊、内耐压油箱及油液压泵。水深压力将油直接压入内耐压油箱，排水体积减小，浮力减小，实现下潜。当油液压泵将液压油从内耐压油箱压入外软油囊时，排水体积增大、浮力增加，重量未变，实现上浮。为了保证深海环境下液压泵不吸空，这种方案还需额外的油箱压力补偿系统（如增压泵或真空泵系统）以补偿真空度不足的缺陷。故此种方案的浮力调控系统复杂、笨重、浮力调控有限、油液压泵工作压力高（≥水深压力）。

第三种方案是在观测平台内放置耐压水箱，其容积等于所需最大浮力调节量。需要调节浮力时，用高压海水液压泵将水箱中的水排出，或从外界注入水，使重量发生变化，实现上浮或下潜。这种浮力调控方案虽系统简单，但仍需高压泵（≥水深压力）和水箱压力补偿系统，能耗较大，且受海水液压实现高压化困难的限制。

总之，随着观测深度的增加，潜水器舱体所承受的环境压力相应增大，现有技术方案不能很好地解决潜水器在浮力驱动及压力补偿等方面的难题。因此，有必要探索浮力驱动新方案，以提高浮力调控性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种潜水器用浮力调节及压力补偿系统和方法。

本发明采用如下技术方案：

一种潜水器用浮力调节及压力补偿系统，其改进之处在于：所述的系统包括壳体，壳体内充有一定压力的气体，壳体上安装有两个以上的弹性气囊，所述的弹性气囊内充有一定压力的气体，并且透过包覆在其外的带孔保护壳与壳体内外相接触，所述各个弹性气囊内所充气体的压力均不相同，并且壳体内的气体压力低于弹性气囊内的气体压力；壳体内设置弹性水囊、双向海水液压泵和海水电磁阀，并且弹性水囊通过上述的双向海水液压泵和海水电磁阀与壳体外的水环境相通以便进行彼此之间的水传递；壳体内还设置与双向海水液压泵相连接的电机，控制电机和海水电磁阀工作的控制系统以及为壳体内各装置供电的电源。

进一步的，壳体和/或弹性气囊内充的气体均为惰性气体。

进一步的，所述的带孔保护壳一侧位于壳体外，一侧位于壳体内，并且在其两侧表面上各分布有一个以上的通孔。

进一步的，所述的带孔保护壳由多孔介质材料制成。

进一步的，所述的控制系统通过压力传感器获取壳体外水环境的压力值。

进一步的，所述的壳体上设置过滤器，海水电磁阀通过上述的过滤器与壳体外的水环境相通。

一种潜水器用浮力调节及压力补偿方法，使用上述的系统，其改进之处在于，包括如下步骤：

（1）在下潜时，控制系统控制海水电磁阀通电接通外部水环境向弹性水囊的单向水路，在弹性气囊内的气体压力大于等于外部水环境压力时，控制系统控制电机转动驱动双向海水液压泵将外部水环境的水压入弹性水囊，壳体体积不变质量增加实现下潜；

弹性水囊得水后体积增大，而壳体内的气体体积减小，压力升高，在壳体内的气体压力逐渐高于各个弹性气囊内气体压力的过程中，壳体内气体可透过带孔保护壳朝壳体外方向按照从低压到高压的顺序依次挤压各个弹性气囊，以便降低壳体内气体压力的增长速度，实现压力调节；

在外部水环境压力开始高于弹性气囊内的气体压力时，控制系统控制电机停止转动、控制海水电磁阀断电关闭外部水环境向弹性水囊的单向水路，外部水环境压力可透过带孔保护壳朝壳体内方向按照从低压到高压的顺序依次挤压各个弹性气囊，使系统体积减小，浮力减小，实现自动下潜；

（2）在上浮时，控制系统控制海水电磁阀通电接通弹性水囊向外部水环境的单向水路、控制电机转动驱动双向海水液压泵将弹性水囊的水压入外部水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；

在外部水环境压力开始低于各个弹性气囊内的气体压力时，弹性气囊按照从高压到低压的顺序朝壳体外方向膨胀，使系统浮力增加，辅助上浮；

弹性水囊失水后体积减小，壳体内的气体体积增加、压力降低，各个弹性气囊内的气体压力也在降低，如在此过程壳体内的气体压力高于部分弹性气囊内的气体压力，壳体内气体可透过带孔保护壳朝壳体外方向按照从低压到高压的顺序依次挤压这部分弹性气囊，以便降低壳体内气体压力的降低速度，实现压力调节。

进一步的，在上浮时，控制系统通过压力传感器获取壳体外水环境的压力值，如壳体外水环境的压力值降至某一设定值，则控制系统控制电机停止转动、控制海水电磁阀断电断开弹性水囊向外部水环境的单向水路。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的潜水器用浮力调节及压力补偿系统，浮力调节由闭式油液压向开式海水液压转变，扩大浮力调节范围、提高可靠性及与环境相容性。结构简单，通过改变壳体的质量调节壳体的下潜和上浮，实现对水下机器人、浮标、水下滑翔机等潜水器的下潜和上浮控制；有效利用海洋压差能，极大降低浮力调节总量，提高系统效率。以最大工作压力约为水深压力1/4的双向海水液压泵实现潜水器的大潜深升降，降低核心元件成本和加工制造难度。

本发明所公开的潜水器用浮力调节及压力补偿系统和方法，壳体上安装充有一定压力气体的弹性气囊，弹性气囊与壳体内的气体相接触，在壳体内的气体压力高于弹性气囊内的气体压力时，朝壳体外方向挤压弹性气囊，实现壳体内气体压力的近线性调控，主动补偿壳体内外压差；弹性气囊还与壳体外的水环境相接触，当潜水器下潜至水深压力大于弹性气囊内的气体压力后，在水深压力的作用下，外部水环境压力朝壳体内方向挤压弹性气囊，实现壳体内气体压力的被动近线性调控，补偿壳体内外压差，同时系统体积减小，实现自动无能耗下潜。通过以上设置实现对浮力的主/被动调控，实现变质量（主动）和变体积（被动）浮力调节及壳体内外压力补偿，极大降低壳体承受压差，减小壳体壁厚及重量。潜水器在半潜深以上作业时，即使电机故障失效，在壳体内气体压力的作用下，通过海水电磁阀向外部水环境的单向水路，实现向外排水、减轻重量，实现上浮，降低了潜水器沉没丢失的概率。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开的潜水器用浮力调节及压力补偿系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1所公开的系统中弹性气囊与带孔保护壳之间的位置关系示意图；

图3是由多孔介质材料制成的带孔保护壳的结构示意图；

图4是本发明实施例1所公开系统的壳体内部气体压力与外部水环境压力的变化趋势图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种潜水器用浮力调节及压力补偿系统，所述的系统包括壳体5，壳体5内充有一定压力的气体，壳体5上安装有两个以上的弹性气囊6，如图2所示，所述的弹性气囊6内充有一定压力的气体，并且透过包覆在其外的带孔保护壳61与壳体5内外相接触，所述各个弹性气囊6内所充气体的压力均不相同，并且壳体5内的气体压力低于弹性气囊6内的气体压力，在本实施例中，弹性气囊6的数量为A、B、C、D四个，且内部气体压力A＜B＜C＜D。

壳体5内设置弹性水囊4、双向海水液压泵2和海水电磁阀1，并且弹性水囊4通过上述的双向海水液压泵2和海水电磁阀1与壳体5外的水环境相通以便进行彼此之间的水传递；壳体5内还设置与双向海水液压泵2相连接的电机3，控制电机3和海水电磁阀1工作的控制系统以及为壳体5内各装置供电的电源。

作为一种可供选择的方式，在本实施例中，壳体5和/或弹性气囊6内充的气体均为惰性气体。所述的带孔保护壳61一侧位于壳体外，一侧位于壳体内，并且在其两侧表面上各分布有一个以上的通孔611，在通孔611数量较多时，各通孔611均匀分布在带孔保护壳61表面构成卫星孔。如图3所示，所述的带孔保护壳61可以直接使用多孔介质材料制成。所述的控制系统通过压力传感器7获取壳体5外水环境的压力值。所述的壳体5上设置过滤器8，海水电磁阀1通过上述的过滤器8与壳体5外的水环境相通。

本实施例还公开了一种潜水器用浮力调节及压力补偿方法，使用上述的系统，包括如下步骤：

（1）在下潜时，控制系统控制海水电磁阀通电接通外部水环境向弹性水囊的单向水路，在弹性气囊内的气体压力大于等于外部水环境压力时，控制系统控制电机转动驱动双向海水液压泵将外部水环境的水压入弹性水囊，壳体体积不变质量增加实现下潜；

弹性水囊得水后体积增大，而壳体内的气体体积减小，压力升高，在壳体内的气体压力逐渐高于A、B、C、D弹性气囊内气体压力的过程中，壳体内气体可透过带孔保护壳朝壳体外方向按照A、B、C、D的顺序依次挤压各个弹性气囊，以便降低壳体内气体压力的增长速度，实现压力调节；

如图4所示，在外部水环境压力开始高于弹性气囊内的气体压力时，控制系统控制电机停止转动、控制海水电磁阀断电关闭外部水环境向弹性水囊的单向水路，外部水环境压力可透过带孔保护壳朝壳体内方向按照A、B、C、D的顺序依次挤压各个弹性气囊，使系统体积减小，浮力减小，实现自动下潜；

（2）在上浮时，控制系统控制海水电磁阀通电接通弹性水囊向外部水环境的单向水路、控制电机转动驱动双向海水液压泵将弹性水囊的水压入外部水环境，壳体体积不变质量减小实现上浮；

在外部水环境压力开始低于各个弹性气囊内的气体压力时，弹性气囊按照D、C、B、A的顺序朝壳体外方向膨胀，使系统浮力增加，辅助上浮；

弹性水囊失水后体积减小，壳体内的气体体积增加、压力降低，各个弹性气囊内的气体压力也在降低，如在此过程壳体内的气体压力高于部分弹性气囊内的气体压力，壳体内气体可透过带孔保护壳朝壳体外方向按照A、B、C、D的顺序依次挤压这部分弹性气囊，以便降低壳体内气体压力的降低速度，实现压力调节。

作为一种可供选择的方式，在本实施例中，在上浮时，控制系统通过压力传感器获取壳体外水环境的压力值，如壳体外水环境的压力值降至某一设定值，则控制系统控制电机停止转动、控制海水电磁阀断电断开弹性水囊向外部水环境的单向水路

本实施例所公开的方法，通过在壳体上安装四个充有一定压力气体的弹性气囊，弹性气囊与壳体内的气体相接触，在壳体内的气体压力高于弹性气囊内的气体压力时，朝壳体外方向挤压弹性气囊，实现壳体内气体压力的近线性调控，主动补偿壳体内外压差；弹性气囊还与壳体外的水环境相接触，当潜水器下潜至水深压力大于弹性气囊内的气体压力后，在水深压力的作用下，外部水环境压力朝壳体内方向挤压弹性气囊，实现壳体内气体压力的被动近线性调控，补偿壳体内外压差，同时系统体积减小，实现自动无能耗下潜。潜水器在半潜深以上作业时，即使电机故障失效，在壳体内气体压力的作用下，通过海水电磁阀向外部水环境的单向水路，实现向外排水、减轻重量，实现上浮，降低了潜水器沉没丢失的概率。