一种浮力调节装置及应用

1.本发明属于auv重浮力调节领域，具体涉及一种浮力调节装置及应用。


背景技术：

2.随着人类社会不断向前发展，物质文明将伴随着精神文明逐渐向更高层次推进，而作为生命之源的海洋，将进一步得到更充分的开发与利用。目前世界各国都十分重视海洋资源的价值，都在发展着各自的和海洋资源开发利用相关的技术，竞争十分激烈。首先需要解决的问题是如何设计一种满足实际需求的水下探测设备，以及如何改进这些设备的结构与性能参数。目前国内外的很多高校和科研机构都对中小微型auv进行了细致的研究，包括auv的回收与布放、推进性能和重浮力调节等重要方面。接下来将对现有的auv重浮力调节方式进行简单的归类与描述。
3.根据物体重力与浮力的关系可知，改变物体在流体中(一般指水)的净浮力可通过改变物体自身的重力或排水体积达到，现有的各种投入使用或未投入使用的auv浮力调节装置都是基于此原理。早期的一些auv通过搭载可一次性卸载的重物来改变自身重力，通过移动体内某些大质量重物来改变整体的重心，这种方式虽然结构简单，但一次航行只有一次调节机会，且重物所占体积较大，还会造成额外的环境负担。后来改进成通过与外界流体进行质量交换即吸入或排出一部分流体达到改变自身重力的目的，这种方式可反复多次调节，还可以定深下潜或悬浮，但调节装置的结构较为复杂，且调节幅度一般较小。另外一种思路是改变auv的排水体积，有的方案是通过外接油囊通过油泵管路系统改变油囊体积达到改变排水体积的目的，这种方式也可以精确控制排水体积改变量，但需要在auv体内内置油箱，比较占体积，且需要复杂的管路系统，包括各种阀门开关等控制元件，装置成本较高，控制系统较复杂。还有的方案是借助仿生学原理在auv某部位填充两种或多种可进行热变形的材料，利用auv所在海洋环境的温度变化产生相应幅度的形变，达到改变auv排水体积的目的，这种方式的结构简单，但需要特殊的材料，且不能精确控制排水体积改变量，响应时间较长，所以应用范围很小。其他的一些方式，如通过化学反应生成气体改变排水体积，也不易控制且调节量小，此处不过多赘述了。
4.现有技术中，有通过活塞位置的精确测量实现浮力调节量的精确测量和控制，搭载该浮力调节系统的auv可实现高精度定深控制和剩余浮力的精确调节。该装置利用流量阀和管路系统，结合活塞式内油箱，实现auv的浮力调节。但是活塞式内油箱本身的体积也不小，如果需要实现大深度的调节，需要安装额外的储油箱或较大体积的内油箱，因此存在整体体积打、安装设计复杂的问题。另外，该装置采用补压流量阀，需要结合各位置处的传感器设计较高性能的控制系统，因此会因失稳而造成调节滞后甚至失效。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题：
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种浮力调节装置，应用于中小型
auv；由于中小型auv在水下航行过程中更容易受到各种不确定参数的影响，需要精细调节其上浮或下潜的深度和速度，而现有auv重浮力调节装置结构复杂、能耗较高；基于此，本发明的浮力调节装置能够在一定的深度范围内对auv的净浮力进行精确调节，同时还能在深潜任务完成后即将上浮时对调节装置进行锁定，避免深海压力对调节装置造成反向干扰影响正常上浮。整个装置的机械结构部分比较简易，也不需要复杂的控制系统，因此整个装置在调节精度和能耗上占有优势。
7.本发明的技术方案是：一种浮力调节装置，包括动力模块、自锁模块、连接模块、吸排水模块和固定模块；
8.通过所述动力模块为浮力调节装置提供动力，实现浮力调节控制；
9.通过所述自锁模块实现极限位置的锁定，保证锁定状态下航行器的正常运行状态；
10.通过所述连接模块将动力模块与吸排水模块连接，实现动力传输；
11.通过所述吸排水模块完成吸水或排水的动作，进而通过改变重力调节浮力；
12.所述固定模块用于其他各模块与航行器的固定连接。
13.本发明的进一步技术方案是：所述动力模块包括电动机、输入轴、输出轴、高速齿轮和低速齿轮，所述电动机的转轴与输入轴同轴连接，高速齿轮安装于输入轴上；所述低速齿轮安装于输出轴上，与高速齿轮啮合；
14.通过所述电动机驱动输入轴，依次带动高速齿轮、低速齿轮和输出轴转动，完成动力输出。
15.本发明的进一步技术方案是：所述电动机的转轴通过轴套与输入轴连接；所述输入轴通过角接触球轴承与固定模块转动连接，所述输出轴通过圆柱滚子轴承与固定模块转动连接。
16.本发明的进一步技术方案是：还包括电机调速模块，所述电机调速模块包括变频调速器、计时器和控制系统，用于调整所述电动机的转速、转向和运行时长。
17.本发明的进一步技术方案是：所述自锁模块包括传动轴、传动齿轮、安全位置限制轴套和自锁组件；所述传动齿轮安装于传动轴上，与所述高速齿轮啮合；
18.所述传动轴的底端与固定模块转动连接，上端开有外螺纹；
19.所述自锁组件的主体为自锁杆，其一端为轴向垂直于自锁杆轴向的螺母结构，另一端为轴向垂直于自锁杆轴向的套筒结构；所述螺母结构通过螺纹安装于传动轴上，构成丝杠机构；所述套筒结构同轴套装于输出轴上，并为间隙配合；所述套筒结构远离低速齿轮一侧端面上设置有自锁柱，通过与所述连接模块的运动干涉实现极限位置自锁；
20.通过所述电动机驱动输入轴，依次带动高速齿轮、传动齿轮、传动轴转动，丝杠机构将传动轴的旋转运动转化为螺母结构的轴向直线运动，同时通过自锁杆带动套筒结构沿输出轴的轴向相对运动；
21.所述安全位置限制轴套固定于传动轴的上端端头处，用于限制所述螺母结构的轴向运动行程范围。
22.本发明的进一步技术方案是：所述传动轴通过角接触球轴承与固定模块转动连接，所述传动齿轮与传动轴通过平键固定连接。
23.本发明的进一步技术方案是：所述连接模块包括连杆和推杆，所述连杆一端固定
于所述传动轴上，另一端与推杆的一端铰接；所述连杆随传动轴转动，同时带动推杆的铰接端在圆周内运动，由推杆的另一端向吸排水模块输出动力。
24.本发明的进一步技术方案是：所述连杆为l型杆，其长杆端的端头通过连杆插销垂直固定于传动轴顶端，短杆端的端头与推杆铰接；所述推杆为直杆，其所在运动平面与连杆的长杆所在运动平面平行。
25.本发明的进一步技术方案是：所述吸排水模块包括活塞杆、活塞、缸体和进排水管道；所述活塞杆的一端与连接模块连接，另一端与活塞连接，所述连接模块将动力模块的动力传递给活塞杆，通过活塞杆带动活塞在缸体内部做往复平移运动；
26.所述进排水管道将缸体与航行器外的海水连通，通过控制活塞在缸体内的运动，海水通过进排水管道被吸入或排出缸体，完成改变航行器净浮力的目的。
27.本发明的进一步技术方案是：还包括过滤器和电磁阀门，所述过滤器安装于进排水管道的出口处，用于过滤海水中的杂物，保证缸体的密封性和安全性；
28.所述电磁阀门安装于进排水管道的入口处，通过电磁阀门能够辅助完成吸入或排出的动作执行。
29.一种中小型auv，包括auv壳体、底板安装架和浮力调节装置，所述浮力调节装置通过底板安装架安装于auv壳体内，所述浮力调节装置采用改变重力的方式改变auv的净浮力，并对净浮力能够进行精确调节。
30.有益效果
31.本发明的有益效果在于：本装置的主要部件是机械系统，不涉及复杂的油路阀门系统，控制系统部分也比较简单，因此在装置的设计、制造、安装和维护方面更具有优势；主要耗能器件为电动机，因此对auv的续航能力提升有一定帮助。
32.同时本装置加入自锁部分，能通过传动齿轮14结合传动轴26、螺母25将电动机的转动转换成自锁杆23、自锁柱31的平动，在auv处于近水面位置即将下潜和处于最大下潜深度处即将上浮时，自锁装置的自锁柱31处于锁定位置，在后面的这种情况下，auv所处海洋环境的静水压强很大，电磁阀门9并不能承受较大压力，为了避免出现活塞回退导致海水倒流不能正常上浮的后果，自锁柱31承受了大部分的压力，从而保障装置的稳定性。
33.整体来说，本发明在尽量降低整体复杂度提高易用性、实现以较高精度调节深度值的基础上，还能通过更改自锁柱31的长度或者自锁杆23的初始位置调节最大下潜深度及保证最大下潜深度时的装置稳定性，是一种具有显著现实应用意义的装置。
附图说明
34.图1a是auv浮力调节装置处于排水极限位置时的正面结构示意图；
35.图1b是auv浮力调节装置处于吸水极限位置时的正面结构示意图
36.图1c是auv浮力调节装置背面结构示意图；
37.图2是auv浮力调节装置电磁阀门示意图；
38.图3a是auv浮力调节装置于auv内部的安装位置示意图；
39.图3b是auv浮力调节装置相对auv的位置整体外观示意图；
40.图4a是auv浮力调节装置处于吸水极限位置时自锁杆位置示意图；
41.图4b是auv浮力调节装置处于排水极限位置时自锁杆位置示意图；
42.图5是auv浮力调节装置处于排水极限位置时自锁杆位置的放大正视图；
43.图6是auv浮力调节装置部分传动部件示意图。
44.附图标记说明：1-过滤器、2-进排水管道、3-缸体、4-缸体固定支架、5-底板、6-底板固定螺栓螺母、7-推杆、8-连杆、9-电磁阀门、10-连杆插销、11-低速齿轮、12-输出轴支撑架、13-高速齿轮、14-传动齿轮、15-配套铆钉、16-电动机支撑架、17-电动机、18-底板安装架、19-auv、20-活塞杆、21-活塞、22-输出轴、23-自锁杆、24-安全位置限制轴套、25-螺母、26-传动轴、27-传动轴支架、28-电动机转轴与输入轴连接轴套、29-输入轴、30-齿轮安装架、31-自锁柱、32-薄型平键、33-输出轴圆柱滚子轴承、34-输入轴角接触球轴承、35-传动轴角接触球轴承。
具体实施方式
45.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
47.本实施例一种浮力调节装置，包括动力模块、自锁模块、连接模块、吸排水模块和固定模块；通过所述动力模块为浮力调节装置提供动力，实现浮力调节控制；通过所述自锁模块实现极限位置的锁定，保证锁定状态下航行器的正常运行状态；通过所述连接模块将动力模块与吸排水模块连接，实现动力传输；通过所述吸排水模块完成吸水或排水的动作，进而通过改变重力调节浮力；所述固定模块用于其他各模块与航行器的固定连接。
48.所述动力模块由电动机17、电动机转轴与输入轴连接轴套28、输入轴29和输出轴22、高速齿轮13和低速齿轮11、薄型平键32、输入轴角接触球轴承34、输出轴圆柱滚子轴承33、电机调速模块组成。由于输入轴29转速相对较高，因此选用摩擦力较小的角接触球轴承，而输出轴的转速相对较低，可选用摩擦力稍大的圆柱滚子轴承。虽然步进电机可以实现精确调速和转动圈数控制，但由于负载能力较小，且成本较高，所以电动机部分选择负载较大的普通电动机，结合变频调速器调整电动机17的转速、转向和运行时长，即可满足本装置的需求。输入轴29和输出轴22与两种滚动轴承的配合方式为过盈配合，可通过支架和安装架的位置不变性来固定整个机构各零件的位置，使机构平稳运行，必要时还可以在轴承处加装固定器，本实施例未添加。
49.所述电动机17的转轴与输入轴29同轴连接，高速齿轮13安装于输入轴29上；所述低速齿轮11安装于输出轴22上，与高速齿轮13啮合；通过所述电动机驱动输入轴29，依次带动高速齿轮13、低速齿轮11和输出轴22转动，完成动力输出。
50.所述电机调速模块包括变频调速器、计时器和控制系统，用于调整所述电动机的转速、转向和运行时长。
51.所述自锁模块由传动轴26、传动齿轮14、薄型平键32、传动轴角接触球轴承35、安全位置限制轴套24、螺母25、自锁杆23、自锁柱31组成，其中螺母25、自锁杆23和自锁柱31采
用一体成型的工艺加工构成自锁组件，材料的强度较大，能承受一定的压力。所述传动齿轮14安装于传动轴26上，与高速齿轮13啮合；传动轴26的底端与固定模块转动连接，上端开有外螺纹；所述自锁组件的主体为自锁杆23，其一端为轴向垂直于自锁杆轴向的螺母25，另一端为轴向垂直于自锁杆轴向的套筒结构；螺母25通过螺纹安装于传动轴26上，构成丝杠机构；所述套筒结构同轴套装于输出轴22上，并为间隙配合；所述套筒结构远离低速齿轮11一侧端面上设置有自锁柱31，通过与所述连接模块的运动干涉实现极限位置自锁；通过所述电动机驱动输入轴29，依次带动高速齿轮13、传动齿轮14、传动轴26转动，丝杠机构将传动轴26的旋转运动转化为螺母25的轴向直线运动，同时通过自锁杆23带动套筒结构沿输出轴22的轴向相对运动；所述安全位置限制轴套24固定于传动轴26的上端端头处，用于限制螺母25的轴向运动行程范围。
52.为保证装置运行的正确性和安全性，输入轴29的转动方向在一个重力调节过程中方向相反，这使得自锁部分的传动轴26的转动方向也在一个调节过程中相反，恰好实现自动自锁和自动解除自锁的功能。考虑到自锁功能实现所需要的自锁柱31长度较长，因此自锁柱31达到自锁极限位置时，自锁柱31端部横截面恰好超过连杆部分的连杆8最大纵切面少许；同时考虑到安全性问题，自锁柱31的两个圆柱切面(和底板5平行)在极限位置时和连杆8的上下两个圆柱切面(和底板5平行)有一定的距离，结合传动轴的高速转动，可以在增大重力时及时解除自锁，不至于和连杆8发生碰撞。
53.所述连接模块包括连杆8和推杆7，所述连杆8为l型杆，其长杆端的端头通过连杆插销10垂直固定于传动轴26顶端，短杆端的端头与推杆7铰接；连杆8随传动轴26转动，同时带动推杆7的铰接端在圆周内运动，由推杆7的另一端向吸排水模块输出动力。所述推杆7为直杆，其所在运动平面与连杆8的长杆所在运动平面平行。
54.所述吸排水模块活塞杆20、活塞21、缸体3、电磁阀门9、进排水管道2、过滤器1组成。活塞杆20的一端与推杆7连接，另一端与活塞21连接，推杆7将动力模块的动力传递给活塞杆20，通过活塞杆20带动活塞21在缸体3内部做往复平移运动；便可通过进排水管道2和过滤器1吸进和排出auv 19体外的海水，达到改变auv 19净浮力的目的。活塞21与缸体3的接触是紧密的，并做了减小摩擦力的涂层处理，可显著延长活塞21的使用寿命和密封性能。进排水管道2将缸体3与航行器外的海水连通，通过控制活塞21在缸体3内的运动，海水通过进排水管道2被吸入或排出缸体3，完成改变航行器净浮力的目的。过滤器1安装于进排水管道2的出口处，电磁阀门2安装于进排水管道2的入口处，通过电磁阀门2能够辅助完成吸入或排出的动作执行。
55.进排水管道2和auv 19耐压壳体的接触处使用高强度焊接材料焊接，以免发生漏水现象。过滤器1表面的小孔可以过滤掉一定尺寸范围内的杂物，也可以在内部再添加一些过滤材料，避免水体中的杂物进入缸体3降低密封性和安全性；过滤器1还可以与进排水管道2进行分离，及时清理掉过滤器内部的杂物。过滤器1与auv 19承压壳体接触的部分与auv共形，尽可能降低对auv航行的流体动力干扰，且边缘采取高强度焊接材料焊接防止进水。
56.所述固定模块由底板5、输出轴支撑架12、齿轮安装架30、电动机支撑架16和配套铆钉15、缸体固定支架4、底板固定螺栓螺母6、底板安装架18组成。底板5主要用来承重，通过嵌入auv 19的底板安装架18，使用底板固定螺栓螺母6进行固定。输出轴支撑架12用来支撑和固定输出轴，齿轮安装架30、电动机支撑架16和配套铆钉15的作用与此类似。
57.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
58.图1a所示为auv浮力调节装置处于排水极限位置时的正面结构示意图。由于本装置改变auv净浮力的方式为改变重力，因此auv本身在没有下潜时应具有正浮力，当本浮力调节装置处于吸水极限位置时auv具有负浮力，可以进行下潜。可见，auv入水初未进行下潜时，本浮力调节装置应处于图1a所描述的状态，此时电动机17配合调速器和计时器，准备接受控制系统传来的下潜信号准备正转吸水下潜。值得注意的是，此时auv虽然处在海洋表面位置，静水压力不大，但自锁柱31依然处于自锁位置，这是因为当auv下潜至深海执行任务完毕后即将上浮时，需要将缸体3中的海水排出，而排出后活塞21依然通过进排水管道2与外界海水连通，会受到较大的压强，可能引起连杆-活塞连接杆反转导致上浮失败和加速下沉，所以此时就需要自锁柱31处于自锁位置进行自锁，保证auv正常上浮，而auv在入水之初装置所处状态和即将上浮时的状态一致，所以此时自锁柱31依然处于自锁位置，依靠传动齿轮14的快速转动可以使自锁杆23快速退位，正常吸水下潜。
59.图1b所示为auv浮力调节装置处于吸水极限位置时的正面结构示意图，此时auv具有负浮力，可以在导航系统等其他系统的协同作用下进行多种方式的下潜，完成已定任务。从图1a到图1b的状态，电动机17接受变频器的控制，变频器又接受计时器的控制，电动机17便以确定的转速和转动角度精确控制auv的下潜深度和速度。值得注意的是，在下潜过程执行初始时刻，图2所示的电磁阀门9接受控制系统的作用，处于提前打开的状态；当auv下潜至小于最大深度的某一深度时，电动机停止主动旋转输出，电磁阀门9又在控制系统的作用下执行关闭动作，避免引起输出轴22的过转导致下潜过深。
60.图3a所示为auv浮力调节装置于auv内部的安装位置示意图，图3b则显示出了浮力调节装置在auv的中部位置，这样能最大程度地减轻在调节重力的过程中所引起的重心失稳，减轻重心调节系统的负担，有利于auv的操纵性能提升，降低了整体能耗。
61.图4a所示为auv浮力调节装置处于吸水极限位置时自锁杆位置示意图，由于此时处于吸水极限位置，活塞21本身处在缸体3的内端，对于在下潜过程中不断增加的海水压力或者最大下潜深度处的海水压力，由缸体3的内端进行承受，形成自然锁定，自锁杆处于靠近齿轮端的非自锁位置。
62.图4b所示为auv浮力调节装置处于排水极限位置时自锁杆位置示意图，此时auv的状态可能有两种。一是处于海面即将下潜，这种状态下的自锁杆23虽然处于远离齿轮端的自锁位置，但由于图5所示的自锁柱31与连杆8之间的安全间隙的存在，加之传动齿轮作高速旋转，因此不会对活塞21吸水造成影响。auv所处的第二种状态是于最大下潜深度处即将上浮，由于上浮过程依然要受到海水压力作用，所以自锁杆的位置刚好将连杆8锁定，使auv正常上浮。值得注意的是，电磁阀门9在上浮的过程中处于打开状态，因为电磁阀门所能承受的最大压力有限，主要承压部件为高强度材料制造的自锁柱31。
63.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。