CN102745318A - 载人深潜器节能型水下姿态控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载人深潜器节能型水下姿态控制系统。包括定深控制装置、纵倾控制装置，定深控制装置包括耐压水舱和浮力调整水舱，耐压水舱的注水管路通过注水阀与通舷外水阀相接，耐压水舱的排水管路通过排水阀经排水泵与通舷外水阀相接，浮力调整水舱的水管路通过浮力调整水阀与耐压水舱的排水管路连通，同时耐压水舱与压缩空气系统相连通；纵倾控制装置包括首左、首右、尾左、尾右四个内部水舱，首左水舱经由气压分配仪与尾右水舱连通，首右水舱经由气压分配仪与尾左水舱连通；首左水舱通过左舷水管路与尾左水舱连通，首右水舱通过右舷水管路与尾右水舱连通。本发明能够实现载人深潜器的水下深度稳定和纵倾平衡功能，满足系统的节能要求。

Description

载人深潜器节能型水下姿态控制系统

技术领域

本发明属于载人深潜器水下操纵控制技术领域，具体涉及一种载人深潜器节能型水下姿态控制系统。

背景技术

载人深潜器在海洋调查、水声研究、深海资源勘探、海底电缆/光缆维护、水下救生及打捞等领域得到了广泛的应用。

定深及纵倾平衡是载人深潜器在水下定点作业（如资源勘探、环境勘查、水下打捞等）期间常用的操纵控制工况。在此期间，载人深潜器主推进装置停车，航速趋近零，主升降舵及方向舵的舵效应也趋近零。为了稳定深度，同时平衡载人深潜器内部载荷（如人员、设备等）和外部载荷（如打捞物品等）变动造成的纵倾，克服海底洋流的影响，载人深潜器一般通过安装于舷侧的多个辅助推进器及副舵，进行定深控制及姿态调整。

由于载人深潜器一般采用蓄电池作为电源，受限于排水量，载人深潜器携带的电能是有限的。因此，为延长载人深潜器的水下作业时间，应当尽量减少操纵控制系统的电能消耗，但现有的的辅助推进器进行定深及姿态控制，消耗电能较多，难以满足载人深潜器水下定深及纵倾平衡控制的节能要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供了一种载人深潜器节能型水下姿态控制系统，能够实现载人深潜器的水下深度稳定和纵倾平衡，同时减少电能消耗。

本发明为解决上述技术问题所提出的技术方案为：包括定深控制装置、纵倾控制装置，所述的定深控制装置包括耐压水舱和浮力调整水舱，所述耐压水舱位于在载人深潜器的重心位置，耐压水舱的注水管路通过注水阀与通舷外水阀相接，耐压水舱的排水管路通过排水阀经排水泵与通舷外水阀相接，浮力调整水舱的水管路通过浮力调整水阀与耐压水舱的排水管路连通，同时耐压水舱的气管路通过充气阀与压缩空气系统相连通，耐压水舱的气管路还与放气阀连接；所述的纵倾控制装置包括首左水舱、首右水舱、尾左水舱、尾右水舱四个内部水舱，分别布置在载人深潜器耐压壳体内部的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷，所述首左水舱通过气管路、经由气压分配仪与所述尾右水舱连通，所述首右水舱通过气管路、经由气压分配仪与所述尾左水舱连通；气压分配仪与深潜器压缩空气系统相连；所述首左水舱通过左舷水管路和左舷水阀与所述尾左水舱连通，所述首右水舱通过右舷水管路和右舷水阀与尾右水舱连通。

按上述方案，所述的耐压水舱配接液位变送器、压差变送器，液位变送器、压差变送器与水量压差测量仪相联，所述的与耐压水舱相连通的气管路中还串接有空气减压阀和空气安全阀。

按上述方案，在通舷外水阀与排水泵之间连接有电磁流量计。

按上述方案，在左舷水管路和右舷水管路中还分别串接有左舷电磁流量计和右舷电磁流量计。

按上述方案，所述的通舷外水阀、注水阀、排水阀、浮力调整水阀、充气阀、放气阀、左舷水阀、右舷水阀分别为通舷外电控水阀、注水电控阀、排水电控阀、浮力调整电控水阀、充气电磁阀、放气电磁阀、左舷电控水阀、右舷电控水阀。

按上述方案，所述的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷分别安设液位变送器。

按上述方案，所述的气压分配仪通过减压器与深潜器压缩空气系统相连。

按上述方案，设置集中控制台，为深潜器定深控制及纵倾平衡控制的操作控制中心；所述定深控制装置中的通舷外电控水阀、注水电控阀、排水电控阀、浮力调整电控水阀、充气电磁阀、放气电磁阀的控制输入通道均与集中控制台相连，所述定深控制装置中的水量压差测量仪、电磁流量计的信号输出通道均与集中控制台相连；所述纵倾控制装置中的气压分配仪、左舷电控水阀和右舷电控水阀的控制输入通道均与集中控制台相连；所述纵倾控制装置中的左舷电磁流量计、右舷电磁流量计、四个液位变送器的信号输出通道均与集中控制台相连。

本发明所述的定深控制装置采用压缩空气辅助做功的“泵排自注”原理，通过注排水改变耐压水舱内的水量，以此来调节载人深潜器的重力与浮力平衡关系，实现深度稳定控制。定深操纵时，首先利用载人深潜器的压缩空气对耐压水舱进行预加压，使耐压水舱内压力比舷外压力低0.1MPa～0.3MPa。耐压水舱内的压力比舷外低，开通注水管路，舷外海水在压力作用下自动流入耐压水舱（即自注）。由于耐压水舱内充入了压缩空气，可平衡一部分舷外海水压力，因此减小了排水泵的排水背压，利用小功率的排水泵即可实现大深度排水（即泵排）。注排水的过程会改变耐压水舱的气体空间体积，气体压力随之改变，从而改变耐压水舱与舷外的压力差，影响注排水速率，此时可通过对耐压水舱进行加压或减压操作，调整注排水速率。本发明所述的定深控制装置利用载人深潜器的压缩空气辅助做功，减小了排水泵的排水背压，降低了排水泵的功率，既不会消耗大量的压缩空气，又减少了电能的消耗。

本发明所述的纵倾平衡控制装置采用压缩空气移水的工作原理，通过移水改变首尾纵倾水舱水量的分布，从而平衡深度稳定期间可能产生纵倾不平衡力矩。首先，四个纵倾平衡水舱加入一定的初始水量；然后，控制气压分配仪选择加气状态，例如往首左、尾右水舱内加气，同时首右、尾左水舱通舱室大气，此时首左、尾右水舱内压力高于首右、尾左水舱；当出现首倾时，开启左舷电控水阀，在压力差作用下，水自动从首左水舱移往尾左水舱，从而消除首倾；当出现尾倾时，开启右舷电控水阀，在压力差作用下，水自动从尾右水舱移往首右水舱，从而消除尾倾。改变气压分配仪的加气状态，可实现两舷水舱的反方向移水。因此，整个纵倾平衡控制过程不消耗电能，只需消耗少量的压缩空气即可提供足够的移水动力。

本发明所述的集中控制台能够实现耐压水舱水量、耐压水舱内与舷外压力差、定深控制注排水流量、纵倾水舱水量、纵倾控制移水量的集中监视，并能实现深度稳定、纵倾平衡的集中控制，为操作控制人员提供了友好的人机操作界面，简化了操作流程。

本发明的有益效果在于：1、能够实现载人深潜器的水下深度稳定和纵倾平衡功能，其中定深控制利用小功率排水泵和压缩空气共同做功实现注排水，纵倾平衡控制则利用压缩空气实现首尾移水，深度稳定与纵倾平衡期间的电能消耗很少，满足载人深潜器水下姿态控制系统的节能要求；2、系统工作性能稳定，使用操作方便。

附图说明

图1为本发明一个实施例的系统结构示意图。

图2为图1中加上电气控制回路的系统结构示意图。

图中“                                                ”代表水管路，“

”代表气管路，“”代表电气控制回路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细说明。

包括定深控制装置、纵倾控制装置和集中控制台。所述的定深控制装置包括耐压水舱和浮力调整水舱，所述耐压水舱1位于载人深潜器的重心位置；液位变送器2、压差变送器3设置于耐压水舱1上；水量压差测量仪4的测量通道分别与液位变送器2、压差变送器3相连。从而完成耐压水舱内水量、耐压水舱内与舷外压力差的测量及机旁显示。耐压水舱1的注水管路通过注水电控阀9、电磁流量计12与通舷外电控水阀8相接，耐压水舱的排水管路通过排水电控阀10经排水泵6、电磁流量计12与通舷外电控水阀8相接，排水泵配置启动控制箱7；浮力调整水舱的水管路通过浮力调整电控水阀11与耐压水舱的排水管路连通，且连接于排水电控阀10与排水泵6之间的排水管路；由此实现耐压水舱的自流注水、向舷外排水以及耐压水舱与浮力调整水舱之间的移水，并且能够测量耐压水舱与舷外之间的注排水流量。耐压水舱的气管路通过充气电磁阀15、空气安全阀14和空气减压阀13与压缩空气系统18相连通，耐压水舱的气管路还通过放气电磁阀16连通载人深潜器舱室大气，放气口设有消声器17；从而能够对耐压水舱进行充气加压、放气减压，同时降低放气时的空气噪声。

所述的纵倾控制装置包括首左水舱19、首右水舱20、尾左水舱21、尾右水舱22四个内部水舱，分别布置在载人深潜器耐压壳体内部的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷，所述的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷分别安设液位变送器23、24、25、26；从而实现四个内部水舱的水量测量。首左水舱19通过气管路、经由气压分配仪27与尾右水舱22连通；首右水舱20通过气管路、经由气压分配仪27与尾左水舱21连通；气压分配仪27通过减压器28与深潜器压缩空气系统18相连。从而实现分别向首左、尾右水舱或者首右、尾左水舱的加压。首左水舱19通过左舷水管路，经由左舷电控水阀31、左舷电磁流量计29与尾左水舱21连通；首右水舱20通过右舷水管路，经由右舷电控水阀32、右舷电磁流量计30与尾右水舱22连通。从而实现从首向尾或者从尾向首的移水，并测量移水流量。

集中控制台33是载人深潜器深度稳定控制及纵倾平衡控制的操作控制中心。定深控制装置中的通舷外电控水阀8、注水电控水阀9、排水电控水阀10、浮力调整电控水阀11、启动控制箱7、充气电磁阀15、放气电磁阀16的控制输入通道均与所述集中控制台33相连，水量压差测量仪4、电磁流量计12的信号输出通道均与所述集中控制台33相连；纵倾控制装置中的气压分配仪27、左舷电控水阀31、右舷电控水阀32的控制输入通道均与集中控制台33相连，所述纵倾控制装置中四个液位变送器23、24、25、26及左舷电磁流量计29、右舷电磁流量计30的信号输出通道均与集中控制台相连。在集中控制台上能够实现耐压水舱水量、耐压水舱与舷外压力差、定深控制注排水流量、纵倾水舱水量、纵倾移水量的集中监视，并能实现耐压水舱注排水、纵倾水舱首尾移水的集中控制。

本发明具体实施例的工作流程如下：

1 深度稳定控制工作流程

1.1 耐压水舱1内的初始水量调整

为了保证定深控制系统的注排水能力，同时尽量节约压缩空气的使用，耐压水舱1的初始水量应当为满舱容水量的45%～55%。为了不破坏载人深潜器的初始均衡状态，耐压水舱的初始水量调整应当在载人深潜器内部进行。

a）当耐压水舱内的初始水量不足时，在集中控制台33上遥控打开注水电控水阀9、浮力调整电控水阀11，并遥控启动排水泵6，浮力调整水舱5的水经浮力调整电控水阀11、排水泵6、电控水阀9移至耐压水舱1。

b）当耐压水舱1内的初始水量过多时，在集中控制台33上遥控打开充气电磁阀，压缩空气经空气减压阀13、空气安全阀14、充气电磁阀15进入耐压水舱1，加入适量压缩空气后，关闭充气电磁阀15。而后打开排水电控水阀10、浮力调整电控水阀11，在压力作用下，耐压水舱的水经电控水阀10、11流回浮力调整水舱5。

1.2 耐压水舱的预加压

为了降低排水泵的功率，需要通过向耐压水舱1加压的方式，降低排水泵的排水背压。在集中控制台33上，遥控打开充气电磁阀15，压缩空气经空气减压阀13、空气安全阀14、充气电磁阀15进入耐压水舱1，同时观察集中控制台上显示的来自水量压差测量仪4发送的压差测量值，当压差测量值调整到0.19MPa～0.2MPa时（耐压水舱1内压力低于舷外压力），停止进气，预加压结束。

1.3 定深期间的注排水控制

a）若载人深潜器重力小于浮力，则向耐压水舱1注水

在集中控制台33上遥控打开通舷外电控水阀8、注水电控水阀9，由于耐压水舱1内压力比舷外低，海水在压力差的作用下，经由通舷外电控水阀8、电磁流量计12、注水电控水阀9自流进入耐压水舱1。根据电磁流量计12发送给集中控制台33的流量值，可以控制注水量的多少。

b）若载人深潜器重力大于浮力，则由耐压水舱1向舷外排水

在集中控制台33上遥控打开通舷外电控水阀8、排水电控水阀10，启动排水泵6，耐压水舱1内的海水经由排水电控水阀10、排水泵6、电磁流量计12、通舷外电控水阀8排出舷外。根据电磁流量计12发送给集中控制台的流量值，可以控制排水量的多少。

通过往复多次注排水，调节深潜器的重力与浮力平衡关系，即可稳定深度。

1.4 耐压水舱的加压和减压

a）定深期间，当耐压水舱1与舷外压力差过小而影响注水速度时，则需要降低耐压水舱内的压力，耐压水舱的减压操纵方式有两种：

方式一：直接放气减压，在集中控制台33遥控打开放气电磁阀16，耐压水舱1内的压缩空气经由放气电磁阀16、消声器17排至深潜器舱室内。根据集中控制台33的压差显示数值进行判断，当耐压水舱1内的压力降到规定值后，停止放气；

方式二：回移水减压，在集中控制台33上遥控打开排水电控水阀10、浮力调整电控水阀11，在耐压水舱1内空气压力作用下，耐压水舱1的水经排水电控水阀10、浮力调整电控水阀11流回浮力调整水舱5，从而降低耐压水舱1内的压力。根据集中控制台33的压差显示数值进行判断，当耐压水舱1内的压力降到规定值后，停止回移水。

b）当耐压水舱与舷外压力差过大影响排水速度时，则需要增加耐压水舱内的压力，此时需对耐压水舱进行补气加压。

在集中控制台33上遥控打开充气电磁阀15，压缩空气经空气减压阀13、空气安全阀14、充气电磁阀15进入耐压水舱1，加入适量压缩空气后，关闭充气电磁阀15。在集中控制台33上根据压差显示数值进行判断，当耐压水舱1内的压力增高到规定值后，停止补气加压。

2 纵倾平衡控制工作流程

2.1 纵倾平衡水舱的加压分配

气压分配仪27有两种的加压分配选择模式，方式一为首左、尾右水舱加压，首右、尾左水舱通舱室大气；方式二为首右、尾左水舱加压，首左、尾右水舱通舱室大气。下面以方式一为例。

如图1所示，压缩空气经由减压器28、气压分配仪27分别进入首左水舱19和尾右水舱22；同时，首右水舱20、尾左水舱21与深潜器舱室大气连通。

2.2 首、尾水舱之间的移水

a）若发生首倾，则从首向尾移水。

在集中控制台33遥控打开左舷电控水阀31，由于首左水舱19的压力高于尾左水舱21，在压力差的作用下，首左水舱19内的水经由左舷电磁流量计29、左舷电控水阀31移往尾左水舱21。根据集中控制台的流量显示值，可以控制移水量的大小，并可观察水舱19、21的水量值。

b）若发生尾倾，则从尾向首移水。

在集中控制台33遥控打开右舷电控水阀32，由于首右水舱20的压力低于尾右水舱22，在压力差的作用下，尾右水舱22内的水经由右舷电控水阀32、右舷电磁流量计30移往首右水舱20。根据集中控制台的流量显示值，可以控制移水量的大小，并可观察水舱20、22的水量值。

当改变气压分配仪27的加气方式时，即可改变左右舷的首尾移水方向。例如，当左舷的水全部移到尾左水舱21仍无法消除首倾时，则可将气压分配仪27选择方式二，压缩空气经由减压器28、气压分配仪27分别进入首右水舱20和尾左水舱21；同时，首左水舱19、尾右水舱22与深潜器舱室大气连通。此时，打开右舷电控水阀32，在压力差作用下，首右水舱20内的水经由右舷电磁流量计30、右舷电控水阀移往尾右水舱22。

综上所述，本发明能够实现载人深潜器的定深稳定和纵倾平衡，并且尽可能的降低了电能消耗，达到了节能的目的。整个定深控制过程中，通过对耐压水舱的加压、减压控制，始终保持耐压水舱内压力比舷外压力低0.1MPa～0.3MPa，通过自流注水和小功率水泵的排水来调节载人深潜器的重力与浮力平衡关系，从而实现载人深潜器的深度稳定；利用压缩空气实现载人深潜器首尾纵倾平衡水舱之间的双向移水，从而实现载人深潜器的纵倾平衡。

Claims (8)

1.一种载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于包括定深控制装置、纵倾控制装置，所述的定深控制装置包括耐压水舱和浮力调整水舱，所述耐压水舱位于在载人深潜器的重心位置，耐压水舱的注水管路通过注水阀与通舷外水阀相接，耐压水舱的排水管路通过排水阀经排水泵与通舷外水阀相接，浮力调整水舱的水管路通过浮力调整水阀与耐压水舱的排水管路连通，同时耐压水舱的气管路通过充气阀与压缩空气系统相连通，耐压水舱的气管路还与放气阀连接；所述的纵倾控制装置包括首左水舱、首右水舱、尾左水舱、尾右水舱四个内部水舱，分别布置在载人深潜器耐压壳体内部的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷，所述首左水舱通过气管路、经由气压分配仪与所述尾右水舱连通，所述首右水舱通过气管路、经由气压分配仪与所述尾左水舱连通；气压分配仪与深潜器压缩空气系统相连；所述首左水舱通过左舷水管路和左舷水阀与所述尾左水舱连通，所述首右水舱通过右舷水管路和右舷水阀与尾右水舱连通。

2.按权利要求1所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于所述的耐压水舱配接液位变送器、压差变送器，液位变送器、压差变送器与水量压差测量仪相联，所述的与耐压水舱相连通的气管路中还串接有空气减压阀和空气安全阀。

3.按权利要求1或2所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于在通舷外水阀与排水泵之间连接有电磁流量计。

4.按权利要求1或2所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于在左舷水管路和右舷水管路中还分别串接有左舷电磁流量计和右舷电磁流量计。

5.按权利要求1或2所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于所述的通舷外水阀、注水阀、排水阀、浮力调整水阀、充气阀、放气阀、左舷水阀、右舷水阀分别为通舷外电控水阀、注水电控阀、排水电控阀、浮力调整电控水阀、充气电磁阀、放气电磁阀、左舷电控水阀、右舷电控水阀。

6.按权利要求5所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于所述的首部左舷、首部右舷、尾部左舷、尾部右舷分别安设液位变送器。

7.按权利要求1或2所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于所述的气压分配仪通过减压器与深潜器压缩空气系统相连。

8.按权利要求6所述的载人深潜器节能型水下姿态控制系统，其特征在于设置集中控制台，为深潜器定深控制及纵倾平衡控制的操作控制中心；所述定深控制装置中的通舷外电控水阀、注水电控阀、排水电控阀、浮力调整电控水阀、充气电磁阀、放气电磁阀的控制输入通道均与集中控制台相连，所述定深控制装置中的水量压差测量仪、电磁流量计的信号输出通道均与集中控制台相连；所述纵倾控制装置中的气压分配仪、左舷电控水阀和右舷电控水阀的控制输入通道均与集中控制台相连；所述纵倾控制装置中的左舷电磁流量计、右舷电磁流量计、四个液位变送器的信号输出通道均与集中控制台相连。

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