CN103140265A - 可控制浮力系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种可控制浮力系统(10)包括支撑结构，该支撑结构具有密封的中空围绕物(12)，该中空围绕物容纳第一气体并且被第二气体包围，该第一气体或该第二气体比环境空气轻。经由防止该第一气体逃逸的单向阀用该第一气体预填充该中空围绕物，并且海拔传感器(14)生成用于指示该支撑结构的高度的海拔信号。耦合到该中空围绕物的高度变换器(17、21、61、66、67、68)响应该海拔信号以改变该支撑结构的浮力。控制器(15)被耦合到该海拔传感器和该高度变换器并且响应该海拔信号和至少一个基准海拔信号以自动控制该高度变换器以便维持该支撑结构漂浮在预设海拔上。

Description

可控制浮力系统和方法

技术领域

本发明涉及用于将物体锚定在空间中而不需要连接到地面的锚定点的可控制浮力系统。

背景技术

在署名为本申请人的WO 07/036930中描述了一种被适配为当被具有小于空气的特定重力的气体填充时漂浮在空气中的物体，该物体包括中空围绕物，该中空围绕物具有入口，该入口被耦合到压力调整装置，该压力调整装置用于调节该围绕物内部的气体的压力因而确保该围绕物的独自的浮力抵消该物体的重量。建议了大量用于调节该围绕物内部的气体压力的通用方法。因此，根据一个方法，该围绕物是浮力平台的一部分，该浮力平台将物体支撑在空间中并且被建议将气体连接器经由可调整压力阀耦合到该围绕物的入口，因而，可以以受控压力向浮力平台供给气体。通过该装置，可以调整该平台的浮力以便精确地抵消该浮力平台与该依附物体的组合重量，因而当依附不同的物体时允许调整该平台的浮力。

可以使用试验和误差设置可调整压力阀，因而气体压力极其正确以实现用于锚定到该支撑结构或与之集成的物体的浮力。可选择地，可以基于使用的浮力气体、期望的环境条件和要支撑的物体的质量，通知用户提供给浮力支撑结构的合适的气体压力。

还建议使用该中空支撑结构中的弹性膈膜来调整气体压力，并且通过该弹性隔膜的位移来调整该中空支撑结构中的有效气体体积。

虽然当条件被清楚限定并且不受到恒定波动时该装置起作用，但是当环境条件改变时它们不适用于维持恒定高度。具体而言，由于例如气流，WO 07/036930中描述的设备除非被系住否则易于游离。此外，根据不同的环境条件和物体来校准该压力阀的要求可能是不方便的或者可能没有足够的准确性。建议提供遥控推进器以便允许受支撑物体在空间中的受控移动。

美国专利号7,341,224公开了一种具有用于控制垂直移动的电子处理器子系统的微缩机器人监视气球系统。可以使用与气球组件携带并且包括比空气更轻的气体如氦气的气筒控制浮力。在另一个实施方式中，预充气该气球，以便消除将气筒依附到该气球组件的要求。在该情况中，可以增加该气球的有效浮力的唯一方式是扔掉压舱物。并且不管是否提供了外部气筒，可以减小气球的有效浮力的唯一方式是从气球释放气体。在主要要求是将监视系统升高到预先确定高度并且随后将其带回到地面时该方法是可接受的。但是当需要伺服辅助海拔调节时它是不可接受的，因为一旦氦气被释放以便降低浮力，由于氦气的数量不能增加所以没有办法足够地升高浮力。与仅仅提供浮力不同，这是使用氦气来调节浮力的固有问题。此外，当气筒的质量可能大大超过系统的其余部分的质量时对于便携式设备而言携带气筒的要求是不现实的。

US 2006/0065777公开了一种密度控制浮力系统，其具有用于控制阀的处理器，用于允许空气入舱以压缩提升气体的入口阀和用于从舱释放气体以泄压提升气体的出口阀。图3A中显示的飞艇具有坚硬的外壳，该外壳包括提升气体并且包括内弹性舱，该内弹性舱包括可以被调节以控制浮力的空气。控制器控制入口阀和/或泵和出口阀和/或泵的功能和操作以调节气流。

控制器允许在飞艇在飞行员的手动控制之下达到需要的高度之后维持平衡，但是它不能够自动将飞艇非常准确地升高到需要的高度。此外，该操作原理基于密度控制，因而使用外壳内部的提升气体(氦气)与弹性舱内部的空气之间的差分压力来调节气流进出弹性舱以便维持平衡。很显然，当该方法可能对于延伸高度范围上的差分压力可测量的飞艇是可行的，但是压力梯度可忽略的有限高度范围中的使用是不可行的。以观察的角度来看待，在海平面的压力是101325帕并且在5米处是101253帕。在1千米的高度是87836帕并且在10千米的高度是24283帕。因此，虽然海平面与1千米之间的压力梯度显著，但是在5米的高度差上压力差仅仅是72帕，这可能太低而不能作为用于伺服控制系统的实际误差信号。当然，在3米(101282帕)与3.5米(101274帕)上的大气压的差仅仅是8帕并且很显然这不能以作为实际反馈信号。类似地，在飞艇达到目标海拔之后，基于差分压力反馈以±1米的分辨率之内将其维持在该海拔是不可想象的。同样认识到其他环境条件如可以直接或间接用于在高海拔上提供伺服误差信号的温度在低的绝对或差分海拔上不适用。

此外，基于压力变化控制高度允许相对海平面维持高度，但是不容忍地形变化。飞艇对于爬升到足够高的海拔以避开高建筑物和山峦没问题。但是这不适用于相对地面的准确的高度控制。

因此很显然US 2006/0065777无法经受在密闭空间如房间中将物体提升到设定高度或者以在小于1米的准确度以内将物体维持在设定高度。

US 2008/0265086公开了一种用于具有提升气体压舱物罐的飞艇的系留航空器的提升气体压舱物系统，其中该提升气体压舱物罐被放置在地面上并且通过双滑环和中空供给管道被连接到系留航空器。

US 2008/0135678公开了一种具有控制器的用于传输乘客和货物的飞艇，该控制器调节出入舱的第一空气的流动以主动地控制飞艇的上升和下降。

美国专利号5,782,668公开了一种用于广告的气球，其具有被连接到固定电源的内部灯，并且如果气球瘪掉或其表面变形则该电源断开。

美国专利号3,839,631公开了一种比环境介质更轻的自动平衡充气悬浮物体。借助从固定提升点到物体延伸的弹性绳索来自动实现平衡。该物体的垂直移动改变受该物体支撑的绳索的重量部分直到该绳索的由物体支撑的重量等于升力为止。

FR 2 372 075公开了一种氦气填充的遇险信号气球，使用空气来稳定该气球的海拔并且该球装配有发射器。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种浮力支撑结构，该支撑结构具有用于控制该支撑结构的高度的控制器并且不需要被连接到地面的锚定点或者用于每个与之依附的物体的校准并且提供比WO07/036930中的提出的方法更好的控制。

根据本发明的第一方案，提供了一种可控制浮力系统，包括：

支撑结构，该支撑结构具有密封的中空围绕物，该中空围绕物用于容纳第一气体并且被第二气体包围，使得该第一气体或该第二气体比环境空气轻，经由防止该第一气体从该中空围绕物逃逸的单向阀用所述第一气体预填充所述中空围绕物，

海拔传感器，用于生成指示该支撑结构的高度的海拔信号；

高度变换器，其被耦合到该支撑结构并且响应于该海拔信号以改变该支撑结构的浮力，以及

控制器，其被耦合到该海拔传感器和该高度变换器并且响应于该海拔信号和至少一个基准海拔信号以自动控制该高度变换器以便在当前海拔维持该支撑结构漂浮。

在一个实施方式中，该中空围绕物是弹性的并且被布置在容纳足够体积的氦气以提供需要的浮力的外围绕物之中，并且空气被抽吸到中空内围绕物中并且作为压舱物重量。因此通过向内围绕物增加或者从内围绕物释放空气实现受控高度。

在一些实施方式中，机械地实现内腔室的体积的改变。

在一些实施方式中，在中空腔室中的该第一气体的密度的受控改变用于调整该支撑结构的浮力。

在一些实施方式中，可以将物体依附到该支撑结构和受控高度变换器以便维持该支撑结构在预先确定海拔的浮力，可以经由合适的选择器选择该预先确定的海拔，因而该浮力平台与依附物体一起达到平衡位置，其中在该平衡位置处该平台的浮力抵消该平台和该依附物体的组合重量。

在该实施方式中，该物体可以与该浮力平台集成并且可以是用电池或太阳能操作的自供电电动设备。该物体可以与该支撑结构独立或与之集成。

附图说明

为了理解本发明并且为了看出如何在实践中执行本发明，现在将参考附图，仅通过非限制性的实施方式描述实施方式，其中：

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施方式用于调节无支撑物体在空间中的高度的控制系统的基本原理；

图2a和2b示意性地显示了根据本发明的一个实施方式具有高度变换器的支撑结构；

图3a和3b示意性地显示了根据本发明的一个实施方式具有高度变换器的支撑结构；

图4a和4b是根据本发明的一个实施方式的从控制系统的对面看的分解视图；

图5a、5b和5c是图4a和4b的系统的透视图；

图6a和6b是用于显示控制器的操作的流程图；

图7图示了可释放地安装到台子上的漂浮灯；

图8示意性地显示了根据本发明的另一个实施方式具有高度变换器的支撑结构；以及

图9a和9b示意性地显示了根据本发明的另一个实施方式具有高度变换器的支撑结构。

具体实施方式

在下文的描述中，将由相同的数字来识别在多个附图中出现的特征。

图1功能性地显示了根据第一实施方式用于调节图2a和2b中示意性地显示的支撑结构11在空间的高度的控制系统10。支撑结构11包括被密封地支撑在外围绕物13(图2a和2b中所示)的内部的弹性气球12(构成中空围绕物)。气球12容纳可调整体积的第一气体，第一气体被外围绕物中的不同的第二气体包围。典型而言，在气球12中的第一气体是空气并且该外围绕物13中的第二气体是氦气。与支撑结构11关联地安装海拔传感器14以便生成基于该支撑结构的海拔的海拔信号，并且控制器15被耦合到海拔传感器14并且响应于该海拔信号来自动地调整弹性气球12中的空气的体积并且因此质量，以便在预先确定海拔维持该支撑结构漂浮。

要明白在本发明和所附权利要求的上下文中术语“支撑结构”包括与将要提升的物体集成的平台以及包括内外围绕物和控制器但是允许外部物体依附到该平台的平台。在后一种情况中，控制器必须能够被用户外部校准以补偿依附物体的重量的差异。当物体和支撑结构一体时，可以根据已知的组合重量出厂设置控制器。

支撑结构可以包括用于儿童的悬浮三维玩具和小机械、内部设计产品、用于奢侈消费品或者用于收藏家的物品或艺术品的包装或展示。可以类似地使用本发明的原理支撑用于广告产业的产品如广告牌、旗帜、屏幕等等以及用于救援的紧急信号产品。本发明还可以用于支撑诸如用于监视和安保的例如照相机的产品，特别是在非常大的空间中或者在通路受限并且不存在基础设施的区域中。本发明的另一个应用是用于物体的外部支撑如露营和紧急照明或其他临时户外部署例如用于建设或维护工作(例如在无光区域中的车辆坏损维修)。

可以根据大量不同的物理方法实现高度调整，在图1中仅仅显示了该大量不同的物理方法中的一个代表性方法，在该代表性方法中外围绕物13是坚硬的并且具有足够的体积，因而当被氦气填充时存在足够的浮力以支撑包括任意由此在自由空间中受支撑物体的支撑结构11。如现在将解释的，弹性内气球的使用仅仅是一种可能性，因为也可以使用弹性外气球。在全部情况中，由高度变换器根据高度，基于多个物理特性中的任意一个调整支撑结构的净浮力。为了实现支撑结构11在标称固定高度上悬浮在空气中的平衡，将空气抽吸入气球12，因而随着吸入越来越多空气气球12如图2b中所示膨胀，直到空气的附加质量取代氦气的浮力因此导致支撑结构11下降为止。当如海拔传感器14所检测，支撑结构11下降到低于预先确定水平时，开启气球12的空气供应阀，以便释放空气，因而降低空气的重量直到氦气的浮力取代当阀闭合时空气的重量为止。支撑结构11现在上升并且继续重复该阀的开启和闭合的循环。

描述了控制系统10的操作的基本原理之后，现在将更完整地描述图1中所示的实施方式。控制器15具有经由第一电线16电耦合到泵17的第一输出，泵17被管道的第一部分18连接到气球12的入口19。共同与第一部分18接合的管道的第二部分20被连接到电磁阀21的入口，电磁阀21经由第二电线22被电耦合到控制器15的第二输出以便因而被促动。当控制器15向泵17供给促动信号时，将环境空气通过管道18吸入气球12，而当控制器15向阀12供给促动信号时，经由管道的第二部分20将空气从气球12释放到大气中。

由通过主开关24耦合到控制器15的可再充电11.1伏特锂聚合物电池23向控制器15和包括泵17和阀21的相关电子器件供电。如果希望则图2a中所示的外围绕物13可以至少部分地是透明的并且可以由被LED驱动器26驱动的发光二极管(LED)25组内部照明，由辅助开关27将LED驱动器26耦合到电池23。如果希望，则可以由控制器15独立地控制LED 25以便作为高度指示器，因而例如随着设备上升更多LED点亮并且随着设备下降更少LED点亮或者反之亦然。

为了将支撑结构11和与之依附的任意物体从它的静止位置上升以及类似地当希望时使它回到地面，优选控制器15能够远程促动。为此目的，可以将无线通信设备例如能够经由RF控制器29(构成遥控器)遥控的RF模块28连接到控制器。公知该设备操作在有限的距离上在近似433MHz的频率上，因而不需要FCC许可(或相当的)。可选择地，可以应用其他无线通信模式例如可以使用蜂窝或蓝牙。在物体被升高到永久固定位置的情况中例如当用于纯装饰性目的或者可能用于固定显示如紧急出口标志、广告等等的情况中，遥控是非必要的。在该情况中，可以提供耦合到控制器15的校准刻度盘(未显示)，其带有根据要支撑的重量和希望的高度来校准的刻度。可以根据依附物体的重量和其必须被升高到的高度设置刻度盘，以便在完全正确的压力上将足够数量的空气抽入气球12中以产生希望的浮力。可选择地，当支撑结构与物体一体时，仅需要根据高度来设置刻度盘，因为支撑结构的重量是不变的。而在其他实施方式中，不提供外部校准并且控制器被预设为将支撑结构升高到当没有由支撑结构携带外部物体时在工厂中预先确定的高度或者将要根据由支撑结构携带的外部物体的重量改变的高度。

在图2a和2b中所示的实施方式中，外围绕物13是坚硬的并且具有固定的体积而不管其中容纳的氦气的数量，而中空内围绕物12是弹性的。在该情况中，增加外气球中的氦气的数量就增加总质量，但是对气球的浮力具有可忽略的影响。因此对于外气球中固定的氦气质量，通过改变内气球中的空气的质量来实现高度调整。

图3a和3c显示了外围绕物13和内中空围绕物12都是弹性的可选择的结构。向外气球增加氦气就增加它的质量和体积。体积的增加就增加了气球的浮力，其升高气球，而质量的结果增加降低了气球。因此在该实施方式中，支配性的控制因素也是内气球中的空气的质量，外气球中的氦气的数量的任意改变变得较不重要。可选择地(未显示)仅外围绕物13可以是弹性的。

在全部这些实施方式中，使用大气空气作为控制气体，因而吸入或者释放空气的内围绕物作为用于外围绕物的压载舱，就像用于调整潜水艇的浮力的压载舱。这具有不需要将外部气体供应耦合到泵的优点。但是为了完整起见，本发明的原理也可以逆向应用于氦气作为控制气体时。在该情况中，可以将氦气吸入内弹性围绕物以增加浮力并且从内弹性围绕物释放以降低浮力。这是较不吸引人的，因为外部氦气源必须由支撑结构负担并且耦合到泵入口。这增加了结构的重量并且浪费氦气，氦气与环境空气不同必须周期性地补充。

然而当要支撑固定的轻量物体时可以使用该实施方式，因而可以由小体积气球提供所需要的浮力。可以使用外坚硬围绕物，它的固定体积作为用于提供所需要浮力的氦气的希望体积。在该实施方式中，通过将氦气吸入内气球中直到其碰到外围绕物的内部轮廓为止以实现期望的浮力。忽略补偿环境温度中的波动可能需要的任意精细的调谐，气球中的氦气的体积足以提升物体。

此外，可以使用这样一种实施方式，在支撑结构上携带小型氦气瓶以便通过利用氦气填充外腔室来发射物体，而此后通过如上所述通过吸入或排出内气球的空气来调节高度。支撑结构可以是可折叠的，因而在从地面或从空中发射之后，从氦气瓶中排放氦气到外围绕物中因而导致外围绕物的充气和支撑结构的布置。可选择地，然后可以自动抛弃空的氦气瓶。

参考图4和5，显示了根据一个实施方式的控制系统10的示图。支撑结构11包括圆形顶盘30，在圆形顶盘30的边缘的周围焊接外围绕物(在这些图中未显示)，因而边缘提供气密封。在顶盘30的下表面上形成螺纹孔(未显示)，用于接合经过从一对对立的半圆柱形侧面部分33和34的外部可进入的孔32插入的螺丝钉31，以便将侧面部分33和34固定到顶盘30的下表面。在每个侧面部分33和34的内表面上形成朝向它们的下边缘的各自的弧形边缘35，并且弧形边缘接合底座盘37中的圆周槽36。在组装期间，控制器15(图1中所示)和相关组件被安装到底座盘37上，此后侧面部分33和34被安装到底座盘上并且随后被螺丝钉31固定到顶盘30，以便形成基本上圆柱形的外壳38(图5a中所示)，外壳38的顶部支撑外围绕物13。

顶盘30包括中央孔40，通过中央孔40将锥形肋连接器41密封插入，并且在中央孔40上安装弹性气球，因此允许空气被吸入内弹性气球12或从内弹性气球12释放。将顶盘30中的孔42连接到气体入口43，气体入口43经过侧面部分33中的孔44突出并且被盖45终接，盖45被经由管道(未显示)连接到气体入口43。气体入口43允许氦气从外部源被吸入外围绕物，此后由塞子46密封盖45以防止氦气逃逸。可选择地，盖45可以是单向阀，在该情况中塞子46是非必要的。

还在顶盘30中形成多个凹陷的孔47，在孔47中密封地依附图5a中所示的各个透镜48。透镜48将光从LED 25传递到外围绕物13，外围绕物13是至少部分透明的以便发射LED的光。将LED 25安装到具有孔49的双面印刷电路板(PCB)49的上表面，其中将PCB通过孔49螺钉固定到顶盘30中各自的螺纹孔51。在图4a和4b中还显示了海拔传感器14、泵17和电池23以及允许外部充电器的连接以便再充电电池23的充电器端子52。充电器端子52经过底座盘37中的孔53突出并且被螺帽54固定。主开关24经过孔55被安装并且由螺帽56固定到侧面部分内部。图1中所示的管道的第一部分18在一个末端被耦合到泵17的出口并且它的对立末端被依附到与被插入连接器41并且与连接器41互补的锥形肋连接器。管道的第二部分20在一个末端被连接到电磁阀21的入口，它的对立分支从如图1中所示的第一部分18分叉。在图4a和4b中未显示该管道以免模糊其中显示的其他组件。

在实际实施方式中，海拔传感器14能够以不大于±1米的误差测量高达50米的高度。控制器15响应于用于指示希望的预设海拔的第一基准信号以将支撑结构发射到该海拔。此后，控制器15可以响应于用于指示即时海拔与该预设海拔之间的可允许差异的第二基准信号，将高度维持在指定容限内。可以由遥控单元外部地设置并且持续地改变该基准信号。

在以上实施方式精简到实践的原型中，海拔传感器是由美国亚利桑那州的MaxBotix

公司生产的LV-MaxSonar

-EZ3^TM型声纳范围探测器。泵是美国北卡罗来纳州的Hargraves生产的9伏特电刷电动机CTS隔膜泵型A.1C25N1.C09VDC，并且电磁阀是同样由Hargrves生产的75型Magnum 5伏特2瓦特15PSI阀。在图5b和5c中显示了LV-MaxSonar-EZ3^TM声纳范围探测器的外部，其以25.4毫米的分辨率检测从0到6.45米的物体。

图6a和6b是显示具有图2a和2b中所示的结构的控制器15的操作的流程图。为了方便起见，控制器15根据两个不同状态来操作。图6a显示了在气球12达到稳定状态之前例如当设备首次从它的静止状态上升时执行的初始化程序。在该状态中，外围绕物13充满氦气并且内气球12实质上是空的。优选仅当在内气球中存在足够的空气时反馈控制才起效，以防止气球不受控制地上升，因为如果气球在不足空气下被释放则其可能飞得远超出希望的高度之后才有足够的空气将其重压下来。由于两个原因，这是不希望的。首先，在内气球中具有足够的空气之前的短时间周期期间，设备失去控制。其次，如果飞得过高则可能存在其将不再处于海拔传感器的操作范围中的风险。恢复控制的唯一方法将是使用遥控迫使设备下降，以便逐渐向内气球增加空气，因为如果太多空气被吸入内气球则存在内气球爆裂的危险。事实上，初始化程序允许与由海拔传感器提供的反馈控制独立地控制气球，直到设备达到稳定状态为止，当设备达到稳定状态时允许反馈控制。

因此，在图6a中，控制器确定该设备是否高于指定的基准线高度，其中该基准线高度被设置为故意低的水平以导致控制器推断该设备过高。这迫使控制器激活泵以便填充气球。即使当保持该设备以防止其在氦气填充的外围绕物的浮力之下上升时这也可以完成。当在内气球中有足够的空气时，可以使用RF控制来改变状态，于是如图6b中所示地开始正常状态，图6b显示了高度为与预设希望高度相当的高度时的简单的反馈机制。如果高度大于该预设高度，则激活该泵以便将更多空气吸入内气球，因此导致设备下降。如果高度低于预设高度则激活该阀以便从内气球释放空气，因此导致设备上升。

在两个状态中，RF控制器能够改变当前状态并且被用于将设备从稳定状态降到地面。其还可用于在设备是浮灯的情况中控制LED，因而在可以在无须使灯降回到地面水平的情况下打开并且关闭该灯。但是如前所示，LED可用于作为高度指示器，该情况中，被点亮的LED的数量可用作高度的指示。可选择地，可以根据测量的高度点亮不同颜色的LED。在该情况中LED除了被用作主照明源之外，LED还可以用作可视高度指示器。

图4和5中所示的设备的操作基于公知的气体定律并且在我们更早的WO 07/036930中被详述。在这里不重复，首先因为其是公知常识并且更重要的是因为本发明的控制器不需要实际物理知识。其事实上这是与WO 07/036930中所述的设备完全分离地设置的。原因是在WO 07/036930中不存在控制器并且不存在反馈机制，由预校准压力调节阀实现高度控制。在该情况中，在工厂中根据假设的环境条件调整阀以将漂浮气球中的氦气的压力调整到正确值，以便浮力足以提升具有指定重量的物体。这不允许在希望的预定高度上支承具有不同重量的物体。可选择地，可以提供被校准在相当于增加质量的单位的刻度盘，以便允许通过调整刻度盘在希望的预定高度上支持具有不同重量的物体。

但是，在控制器简单地基于该设备的即时高度是否小于或大于预设高度来调整(如由图1中的泵和释放阀构成的)高度变换器的情况中，在本发明中不可应用这些条件。事实上在上述实施方式中，外围绕物的浮力是不可变的，通过改变内气球中的空气的重量来实现高度控制。这么说，具有给定重量的支撑结构将漂浮到的标称高度不需要理解物理知识。因此，显然需要根据支撑结构的组合重量来选择内和外围绕物的尺度，该尺度决定外围绕物中的氦气的体积以及内围绕物中的气体的抵消重量。现在下面给出用于决定这些设计计算的相关理论。

在平衡时，作用在支撑结构和任意依附物体上的向上的浮力被重量精确地反平衡。外气球浮在空气中并且因此如下给出它的浮力：

F_B＝ρ_Air×V_T×g(1)

其中V_T是外围绕物的体积；

ρ_Air是空气的密度；

并且g是由于重力的加速度。

如下给出反作用重量：

W＝(m_object+m_Air+m_He)×g(2)

因此，为了支持质量为0.3千克的物体：

(0.3+m_Air+m_He)×g＝ρ_Air×V_T×g(3)

应用通用气体定律：

P×V＝m×R×T(4)

$\mathrm{\ρ}=\frac{m}{V}=\frac{P}{R\×T}---\left(5\right)$

因此如下给出空气的密度：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}=\frac{P_{\mathrm{Air}}}{R_{\mathrm{Air}}\×T_{\mathrm{Air}}}---\left(6\right)$

类似地，如下给出氦气的密度：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}}=\frac{P_{\mathrm{He}}}{R_{\mathrm{He}}\×T_{\mathrm{He}}}---\left(7\right)$

假设对于空气应用以下特性：

T_Air＝15℃(即288K)

P_Air＝101325Pa(即大气压)

R_Air＝287.05J kg^-1K^-1

方程式6给出：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}=\frac{101325}{287.05\×288}=1.226\mathrm{kg}/m^3---\left(8\right)$

假设氦气的温度与空气温度相同并且它的压力略微高于空气压力，比如110000Pa，即：

T_He＝15℃(即288K)

P_He＝110000Pa(即大气压)

R_He＝2077J kg^-1K^-1

方程式7给出：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}}=\frac{110000}{2077\×288}=0.184\mathrm{kg}/m^3---\left(9\right)$

如下给出内气球中的空气的质量：

m_Air＝ρ_Air×V_Air(10)

类似地如下给出外气球中氦气的质量：

m_He＝ρ_He×(V_T-V_Air)(11)

将这些值代回到方程式3中，给出：

0.3+ρ_Air×V_Air+ρ_He×(V_T-V_Air)＝ρ_Air×V_T(12)

如上所示，空气仅作为压舱物来精确调谐漂浮结构的浮力。因此我们假设在一些初始高度上即使内气球中没有空气设备也将漂浮，即V_Air＝0。在该情况中，以上方程式简化为：

0.3+ρ_He×V_T＝ρ_Air×V_T(13)

即 $V_T=\frac{0.3}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Air}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{He}}}---\left(14\right)$

给定： $V_T=\frac{0.3}{1.226-0.184}---\left(15\right)$

$=0.287m^3$

为了简单起见假设外气球是球形的，因而如下给出它的体积：

$V_T=\frac{4}{3}\mathrm{\π}{R}^3---\left(16\right)$

然后如下给出它的半径R：

$R=\sqrt[3]{\frac{0.287\×3}{4\mathrm{\π}}}$

$=0.41m---\left(17\right)$

换句话说，为了实现具有300克的标称质量的轻量系统的浮力，球形外气球必须具有0.82米的最小直径，并且在外气球中的氦气的质量等于ρ_He×V_T即0.053立方米。即使当空气被吸入内气球时该质量仍然保持固定，此后支撑结构的组合质量增加并且支撑结构然后下落。显然，这些附图仅仅是作为实例来给出的，但是它们展示了本发明用于支持具有小于5千克的质量的轻量结构的应用，能够将该结构从静止升高到希望的海拔并且用于维持准确度在±1米之内的恒定海拔。

图7图示了形式为可释放地安装到台子61上的漂浮灯设备60。台子61具有用于支撑管状杆63的底座部分62。灯设备60的圆柱形外壳38被可释放地安装到支架64中，具有孔的引铁65从支架64的一个侧面突出，其中该孔升降杆63但是通过安装在该杆的顶部的保持盖66防止其逃逸。

在使用之前，用氦气填充外围绕物13并且将灯设备60的圆柱形外壳38安装到支架64中。支架64可以具有圆周的弹性指，该弹性指抓住外壳38的侧壁并且可以分离张开以便释放该灯。该结构的浮力导致设备60爬上该杆，该杆通过保持盖66防止其逃逸。在远程RF控制之下，将空气突然吸入内气球12，以使其逐渐膨胀。当足够的空气填充内气球时，增加的质量取代该结构的浮力，其开始在杆63上逐渐下降。灯设备60然后可以从支架64安全地释放，并且可以在远程RF控制之下调整内气球中的空气质量以根据需要升高或下降该设备。

虽然在图1中显示控制器作为与单个支撑结构一起使用的专用设备，但是本发明还设想用于控制多个结构的遥控器的使用。在该情况中，每个支撑结构包括用于存储唯一性ID的存储器。每个设备使用合适的双向通信协议与控制器通信，该通信协议例如可以向每个设备分配不重叠的时隙以避免冲突。可选择地，可以通过分配随机时隙并且纠正由于数据冲突而丢失的传输来实现工作周期的更好的使用。该协议本身是已知的并且它们自身不是本发明的特征。为了完整起见，可以参考以色列赖阿南纳的Elaps电光系统公司的美国专利号6,600,899，其描述了用于影响物体收发器与读取器之间的双向数据通信的方法和系统，通过引用将其内容合并入本文。

如果希望则可以互相地同步由遥控器控制的多个结构，以便参与协作方案。例如，可以控制一系列可漂浮灯，其中每个灯显示不同的字母，因而可以使用每个灯的远程操作以生成编排的消息或者广告。可以例如将每个灯升高到希望的预设高度并且随后在受控时间周期内被点亮；可以升高或下降点亮的灯以便产生移动消息等等。类似地，在安保应用中，多个支撑结构可用于支撑照相机，该照相机随后用于成像具体的区域。该遥控单元允许通过构成的支撑结构的合适的控制来调整覆盖。

在目前所述的实施方式中，外围绕物是用氦气填充的坚硬围绕物并且内围绕物包括作为压舱物的空气。但是要注意到该实施方式仅仅是一个可行的方法。因此如果希望则可以用空气填充外围绕物并且可以通过从内弹性气球增加或释放氦气来调整该设备的浮力。在该情况中，外围绕物也将是坚硬的。可选择地，外围绕物可以是弹性的并且可以通过改变其中氦气的体积来调整设备的浮力。

全部这些方法基于改变空气与氦气的体积之间的比率以便改变漂浮结构的浮力。具体而言，图1中的高度变换器由泵17和阀21构成并且根据高度调整弹性气球中的气体的体积并且因此质量。但是由于通用气体定律涉及压力(P)、体积(V)和温度(T)，因而PV/T保持恒定而不管任意这些特性的改变，可以通过使用依赖于温度或压力的高度变换器来调节浮力。

图8示意性地显示了根据坚硬中空围绕物12内部的气体的温度调整来工作的高度变换器70，该气体比空气轻，最典型地是氦气。加热元件71加热其中的气体，以便致使其密度小于通常是空气的周围气体，因而设备上升。在该实施方式中，在技术上不需要外围绕物。但是在实践中，优选将围绕物12围绕在外围绕物13中并且用绝热材料72填充两个围绕物之间的空间。当加热元件61被断开能量时气体冷却并且围绕物12的浮力减小因而设备下降。通过提供小型冷却设备如热电冷却设备所提供的围绕物12内部的气体的更加主动的冷却可以增强该效果。

在该实施方式中，控制器15响应于中空围绕物12下降到预设海拔之下以为加热设备71供能以便增加中空围绕物的浮力，并响应于中空围绕物12上升到预设海拔之上以对加热设备71断开能量从而允许气体冷却并且减小中空围绕物的浮力。

当然将要认识到，通过加热气体来调整气体气球的海拔本身是公知的并且在热气球中被长期使用。但是热气球通常由飞行员操纵，飞行员通过调节进入气球中的热空气的流动来控制飞艇的高度。与此相反，本发明是没有操作的并且使用随行控制器来自动维持设备处于预设海拔上。

图9a和9b示意性地显示了根据坚硬中空围绕物12内部的气体的体积调整来工作的高度变换器75，该气体比空气轻，最典型地是氦气。“坚硬的”意味着该围绕物不是弹性的而是能够塑性变形。因而其不能像气球一样膨胀，但是可以通过这样一种力的应用来减小它的体积，其中该力挤压或者接触围绕物的壁因而释放该力就将围绕物的形状和体积恢复到它的初始状态。在该情况中，高度变换器包括在中空围绕物内部的绳索76。该绳索的第一末端被锚定到中空围绕物的内壁77且该绳索的第二末端经由电动机78被耦合到控制器15。控制器被适配为通过调整绳索的张力，根据测量海拔改变中空围绕物中的气体的体积。因此在中空围绕物下降到预设海拔之后，电动机78减小绳索76的张力以便增加中空围绕物中的气体的体积并且因而增加中空围绕物的浮力。当中空围绕物上升到预设海拔之上时，电动机78缠绕绳索76以便减小中空围绕物中的气体的体积并且因而降低中空围绕物的浮力。

该绳索构成体积调整设备，该体积调整设备的调整用于通过向围绕物的壁施加力以收缩或膨胀围绕物来调整弹性气球中的气体的压力。将要认识到可以类似地应用其他形式的体积调整设备或高度-压力变换器。例如可以将坚硬的链条偏心地耦合到电动机以便促使内壁67进一步远离或靠近电动机。

虽然上述高度变换器基于通用气体定律，但是将要认识到还可以使用能够根据测量高度来改变中空围绕物内部的气体的可变的依赖高度的特性的任意高度变换器。

还将理解，根据本发明的控制器可以是合适的编程的处理器。类似地，本发明设想用于控制控制器的处理器可读的计算机程序。本发明还设想包括可由控制器执行的用于执行必要的控制的指令程序的机器可读存储器实体。

Claims (29)

1.一种可控制浮力系统(10)，包括：

支撑结构(11)，具有密封的中空围绕物(12)，所述中空围绕物用于容纳第一气体并且被第二气体包围，使得所述第一气体或所述第二气体比环境空气轻，经由防止所述第一气体从所述中空围绕物逃逸的单向阀用所述第一气体预填充所述中空围绕物，

海拔传感器(14)，用于生成指示所述支撑结构的高度的海拔信号，

高度变换器(17、21、61、66、67、68)，被耦合到所述支撑结构并且响应于所述海拔信号以改变所述支撑结构的浮力，以及

控制器(15)，被耦合到所述海拔传感器和所述高度变换器并且响应于所述海拔信号和至少一个基准海拔信号以自动控制所述高度变换器以便维持所述支撑结构漂浮在预设海拔上。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述海拔传感器(14)能够以不大于±1米的误差测量高达50米的高度。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述至少一个基准海拔信号包括指示希望的预设海拔的第一基准信号。

4.如权利要求1到3中任一项所述的系统，其中，所述至少一个基准海拔信号包括指示即时海拔与所述预设海拔之间的可允许差异的第二基准信号。

5.如权利要求1到4中的任一项所述的系统，其中：

所述中空围绕物是弹性的并且被布置在容纳所述第二气体的外围绕物之中，

所述第一气体作为压舱物，并且

所述控制器响应于所述海拔信号以调整所述中空围绕物中的所述第一气体的质量，以便维持所述支撑结构漂浮在预设海拔上。

6.如权利要求5所述的系统，其中：

经由可释放的阀(21)将泵(17)耦合到所述中空围绕物的入口，并且

所述控制器响应于所述海拔信号以抽吸第一气体进入所述中空围绕物，以便使所述中空围绕物充气，或者以开启所述可释放的阀以便将所述内中空围绕物放气。

7.如权利要求1到6中的任一项所述的系统，其中，所述第一气体是空气。

8.如权利要求1所述的系统，其中：

所述高度变换器包括在所述中空围绕物内部的至少一个电气加热元件(61)，并且

所述控制器响应于所述支撑结构下降到低于所述预先确定的海拔来加热所述第一气体以便增加所述中空围绕物的所述浮力，并且控制器响应于所述支撑结构上升到高于所述预先确定的海拔来允许所述第一气体冷却以便降低所述中空围绕物的所述浮力。

9.如权利要求8所述的系统，其中：

所述控制器被适配为通过将所述至少一个电加热元件断开能量来冷却所述第一气体以便允许所述第一气体被动地冷却。

10.如权利要求8所述的系统，还包括：

用于主动地冷却所述第一气体的冷却设备；

所述控制器被适配为通过除了对所述至少一个电加热元件断开能量之外向所述冷却设备供能来冷却所述第一气体。

11.如权利要求5所述的系统，其中：

所述中空围绕物基本上是坚硬的，

所述高度变换器包括在所述中空围绕物内部用于将所述中空围绕物的壁(67)耦合到所述控制器的体积调整设备(66)，并且

所述控制器响应于所述支撑结构下降到低于所述预先确定的海拔来调整所述体积调整设备以便增加所述中空围绕物中的气体的体积并且从而增加所述中空围绕物的浮力，并且响应于所述支撑结构上升到高于所述预先确定的海拔来调整所述体积调整设备以便减小所述中空围绕物中的气体的体积并且从而降低所述中空围绕物的浮力。

12.如权利要求11所述的系统，其中：

所述体积调整设备是绳索，所述绳索的第一末端被锚定到所述中空围绕物的内壁并且所述绳索的第二末端被耦合到所述控制器，并且

所述控制器被适配为通过调整所述绳索的张力来改变所述中空围绕物中的所述气体的体积。

13.如权利要求12所述的系统，其中，经由电动机(68)将所述绳索(61)耦合到所述控制器(15)，由所述控制器促动所述电动机以缠绕或展开所述绳索以便分别增加或减小所述绳索中的所述张力。

14.如权利要求1所述的系统，其中：

将所述中空围绕物放置在容纳所述第二气体的弹性外围绕物中，

将泵(17)经由可释放的阀(21)耦合到所述外围绕物的气体入口，并且

所述控制器响应于所述海拔信号，将第二气体抽吸到外中空围绕物中以便将所述外中空围绕物充气，或者开启所述可释放的阀以便将所述外中空围绕物放气。

15.如权利要求1到14中的任一项所述的系统，其由电池(25)自供电。

16.如权利要求1到14中的任一项所述的系统，其由被传递到该电设备的辐射供电。

17.如权利要求16所述的系统，其由太阳能供电。

18.如权利要求1到17中的任一项所述的系统，其中，所述支撑结构作为用于支持依附物体的平台。

19.如权利要求1到18中的任一项所述的系统，其具有被耦合到所述控制器以用于设置所述预设海拔的选择器。

20.如权利要求1到19中的任一项所述的系统，还包括被耦合到所述控制器以用于所述控制器的远程促动的遥控单元(28)。

21.如权利要求20所述的系统，其中，所述遥控单元是RF模块(28)。

22.如前述权利要求的任一项所述的系统，其中，所述控制器被适配为执行初始化阶段直到所述支撑结构达到稳定状态为止，并且随后执行调节阶段以维持所述支撑结构处于希望的预设海拔上。

23.如权利要求20到22中的任一项所述的系统，其中，由唯一ID标识所述支撑结构(11)，并且所述控制器响应于所述唯一ID来将接收的海拔信号与所述支撑结构相关联并且向所述支撑结构中的所述高度变换器发送控制信号，因而允许由遥控器(29)进行对多个支撑结构的遥控。

24.如权利要求23所述的系统，包括多个支撑结构，每个支撑结构包括各自的控制器，全部所述控制器被互相地同步。

25.如权利要求1到24中的任一项所述的系统，其中，所述海拔传感器被适配为以小于100毫米的分辨率测量从0到6.45米的高度。

26.如权利要求1到25中的任一项所述的系统，其具有小于5千克的组合质量。

27.一种用于将根据权利要求22所述的系统上升到所述预设海拔的方法，所述方法包括：

指定小于所述希望的预设海拔的基准线高度；在所述初始化阶段使用所述基准线高度作为用于所述控制器的基准，因而控制器推断所述设备过高并且激活所述高度变换器以将空气抽吸到所述中空围绕物(12)中；以及

当在内气球中有足够的空气时改变到所述调节阶段。

28.如权利要求27所述的方法，其中，在所述初始化阶段期间阻止所述支撑结构在填充氦气的外围绕物的浮力之下上升。

29.如权利要求27或28所述的方法，包括使用遥控从所述初始化阶段改变到所述调节阶段。

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