CN105292416A - 一种主动平衡耐压装备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动平衡耐压装备及其控制方法，内层壳为蛋形结构，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支架相连组成外层架。外面两层支架结构起到固定内层壳以及平衡调节的作用。当壳体受到外力作用晃动时，一方面，由于三层结构类似于两轴陀螺仪结构，耐压装备可以通过自身重量及配重进行部分平衡调节；另一方面，主控系统通过接收陀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和中层耐压壳的转动以达到平衡，保持稳定，以保护人员的安全及工作的精准进行；同时该装备的控制方法中增加了主控平衡调节的方式，能够消除余差且提高系统的稳定性，控制过程简单、快速高效，可增加潜水设备的续航。

Description

一种主动平衡耐压装备及其控制方法

技术领域

本发明属于深海潜水器耐压装置，尤其涉及一种主动平衡耐压装备及其控制方法。

背景技术

“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”，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、平衡能力以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。

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，这种晃动幅度及时间周期与从人员的安全舒适的角度以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，这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以及晃动的时间周期，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。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

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，以保护人员的安全及工作的精准进行。

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、中层支架为中心线重合的蛋形结构；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心的连接轴组件连接，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以相互转动；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以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、陀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，所述陀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以调节内层壳的平衡。

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以及平衡调节的作用。当壳体受到外力作用晃动时，一方面，由于三层结构类似于两轴陀螺仪结构，耐压装备可以通过自身重量及配重进行部分平衡调节；另一方面，主控系统通过接收陀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以达到平衡，保持稳定，以保护人员的安全及工作的精准进行。

对应地，本发明还提出了主动平衡耐压装备的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

(1)当外层架发生晃动而带动内层壳的晃动时，所述陀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，这时陀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，可以根据所述陀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以及倾斜角度；

(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PLC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；

(3)将陀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以及旋转的速度、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；

(4)在步进电机旋转调节的同时，陀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以及倾斜角度，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。

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，可以消除余差，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

图1本发明主动平衡耐压装备立体图。

图2为本发明主动平衡耐压装备全剖俯视图。

图3为本发明主动平衡耐压装备全剖主视图。

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。

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。

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。

图7为图2中中层支架与外层架第三连接轴组件11局部放大剖视图。

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。

图9为图2中外层架与法兰连接组件13局部放大剖视图。

图10电控系统线路连接图。

图11航空接头组件局部放大图。

图12为内层壳舱盖的俯视图。

图13为内层壳舱盖主视全剖图。

具体实施方式

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。

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为中心线重合的蛋形结构；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重心的连接轴组件连接，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之间分别可以相互转动；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以调节内层壳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、陀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，陀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控制步进电机以调节内层壳1的平衡。其中，陀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通过三角支架8固定在内层壳1内部。

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。

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O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，O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。

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短轴相对两侧的第三连接轴组件11和第四连接抽组件12，第三连接轴组件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，第三连接轴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。

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。

优选地，内层壳1钛合金材料或者其他高强度复合材料，由两个对称的半蛋形壳焊接而成，在底部均匀配重；中层支架2采用钢材焊接构架。

本发明的蛋形内层壳1是一种仿生特性结构，耐压能力好，同时具有较好的流体力学特性，内层壳的外形方程为：

$y=\±\sqrt{L^{\frac{2}{n+1}}{x}^{\frac{2n}{n+1}}-x^2};$ 其中， $n=1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372},$ L为长轴，B为短轴。

优选地，陀螺仪和加速度计一体传感器5为两轴陀螺仪和三轴加速度计一体传感器。主控系统6包括台达SE系列主机可编程控制器配套左侧模拟量模块DVP04AD-SL，如包括A/D转换模块与PLC控制器。

请结合图10所示，对应地，本发明还提出了主动平衡耐压装备的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

(1)当外层架发生晃动而带动内层壳的晃动时，所述陀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，这时陀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，可以根据所述陀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以及倾斜角度；

(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PLC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；

(3)将陀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以及旋转的速度、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；

(4)在步进电机旋转调节的同时，陀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以及倾斜角度，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。

其中，本发明的主动平衡耐压装备的工艺过程如下：

(1)内层壳、中层架、外层架的装配过程

先将内层壳中的内层壳配重、陀螺仪和加速度计一体传感器、主控系统等放入半蛋形内层壳零件中，再将另一个半蛋形内层壳零件与半蛋形内层壳零件对接并焊接成完整的内层壳。

中层支架事先焊接好，中层支架的短轴方向一端焊接有电机舱，电机舱的前端焊接轴承套，中层支架的短轴的另一端直接焊接轴承套；在中层支架的长轴方向的大端焊接有电机舱。

在内层壳的长轴方向的两端焊接上两个连接轴，将O型密封圈先卡进轴承端盖的预留槽内，然后将轴承端盖以及圆锥滚子轴承分别套在第一连接轴和第二连接轴上，再将轴承套分别卡在圆锥滚子轴承上，通过螺钉将轴承端盖分别与轴承套连接在一起，且轴承端盖与轴承套连接处垫有垫片。再将焊接好的蛋形中层支架与轴承套焊接起来(其中轴承套是焊接在大端的电机舱上的)，蛋形中层支架的长轴与内层壳的长轴共线，将O型密封圈卡在轴承端盖的预留槽内，再将轴承端盖以及圆锥滚子轴承分别套在两个连接轴上，然后将这两个轴承组件分别对接进中层支架短轴方向的两个轴承套内，其中留有键槽的连接轴对接在有电机舱的轴承套内，然后用螺钉将轴承端盖和轴承套连接在一起，最后将两个步进电机放入电机舱，电机主轴通过键连接方式连接到相应的连接轴上。

(2)内部设备及线路管道

请结合图2与图11所示，将设备的固定台焊接在蛋形内层壳内壁上，将本发明采用的主要电器：陀螺仪和加速度计一体传感器、台达SE系列主机可编程控制器机器配套左侧模拟量模块DVP04AD-SL、降压装置、步进电机驱动器、蓄电池等设备固定在固定台上，在这些电器的上方架一层平板用以保护电器以及供人员可以在平板上方便行动。电线需要连接内层壳的1内外两侧，因此，在内层壳1上开有梯形孔，然后将电线集中成束沿着内层壳1的内壁布线并将电线束穿过内层壳孔道，再将电线连接在航空接头插座141上，然后将航空接头插座141通过螺钉142连接在内层壳1的孔道中，航空接头组件14的法兰与内层壳1之间垫有防水密封垫片143，电线由航空接头插头144向外引出，航空接头插头144与航空接头插座141旋紧；电线连接到事先焊在两个电机舱上116/1012的航空接头组件14上，再接到步进电机110/1001上。

(3)舱盖

请结合图12-13所示，内层壳1上设有舱盖15，首先将密封圈151放入到内层壳1的预留槽内，舱盖15的一侧通过连接销轴152与内层壳1相连，舱盖15的另一侧与舱盖压板153相抵靠且舱盖压板153可压紧舱盖15，舱盖压板153通过舱盖心轴154与内层壳1相连，并由螺钉155顶紧。

最后通过螺栓将第三和第四连接轴111/121的法兰连接在潜水器内舱壁上，从而潜水器内舱壁可以作为耐压壳的外层架3。

Claims (10)

1.一种主动平衡耐压装备，其特征在于：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、中层支架为中心线重合的蛋形结构；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心的连接轴组件连接，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以相互转动；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以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、陀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，所述陀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以调节内层壳的平衡。

2.如权利要求1所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述内层壳与中层支架之间的一对连接轴组件设置在内层壳的长轴上，包括设置在内层壳小头部一端的第一连接轴组件和远离内层壳尖头部的另一端的第二连接抽组件，所述第二连接轴组件上设有第一步进电机。

3.如权利要求2所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述第一连接轴、第二连接轴焊接在内层壳上，所述第一连接轴与第二连接轴的外侧套设有轴承套，所述第一连接轴、第二连接轴的轴肩与轴承套的内阶梯肩之间固定有圆锥滚子轴承，所述轴承套上通过螺钉连接有轴承端盖，所述轴承端盖与第一连接轴、第二连接轴之间卡有O型密封圈。

4.如权利要求3所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述第二连接轴的远离内层壳的一端设有凹槽并通过键与所述第一步进电机的电机主轴相连，所述第一步进电机设置在电机舱内，所述电机舱连接在第二连接轴的轴承套上。

5.如权利要求1所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述中层支架与外层架之间的一对连接轴组件设置在中层支架的短轴上，包括对称设置在中层支架短轴相对两侧的第三连接轴组件和第四连接轴组件，所述第三连接轴组件上设有第二步进电机。

6.如权利要求1所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述陀螺仪和加速度计一体传感器为两轴陀螺仪和三轴加速度计一体传感器。

7.如权利要求1所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述主控系统包括台达SE系列主机可编程控制器机器配套左侧高速模拟量模块DVP04AD-SL。

8.如权利要求1所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述内层壳的外形方程为：

$y=\±\sqrt{L^{\frac{2}{n+1}}{x}^{\frac{2n}{n+1}}-x^2};$ 其中， $n=1.057{\left(\frac{L}{B}\right)}^{2.372},$ L为长轴，B为短轴。

9.如权利要求1所述的主动平衡耐压装备，其特征在于：所述内层壳采用钛合金材料，由两个对称的半蛋形壳焊接而成，所述中层支架采用钢材焊接构架。

10.如权利要求1-9中任一项所述主动平衡耐压装备的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)当外层架发生晃动而带动内层壳的晃动时，所述陀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，这时陀螺仪和加速度计一体传感器输出的电压就0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，可以根据所述陀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以及倾斜角度；

(2)主控系统使用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PLC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；

(3)将陀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以及旋转的速度、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；

(4)在步进电机旋转调节的同时，陀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以及倾斜角度，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。