CN108216538B - 一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可压缩液体，具体地说是一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统，利用可压缩液体对水下机器人进行被动浮力补偿，使其在运行过程中浮力状态更加稳定，所需可压缩液体的体积可由公式计算得到；水下机器人安装的浮力补偿系统，包括可压缩液体和柔性容器，能够被动补偿水下机器人和海水压缩率不匹配所引起的浮力差；可压缩液体的压缩率比海水大得多，受到相同的外部压力时体积压缩程度更大，并且体积能够随着压力增大发生压缩，也能够随着压力的减小而恢复。该方法不限于在水下滑翔机及AUV上的应用，对于各种浮力驱动水下机器人本发明方法同样具有较好的效果。

Description

一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及可压缩液体，具体地说是一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统。

背景技术

水下机器人作为一种水下测量、工作平台，是人类探索海洋最重要的手段，已经广泛应用在海洋科学研究、海洋资源勘探、安全搜救，海底探测、海洋生物研究与追踪等领域。水下机器人通常是通过浮力调节系统改变自身整体浮力实现在海洋中的上浮(下潜)或定深悬停。然而，海水密度会随着深度变化而发生变化，水下机器人的浮力状态也会随之变化，进而影响水下机器人的运动状态。水下机器人通常都由固体材料组成，比海水更加难以压缩，由于水下机器人与海水压缩率的不匹配，造成水下机器人的驱动浮力不断减小，使其在运行过程中需要额外消耗能源来克服海水密度变化的影响。因此，通过被动补偿水下机器人与海水压缩率的不匹配所引起的浮力差，尽可能减少主动浮力调节，对提高水下机器人的能源使用率和运行效率，增强续航能力具有重要作用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统，对水下机器人进行被动浮力调节，提高运行效率及能源使用效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统。

一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，包括：

搭载了浮力补偿系统的水下机器人下潜或上浮过程中，浮力补偿系统内部的柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。

所述可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大时，所需可压缩液体体积可通过如下步骤计算得到：

步骤1：假设水下机器人在水面时的排水量为V₀，可压缩液体的体积为V_c；当水下机器人下潜深度增加时，在海水压力p作用下，载体和可压缩液体的排水体积将不断减小，按照公式(1)和(2)计算：载体体积变化量ΔV_k、可压缩液体体积变化量ΔV_c；

其中，k_v为载体压缩系数，k_c为可压缩液体压缩系数，K_v为载体体积弹性模量，K_c为可压缩液体体积弹性模量；

步骤2：水下机器人的初始浮力为：

B₀＝ρ₀(V₀+V_c) (3)

水下机器人在不同深度的浮力为：

B＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)ρ(p) (4)

通过可压缩液体补偿因水下机器人与海水压缩率不匹配产生的浮力差，须满足B₀＝B，即应满足：

ρ₀(V₀+V_c)＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)ρ(p) (5)

其中，ρ₀为海水表层密度，ρ(p)为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力作用时的海水密度，海水密度状态方程近似表示为：

其中，K_s为海水体积弹性模量；

步骤3：将式(1)、(2)、(6)带入式(5)，可得：

即，

因此，得到可压缩液体的体积V_c的计算公式如下：

所述载体体积弹性模量K_v、可压缩液体体积弹性模量K_c、海水体积弹性模量K_s会随压力、温度因素变化而发生改变，是动态参数。

一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，包括：柔性容器和其内部盛载的可压缩液体；用于改变水下机器人的整体压缩率，使水下机器人在运行过程中与海水具有近似相同的压缩率。

当水下机器人上浮或者下潜时，所述浮力补偿系统的柔性容器被浸没在海水中。

所述可压缩液体压缩率比海水大，用于当水下机器人下潜或上浮时，柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。

所述柔性容器材质为具有弹性或韧性的材料。

所述柔性容器选用的具有弹性或韧性的材料为丁晴橡胶。

所述可压缩液体为有机硅。

所述可压缩液体选用的有机硅为聚二甲基硅氧烷液体或六甲基二硅氧烷液体。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法利用可压缩液体对水下机器人进行被动浮力补偿，可减小了主动浮力调节造成的能源消耗，被动补偿水下机器人与海水压缩率的不匹配所引起的浮力差，使其在运行过程中浮力状态尽可能保持稳定，有效的提高水下机器人的运行效率，增强续航能力。

2.本发明方法和系统不限于在水下滑翔机及AUV上的应用，对于各种浮力驱动水下机器人本发明方法同样具有较好的效果。

附图说明

图1是本发明系统应用于水下滑翔机的内部结构示意图；

图2是聚二甲基硅氧烷体积弹性模量变化曲线；

图3是六甲基二硅氧烷体积弹性模量变化曲线；

图4是应用本发明方法的水下滑翔机运行过程中被动浮力补偿示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法是利用可压缩液体对水下机器人进行被动浮力补偿，使其在运行过程中浮力状态更加稳定；水下机器人下潜过程中，随着下潜深度的增加，静水压增大，海水密度也会随之增大，而由于水下机器人与海水压缩率的不匹配，会使水下机器人受到的浮力逐渐增加，相反，上浮过程中，又会随着深度的减小浮力逐渐减小；本发明方法通过可压缩液体补偿水下机器人因壳体压缩变形和海水密度变化产生的浮力改变量，使水下机器人在工作过程中净浮力的变化达到最小，从而提高运行效率及能源使用效率，用于浮力补偿的可压缩液体体积可通过如下方法计算得到。

假设水下机器人在水面时的排水量为V₀，可压缩液体的体积为V_c，当水下机器人下潜深度增加时，在海水压力p作用下，其排水体积将不断减小，体积减小量可以用下式近似表示：

其中，ΔV_k为载体体积变化量，k_v为载体压缩系数，ΔV_c为可压缩液体体积变化量，k_c为可压缩液体压缩系数，K_v为载体体积弹性模量，K_c为可压缩液体体积弹性模量。

水下机器人的初始浮力为：

B₀＝p₀(V₀+V_c) (3)

水下机器人在不同深度的浮力为：

B＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)ρ(p) (4)

通过可压缩液体补偿因水下机器人与海水压缩率不匹配产生的浮力差，须满足B₀＝B，即应满足：

ρ₀(V₀+V_c)＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)ρ(p) (5)

其中，ρ₀为海水表层密度，ρ(p)为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力作用时的海水密度，则海水密度状态方程近似表示为：

其中，K_s为海水体积弹性模量。

现将式(1)、(2)、(6)带入式(5)，可得：

即，

因此，

通过可压缩液体补偿水下机器人运行过程中与海水压缩率不匹配产生的浮力差，所需可压缩液体的体积V_c可通过公式式(7)计算得到，由于体积弹性模量是一个动态量，会随压力、温度等因素变化而发生改变，因此，k_c、K_v、K_s不是严格恒定的，所以补偿过程是实现压缩系数的近似匹配；对于不同的水下机器人，K_v及V₀会有所不同，但都可以通过公式(7)计算所需的可压缩液体，应用本发明方法对其进行浮力补偿。

如图1所示，应用本发明方法的一种水下机器人100——水下滑翔机，主要包括耐压舱体3、艏部导流罩1、艉部导流罩4、浮力调节系统120、浮力补偿系统110、艏部导流罩内腔2、艉部导流罩内腔5；其中耐压舱体3密闭，不与海水直接连通，艏部导流罩1和艉部导流罩4连接于耐压舱体3上，艏部导流罩内腔2和艉部导流罩内腔5与海水连通。

耐压舱体3可由金属、碳纤维或其它合适的材料制成，艏部导流罩1和艉部导流罩4可由PVC、玻璃纤维或其它合适的材料制成；固体材料较液体更加难以压缩，因此，水下机器人100的整体压缩率要比海水更小。

浮力补偿系统110包括可压缩液体7和柔性容器6，该系统用于补偿水下机器人100和海水压缩率的不匹配所引起的浮力差；柔性容器为丁晴橡胶容器或其它具有弹性及韧性的合适容器，安装在艏部及艉部导流罩内，浸没在水下机器人110所处的周围海水中并与海水直接接触，图1中仅示意两个，但实际在导流罩内可布置多个柔性容器6；浮力补偿系统的工作状态将结合图4作进一步详述。

浮力调节系统120包括内油囊10、外油囊8、高压泵9，该系统用于调节水下机器人100的整体浮力，实现其上浮与下潜；内油囊10位于耐压舱体3密闭内腔，不与外界海水接触；外油囊8位于艉部导流罩4内，浸没在的海水中；高压泵9用于完成油液在内外油囊之间的传输，以改变水下机器人100的浮力。

如上述所述，浮力补偿系统110包括多个柔性容器6，用于装盛可压缩液体7，如，有机硅材料。可压缩液体7的压缩率比海水大得多，受到相同的外部压力时体积压缩程度更大，因此，可用于增加水下机器人100整体的可压缩性，补偿运行过程中与海水压缩率的不匹配。更具体地说，用作可压缩液体的有机硅材料可以是聚二甲基硅氧烷、六甲基二硅氧烷或其它满足要求的液体；聚二甲基硅氧烷与海水相比具有更高的可压缩性，无腐蚀性，属于难挥发的有机化合物，且其市场价低廉；六甲基二硅氧烷的压缩率更大，约为海水的三到五倍；聚二甲基硅氧烷与六甲基二硅氧烷的体积弹性模量变化曲线如图2和图3所示，其值会随着压力的变化而发生相应的变化。

水下机器人100通过浮力调节系统120改变载体体积，实现正、负浮力状态之间的转换，为载体提供上浮和下潜的驱动力，配合俯仰调节机构调整姿态，沿着轨迹X完成上浮和下潜过程；浮力补偿系统110能够被动地补偿水下机器人与海水压缩率不匹配所引起的浮力差，运行过程几乎可以保持恒定的驱动浮力，与传统的水下机器人相比，浮力调节系统消耗能量更少，运行效率更高；如图4所示，展示了水下机器人100运行中浮力补偿系统110的工作状态，柔性容器6中装有的可压缩液体7，体积能够随着压力增大发生压缩，也能够随着压力的减小而恢复；下潜过程中，浮力调节系统120通过减小载体排水体积，提供下潜驱动力，可压缩液体7随着下降深度的增加，体积会发生压缩，补偿了水下机器人100与海水压缩率的不匹配，并且几乎能以恒定的速度下潜；当达到目标深度时，主动浮力调节系统120再次工作，但只需消耗很少的能量便能够实现稳定上浮，上浮过程中，可压缩液体7随着深度的减小被压缩的体积逐渐恢复，为水下机器人100提供更多的驱动浮力，补偿上浮过程中不断减小的浮力，运行效率更高。

本发明方法应用于另一种水下机器人——AUV，它与水下机器人100具有类似的浮力补偿系统110，与海水直接接触，使得AUV在不同工作深度作业时，不用重新配平，实现被动自适应；传统AUV每次作业都要根据不同的下潜深度进行重新配重，以确保有足够的驱动浮力达到预期的下潜深度，并且随着下降深度的增加，需要额外消耗能源来克服海水密度变化的影响，下降速度会不断减小；装有浮力补偿系统的AUV，作业深度不同时，不再需要重新计算配重，其配重完全用于提供驱动浮力，下潜过程，随着深度的增加，浮力补偿系统所受浮力逐渐减小，上浮过程，浮力补偿系统又能够随着深度的减小，浮力不断增加，从而在整个运行过程中，被动补偿AUV与海水压缩率不匹配产生的浮力差，使其几乎以恒定的速度运行；当其达到预设深度时，通过驱动系统工作调节达到中性浮力，实现定深悬停或定深航行进行作业；因此，AUV在整个运行过程中运行效率更高，额外消耗的能量更少，节省的大量能量可以用于在续航能力上，或者用于其它非推进工作，如操作仪器等。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员可以很容易地对这些实施例进行各种修改，将本发明方法应用到其它实施例中。因此，本发明方法不限于这里的实施例，该浮力补偿方法适用于各种浮力驱动水下机器人，本领域技术人员根据本发明揭示，不脱离本大明的范畴所作出的改进与修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，其特征在于，包括：

搭载了浮力补偿系统的水下机器人下潜或上浮过程中，浮力补偿系统内部的柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。

2.按照权利要求1所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，其特征在于，所述可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大时，所需可压缩液体体积可通过如下步骤计算得到：

步骤1：假设水下机器人在水面时的排水量为V₀，可压缩液体的体积为V_c；当水下机器人下潜深度增加时，在海水压力p作用下，载体和可压缩液体的排水体积将不断减小，按照公式(1)和(2)计算：载体体积变化量ΔV_k、可压缩液体体积变化量ΔV_c；

其中，k_v为载体压缩系数，k_c为可压缩液体压缩系数，K_v为载体体积弹性模量，K_c为可压缩液体体积弹性模量；

步骤2：水下机器人的初始浮力为：

B₀＝ρ₀(V₀+V_c) (3)

水下机器人在不同深度的浮力为：

B＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)ρ(p) (4)

通过可压缩液体补偿因水下机器人与海水压缩率不匹配产生的浮力差，须满足B₀＝B，即应满足：

ρ₀(V₀+V_c)＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)ρ(p) (5)

其中，ρ₀为海水表层密度，ρ(p)为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力作用时的海水密度，海水密度状态方程近似表示为：

其中，K_S为海水体积弹性模量；

步骤3：将式(1)、(2)、(6)带入式(5)，可得：

即，

因此，得到可压缩液体的体积V_c的计算公式如下：

。

3.按照权利要求2所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，其特征在于，所述载体体积弹性模量K_v、可压缩液体体积弹性模量K_c、海水体积弹性模量K_S会随压力、温度因素变化而发生改变，是动态参数。

4.一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，包括：柔性容器和其内部盛载的可压缩液体；用于改变水下机器人的整体压缩率，使水下机器人在运行过程中与海水具有近似相同的压缩率。

5.按照权利要求4所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，当水下机器人上浮或者下潜时，所述浮力补偿系统的柔性容器被浸没在海水中。

6.按照权利要求4所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，所述可压缩液体压缩率比海水大，用于当水下机器人下潜或上浮时，柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。

7.按照权利要求5所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，所述柔性容器材质为具有弹性或韧性的材料。

8.按照权利要求7所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，所述柔性容器选用的具有弹性或韧性的材料为丁晴橡胶。

9.按照权利要求6所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，所述可压缩液体为有机硅。

10.按照权利要求9所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，其特征在于，所述可压缩液体选用的有机硅为聚二甲基硅氧烷液体或六甲基二硅氧烷液体。