CN108263154A - 水下浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下浮力调节装置，包括密封壳体、气囊、控制模块、排气模块以及充气模块，其中：所述气囊设置于所述密封壳体外部；所述控制模块、排气模块以及充气模块设置于所述密封壳体内部；所述充气模块通过充气管密封穿舱件连接所述气囊；所述排气模块的排气管路和充气模块的充气管路连通。本发明采用高压气动浮力系统，采用高压气体源作为浮力调节驱动力，相较于传统的浮力调节系统，重量轻，维护成本低，可快速更换，减轻载体的重量，利于两栖航行器轻量化设计。本发明通过设置安全阀，避免在因控制器发生故障或气囊内部气体压力传感器发生产生较大测量误差的情况下，自动为环形气囊释放超标的多余气体造成的气囊爆破。

Description

水下浮力调节装置

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，具体地，涉及一种水下浮力调节装置，更为详细的，本发明涉及一种用于海空两栖航行器的小型轻量化浮力调节的装置。

背景技术

海空两栖航行器是一种新型的水下机器人，可同时进行空中、水面和水下探测的高机动性跨介质运载平台。可通过岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，具有空中飞行控制、定位、指定海域水面降落、自主水面巡航、自主水下航行和飞行返航的功能，在海洋环境监测和海空联合观测方面有着很广泛的应用前景。

浮力调节装置是实现对水下机器人、浮标、深潜器、滑翔机等设备的自动下潜、上浮和定深控制的核心部件之一。现有大深度海洋浮力调节装置大都是采用液体油泵或活塞缸的方式进行吸排油来实现，该装置重量大、调节能力低。若想提高浮力调节能力，就必须增大装置的体积和增加液压油量，这将导致浮力调节装置的重量大幅增加，因而需要更大负载能力的飞行动力系统，也将加剧能量消耗速率。海空两栖航行器能搭载的能源容量非常有限，要实现长时间的空中飞行和水下潜航，需要对该浮力调节装置进行小型轻量化设计。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下浮力调节装置。

根据本发明提供的一种水下浮力调节装置，包括密封壳体、气囊、控制模块、排气模块以及充气模块，其中：所述气囊设置于所述密封壳体外部；所述控制模块、排气模块以及充气模块设置于所述密封壳体内部；所述充气模块通过充气管密封穿舱件连接所述气囊；所述排气模块的排气管路和充气模块的充气管路连通。

优选地，所述充气模块包括高压气瓶、减压阀、充气电磁阀、十字气管接头以及充气管密封穿舱件，沿充气模块充气方向，高压气瓶、减压阀、充气电磁阀、十字气管接头以及充气管密封穿舱件依次连接。

优选地，所述排气模块包括排气电磁阀和排气管密封穿舱件，所述十字气管接头、排气电磁阀以及排气管密封穿舱件依次连接，所述排气管密封穿舱件连通所述密封壳体的外部。

优选地，还包括安全阀，所述安全阀设置于所述密封壳体上，所述安全阀连接所述十字气管接头。

优选地，所述控制模块包括控制器，所述控制器控制所述排气模块的排气电磁阀和充气模块的充气管路的充气电磁阀的开启和关闭。

优选地，还包括充气继电器和排气继电器，其中：所述控制模块通过充气继电器控制所述充气电磁阀；所述控制模块通过排气继电器控制所述排气电磁阀。

优选地，还包括压力传感器，所述压力传感器设置于排气管路或者充气管路靠近所述气囊的一端，所述压力传感器连接所述控制模块。

优选地，还包括深度传感器，所述深度传感器设置于所述密封壳体上，所述深度传感器连接所述控制模块。

优选地，所述密封壳体包括亚克力耐压筒。

优选地，所述气囊包括橡胶气囊。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用高压气动浮力系统，相较于传统的液压泵、活塞缸以及抽排水方式的浮力调节系统，具有重量轻，维护成本低，可快速更换的优点，减轻载体的重量，利于两栖航行器轻量化设计。

2、本发明采用高压气体源作为浮力调节驱动力，结构简单，重量小，能耗低，仅需合理控制两个小型化耐高压电磁阀短时间内的开闭就可以实现浮力调节，使得浮力调节过程能耗大大降低。

3、本发明通过设置安全阀，避免在因控制器发生故障或气囊内部气体压力传感器发生产生较大测量误差的情况下，自动为环形气囊释放超标的多余气体造成的气囊爆破。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为水下浮力调节装置的结构示意图；

图2为水下浮力调节装置的内部结构图；

图3为水下浮力调节装置的气路图。

图中示出：

1-密封法兰 12-下支撑板

2-密封壳体 13-减压阀

3-环形气囊 14-十字四通气管接头

4-安全阀 15-上支撑杆

5-排气管密封穿舱件 16-压力传感器

6-深度传感器 17-第一支撑板

7-充气管密封穿舱件 18-下支撑杆

8-控制器 19-锂电池

9-排气电磁阀 20-充气继电器

10-充气电磁阀 21-排气继电器

11-高压气瓶 22-电磁阀固定架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种水下浮力调节装置，包括密封壳体2、位于密封壳体2上下两端的密封法兰1以及位于密封壳体2上端的外置环形气囊3。密封法兰1上设有防水密封O型圈，套在密封壳体2的上下两端面，并通过对密封壳体2内部抽取一定负压，利用环境压力对密封法兰1进行紧固。安全阀4、排气管密封穿舱件5、深度传感器6以及充气管密封穿舱件7均通过螺纹连接方式紧固在上端部的密封法兰1上，并且通过防水密封O型圈达到密封效果。所述密封壳体2可以为轻质亚克力耐压筒，所述环形气囊3可以为橡胶材料制作。

如图2所示，控制器8放置于密封壳体2内底部的空间中。排气电磁阀9和充气电磁阀10依靠螺纹连接方式固定在电磁阀固定架22上。充气继电器20和排气继电器21通过螺纹连接方式固定在锂电池19的背面，锂电池19则依靠电池固定支架23构成的矩形空间直接放入，并依靠电池固定支架23锁紧，达到快速拆装的目的。电磁阀固定架22通过电池固定支架23固定夹紧，并且电池固定支架23通过螺纹连接方式，固连在下下支撑板12的下端面。高压气瓶11通过螺纹连接方式与减压阀13密封固定在一起，而减压阀13则依靠螺纹固定方式与下支撑板12固连。下支撑杆18两端为外螺纹，上端外螺纹与上支撑杆15下端的螺纹孔进行螺纹连接，并穿过上支撑板17，上支撑板17则由上支撑杆15和下支撑杆18夹紧固定，而下支撑杆18的下端外螺纹通过螺纹连接方式与下支撑板12连接，并将其固定，上支撑杆15与上端的密封法兰1进行螺纹连接固定。所述高压气瓶11可以为储存各种高压气体的各类材质高压气瓶；所述充气电磁阀10和排气电磁阀9可以为二位二通常闭型电磁气阀；所述充气继电器20和排气继电器21可以为微型数字型继电器。

水下浮力调节装置的气路连接结合图1和图2进一步说明。如图所示，减压阀13的出气口通过高压气管连接充气电磁阀10的进气口，充气电磁阀10的出气口通过高压气管连接至十字四通气管接头14的第一个快插接口；十字四通气管接头14的第二个快插接口通过高压气管连接到安全阀4位于密封壳体2内侧的气管快插接头上；十字四通气管接头14的第三个快插接口通过高压气管连接到充气管密封穿舱件7上的气管快插接头上；十字四通气管接头14的第四个快插接口通过高压气管连接到排气电磁阀9的进气口，排气电磁阀9的出气口通过高压气管与排气管密封穿舱件5相连，并通至密封壳体外部；充气管密封穿舱件7与环形气囊3通过高压气管相连。此外，为了实时监测充气管路内部的气体压力，压力传感器16通过高压气管连接到与环形气囊3内部气体直接相同的管路中。所述的高压气管可以为各类材质的耐高压管。

水下浮力调节装置的电路连接结合图1和图2进一步说明。如图所示，控制器8通过导线与锂电池19相连并获得电能；控制器8通过导线与充气继电器20、排气继电器21相连，给充气继电器20、排气继电器21发出控制指令，用以指挥充气继电器20、排气继电器21的开启和关闭；充气电磁阀10和排气电磁阀9均设置有正负极两个电线接口。其中，排气电磁阀9的正极通过导线与排气继电器21的公共端相连，负极与锂电池19的负极相连，而排气继电器21的常开端通过导线与锂电池19的正极相连；同样地，充气电磁阀10的正极通过导线与充气继电器20的公共端相连，负极与锂电池19的负极相连，而充气继电器20的常开端通过导线与锂电池19的正极相连。此外，深度传感器6和压力传感器16均通过导线直接与控制器8相连，从控制器8处获得供能，并同时向控制器8发回采集的数据信息。

如图1至图3所示，本发明的工作原理如下：当水下浮力调节装置下沉达指定深度后，需要通过调节浮力系统，需要重新增加浮力，实现上浮运动时，控制器8发出充气指令，使充气继电器20动作，继而充气继电器20的输出端将公共端与常开端导通，使得充气电磁阀10所在回路接通，充气电磁阀10内的阀芯打开，从高压气瓶11经减压阀13流出的高压气体顺着充气管路直接给环形气囊3充气。随着环形气囊3内的气体逐渐增加，其体积不断膨胀，浮力逐渐增加，最终超过重力后便可产生上浮运动。这个过程中，深度传感器6实时感知系统所在的水深，并反馈给控制器8。当控制器8检测到系统有一定的上升距离以后，便主动对充气继电器20发出动作，使充气继电器20的输出端将公共端与常开端断开，继而切断充气电磁阀10的电路，充气电磁阀10断电关阀，停止对环形气囊3的充气动作。由于已经浮力已经大于重力，系统关闭充气电磁阀10后可在待机状态下完成上浮运动，减少能耗。由于随着外界水压的不断降低，为了防止环形气囊3内部的高压气体继续膨胀导致环形气囊3破裂，此时设置安全阀4的作用就是可自动根据外界环境压力，释放膨胀的气体，保证环形气囊3能够维持在一定的大小，最终实现稳定上浮。

当水下浮力调节装置上浮达指定深度后，需要通过调节浮力系统，重新减小浮力，实现下潜运动时，控制器8发出排气指令，使排气继电器21动作，继而排气继电器21的输出端将公共端与常开端导通，使得排气电磁阀9所在回路接通，排气电磁阀9内的阀芯打开，膨胀的环形气囊3内的高压气体顺着排气管路直接排出到外界环境中。随着环形气囊3内的气体逐渐减少，其体积不断缩小，浮力逐渐降低，最终重力大于浮力产生下潜运动。这个过程中，深度传感器6实时感知系统所在的水深，并反馈给控制器8。当控制器8检测到系统有一定的下潜距离以后，便主动对排气继电器21发出动作，使排气继电器21的输出端将公共端与常开端断开，继而切断排气电磁阀9的电路，排气电磁阀9断电关阀，停止对环形气囊3的放气动作。由于已经重力已经大于浮力，系统关闭排气电磁阀9后可在待机状态下完成下潜运动，减少能耗，同时也由于及时停止对环形气囊3的放弃动作，使得环形气囊3内部仍有部分气体，可减少下一次充气上浮所需的充气量，有利于延长使用周期。由于此时环形气囊3内部气体含量不变，但外界水压随深度增加而增大，气囊会逐渐别压缩，从而导致一个加速下沉的过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种水下浮力调节装置，其特征在于，包括密封壳体、气囊、控制模块、排气模块以及充气模块，其中：所述气囊设置于所述密封壳体外部；所述控制模块、排气模块以及充气模块设置于所述密封壳体内部；所述充气模块通过充气管密封穿舱件连接所述气囊；所述排气模块的排气管路和充气模块的充气管路连通。

2.根据权利要求1所述的水下浮力调节装置，其特征在于，所述充气模块包括高压气瓶、减压阀、充气电磁阀、十字气管接头以及充气管密封穿舱件，沿充气模块充气方向，高压气瓶、减压阀、充气电磁阀、十字气管接头以及充气管密封穿舱件依次连接。

3.根据权利要求2所述的水下浮力调节装置，其特征在于，所述排气模块包括排气电磁阀和排气管密封穿舱件，所述十字气管接头、排气电磁阀以及排气管密封穿舱件依次连接，所述排气管密封穿舱件连通所述密封壳体的外部。

4.根据权利要求2所述的水下浮力调节装置，其特征在于，还包括安全阀，所述安全阀设置于所述密封壳体上，所述安全阀连接所述十字气管接头。

5.根据权利要求1所述的水下浮力调节装置，其特征在于，所述控制模块包括控制器，所述控制器控制所述排气模块的排气电磁阀和充气模块的充气管路的充气电磁阀的开启和关闭。

6.根据权利要求5所述的水下浮力调节装置，其特征在于，还包括充气继电器和排气继电器，其中：所述控制模块通过充气继电器控制所述充气电磁阀；所述控制模块通过排气继电器控制所述排气电磁阀。

7.根据权利要求1所述的水下浮力调节装置，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器设置于排气管路或者充气管路靠近所述气囊的一端，所述压力传感器连接所述控制模块。

8.根据权利要求1所述的水下浮力调节装置，其特征在于，还包括深度传感器，所述深度传感器设置于所述密封壳体上，所述深度传感器连接所述控制模块。

9.根据权利要求1所述的水下浮力调节装置，其特征在于，所述密封壳体包括亚克力耐压筒。

10.根据权利要求1所述的水下浮力调节装置，其特征在于，所述气囊包括橡胶气囊。