CN108622352A - 一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，包含4个主要构件：具有双向记忆效应的SMA螺旋弹簧驱动器、带有限位功能的导杆、活塞和控制单元，结构简单、重量轻；工作过程中SMA弹簧驱动活塞运动，仅输出一维线性运动，不存在电机转动带来的振动、噪音和力矩失衡。本发明提出的潜浮装置适用于各类AUV，尤其适用于对自重、体积、运行噪音等要求较高的小型AUV。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主式水下航行器潜浮装置，具体是一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置。
背景技术
自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，以下简称AUV)是一种集能量存储与转化、推进与导航、信号采集与处理、水下通信、任务管理与控制、自主决策等特征为一体的高科技水下潜航装置，目前在军事和民用方面均已取得了广泛的应用，是未来水下航行技术发展的重要方向之一。
AUV潜浮装置主要用于航行器的沉浮和航行姿态调节，是水下航行器的重要组成部分。传统AUV潜浮装置一般使用电机驱动的空气压缩式变体积系统、螺旋桨式升降系统或带有垂直推进器的升降系统。
如：文献1“专利：一种小型水下航行器沉浮装置,ZL 2016102466433.”公开了一种采用步进电机作为驱动机构的小型水下航行器沉浮装置，通过活塞机构的吸排水实现调节航行器的姿态和沉浮。
文献2“专利：超小型水下机器人潜浮装置,ZL 2006100244124.”公开了一种采用双出轴电机驱动机构的小型水下机器人潜浮装置，通过圆筒活塞的吸排水实现体积的调节，从而改变水下机器人的整体浮力产生上升或下降的作用力。
然而，上述文献中公开的潜浮装置均由传统电机驱动，存在以下缺点：电机驱动的机械潜浮装置通常结构复杂，体积与自重大，不适用于小型AUV；电机驱动结构运转时产生振动和噪音；电动机运转时产生力矩，设计时需要考虑航行器力矩平衡，增加额外设计难度。
发明内容
为了克服现有AUV潜浮装置存在的问题，本发明提供了一种基于形状记忆合金(Shape Memory Alloy，以下简称SMA)驱动器的自主式水下航行器潜浮装置。
该潜浮装置通过具有双向记忆效应的SMA螺旋弹簧驱动器带动AUV内部活塞运动，通过排水与储水改变AUV整体密度，使AUV浮力增大或减小，做出上浮或者下潜动作。在导杆上引入限位器，限制活塞运动范围，防止过大的上浮或下潜作用力。
相比背景文献中公开的技术，本发明使用SMA螺旋弹簧代替电机驱动活塞运动，结构简单、重量轻，适用于小型AUV；SMA弹簧在驱动活塞运动时，仅输出一维线性运动，不存在电机转动带来的振动与噪音，同时在AUV设计过程中无需考虑力矩平衡，降低了设计难度。
本发明解决其关键技术问题所采用的技术方案是：
所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，包括潜浮装置壳体、活塞；活塞一侧与潜浮装置壳体端面形成活塞腔体，活塞腔体中为压缩气体，活塞另一侧连接驱动单元，且活塞能够在驱动单元作用下沿潜浮装置壳体内侧壁密封滑动；潜浮装置壳体上开有排水孔，排水孔位于活塞运动范围外，活塞运动实现排水与储水；
其特征在于：所述驱动单元为具有双向记忆效应的SMA驱动器，SMA驱动器安装在潜浮装置壳体内部的固定结构上。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述具有双向记忆效应的SMA驱动器为温控型SMA螺旋弹簧驱动器。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述温控型SMA螺旋弹簧驱动器的升温过程通过电加热实现，降温过程通过水冷实现。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：潜浮装置壳体内部具有两个活塞，一个活塞与潜浮装置壳体的一端面形成活塞腔体，另一活塞与潜浮装置壳体的另一端面形成活塞腔体；两个活塞各自连接一个温控型SMA螺旋弹簧驱动器。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述温控型SMA螺旋弹簧驱动器套在可伸缩的导杆上，所述导杆一端与安装在潜浮装置壳体内部的固定结构固定连接，另一端与活塞固定连接。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述温控型SMA螺旋弹簧驱动器套在导杆上，所述导杆一端与安装在潜浮装置壳体内部的固定结构固定连接，另一端与活塞密封滑动配合。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述导杆上安装有限定活塞运动范围的限位器。
进一步的优选方案，所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：温控型SMA螺旋弹簧驱动器的控制单元安装在潜浮装置壳体内部，控制单元与温控型SMA螺旋弹簧驱动器构成控制回路，控制温控型SMA螺旋弹簧驱动器通断电。
有益效果
本发明的有益效果是：本发明通过SMA弹簧驱动器带动活塞运动进行排储水行为，实现AUV上浮或下潜动作。该潜浮装置仅包含4个主要构件：具有双向记忆效应的SMA螺旋弹簧驱动器、带有限位功能的导杆、活塞和控制单元，结构简单、重量轻；工作过程中SMA弹簧驱动活塞运动，仅输出一维线性运动，不存在电机转动带来的振动、噪音和力矩失衡。本发明提出的潜浮装置适用于各类AUV，尤其适用于对自重、体积、运行噪音等要求较高的小型AUV。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是基于SMA驱动器的AUV潜浮装置实施例示意图。
图中1为两个圆筒活塞，2为两个SMA螺旋弹簧驱动器，3为四个圆形排水孔，4为中心杆，5为两个带有限位功能的导杆，6为驱动器控制单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例中的基于SMA驱动器的AUV潜浮装置如图1所示。
该潜浮装置包含有：两个圆筒活塞1和相应的两个活塞腔体，活塞腔体中为压缩空气，活塞与潜浮装置圆筒壳体内壁密封滑动装配；两个SMA螺旋弹簧驱动器2，套装在两个带有限位功能的导杆5之上；四个位于AUV筒壁上的圆形排水孔3；一个用于固定导杆5的中心杆4，中心杆4固连于驱动器控制单元6之上，同时控制单元6固连于潜浮装置圆筒壳体内壁。
该潜浮装置的工作原理如下：
装置组装过程中，驱动器控制单元用螺钉固连与潜浮装置圆筒壳体内壁，中心杆用螺钉固连于控制单元顶部，装配过程中保证控制单元和中心杆位于潜浮装置的正中位置；SMA螺旋弹簧套装在导杆之上，共组装两套弹簧-导杆驱动单元，导杆伸缩两向均加入限位器用以控制行程；驱动单元一端通过螺钉固连于圆筒活塞的圆心位置，另一端通过螺钉固连于中心杆之上；圆筒活塞与潜浮装置圆筒壳体内壁滑动装配，装配过程中保证气密性，同时保证排水孔在后续工作过程中始终无遮挡；两套活塞系统的设计思路一方面为了保证潜浮装置工作中保持AUV重心，另一方面也可通过控制两个活塞系统独立工作来人为调节重心，从而实现AUV姿态的调节。
装置工作过程中，控制单元输出电流使得SMA弹簧驱动器发生热致变形，SMA弹簧驱动器沿着导轨方向带动活塞运动，活塞腔体体积改变，从而对整个AUV产生向上或向下的作用力，实现上浮或下潜动作。具体来说，SMA弹簧驱动器有电流通过时，弹簧受热收缩，活塞向中心方向移动，活塞腔体体积变大，两个活塞之间的水通过排水孔排出，实现AUV上浮动作；控制单元断电之后，SMA弹簧处于自然水冷状态，冷却后伸长恢复原始长度，活塞向两端方向移动，活塞腔体体积变小，水通过排水孔回到两活塞之间，实现AUV下潜动作；当控制单元分别控制两个SMA驱动活塞系统时，两活塞腔体体积改变不同步时AUV重心偏移，可实现AUV姿态调节。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，包括潜浮装置壳体、活塞；活塞一侧与潜浮装置壳体端面形成活塞腔体，活塞腔体中为压缩气体，活塞另一侧连接驱动单元，且活塞能够在驱动单元作用下沿潜浮装置壳体内侧壁密封滑动；潜浮装置壳体上开有排水孔，排水孔位于活塞运动范围外，活塞运动实现排水与储水；
其特征在于：所述驱动单元为具有双向记忆效应的SMA驱动器，SMA驱动器安装在潜浮装置壳体内部的固定结构上。
2.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述具有双向记忆效应的SMA驱动器为温控型SMA螺旋弹簧驱动器。
3.根据权利要求2所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述温控型SMA螺旋弹簧驱动器的升温过程通过电加热实现，降温过程通过水冷实现。
4.根据权利要求2或3所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：潜浮装置壳体内部具有两个活塞，一个活塞与潜浮装置壳体的一端面形成活塞腔体，另一活塞与潜浮装置壳体的另一端面形成活塞腔体；两个活塞各自连接一个温控型SMA螺旋弹簧驱动器。
5.根据权利要求4所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述温控型SMA螺旋弹簧驱动器套在可伸缩的导杆上，所述导杆一端与安装在潜浮装置壳体内部的固定结构固定连接，另一端与活塞固定连接。
6.根据权利要求4所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述温控型SMA螺旋弹簧驱动器套在导杆上，所述导杆一端与安装在潜浮装置壳体内部的固定结构固定连接，另一端与活塞密封滑动配合。
7.根据权利要求5所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述导杆上安装有限定活塞运动范围的限位器。
8.根据权利要求6所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：所述潜浮装置壳体上安装有限定活塞运动范围的限位器。
9.根据权利要求3所述一种基于形状记忆合金驱动器的自主式水下航行器潜浮装置，其特征在于：温控型SMA螺旋弹簧驱动器的控制单元安装在潜浮装置壳体内部，控制单元与温控型SMA螺旋弹簧驱动器构成控制回路，控制温控型SMA螺旋弹簧驱动器通断电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210518 |
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