CN108974296B - 一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置，属于水下滑翔机的浮力调节装置，气动浮力调节装置设置在耐压壳体内，包括：高压气瓶，用于盛装高压气体；进气导管，与高压气瓶连通，设有进气电磁换向阀；排气导管，设有排气电磁换向阀；活塞腔，内设活塞，活塞将活塞腔分为密封腔和透水腔，密封腔通过进气导管和排气导管与高压气瓶连通，透水腔与耐压壳体外部相通，在透水腔内设有与活塞相抵的压簧；反馈组件，与水上主动系统通讯连接，根据活塞腔的体积变化控制进气导管或排气导管的导通和关闭。通过气动的方式实现了水下滑翔机的浮力调节功能，内部浮力调节装置结构简单、重量轻、体积小，响应更加迅速且运行可靠。

Description

一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置

技术领域

本发明涉及水下滑翔机的浮力调节装置，具体地说，涉及一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置。

背景技术

水下滑翔机是一种新型的水下机器人，它通过调节自身浮力来完成在水下的上浮与下潜，而不需外加其它的动力装置，节省了能源的消耗，具有造价低、续航时间长的优点，因此在海洋环境监测和海底资源勘探方面有着很广泛的应用前景。小型便携式的滑翔机具有便于携带、成本低、操作方便等特点，可被用于河道、湖水、水库水质监测，浅海环境监测以及联合组网观测等任务。

现有大多水下滑翔机采用基于液压的浮力调节装置。通过改变外置油囊的体积大小来改变浮力，通过腔体内部的电机和齿轮泵，实现油液在内部油缸和外部油囊之间的吸进与排出。如：

公布号为CN106628078A的中国专利文献公开了一种用于深海水下滑翔机的浮力调节装置，其包括耐压壳体，在耐压壳体内安装有低压泵组件，外油囊固定在耐压壳体上，低压泵组件包括依次同轴线固定相连的活塞缸、轴承座、齿轮盖和丝杠导轨，在轴承座内安装有两个轴承，丝杠螺母设置在两个轴承的内圈中并且丝杠螺母的外壁与两个轴承的内圈固定相连，传动齿轮组中主动齿轮安装在直线电机组件的输出轴上，与主动齿轮啮合配合的从动齿轮与丝杠螺母固定相连，丝杠螺母与丝杠螺杆螺纹连接，直线位移传感器的活动端与活塞连接。

另外，公布号为CN102248992A的中国专利公开了一种水下滑翔机浮力调节装置，其包括固定在耐压壳体外壁上的油囊，位于耐压壳体内部的电机、液压泵及将电机和液压泵联接在一起的联轴器，在耐压壳体内部还设有由浸油缸壳体组成的浸油缸，浸油缸壳体包围电机和液压泵形成密闭的浸油腔，体积测量油缸包括缸体、活塞和弹簧，弹簧连接在活塞与缸体的一侧壁之间，活塞与固定连接在体积测量油缸上位移传感器的测杆相连接，耐压壳体的内壁上固定有阀板，阀体中设有油路，油路依次将体积测量油缸的右腔、浸油腔、液压泵、电磁球阀和油囊相连通。

以上专利的水下滑翔机的浮力调节装置的结构虽能够实现水下滑翔机的浮力调节，但由于其需要配备一个完整的液压系统，包括：电机、油泵、油缸、油囊等，结构复杂且体积和重量较大，不适用于小型便携式水下滑翔机。

发明内容

本发明的目的为提供一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置，通过气动的方式实现了水下滑翔机的浮力调节功能，其内部气动浮力调节装置结构简单、重量轻、体积小，响应更加迅速且运行可靠。

为了实现上述目的，本发明提供的一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置，小型便携式水下滑翔机包括耐压壳体、设置在耐压壳体两侧的侧翼以及安装在耐压壳体一端的天线；气动浮力调节装置设置在滑翔机耐压壳体内，并包括：

高压气瓶，用于盛装高压气体；

进气导管，与高压气瓶连通，其上设有进气电磁换向阀；

排气导管，其上设有排气电磁换向阀；

活塞腔，内设活塞，活塞将活塞腔分为密封腔和透水腔，密封腔通过进气导管和排气导管与高压气瓶连通，透水腔与耐压壳体外部相通，在透水腔内设有与活塞相抵的压簧；

反馈组件，与系统主控模块连接，根据活塞腔的体积变化控制进气导管或排气导管的导通和关闭。

上述技术方案中，通过气动的方式实现水下滑翔机的浮力调节，在水下滑翔机入水前，将高压气瓶中充满高压气体，保证整个工作过程中有充足的气量。通过调节密封腔的气体压力，实现水下滑翔机下沉与上浮动作。当滑翔机下沉时，将排气电磁换向阀电导通，密封腔内的高压气体经排气导管和排气电磁换向阀排出，压簧在初始压缩量产生弹力的作用下推动活塞向上运动，反馈组件采集并输出实时的密封腔的体积变化情况至系统主控模块，当达到设定的变化值时，排气电磁换向阀断电。密封腔体积减小导致滑翔机整机浮力减小，滑翔机重力大于浮力，开始下沉。同时，滑翔机下沉过程中由于水下压力温度不断变化导致密封腔内的气体体积发生变化，反馈组件采集并输出实时的密封腔的体积大小至系统主控模块，如果密封腔体积大于设定值则排气电磁换向阀上电，减少密封腔内的气体压力；如果体积小于设定值则进气电磁换向阀上电，增大密封腔内的气体压力，从而保证下沉过程中密封腔的体积恒定。

当水下滑翔机下沉到指定深度准备上浮时，将进气电磁换向阀电导通，高压气瓶中的高压气体通过进气电磁换向阀和进气导管进入密封腔，密封腔内气压升高推动活塞向下运动，反馈组件采集并输出实时的密封腔的体积变化情况至系统主控模块，当达到设定的变化值时，进气电磁换向阀断电。密封腔体积增大导致滑翔机整机浮力增大，滑翔机浮力大于重力，开始上浮。滑翔机上浮过程中由于水下压力温度不断变化导致密封腔内的气体体积发生变化，反馈组件采集并输出实时的密封腔的体积变化量至水上主控系统，如果体积大于设定值则排气电磁换向阀上电，减少密封腔内的气体压力；如果体积小于设定值则进气电磁换向阀上电，增大密封腔内的气体压力，从而保证上浮过程中密封腔的体积恒定。

以上技术方案通过气动的方式实现了水下滑翔机的浮力调节功能，内部浮力调节装置结构简单、重量轻、体积小，响应更加迅速且运行可靠。

具体的方案为反馈组件包括设置在活塞和密封活塞腔与活塞相对的内壁之间的拉线位移传感器。由于密封腔的横截面一定，通过检测活塞的位移变化可以计算密封腔的高度，从而计算密封腔的体积。

更具体的方案为反馈组件还包括用于检测高压气瓶内气压的压力传感器。在水下滑翔机工作过程中，压力传感器对高压气瓶中的压力进行实时监测，当压力小于1Mpa时，水下滑翔机启动上浮动作，上浮至水面发送位置信息，从而保证设备的安全，1Mpa是保证水下滑翔机能够顺利上浮的最低气压值。

另一个具体的方案为耐压壳体内设有用于安装高压气瓶的第一端盖，上端盖上开设有用于固定进气导管和排气导管的通孔。

高压气瓶固定在第一端盖上，制造时，为了安装或维修方便，可以设置第一端盖将耐压壳体分隔成两部分密封壳体，位于端部的那一部分壳体用于放置高压气瓶，方便高压气瓶的更换。

另一个具体的方案为耐压壳体内设有密封连接的第二端盖，第二端盖与活塞之间形成密封腔，且在第二端盖上设有连通进气导管和排气导管的导气孔。通过导气孔实现进气导管和排气导管与密封腔的连通。

另一个具体的方案为透水腔的底部设有底板，底板与活塞之间形成透水腔，压簧固定在该底板上。底板上开设有通孔，使透水腔与外部环境相通。

另一个具体的方案为进气导管上设有使气体从高压气瓶流向活塞腔内的进气单向阀；排气导管上设有使气体从活塞腔内流出的排气单向阀。

进气单向阀使进气导管内的气体只沿高压气瓶向密封腔内流，排气单向阀使排气管内的气体只沿密封腔内流出。防止逆流，起到保护的作用。

另一个具体的方案为活塞周围设置有两级密封圈。实现对活塞运动时的双向导向。

再一个具体的方案为高压气瓶中充气后的气体压力为5～30Mpa。保证具有足够的气量与气压以实现多循环的浮力调节动作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置，通过气动的方式实现了水下滑翔机的浮力调节功能，其内部气动浮力调节装置结构简单、重量轻、体积小，响应更加迅速且运行可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的小型便携式水下滑翔机的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置的气动原理图。

图中各附图标记为：1、高压气瓶；2、进气电磁换向阀；3、进气导管；4、进气单向阀；5、下端盖；6、密封腔；7、活塞；8、透水腔；9、底板；10、压簧；11、拉线位移传感器；12、排气单向阀；13、排气导管；14、排气电磁换向阀；15、压力传感器；16、上端盖；17、耐压壳体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1和图2，本实施例应用于小型便携式水下滑翔机当中，通过气动浮力调节装置实现水下滑翔机的上浮和下沉动作。其中，小型便携式水下滑翔机的其他结构或设备均属于现有技术，此例中不再赘述。

气动浮力调节装置包括位于耐压壳体17内且固定于滑翔机的上端盖16的高压气瓶1，高压气瓶1中的气体压力为5-30Mpa。上端盖16另一侧固定有两个两位两通常闭电磁换向阀，分别为进气电磁换向阀2和排气电磁换向阀14，上端盖16上还固定有用于检测高压气瓶气压的压力传感器15，进气电磁换向阀2与压力传感器15通过上端盖上的过气通孔与高压气瓶相通，排气电磁换向阀14通过上端盖上的通孔与外界相通。

进气电磁换向阀2与进气导管3相连，排气电磁换向阀14与排气导管13相连，进气导管3上连接有进气单向阀4，排气导管13上连接有排气单向阀12，两个单向阀均固定于滑翔机的下端盖5上。

下端盖5有两个导气孔与另一侧的密封腔6导通，活塞7位于活塞腔内，并将活塞腔分隔成上述密封腔6和另一透水腔8。活塞7通过密封圈与活塞腔之间径向密封，并且通过设置两级密封圈来实现运动时的导向。进气单向阀4由高压气瓶1到密封腔6的方向为通路，反向截止。排气单向阀12方向由密封腔6到排气电磁换向阀14方向为通路，反向截止。

密封腔6的内壁固定有拉线位移传感器11，用于检测活塞7的位移。透水腔8通过底板9上的通孔与外界导通，透水腔8内有压簧10，其两端分别固定在活塞7与底板9之间。通过压簧10的压缩量的精确计算，可以使每次的气体利用率达到较高水平。通过压力传感器15测量到的高压气瓶中压力和时间的组合控制，实现每一次气体的定量释放。并通过拉线位移传感器11采集到的活塞位移信息对其进行反馈。

本发明小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置的工作原理如下：

当滑翔机准备下沉时，排气电磁换向阀14上电导通，密封腔6内的高压气体经排气单向阀12、排气导管13、排气电磁换向阀14排出，压簧10在初始压缩量产生弹力的作用下推动活塞7向上运动，拉线位移传感器11的拉线端随活塞7向上运动，拉线位移传感器11采集并输出实时的活塞位移至水上主控系统，当达到设定活塞位移值时，排气电磁换向阀14断电。密封腔6体积减小导致滑翔机整机浮力减小，滑翔机重力大于浮力，开始下沉。滑翔机下沉过程中由于水下压力温度不断变化导致密封腔6内的气体体积发生变化，拉线位移传感器11采集并输出实时的活塞位移至水上主控系统，如果活塞位移大于设定值则排气电磁换向阀14上电，减少密封腔6内的气体压力；如果活塞位移小于设定值则进气电磁换向阀2上电，增大密封腔6内的气体压力，从而保证下沉过程中密封腔的体积恒定。

当水下滑翔机下沉到指定深度准备上浮时，进气电磁换向阀14上电导通，高压气瓶1中的高压气体通过进气电磁换向阀14、进气导管3、进气单向阀4进入密封腔6，密封腔6内气压升高推动活塞7向下运动，拉线位移传感器11的拉线端随活塞7向下运动，拉线位移传感器11采集并输出实时的活塞位移至水上主控系统，当达到设定活塞位移值时，进气电磁换向阀2断电。密封腔6体积增大导致滑翔机整机浮力增大，滑翔机浮力大于重力，开始上浮。滑翔机上浮过程中由于水下压力温度不断变化导致密封腔6内的气体体积发生变化，拉线位移传感器11采集并输出实时的活塞位移至系统主控，如果活塞位移大于设定值则排气电磁换向阀14上电，减少密封腔6内的气体压力；如果活塞位移小于设定值则进气电磁换向阀2上电，增大活塞腔6内的气体压力，从而保证上浮过程中活塞腔的体积恒定。

在水下滑翔机工作过程中，压力传感器15对高压气瓶1中的压力进行实时监测，当压力小于1Mpa时，水下滑翔机启动上浮动作，上浮至水面发送位置信息，从而保证设备的安全。

Claims (6)

1.一种应用于小型便携式水下滑翔机的气动浮力调节装置，小型便携式水下滑翔机包括耐压壳体、设置在所述耐压壳体两侧的侧翼以及安装在所述耐压壳体一端的天线；其特征在于，所述气动浮力调节装置设置在所述耐压壳体内，并包括：

高压气瓶，用于盛装高压气体；

进气导管，与所述高压气瓶连通，其上设有进气电磁换向阀；

排气导管，其上设有排气电磁换向阀；

活塞腔，内设活塞，所述活塞将活塞腔分为密封腔和透水腔，所述密封腔通过所述进气导管和所述排气导管与所述高压气瓶连通，所述密封腔在上浮与下沉过程中的体积保持恒定，内部为气体填充；所述透水腔与所述耐压壳体外部相通，在透水腔内设有与所述活塞相抵的压簧；透水腔的底部设有底板，所述底板与所述的活塞之间形成所述的透水腔，所述的压簧固定在该底板上；

反馈组件，与系统主控模块连接，根据活塞腔的体积变化控制所述进气导管或排气导管的导通和关闭；反馈组件包括设置在所述活塞和密封活塞腔与活塞相对的内壁之间的拉线位移传感器，还包括用于检测所述高压气瓶内气压的压力传感器。

2.根据权利要求1所述的气动浮力调节装置，其特征在于：

所述的耐压壳体内设有用于安装所述高压气瓶的第一端盖，所述第一端盖上开设有用于固定所述进气导管和所述排气导管的通孔。

3.根据权利要求1所述的气动浮力调节装置，其特征在于：

所述的耐压壳体内设有密封连接的第二端盖，所述第二端盖与所述的活塞之间形成所述的密封腔，且在第二端盖上设有连通所述进气导管和所述排气导管的导气孔。

4.根据权利要求1所述的气动浮力调节装置，其特征在于：

所述的进气导管上设有使气体从所述高压气瓶流向所述活塞腔内的进气单向阀；

所述的排气导管上设有使气体从所述活塞腔内流出的排气单向阀。

5.根据权利要求1所述的气动浮力调节装置，其特征在于：

所述的活塞周围设置有两级密封圈。

6.根据权利要求1所述的气动浮力调节装置，其特征在于：

所述的高压气瓶中充气后的气体压力为5～30Mpa。

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