CN109591988B - 一种基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋环境参数调节的浮力驱动装置，属于海洋工程领域。该装置能够实现精确、定量的浮力量调节。包括：液压气动组合驱动模块、海洋环境感知模块和运算控制模块；其中，海洋环境感知模块中各传感器可以实时测量海水的温度、盐度和深度等参数，而运算控制模块可以通过采集上述测量数据，结合运算控制模块内置程序预设的系统运动数学模型和海水密度数学模型，计算出需要调整的浮力量，之后，运算控制模块再控制液压气动组合驱动模块中的电气设备的动作，实现浮力调整。本发明集成化程度高，可根据环境参数的变化实现精确、定量的浮力控制，系统可靠。

Description

一种基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置

技术领域

本发明涉及一种浮力驱动装置，具体涉及一种基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，属于海洋工程领域。

背景技术

浮力驱动装置是一个深度融合了机械、电子和液压等技术的新兴动力驱动装置。该装置具有能耗低，结构简单，可靠性高、成本低，工作噪声低，环境适应强，适用范围广等特点，能够广泛应用于我国海洋军事及民用装备(如水下滑翔机、浮标、垂直剖面仪等)，是未来水下推进技术发展的一个重要方面。美国等海洋强国已将该项技术成功应用到水下滑翔机及浮标等成熟产品上，实现了模块化、系列化、产业化。

浮力驱动装置在使用过程中一个非常大的难点就是浮力调节量的合理设定。由于浮力驱动装置是系统的动力装置，为保证搭载了该装置的系统的运动状态、稳定性以及功耗，需保证浮力驱动装置输出的动力稳定。相关研究及测量结果表明，海水的密度在深度方向上有特定的分布。一般来说，深度越深，海水密度越大。且当达到一定深度之后，海水密度的变化会越来越小。例如在南海，典型海洋表面温度25℃，压力0.1MPa，海水密度约为1.022g/ml。在1500米深处海水的温度为3℃，压力15MPa，密度为1.0347g/ml。另外一方面，水下装备的结构会随着海水的环境参数的变化而产生相应的变形，且影响变形量的海水环境参数主要包括海水压力和温度。因此，海水的环境参数的变化会导致水下装备(搭载了该装置的系统)总体浮力的变化，因此，浮力调节量的大小直接决定了水下装备的运动状态；同时为减小浮力驱动装置的系统功耗，势必需要基于海洋环境参数来确定浮力驱动装置的浮力调节量。而目前，在国内还未见有解决此问题的技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，通过采集海洋环境参量(海水的温度、盐度和深度)，精确计算出需要调整的浮力量，能够实现精确、定量的浮力量调节。

所述的基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，包括：液压气动组合驱动模块、海洋环境感知模块和运算控制模块；

所述液压气动组合驱动模块包括：外油囊、驱动电机、液压泵、内油箱和气泵；所述内油箱的出油口通过管路与液压泵的进油口相连，液压泵的出油口通过管路与外油囊的进油口相连；所述驱动电机用于驱动所述液压泵；

所述外油囊的出油口分别通过设置有电磁阀A的管路和设置有电磁阀B的管路与所述内油箱的回油口相连，在所述电磁阀B所在管路上设置有节流阀；

所述气泵的进气口通过电磁阀D与所述内油箱的气口相连，用于对所述内油箱抽气和充气；

所述液压泵为双向泵，所述液压泵还通过设置有电磁阀C的管路与电磁阀A所在管路相连；连通所述外油囊、电磁阀A、电磁阀C、液压泵、内油箱的管路为反转快速回油油路；当所述双向泵反转，且所述电磁阀A和电磁阀C打开时，在所述液压泵的作用下，所述外油囊中的液压油经所述反转快速回油油路回到内油箱；

所述内油箱上安装有用于测量其内部油量的油量传感器；

所述驱动电机、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀D、气泵、电磁阀C(12)和油量传感器均受控于所述运算控制模块；

所述海洋环境感知模块包括：温度传感器、深度传感器和盐度传感器，分别用于测量海水的温度、深度及盐度参数；并将测量的参数发送给所述运算控制模块；

所述运算控制模块接收到所述海洋环境感知模块测量的温度、深度及盐度参数后，计算浮力调整体积B_d，并依据所计算的浮力调整体积控制所述外油囊充油或回油，调整所述外油囊的浮力；

所述浮力调整体积B_d的计算公式为：

其中：ρ(S，t,p)为海水盐度S，海水温度t，海水压力p时的海水密度，m为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器的质量，ΔB为搭载了该浮力驱动装置的系统所需的驱动浮力，为设定值，V₀为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器在水面中性浮力时的排水体积，ΔV为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器在下潜过程中体积的变化量。

当浮力驱动装置所在水下潜器要下潜时，所述运算控制模块依据计算的所述浮力调整体积计算回油量；然后依据所述深度传感器的测量结果判断当前深度，若当前深度小于设定值，则打开电磁阀D，启动气泵对内油箱抽气降压，当所述内油箱中的压力达到设定负压后，关闭气泵；然后打开所述电磁阀A，所述外油囊中的液压油经所述电磁阀A所在管路流入所述内油箱中；若当前深度大于设定值，则直接打开电磁阀B，此时，所述外油囊中的液压油在压差的作用下，经所述电磁阀B和节流阀所在管路流入所述内油箱中；当所述油量传感器检测到回油量达到设定值后，关闭电磁阀A或电磁阀B；

当浮力驱动装置所在水下潜器要上浮时，所述运算控制模块依据计算的所述浮力调整体积计算充油量；然后所述运算控制模块启动所述液压泵，将内油箱中的液压油泵入与所述外油囊中，当所述油量传感器检测到充油量达到设定值后，关闭液压泵。

有益效果：

(1)通过感知搭载了浮力驱动装置的水下装备所在海水环境的温度、深度和盐度，计算出需要调整的浮力量，之后，运算控制模块再控制液压气动组合驱动模块中的电气设备的动作，实现精确、定量的浮力量调节，缩短工作时间，节省系统能耗，并使水下潜器的运动更加平稳。

(2)分别设置浅水回油油路和深水回油油路，可实现在不同工作深度回油的功能。

(3)外油囊分别通过电磁阀和电磁阀与液压泵相连，最终与内油箱相连，且液压泵为双向泵，可实现液压油从外油囊快速回到内油箱的功能，实现快速调节的需求。

(4)气泵的进出气口和内油箱气口通过与两位四通电磁阀相连，形成了一条双功能复用气路：通过两位电磁阀的换向功能，气泵可分别实现对内油箱容腔加压(充气)和降压(抽气)的功能。

(5)内油箱容腔加压(充气)和降压(抽气)的功能通过气动的方式实现，且内油箱容腔加压时，可使液压泵在工作时充分吸油，提高工作效率和可靠性；内油箱容腔降压(抽气)时，可实现液压油从外油囊通过浅水回油油路或深水回油油路，降低回油功耗。

附图说明

图1为本发明的基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置的原理图。

其中：1-外油囊、2-单向阀、3-驱动电机、4-液压泵、5-过滤器、6-电磁阀A、7-内油箱、8-电磁阀B、9-两位四通电磁阀、10-气泵、11-节流阀、12-电磁阀C

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，通过采集海洋环境参量(海水的温度、盐度和深度)，结合运算控制模块内置程序预设的运动数学模型和海水密度数学模型，计算需要调整的浮力量，之后，运算控制模块再控制液压气动组合驱动模块中的电气设备的动作，实现精确、定量的浮力量调节。

如图1所示，该浮力驱动装置包括：液压气动组合驱动模块、海洋环境感知模块和运算控制模块。

液压气动组合驱动模块包括：外油囊1、驱动电机3、液压泵4、内油箱7、气泵10、油量传感器以及连接油路和气路用的管路和接头，其中液压泵4为双向泵，其连接关系为：内油箱7的出油口通过管路与过滤器5的进油口相连，过滤器5的出油口通过管路与液压泵4的进油口相连，液压泵4的出油口分别通过管路与单向阀2的进口和电磁阀C12的出油口相连，单向阀2的出口通过管路与外油囊1的进油口相连；外油囊1的出油口分别通过管路与电磁阀A6的进口和电磁阀B8的进口相连，电磁阀A6的出油口分别通过管路与电磁阀C12的进油口和内油箱7的回油口相连；电磁阀B8的出油口通过设置有节流阀11的管路与内油箱7的回油口相连。其中连通外油囊1、电磁阀A6、内油箱7的管路为浅水回油油路；连通外油囊1、电磁阀B8、内油箱7的管路为深水回油油路；连通外油囊1、电磁阀A6、电磁阀C12、液压泵4、过滤器5、内油箱7的管路为反转快速回油油路。

两位四通电磁阀9有上下两个位置，每个位置四个接口，令四个接口分别为a接口、b接口、c接口和d接口；当两位四通电磁阀9位于下位时，a接口和c接口连通，b接口和d接口连通，当两位四通电磁阀9位于上位时，b接口和c接口连通，a接口和d接口连通。气泵10的进气口与两位四通电磁阀9的a接口相连，气泵10的出气口与两位四通电磁阀9的b接口相连，两位四通电磁阀9的c接口与内油箱7的气口相连。由此，当两位四通电磁阀9位于上位时，气泵10的出气口与内油箱7的气口相连，能够通过气泵10对内油箱7充气，令该位置为“加压”位置，当两位四通电磁阀9位于下位时，气泵10的进气口与内油箱7的气口相连，能够通过气泵10对内油箱7抽气，令该位置为“降压”位置。

内油箱7上安装有油量传感器，用于测量内油箱7内的油量。

上述各组件的功能为：外油囊1中存储液压油，外油囊1的体积由腔内的液压油决定，外油囊1直接与海水接触，其体积的变化会引起系统浮力的变化。单向阀2用于防止外油囊1中的液压油在压力的作用下回流。驱动电机3用于在运算控制模块控制下驱动液压泵4。液压泵4在运算控制模块控制下吸油与排油。过滤器5用于过滤液压油中的杂质。电磁阀A6在运算控制模块控制下，实现对浅水回油油路的通断控制。内油箱7用于存储液压油；电磁阀B8在运算控制模块控制下，实现对深水回油油路的通断控制。两位四通电磁阀9在运算控制模块控制下，进行换向动作，实现对内油箱7容腔加压(充气)和降压(抽气)的功能的切换。气泵10在运算控制模块控制下，在外油囊1体积增大的过程中(打油)，对内油箱7容腔加压，在外油囊1体积减小的过程中(回油)，对内油箱7容腔降压。节流阀11用于降低流经电磁阀B8的液压油流量。电磁阀C12在运算控制模块控制下，与电磁阀A6一起实现对液压泵4反转快速回油油路的通断控制。

运算控制模块通过线缆与液压气动组合驱动模块中的驱动电机3、电磁阀A6、电磁阀B8、两位四通电磁阀9、气泵10、电磁阀C12和油量传感器相连接，并控制上述电气设备的动作。

海洋环境感知模块主要功能是实时测量浮力驱动装置周围海水的温度，盐度以及深度，并将测量结果反馈至运算控制模块，海洋环境感知模块包括：用于测量海水温度的温度传感器、用于测量海水深度的深度传感器以及用于测量海水盐度的盐度传感器。

运算控制模块通过线缆分别与海洋环境感知模块中的三个传感器相连，接收并处理三个传感器的测量信号，具体为：运算控制模块依据接收到的海水的温度，盐度以及深度，计算需要调整的浮力量，计算方法为：

首先根据海洋表层以下的海水密度经验计算公式，采用数值计算方法利用实测的盐度、温度和压力来求得海水密度，公式如下：

式(1)中，ρ(S，t,p)为海水盐度S(单位kg/m³)，海水温度t(单位℃)，海水压力p(单位Mpa)时的海水的实时密度,ρ(S，t,0)为海水盐度S，海水温度t，一个标准大气压下的海水密度，K(S，t,p)为海水的温度、盐度和深度的函数；其中：

ρ(S，t,0)＝ρ₀+AS+BS^1.5+CS² (2)

K(S，t,p)＝K(S，t,0)+A₁p+B₁p² (3)

K(S，t,0)＝K_w+aS+bS² (4)

A₁＝A_w+cS+dS^1.5 (5)

B₁＝B_w+eS (6)

式(2～6)中，ρ₀，K_w,A,B,A_w,B_w,a,b,c,e参量均为海水温度t的多项式函数(为归一化产生)，可以通过海水温度t计算得到；C,d为常数。由此可根据采集的海洋环境参量(海水的温度、盐度和深度)来计算海水实时密度。

在得到海水的实时密度后，再根据搭载了该浮力驱动装置的系统的重量和水面排水体积，体积压缩量量和要求的驱动浮力等参数，运用海水浮力计算公式，实时计算浮力驱动装置需要的浮力调整体积，如下所示：

式(7)中，B_d为计算得到的浮力驱动装置需要的浮力调整体积，m为搭载了该浮力驱动装置的系统的质量，g＝9.8N/Kg，ΔB为搭载了该浮力驱动装置的系统所需的驱动浮力，单位m³(为设定值)，V₀为搭载了该浮力驱动装置的系统在水面中性浮力时的排水体积，单位m³，ΔV为搭载了该浮力驱动装置的系统在下潜过程中体积的变化量，单位m³，可根据压力-体积变化试验获得不同深度下的数值。

根据上述系统运动数学模型和系统各参数值可以编写相应计算与控制程序，并写入运算控制模块内置程序中，由此，运算控制模块在得到海洋环境参量(海水的温度、盐度和深度)后便可实时计算需要调整的浮力量，得到浮力驱动系统需要调整的浮力量后，运算控制模块再控制液压气动组合驱动模块中的电气设备的动作，实现浮力量的精确、定量调节。

该浮力驱动装置的工作原理及流程为：

该浮力驱动装置可以作为一个独立的功能单元集成到水下潜器(无人水下航行器，水下滑翔机)上，其中液压气动组合驱动模块中的外皮囊1直接与海水接触，其体积的变化会引起水下潜器浮力的变化。海洋环境感知模块中的温度传感器、深度传感器和盐度传感器的探头直接与海水接触，实时测量相关海水参数。

当水下潜器要下潜或者回油时：

运算控制模块根据计算得到的需要的浮力调整体积，计算出回油的体积，也可直接接收上位机的回油体积指令，之后根据深度传感器测量结果，若当前深度小于设定值，则判断为浅水回油，则先启动气泵10，并将两位四通电磁阀9设定为“降压”位置，对内油箱7容腔降压(抽气)，内油箱7中的压力达到设定负压后，关闭气泵10；打开电磁阀A6，由于内油箱7容腔为负压，液压油会在水压的作用下，从外油囊1经浅水回油油路流入内油箱7中，使水下潜器浮力减小，开始下潜；若当前深度大于设定值，则判断为深水回油，则直接打开电磁阀B8，此时，外油囊1中的液压油在压差的作用下，经电磁阀B8和节流阀11所在管路(深水回油油路)返回内油箱7中，使水下潜器浮力减小，开始下潜。当油量传感器检测到回油量达到设定值后，关闭电磁阀A6或电磁阀B8。

此外，为了加快回油速度，该浮力驱动装置还具备液压泵反转回油的功能，此时，需同时打开电磁阀A6和电磁阀C12，液压泵4反转，外油囊1中的液压油在液压泵4的驱动下依次经过电磁阀A6、电磁阀C12快速回到内油箱7，外油囊1体积减小。

当水下潜器要上浮或者打油时，运算控制模块根据计算得到的需要的浮力调整体积，计算出打油的体积，也可直接接收上位机的打油体积指令，之后启动气泵10，并将两位四通电磁阀9设定为“加压”位置，对内油箱7容腔增压(充气)，达到设定压力后，关闭气泵10；启动液压泵4，将指定体积的液压油注入与海水接触的外油囊1中，使水下潜器浮力变大，总体上浮。当油量传感器检测到打油量达到设定值后，关闭液压泵4。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，其特征在于，包括：液压气动组合驱动模块、海洋环境感知模块和运算控制模块；

所述液压气动组合驱动模块包括：外油囊(1)、驱动电机(3)、液压泵(4)、内油箱(7)和气泵(10)；所述内油箱(7)的出油口通过管路与液压泵(4)的进油口相连，液压泵(4)的出油口通过管路与外油囊(1)的进油口相连；所述驱动电机(3)用于驱动所述液压泵(4)；

所述外油囊(1)的出油口分别通过设置有电磁阀A(6)的管路和设置有电磁阀B(8)的管路与所述内油箱(7)的回油口相连，在所述电磁阀B(8)所在管路上设置有节流阀(11)；

所述气泵(10)的进气口通过电磁阀D与所述内油箱(7)的气口相连，用于对所述内油箱(7)抽气和充气；

所述液压泵(4)为双向泵，所述液压泵(4)还通过设置有电磁阀C(12)的管路与电磁阀A(6)所在管路相连；连通所述外油囊(1)、电磁阀A(6)、电磁阀C(12)、液压泵(4)、内油箱(7)的管路为反转快速回油油路；当所述双向泵反转，且所述电磁阀A(6)和电磁阀C(12)打开时，在所述液压泵(4)的作用下，所述外油囊(1)中的液压油经所述反转快速回油油路回到内油箱(7)；

所述内油箱(7)上安装有用于测量其内部油量的油量传感器；

所述驱动电机(3)、电磁阀A(6)、电磁阀B(8)、电磁阀D、气泵(10)、电磁阀C(12)和油量传感器均受控于所述运算控制模块；

所述海洋环境感知模块包括：温度传感器、深度传感器和盐度传感器，分别用于测量海水的温度、深度及盐度参数；并将测量的参数发送给所述运算控制模块；

所述运算控制模块接收到所述海洋环境感知模块测量的温度、深度及盐度参数后，计算浮力调整体积B_d，并依据所计算的浮力调整体积控制所述外油囊(1)充油或回油，调整所述外油囊(1)的浮力；

所述浮力调整体积B_d的计算公式为：

其中：ρ(S，t,p)为海水盐度S，海水温度t，海水压力p时的海水密度；m为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器的质量，ΔB为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器所需的驱动浮力，为设定值，V₀为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器在水面中性浮力时的排水体积，ΔV为搭载了该浮力驱动装置的水下潜器在下潜过程中体积的变化量。

2.根据权利要求1所述的基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，其特征在于：

当浮力驱动装置所在水下潜器要下潜时，所述运算控制模块依据计算的所述浮力调整体积计算回油量；然后依据所述深度传感器的测量结果判断当前深度，若当前深度小于设定值，则打开电磁阀D，启动气泵(10)对内油箱(7)抽气降压，当所述内油箱(7)中的压力达到设定负压后，关闭气泵(10)；然后打开所述电磁阀A(6)，所述外油囊(1)中的液压油经所述电磁阀A(6)所在管路流入所述内油箱(7)中；若当前深度大于设定值，则直接打开电磁阀B(8)，此时，所述外油囊(1)中的液压油在压差的作用下，经所述电磁阀B(8)和节流阀(11)所在管路流入所述内油箱(7)中；当所述油量传感器检测到回油量达到设定值后，关闭电磁阀A(6)或电磁阀B(8)；

当浮力驱动系统所在水下潜器要上浮时，所述运算控制模块依据计算的所述浮力调整体积计算充油量；然后所述运算控制模块启动所述液压泵(4)，将内油箱(7)中的液压油泵入与所述外油囊(1)中，当所述油量传感器检测到充油量达到设定值后，关闭液压泵(4)。

3.根据权利要求1或2所述的基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，其特征在于：所述电磁阀D为换向阀；所述换向阀具有两个工作位，当所述换向阀位于第一工作位时，所述气泵(10)的出气口与所述内油箱(7)的气口相连，能够对内油箱(7)充气，令该工作位为“加压”位置；当所述换向阀位于第二工作位时，所述气泵(10)的进气口与所述内油箱(7)的气口相连，能够对内油箱(7)抽气，令该工作位为“降 压”位置；

当浮力驱动系统所在水下潜器要下潜时，所述运算控制模块将所述换向阀设定为“降压”位置，启动气泵(10)对内油箱(7)抽气降压；

当浮力驱动系统所在水下潜器要上浮时，所述运算控制模块将所述换向阀设定为“加压”位置，启动气泵(10)对内油箱(7)充气增压，当所述内油箱(7)中的压力达到设定值后，关闭气泵(10)；然后启动所述液压泵(4)，将所述内油箱(7)中的液压油泵入与所述外油囊(1)中。

4.根据权利要求1所述的基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，其特征在于：在所述液压泵(4)与所述外油囊(1)之间的管路上设置有单向阀(2)，用于防止所述外油囊(1)中的液压油回流。

5.根据权利要求1或2所述的基于海洋环境参数调节的浮力驱动装置，其特征在于：在所述液压泵(4)与所述内油箱(7)之间的管路上设置有过滤器(5)。

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