CN111619772A - 一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置及其控制方法 - Google Patents

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    • B63G8/24—Automatic depth adjustment; Safety equipment for increasing buoyancy, e.g. detachable ballast, floating bodies

Abstract

本发明涉及一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置及其控制方法，内油囊与外油囊之间通过出油管路和进油管路连通，出油管路和进油管路的两端分别连通，在外油囊一侧设有电磁阀，在内油囊一侧设有流量计，在内油囊外侧设有真空罩，真空罩通过管路与真空泵连接，在出油管路上还设有油泵。本发明通过深度识别和滑翔状态识别对下潜段和上浮段进行分段调控，通过流量控制和时间控制对进出油液总量进行控制，调节水下滑翔器的所受浮力大小，使电机在低功耗的状态下进行上浮和下潜运动，相较现有技术控制装置结构更加紧凑，能耗更低，控制过程节约能源，有效工作时间更长，工作过程更加稳定。

Description

一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及水下滑翔器控制技术领域，尤其是一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置及其控制方法。
背景技术
水下滑翔器为一种新型的水下机器人，它作为海洋监测仪器的搭载平台，是获取海洋监测数据的重要装备。水下滑翔器依靠自身浮力改变产生的动力进行锯齿形运动，其典型运动方式为：水下滑翔器浮力调节装置回油使滑翔器的重力大于浮力，滑翔器下潜；下潜到设定深度后浮力调节装置出油使滑翔器的浮力大于重力，滑翔器上浮；上浮到设定深度后浮力调节装置回油继续下潜，循环此过程实现浮力调节控制。
水下滑翔器滑翔时处于无动力状态，但是浮力调节装置出油或者回油的过程中电机需要动作，会耗费一定的能耗。而且其能耗与滑翔深度呈正比，深度越深电机克服水压调节浮力所耗费的功率越大，大幅制约了这种低功耗设备的使用。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置及其控制方法，解决水下滑翔器在上浮和下潜过程中克服压力做功大的问题，调节过程稳定可靠，功耗较低。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置，水下滑翔器包括耐压舱和透水舱，耐压舱为防水密封结构，透水舱与海水连通，还包括安装于耐压舱中的内油囊，以及安装于透水舱中的外油囊，内油囊的外围包裹有真空罩，真空罩通过管路与真空泵连通，内油囊与内段主管的一端连通，内段主管的另一端分叉形成两条支路，并分别与回油管路和出油管路位于内段主管一端的管口连通，内段主管上安装有流量计，外油囊与外段主管的一端连通，外段主管的另一端也分叉形成两条支路，并分别与回油管路和出油管路位于外段主管一端的管口连通，外段主管上安装有电磁阀，出油管路上还安装有油泵。
其进一步技术方案在于：
油泵、真空泵和电磁阀均通过电气线路连接外部电控设备，外部电控设备还通过电气线路连接深度传感器。
一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置的控制方法，包括如下步骤：
第一步，深度识别：通过深度传感器采样获得水下滑翔器的深度信息；
第二步：滑翔状态识别，判断水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态或水下滑翔状态，并判断水下滑翔器是否具有往水下运动的趋势或往水面运动的趋势；
第三步：确定浮力调节控制方向，依据第二步中识别得到的滑翔状态，确定水下滑翔器将要进行的操作，若水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态或水下滑翔状态，且水下滑翔器不具有往水下运动的趋势及往水面运动的趋势，则保持水下滑翔器当前的运动状态，并跳转回第一步，重新进行深度识别；若水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态，且具有往水下运动的趋势，则需要进行下潜操作，执行第四步；若水下滑翔器的运动状态为水下滑翔状态，且具有往水面运动的趋势，则需要进行上浮操作，执行第五步；
第四步：下潜段分段调节控制：对需要进行下潜操作的水下滑翔器进行多次回油调节，当水下滑翔器稳定下潜至设定位置后跳转第一步，实现循环浮力调节控制；
第四步中下潜段分段调节控制包含步骤A～J：
A.开始，确定水下滑翔器将进行下潜操作；
B.读取深度传感器数值；
C.判断深度是否小于五米，若是，执行步骤D，若否，跳转步骤G；
D.开启主动回油任务，主动回油量为总油量的
Figure BDA0002534845050000021
其中
Figure BDA0002534845050000022
V为水下滑翔器总排水体积，ρ1为海水水面密度，ρ2为海水五米处密度，NZ为分段式浮力控制装置的最大储油量，F0为初始正浮力；
E.同时打开真空泵和电磁阀，执行主动回油任务；
F.关闭主动回油任务，关闭真空泵并使电磁阀保持开启状态；
G.开启被动回油任务，被动回油量为总油量的
Figure BDA0002534845050000023
H.执行被动回油任务，直至达到步骤G中确定的被动回油量；
I.关闭回油任务，关闭电磁阀；
J.结束，完成下潜段分段调节控制，水下滑翔器稳定下潜至设定位置；
第五步：上浮段分段调节控制，对需要进行上浮操作的水下滑翔器进行多次出油调节，当水下滑翔器稳定上浮至设定位置后跳转第一步，实现循环浮力调节控制。
第五步中上浮段分段调节控制包含步骤K～T：
K.开始，确定水下滑翔器将进行上浮操作，确定出油次数Z,设定循环次数i，并令i＝1；
L.读取深度传感器数值；
M.计算深度变化率；
N.判断深度变化率是否小于V0，其中
Figure BDA0002534845050000031
V1为设计上浮速度，若是，则执行步骤O，若否，则跳转回步骤L，重新读取深度传感器数值；
O.判断循环次数i是否小于等于出油次数Z，若是，则执行步骤P，若否，则跳转步骤T；
P.开启主动出油任务，单次主动出油量为
Figure BDA0002534845050000032
Q.打开油泵，执行主动出油任务，直至出油量达到步骤P中确定的单次主动出油量；
R.关闭出油任务，关闭油泵；
S.循环次数增加一次，完成赋值：i＝i+1，跳转回步骤O；
T.结束，完成分段出油循环，水下滑翔器稳定上浮至设定位置；
下潜段分段调节控制和上浮段分段调节控制均包括流量控制和时间控制；
流量控制的过程为：通过流量计计算内油囊的进油量和出油量，当流量计的计数到达设定值时，触发保护功能，终止内油囊的进油和出油操作；
时间控制的过程为：在执行内油囊的进油和出油操作前，设定保护时间，当进油和出油操作的执行时间到达保护时间后，触发保护功能，终止内油囊的进油和出油操作。
本发明的有益效果如下：
本发明的控制装置连接简易，控制方法稳定准确，通过深度识别和滑翔状态识别对下潜段和上浮段进行分段调节控制，通过包含于下潜段和上浮段进行分段调节控制中的流量控制和时间控制，对进出油液总量进行限制，从而调节水下滑翔器的所受浮力大小，控制水下滑翔器的运动状态；流量控制过程能依据要求实时监控当前油量，当满足要求后终止流量调控任务，时间控制过程能依据浮力需求设定保护时间阀值，当到达阀值后停止任务执行，流量控制与时间控制共同构成双层保护；下潜段分段调控技术有效借助水下压力进行被动回油，减少电机动作，通过上浮段分段调控技术有效减少出油电机克服水压做的功，通过两种方法综合，极大地减少了水下滑翔器的运动能耗，使电机在低功耗的状态下准确控制水下滑翔器的上浮和下潜运动，相较现有技术控制装置结构更加紧凑，能耗更低，控制过程节约能源，有效工作时间更长，工作过程更加稳定。
附图说明
图1为本发明的控制装置连接结构示意图。
图2为本发明的控制方法原理图。
图3为本发明的下潜段控制方法流程图。
图4为本发明的上浮段控制方法流程图。
其中：1、外油囊；2、电磁阀；3、油泵；4、出油管路；5、回油管路；6、流量计；7、真空罩；8、内油囊；9、真空泵；10、内段主管；11、外段主管。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明涉及的水下滑翔器包括耐压舱和透水舱，耐压舱为防水密封结构，透水舱与海水连通，还包括安装于耐压舱中的内油囊8，以及安装于透水舱中的外油囊1，所述内油囊8的外围包裹有真空罩7，所述真空罩7通过管路与真空泵9连通，所述内油囊8与内段主管10的一端连通，所述内段主管10的另一端分叉形成两条支路，并分别与回油管路5和出油管路4位于内段主管10一端的管口连通，内段主管10上安装有流量计6，所述外油囊1与外段主管11的一端连通，所述外段主管11的另一端也分叉形成两条支路，并分别与回油管路5和出油管路4位于外段主管11一端的管口连通，所述外段主管11上安装有电磁阀2，所述出油管路4上还安装有油泵3。
油泵3、真空泵9和电磁阀2均通过电气线路连接外部电控设备，外部电控设备还通过电气线路连接深度传感器。
如图2所示，本发明所采用的的控制方法，包括如下步骤：
第一步，深度识别：通过深度传感器采样获得水下滑翔器的深度信息；
第二步，滑翔状态识别：判断水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态或水下滑翔状态，并判断水下滑翔器是否具有往水下运动的趋势或往水面运动的趋势；
第三步，确定浮力调节控制方向：依据第二步中识别得到的滑翔状态，确定水下滑翔器将要进行的操作，若水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态或水下滑翔状态，且水下滑翔器不具有往水下运动的趋势及往水面运动的趋势，则保持水下滑翔器当前的运动状态，并跳转回第一步，重新进行深度识别；若水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态，且具有往水下运动的趋势，则需要进行下潜操作，执行第四步；若水下滑翔器的运动状态为水下滑翔状态，且具有往水面运动的趋势，则需要进行上浮操作，执行第五步；
第四步，下潜段分段调节控制：对需要进行下潜操作的水下滑翔器进行多次回油调节，当水下滑翔器稳定下潜至设定位置后跳转第一步，实现循环浮力调节控制；
第四步中下潜段分段调节控制包含步骤A～J：
A.开始，确定水下滑翔器将进行下潜操作；
B.读取深度传感器数值；
C.判断深度是否小于五米，若是，执行步骤D，若否，跳转步骤G；
D.开启主动回油任务，主动回油量为总油量的
Figure BDA0002534845050000051
其中
Figure BDA0002534845050000052
V为水下滑翔器总排水体积，ρ1为海水水面密度，ρ2为海水五米处密度，NZ为分段式浮力控制装置的最大储油量，F0为初始正浮力；
E.同时打开真空泵9和电磁阀2，执行主动回油任务；
F.关闭主动回油任务，关闭真空泵9并使电磁阀2保持开启状态；
G.开启被动回油任务，被动回油量为总油量的
Figure BDA0002534845050000053
H.执行被动回油任务，直至达到步骤G中确定的被动回油量；
I.关闭回油任务，关闭电磁阀2；
J.结束，完成下潜段分段调节控制，水下滑翔器稳定下潜至设定位置。
第五步，上浮段分段调节控制：对需要进行上浮操作的水下滑翔器进行多次出油调节，当水下滑翔器稳定上浮至设定位置后跳转第一步，实现循环浮力调节控制。
第五步中上浮段分段调节控制包含步骤K～T：
K.开始，确定水下滑翔器将进行上浮操作，确定出油次数Z,设定循环次数i，并令i＝1；
L.读取深度传感器数值；
M.计算深度变化率，深度变化率的计算公式如下：
Figure BDA0002534845050000061
其中δ为深度变化率，D(t)为t时刻水下滑翔器所处的深度，D(t-1)为t-1时刻水下滑翔器所处的深度，Δt为时间变化量；
N.判断深度变化率是否小于V0，其中
Figure BDA0002534845050000062
V1为设计上浮速度，若是，则执行步骤O，若否，则跳转回步骤L，重新深度传感器数值；
O.判断循环次数i是否小于等于出油次数Z，若是，则执行步骤P，若否，则跳转步骤T；
P.开启主动出油任务，单次主动出油量为
Figure BDA0002534845050000063
Q.打开油泵3，执行主动出油任务，直至出油量达到步骤P中确定的单次主动出油量；
R.关闭出油任务，关闭油泵3；
S.循环次数增加一次，完成赋值：i＝i+1，跳转回步骤O；
T.结束，完成分段出油循环，水下滑翔器稳定上浮至设定位置。
本发明所采用的的控制方法中，流量控制的过程为：通过流量计6计算内油囊8的进油量和出油量，当流量计6的计数到达设定值时，触发保护功能，终止内油囊8的进油和出油操作；时间控制的过程为：在执行内油囊8的进油和出油操作前，设定保护时间，当进油和出油操作的执行时间到达保护时间后，触发保护功能，终止内油囊8的进油和出油操作。
本发明的具体工作过程如下：
本发明的控制原理是将内油囊8和外油囊2中的油液按照控制要求有序地转运，以此调节水下滑翔器的浮力大小。运动过程中主要的控制对象为油泵3、真空泵9和电磁阀2，主要的监控对象为流量计6。出油时，通过控制油泵3运转，将内油囊8中的油液通过油泵3运转到外油囊1中；主动回油时，控制真空泵9运动，利用真空泵9将内油囊8与真空罩7之间的空气抽取出来形成负压状态，利用虹吸原理将外油囊1中的油液抽取到内油囊8中。被动回油时，水下滑翔器处于一定的水深下，电磁阀2打开后，由水压作用于外油囊1，使外油囊1处的气压高于内油囊8处的气压，压差驱动外油囊1中的油液转运到内油囊8中。油液的流动带动流量计6运动，以实时监控和管理流量。
该装置是由内油囊8和外油囊1构成的，内油囊8置于水下滑翔器耐压舱内，外油囊1置于水下滑翔器透水舱内并与海水直接接触。内外油囊的油液通过出油管路4和回油管路5相互连通。当内油囊8的油液流入外油囊1时，外油囊1排水体积增大，水下滑翔器浮力增大；当外油囊1的油液流入内油囊8时，外油囊1排水体积减小，水下滑翔器浮力减小。内油囊8外置真空罩7，内油囊8密封于真空罩7中，开启真空泵9后，将真空罩7内的气压抽至负气压，利用虹吸原理将外油囊1中的油液吸入内油囊8中。出油管路4由出油电机驱动油泵3，将内油囊8中的油液压至外油囊1中。回油管路5由电磁阀2连接，保持该管路连通后在真空虹吸作用或者外部水压作用下可将外油囊1中的油液压至内油囊8中。
本发明的下潜段分段调节控制执行步骤A～J，其中开启主动回油任务至关闭主动回油任务为水面附近的浮力调节过程，开启被动回油任务至被动回油任务结束，为水下(水深大于五米)浮力调节过程。上浮段分段调节控制执行步骤K～T，执行多次出油任务，避免单次大量出油对驱动油泵3带来过重的负担，提高控制过程的稳定性。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置，水下滑翔器包括耐压舱和透水舱，所述耐压舱为防水密封结构，所述透水舱与海水连通，其特征在于：还包括安装于耐压舱中的内油囊(8)，以及安装于透水舱中的外油囊(1)，所述内油囊(8)的外围包裹有真空罩(7)，所述真空罩(7)通过管路与真空泵(9)连通，所述内油囊(8)与内段主管(10)的一端连通，所述内段主管(10)的另一端分叉形成两条支路，并分别与回油管路(5)和出油管路(4)位于内段主管(10)一端的管口连通，内段主管(10)上安装有流量计(6)，所述外油囊(1)与外段主管(11)的一端连通，所述外段主管(11)的另一端也分叉形成两条支路，并分别与回油管路(5)和出油管路(4)位于外段主管(11)一端的管口连通，所述外段主管(11)上安装有电磁阀(2)，所述出油管路(4)上还安装有油泵(3)。
2.如权利要求1所述的一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置，其特征在于：所述油泵(3)、真空泵(9)和电磁阀(2)均通过电气线路连接外部电控设备，所述外部电控设备还通过电气线路连接深度传感器。
3.一种利用权利要求1所述的用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，深度识别：通过深度传感器采样获得水下滑翔器的深度信息；
第二步：滑翔状态识别，判断水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态或水下滑翔状态，并判断水下滑翔器是否具有往水下运动的趋势或往水面运动的趋势；
第三步：确定浮力调节控制方向，依据第二步中识别得到的滑翔状态，确定水下滑翔器将要进行的操作，若水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态或水下滑翔状态，且水下滑翔器不具有往水下运动的趋势及往水面运动的趋势，则保持水下滑翔器当前的运动状态，并跳转回第一步，重新进行深度识别；若水下滑翔器的运动状态为水面滑翔状态，且具有往水下运动的趋势，则需要进行下潜操作，执行第四步；若水下滑翔器的运动状态为水下滑翔状态，且具有往水面运动的趋势，则需要进行上浮操作，执行第五步；
第四步：下潜段分段调节控制：对需要进行下潜操作的水下滑翔器进行多次回油调节，当水下滑翔器稳定下潜至设定位置后跳转第一步，实现循环浮力调节控制；
第五步：上浮段分段调节控制，对需要进行上浮操作的水下滑翔器进行多次出油调节，当水下滑翔器稳定上浮至设定位置后跳转第一步，实现循环浮力调节控制。
4.如权利要求3所述的一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置的控制方法，其特征在于：第四步中下潜段分段调节控制包含步骤A～J：
A.开始，确定水下滑翔器将进行下潜操作；
B.读取深度传感器数值；
C.判断深度是否小于五米，若是，执行步骤D，若否，跳转步骤G；
D.开启主动回油任务，主动回油量为总油量的
Figure FDA0002534845040000021
其中
Figure FDA0002534845040000022
V为水下滑翔器总排水体积，ρ1为海水水面密度，ρ2为海水五米处密度，NZ为分段式浮力控制装置的最大储油量，F0为初始正浮力；
E.同时打开真空泵(9)和电磁阀(2)，执行主动回油任务；
F.关闭主动回油任务，关闭真空泵(9)并使电磁阀(2)保持开启状态；
G.开启被动回油任务，被动回油量为总油量的
Figure FDA0002534845040000023
H.执行被动回油任务，直至达到步骤G中确定的被动回油量；
I.关闭回油任务，关闭电磁阀(2)；
J.结束，完成下潜段分段调节控制，水下滑翔器稳定下潜至设定位置。
5.如权利要求3所述的一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置的控制方法，其特征在于：第五步中上浮段分段调节控制包含步骤K～T：
K.开始，确定水下滑翔器将进行上浮操作，确定出油次数Z,设定循环次数i，并令i＝1；
L.读取深度传感器数值；
M.计算深度变化率；
N.判断深度变化率是否小于V0，其中
Figure FDA0002534845040000024
V1为设计上浮速度，若是，则执行步骤O，若否，则跳转回步骤L，重新读取深度传感器数值；
O.判断循环次数i是否小于等于出油次数Z，若是，则执行步骤P，若否，则跳转步骤T；
P.开启主动出油任务，单次主动出油量为
Figure FDA0002534845040000025
Q.打开油泵(3)，执行主动出油任务，直至出油量达到步骤P中确定的单次主动出油量；
R.关闭出油任务，关闭油泵(3)；
S.循环次数增加一次，完成赋值：i＝i+1，跳转回步骤O；
T.结束，完成分段出油循环，水下滑翔器稳定上浮至设定位置。
6.如权利要求3所述的一种用于水下滑翔器的分段式浮力控制装置的控制方法，其特征在于：所述下潜段分段调节控制和上浮段分段调节控制均包括流量控制和时间控制；
所述流量控制的过程为：通过流量计(6)计算内油囊(8)的进油量和出油量，当流量计(6)的计数到达设定值时，触发保护功能，终止内油囊(8)的进油和出油操作；
所述时间控制的过程为：在执行内油囊(8)的进油和出油操作前，设定保护时间，当进油和出油操作的执行时间到达保护时间后，触发保护功能，终止内油囊(8)的进油和出油操作。
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