CN113104187A - 一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，包括水密耐压舱、左刚性内油囊、左刚性外油囊、右刚性内油囊、右刚性外油囊，水密耐压舱内设置有左内活塞和右内活塞，左内活塞与水密耐压舱筒体、水密耐压舱左盖板合围构成左刚性内油囊，右内活塞与水密耐压舱筒体、水密耐压舱右盖板合围构成右刚性内油囊。本发明的有益效果是：当左右浮力调节器做差动浮力调节控制就可以实现浮力调节与姿态调节的双重控制，浮力调节器可实现在浮力增大或浮力减小的同时实现浮力调节器浮心与质心的复合左移或者右移，其调节控制方式多样灵活，可以满足即需要进行浮力调节又需要进行姿态控制的调节平台，具有调节方式灵活、应用广泛的突出优点。

Description

一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器

技术领域

本发明涉及浮力调节控制，特别是一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器。

背景技术

经过发明人的长期研究发现，现有的水下装备用浮力调节装置在进行浮力调节时虽然能够完成相关的浮力调节控制，但仍然存在以下不足：

1、浮力调节过程中浮力调节器本身带来浮心变化不可控；

2、其次随着浮力调节的进行由于抽排水或调节内外油囊液压油体积变化带来系统质心也随之变化，并且自身无法调节控制；

3、浮力调节的质心和浮心在浮力调节过程的变化影响浮力调节母平台的姿态，需要增加额外的姿态控制装置，增加了系统的复杂度，增加了额外呆重重量，也不利于相关平台的姿态控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：包括水密耐压舱，水密耐压舱内具有密闭气室、左刚性内油囊和右刚性内油囊，且左刚性内油囊位于密闭气室的左侧，右刚性内油囊位于密闭气室的右侧，且密闭气室、左刚性内油囊和右刚性内油囊的体积均可变化，左刚性内油囊的左侧还设置有体积可变化的左刚性外油囊，右刚性内油囊的右侧还设置有体积可变化的右刚性外油囊，密闭气室内安装有左浮力调节激光位移传感器、右浮力调节激光位移传感器、浮力调节控制系统、液压动力系统，左刚性外油囊、左刚性内油囊均通过左浮力调节液压管路与液压动力系统连接，右刚性外油囊、右刚性内油囊均通过右浮力调节液压管路与液压动力系统连接，左浮力调节激光位移传感器用于检测左刚性内油囊的体积变化量，右浮力调节激光位移传感器用于检测右刚性内油囊的体积变化量，且左浮力调节激光位移传感器、右浮力调节激光位移传感器均与浮力调节控制系统连接，浮力调节控制系统还与液压动力系统连接。

可选的，水密耐压舱由水密耐压舱筒体、水密耐压舱左盖板、水密耐压舱右盖板合围构成。

可选的，水密耐压舱内设置有左内活塞和右内活塞，左内活塞与水密耐压舱筒体、水密耐压舱左盖板合围构成左刚性内油囊，右内活塞与水密耐压舱筒体、水密耐压舱右盖板合围构成右刚性内油囊，左内活塞、右内活塞和水密耐压舱筒体合围构成密闭气室，左浮力调节激光位移传感器用于检测左内活塞的位移量，右浮力调节激光位移传感器用于检测右内活塞的位移量。

可选的，水密耐压舱左盖板的外侧连接有左刚性外油囊筒体，左刚性外油囊筒体内设置有左外活塞，左外活塞、左刚性外油囊筒体和水密耐压舱左盖板合围构成左刚性外油囊。

可选的，水密耐压舱右盖板的外侧连接有右刚性外油囊筒体，右刚性外油囊筒体内设置有右外活塞，右外活塞、右刚性外油囊筒体和水密耐压舱右盖板合围构成右刚性外油囊。

可选的，左刚性外油囊筒体的端部设置有左过滤保护罩。

可选的，右刚性外油囊筒体的端部设置有右过滤保护罩。

本发明具有以下优点：

1、采用压力平衡式刚性内外油囊保证了浮力调节过程中浮力调节介质液压油无孔隙地被约束在几何形状规则的刚性体中，浮力调节液压油不会因为浮力调节器晃动而发生晃动，浮力调节过程中调节液压油在规则几何体约束下沿浮力调节器主轴规则变化，保证了调节过程中质心稳定变化，系统不因为浮力调节过程液体介质不受约束状态的晃动带来的质心不稳问题；

2、压力平衡式刚性外油囊结构可以使得刚性外油囊相关零部件结构尺寸不受工作水深变化影响，也就是刚性外油囊结构件尺寸跟工作水深无关，因此可以制作得很轻薄，大大减轻系统重量；

3、同样构成刚性内油囊的左右内活塞也只是左右刚性内油囊内的液压油与水密耐压舱内部空腔之间的隔板，内活塞左右两侧的油腔压力与密闭气室压力平衡，因此相关结构也不受工作水深影响，相关结构也可以做得相当轻薄，大大减轻系统结构重量，使得浮力调节器结构更加紧凑轻便、实用；

4、浮力调节激光位移传感器测量内活塞位移，根据刚性内油囊的圆柱状几何体体积变化，间接计算浮力调节体积大小，大大提高浮力调节精度，相比较传统流量计式浮力调节器其既不需要每次工作时的零位标定，也不存在累计误差，系统基准一旦设定长期稳定，由此本发明的浮力调节器的可重复精度水平大大提高；

5、左右对称式双浮力调节器设计，当左右对称同步进行浮力增大或者减小调节时，系统浮心和质心不会发生变化，有利于浮力调节器安装平台本身的姿态稳定；

6、当左右浮力调节器做差动浮力调节控制就可以实现浮力调节与姿态调节的双重控制，浮力调节器可实现在浮力增大或浮力减小的同时实现浮力调节器浮心与质心的复合左移或者右移，其调节控制方式多样灵活，可以满足那些即需要进行浮力调节又需要进行姿态控制的调节平台应用需求，相比现有的其它类型浮力调节器具有调节方式灵活、应用广泛的突出优点；

7、此种浮力调节器复合了浮力调节与重心调节的功能，可以省去相关重心调节机构，简化相关系统复杂度。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图

图中，1-水密耐压舱，201-左浮力调节激光位移传感器，202-右浮力调节激光位移传感器，3-浮力调节控制系统，4-水密耐压舱筒体，501-左内活塞，601-左刚性内油囊，7-水密耐压舱左盖板，801-左刚性外油囊，901-左外活塞，1401-左过滤保护罩，1001-左刚性外油囊筒体，1101-左浮力调节液压管路，12-液压动力系统，1102-右浮力调节液压管路，1002-右刚性外油囊筒体，1402-右过滤保护罩，902-右外活塞，802-右刚性外油囊，13-水密耐压舱右盖板，602-右刚性内油囊，502-右内活塞。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。本发明的核心在与阐述一种创新的思维、阐述创新性的技术原理，但凡涉及使用了本原理、思想都在本发明的保护范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，包括水密耐压舱1，所述水密耐压舱1内具有密闭气室、左刚性内油囊601和右刚性内油囊602，且所述左刚性内油囊601位于所述密闭气室的左侧，所述右刚性内油囊602位于所述密闭气室的右侧，且所述密闭气室、左刚性内油囊601和右刚性内油囊602的体积均可变化，所述左刚性内油囊601的左侧还设置有体积可变化的左刚性外油囊801，所述右刚性内油囊602的右侧还设置有体积可变化的右刚性外油囊802。

在本实施例中，水密耐压舱筒体4、水密耐压舱左盖板7、水密耐压舱右盖板13合围构成水密耐压舱1，水密耐压舱1内设置有左内活塞501和右内活塞502，左内活塞501与水密耐压舱筒体4、水密耐压舱左盖板7合围构成左刚性内油囊601，右内活塞502与水密耐压舱筒体4、水密耐压舱右盖板13合围构成右刚性内油囊602，左内活塞501、右内活塞502和水密耐压舱筒体4合围构成密闭气室，密闭气室内安装有左浮力调节激光位移传感器201、右浮力调节激光位移传感器202、浮力调节控制系统3、液压动力系统12，左浮力调节激光位移传感器201、右浮力调节激光位移传感器202为市购产品，而浮力调节控制系统3、液压动力系统12均为现有技术，左浮力调节激光位移传感器201用于检测左内活塞501的位移量，因此左浮力调节激光位移传感器201可以检测到左刚性内油囊601的体积变化量，右浮力调节激光位移传感器202用于检测右内活塞502的位移量，因此，右浮力调节激光位移传感器202可以检测到右刚性内油囊602的体积变化量，左浮力调节激光位移传感器201、右浮力调节激光位移传感器202均与浮力调节控制系统3连接，浮力调节控制系统3还与液压动力系统12连接，水密耐压舱左盖板7的外侧连接有左刚性外油囊筒体1001，左刚性外油囊筒体1001内设置有左外活塞901，左外活塞901、左刚性外油囊筒体1001和水密耐压舱左盖板7合围构成左刚性外油囊801，水密耐压舱右盖板13的外侧连接有右刚性外油囊筒体1002，右刚性外油囊筒体1002内设置有右外活塞902，右外活塞902、右刚性外油囊筒体1002和水密耐压舱右盖板13合围构成右刚性外油囊802，左刚性外油囊801、左刚性内油囊601均通过左浮力调节液压管路1101与液压动力系统12连接，右刚性外油囊802、右刚性内油囊602均通过右浮力调节液压管路1102与液压动力系统12连接，而右刚性外油囊802、右刚性内油囊602、左刚性外油囊801、左刚性内油囊601内均注满有液压油。

在本实施例中，左内活塞501、左外活塞901、右内活塞502、右外活塞902、水密耐压舱筒体4、水密耐压舱左盖板7、水密耐压舱右盖板13、左刚性外油囊筒体1001、右刚性外油囊筒体1002在直径几何尺寸上完全相同，从而使得该控制器在初始状态时，可以构成左右对称结构。

在本实施例中，左刚性外油囊筒体1001的端部设置有左过滤保护罩1401，右刚性外油囊筒体1002的端部设置有右过滤保护罩1402，左过滤保护罩1401能够防止异物进入到左刚性外油囊筒体1001内壁以及左外活塞901内，右过滤保护罩1402能够防止异物进入到右刚性外油囊筒体1002内壁以及右外活塞902内。

本发明的工作过程如下：

当需要左侧浮力调节器的浮力增大时，通过液压动力系统12将左刚性内油囊601内的液压油抽出，排入到左刚性外油囊801中，左内活塞501在水密耐压舱1密闭气室气压推动下向左移动，左刚性外油囊801内部液压油在液压动力系统12排出的液压油推动下产生稍稍大于环境水体压力的压力推动左外活塞901向左同步移动，则左侧浮力调节器排水体积增大，左侧浮力则增大，反之，当需要左侧浮力调节器的浮力减小时，通过液压动力系统12将左刚性外油囊801内的液压油抽出，排入到左刚性内油囊601中，左内活塞501在液压油的推动下向右移动，而左外活塞901在环境水体压力的作用下往右移动，则左侧浮力调节器排水体积减小，左侧浮力则减小；左浮力调节激光位移传感器201实时监测左内活塞501的位移量，计算出左侧实时的浮力、质心变化量，而右侧浮力调节器的浮力调节原理与左侧浮力调节器的浮力调节原理相同，因此则不再进行赘述。

显然，在浮力调节控制过程中对于浮力调节器来说其总质量始终不变，每当进行浮力调节时，其本质是封闭在左右内外油囊里的液压油体积内外分配发生了变化从而达到了浮力调节器总排水体积的变化，实现浮力调节控制。由于，左右浮力调节过程中封闭在左右内外油囊内的液压油近似为刚性体，因此其移动过程是规则的，因此当其移动时相当于一个质量块在移动，类似天平的砝码，因此当左右浮力调节大小相等，且同步增大或减小时浮力调节器的左右浮心和质心改变是对称的，可相互抵消彼此的质心浮心变化量，从而达到了总的浮心与质心不变的目的。

当需要在调节浮力的同时实现质心、浮心的变化控制目的，比如浮力增大的同时需要质心、浮心左移，实现搭载平台的整体质心浮心左移，则可让左侧浮力调节器调节浮力增大，同时右侧浮力调节器调节浮力减小，左侧浮力调节器增大的浮力绝对值大于右侧浮力调节器浮力减小的浮力绝对值，两者的差值达到设定浮力增大的调节值，此时相当于砝码的内外浮力调节活塞以及内部填充的液压油就实现了较大幅度的左移，实现了质心的左移，质心左移的程度取决于减小浮力侧的浮力减小值大小，以及与总体正浮力增大的幅度关系，二者可根据相关数学模型进行灵活设置；两侧浮力调节关系也可以同时增大，只不过两侧浮力增加值不同也可以实现质心和浮心的小范围调节控制目的，相关的具体关系可以根据实际情况按照相关数学模型进行灵活控制。同理，则可以实现浮力增大的同时浮心、质心右移。

在本实施例中，按照上面的控制原理，显然当进行浮力减小控制操作时，同样也可以通过两边浮力调节差异化控制达到相关质心、浮心调节控制的目的，从而实现在调节浮力的同时实现姿态调节控制。

显然，通过相关活塞约束了浮力调节液压油的几何形状，并且其在调节过程中不可变形，显然其形状是规则的，利于质心稳定控制，也利于相关质心浮心变化的预测控制计算，因此其浮力调节、姿态控制的优点是显而易见的。同时浮力调节激光位移传感器的应用也使得相关调节控制相较传统油囊流量计式浮力调节器其浮力调节精度大大提高。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (7)

1.一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：包括水密耐压舱，所述水密耐压舱内具有密闭气室、左刚性内油囊和右刚性内油囊，且所述左刚性内油囊位于所述密闭气室的左侧，所述右刚性内油囊位于所述密闭气室的右侧，且所述密闭气室、左刚性内油囊和右刚性内油囊的体积均可变化，所述左刚性内油囊的左侧还设置有体积可变化的左刚性外油囊，所述右刚性内油囊的右侧还设置有体积可变化的右刚性外油囊，所述密闭气室内安装有左浮力调节激光位移传感器、右浮力调节激光位移传感器、浮力调节控制系统、液压动力系统，所述左刚性外油囊、所述左刚性内油囊均通过左浮力调节液压管路与所述液压动力系统连接，所述右刚性外油囊、所述右刚性内油囊均通过右浮力调节液压管路与所述液压动力系统连接，所述左浮力调节激光位移传感器用于检测左刚性内油囊的体积变化量，所述右浮力调节激光位移传感器用于检测右刚性内油囊的体积变化量，且所述左浮力调节激光位移传感器、所述右浮力调节激光位移传感器均与所述浮力调节控制系统连接，所述浮力调节控制系统还与所述液压动力系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：所述水密耐压舱由所述水密耐压舱筒体、所述水密耐压舱左盖板、所述水密耐压舱右盖板合围构成。

3.根据权利要求2所述的一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：所述水密耐压舱内设置有左内活塞和右内活塞，所述左内活塞与所述水密耐压舱筒体、所述水密耐压舱左盖板合围构成左刚性内油囊，所述右内活塞与所述水密耐压舱筒体、所述水密耐压舱右盖板合围构成右刚性内油囊，所述左内活塞、所述右内活塞和所述水密耐压舱筒体合围构成密闭气室，所述左浮力调节激光位移传感器用于检测左内活塞的位移量，所述右浮力调节激光位移传感器用于检测右内活塞的位移量。

4.根据权利要求3所述的一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：所述水密耐压舱左盖板的外侧连接有左刚性外油囊筒体，所述左刚性外油囊筒体内设置有左外活塞，所述左外活塞、所述左刚性外油囊筒体和所述水密耐压舱左盖板合围构成左刚性外油囊。

5.根据权利要求4所述的一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：所述水密耐压舱右盖板的外侧连接有右刚性外油囊筒体，所述右刚性外油囊筒体内设置有右外活塞，所述右外活塞、所述右刚性外油囊筒体和所述水密耐压舱右盖板合围构成右刚性外油囊。

6.根据权利要求5所述的一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：所述左刚性外油囊筒体的端部设置有左过滤保护罩。

7.根据权利要求6所述的一种质心浮心可调可控浮力调节姿态控制器，其特征在于：所述右刚性外油囊筒体的端部设置有右过滤保护罩。

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