CN116642615A - 可调式浮力测量系统及水空两用无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可调式浮力测量系统及水空两用无人机，该可调式浮力测量系统包括气囊、拉力传感器、板状件、高压气瓶和浮力控制器。拉力传感器具有第一端和第二端，第一端固定，第二端耦接至板状件的一个板面侧，气囊耦接至板状件的另一个板面侧，拉力传感器被构造成借由板状件感测气囊的浮力。浮力控制器基于拉力传感器感测的气囊的浮力值，控制高压气瓶向气囊充气或从气囊排气，从而调节气囊的浮力。该可调式浮力测量系统采用拉力传感器可以直接测量出浮力调节气囊的浮力大小，并实时反馈给控制器，提高无人机水下航行的操作性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及水空两用无人机飞行器技术领域，更具体地，本发明涉及一种可调式浮力测量系统及包含其的水空两用无人机。
背景技术
可潜水航行的无人机常需要配置浮力控制系统。目前，常见的一类水下浮力调节装置设有气囊，通过向气囊充气或排气改变气囊的体积，从而改变无人机的浮力。无人机上配置了测量水压水深的传感器，能够反馈无人机的水下航行深度。然而仅通过读取水压水深传感器的水深值来调节气囊的充气量，很难控制无人机在目标深度悬停等，可操控性较差且控制滞后。
发明内容
本发明为水空两用无人机的水下潜航提供了一种可调浮力的测量系统设计，弥补了当前无人机水下潜航浮力控制技术的不足，提高了无人飞行器水下潜航能力和可靠性。
一方面，本发明提供一种可调式浮力测量系统，包括：气囊、拉力传感器、板状件、高压气瓶和浮力控制器。拉力传感器具有第一端和第二端，第一端固定，第二端耦接至板状件的一个板面侧，气囊耦接至板状件的另一个板面侧，拉力传感器被构造成借由板状件感测气囊的浮力。浮力控制器基于拉力传感器感测的气囊的浮力值，控制高压气瓶向气囊充气或从气囊排气，从而调节气囊的浮力。
具体地，气囊具有开口，开口处设有连接块，连接块具有与气囊内部连通的通道，气囊通过连接块耦接至板状件。
其中，拉力传感器的第二端与板状件通过螺栓连接。进一步地，拉力传感器设有三个，三个拉力传感器均匀地布置在连接块的外周。
进一步地，可调式浮力测量系统还包括：进气管和两通电磁阀，进气管的一端连接至高压气瓶，进气管的另一端连接至连接块的通道，两通电磁阀设置于进气管；以及出气管和抽气泵，出气管的一端连接至连接块的通道，出气管的另一端连接至抽气泵；其中，浮力控制器控制两通电磁阀继而控制向气囊充气，浮力控制器控制抽气泵从气囊排气。
进一步地，可调式浮力测量系统还包括：可拆卸连接的箱体和盖板，拉力传感器的第一端通过螺栓固定连接至盖板；高压气瓶、浮力控制器、两通电磁阀和抽气泵设置于箱体内，进气管和出气管延伸穿过盖板；其中，箱体内还设有电池，电池与浮力控制器电连接。
进一步地，抽气泵设有排气管，排气管延伸穿过盖板。可调式浮力测量系统包括调压阀，调压阀设置于高压气瓶与两通电磁阀之间的进气管。高压气瓶设有减压阀，进气管的一端连接至减压阀。
其中，气囊提供的浮力可调节范围为0~300N。
另一方面，本发明还提供一种水空两用无人机，其包括上述第一方面的可调式浮力测量系统，浮力控制器与无人机信号连通。
进一步地，水空两用无人机设有水深传感器，无人机根据所述水深传感器检测的水深实时值设定气囊的目标浮力值，从而使浮力控制器控制并调节气囊的体积，直至拉力传感器感测的气囊的浮力值等于目标浮力值。
本公开的特点及优点包括：
1）采用拉力传感器可以直接测量出浮力调节气囊的浮力大小和变化情况，并实时反馈给控制器，提高无人机水下航行的操作性和可靠性。
2）该系统没有电机等驱动机构，而是采用高压气体作为浮力调节的介质，质量较轻。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的可调式浮力测量系统的结构示意图；
图2是去除盖板、拉力传感器的可调式浮力测量系统的结构示意图。
附图标记说明：
100-可调式浮力测量系统；
12-气囊，14-拉力传感器，16-板状件，18-高压气瓶，22-浮力控制器，24-两通电磁阀，26-调压阀，28-抽气泵，31-盖板，32-箱体；
101-连接块，102-进气管，104-减压阀，106-出气管，107-排气管，108-电池。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明提供一种可调式浮力测量系统100，该系统100可安装至水空两用无人机，使无人机在水下一定深度范围内上浮、下潜及悬停。可调式浮力测量系统100具有气囊、耦接至气囊的拉力传感器及浮力控制器，拉力传感器可用于检测气囊的浮力，浮力控制器基于检测到的浮力控制系统100向气囊充气或从气囊排气，从而使无人机上浮、下潜或悬停。在一些实施例中，可调式浮力测量系统100设有一个气囊，无人机上可对称分布设置多个可调式浮力测量系统100，各可调式浮力测量系统100可独立或协同工作。在一些实施例中，可调式浮力测量系统100可设置多个气囊，多个气囊对称分布设置于无人机上，可调式浮力测量系统100可独立或共同调节多个气囊。下面以可调式浮力测量系统100设置一个气囊为例进行说明。
参见图1、图2，可调式浮力测量系统100包括气囊12、拉力传感器14、板状件16、高压气瓶18和浮力控制器22。拉力传感器14通过板状件16测量气囊12的浮力，浮力控制器22通过所测浮力调节气囊12充气或排气。在一些实施例中，拉力传感器14具有第一端和第二端。拉力传感器14的第一端固定（例如固定至无人机或可调式浮力测量系统100的盖板31），拉力传感器14的第二端耦接至板状件16的一个板面侧（例如下板面侧），气囊12耦接至板状件14的另一个板面侧（例如上板面侧），拉力传感器14借由板状件16感测气囊12的浮力。高压气瓶18内储存有高压气体，高压气瓶18与气囊12流体连通。浮力控制器22基于拉力传感器14感测的气囊12的浮力值，控制高压气瓶18向气囊12充气或从气囊12排气，从而调节气囊12的浮力。
具体地，气囊12具有开口，该开口处设有连接块101，连接块101设有与气囊12内部连通的通道。通过连接块101的通道可向气囊12充气或排气。气囊通过粘接等方式固定连接至连接块101。板状件16被构造成一平板，连接块101延伸穿过板状件16的中部，并通过焊接、粘接等方式固定至板状件16。更具体地，连接块101具体为PU管及相匹配的气动快接头。
气囊12可为任何合适的形状，例如球形、橄榄形等。单个气囊提供的浮力范围为0~300N。在应用中，可根据需要在无人机的外部或内部对称布置多个气囊12。在一些实施例中，气囊12设置于无人机的内部，气囊12的大小及形状可根据无人机内部空间尺寸定制。气囊12可以由弹性或非弹性材质制成。其中，弹性材料具体包括高弹性的乳胶或弱弹性的硅胶等。非弹性材质具体包括其他橡胶材料、工程塑料等。对于大型无人机，气囊12可采用定制的高强度较厚的非弹性材料制成。可将气囊12设置于大型无人机的内部，大型无人机的内部空间大，为气囊12膨胀提供足够的空间。对于小型无人机，气囊12可采用定制的高弹性材料制成。气囊12可设置于小型无人机的内部，节约无人机的内部空间。当气囊12未充气时，气囊12位于无人机内；当气囊12充气时，气囊12可伸出无人机。
具体地，拉力传感器14的第二端通过螺栓连接至板状件16远离气囊12的板面侧。优选地，可调式浮力测量系统100设有多个连接至板状件16的拉力传感器14。更优选地，多个拉力传感器14在连接块101的外周均匀布置，例如3个、4个等。设置多个拉力传感器14可减少测量误差，提高测量结果的可靠性。另外，通过多个拉力传感器14耦接至气囊12，提高拉力传感器14与气囊12的连接稳定性。
继续参见图1、图2，可调式浮力测量系统100设有可拆卸连接的箱体32和盖板31，拉力传感器14的第一端通过螺栓连接至盖板31。箱体32和盖板31设有密封结构。例如，两者中的一者设有密封垫或者密封沟槽等。高压气瓶18和浮力控制器22设置于箱体32内。可调式浮力测量系统100位于水中时，该密封结构可阻挡水进入箱体32的内部。
可调式浮力测量系统100设有进气管102和电磁阀。进气管102的一端连接至高压气瓶18，进气管102的另一端延伸穿过盖板31连接至连接块101的通道。进气管102上设有电磁阀，浮力控制器22控制该电磁阀继而控制向气囊12充气。具体地，该电磁阀为二通电磁阀24。浮力控制器22控制二通电磁阀24打开，高压气瓶18内的气体可通过进气管102输送至气囊12，即向气囊12充气。浮力控制器22控制二通电磁阀24关闭，切断高压气瓶18与气囊12的通路。在一些实施例中，高压气瓶18设有减压阀104，进气管102的一端连接至减压阀104。高压气瓶18内的气体经减压阀104进入进气管102。在一些实施例中，进气管102设有调压阀26，调压阀26用于调节进气管102的压力。具体地，调压阀26设置于高压气瓶18与两通电磁阀24之间的进气管102。
可调式浮力测量系统100设有出气管106和抽气泵28，出气管106的一端延伸穿过盖板31连接至连接块101，另一端连接至抽气泵28。浮力控制器22控制抽气泵28运行，气囊12内的气体经出气管106从抽气泵28排出。在一些实施例中，出气管106上设有电磁阀（图中未示出），用于控制出气管106的通断。可选地，抽气泵28设有排气管107，排气管107具有延伸穿过盖板31的悬伸端。从抽气泵28排出的气经排气管107输送至箱体32的外部。
继续参见图2，箱体32内设有电池108，电池108与浮力控制器22电连接，用于为浮力控制器22供电。浮力控制器22分别与两通电磁阀24、抽气泵28等电连接，控制两通电磁阀24、抽气泵28等部件工作。
可调式浮力测量系统100提供的浮力大小与气囊12内所充气体的多少有关，即与气囊12的体积有关。通过调节气囊12内的气体量，从而调节系统100提供的浮力。在一些实施例中，浮力控制器22与无人机信号连通。具体地，浮力控制器22提供对外控制接口，如TTL-232通信接口，用于接收无人机的指令进行动作。例如，无人机向浮力控制器22下达气囊12的目标浮力值，浮力控制器22调节气囊12的体积（即向气囊12充气或从气囊12排气），直至拉力传感器14感测的气囊12的浮力值等于目标浮力值。在一些实施例中，无人机可从浮力控制器22读取拉力传感器14感测的气囊12的浮力值，无人机直接向浮力控制器22下达充气或排气的指令。
在一些实施例中，无人机还设有用于检测水深的水深传感器，无人机可获得水深传感器的水深实时值。当无人机需要上浮或下潜至某个深度时，无人机可根据获得的水深实时值设定气囊12的目标浮力值，从而使浮力控制器22控制并调节气囊12的体积，直至拉力传感器14感测的气囊12的浮力值等于目标浮力值。其中，给定气囊12的目标浮力值可根据需要进行动态调整。例如，当无人机需要上浮至目标水深悬浮时，先可设定一个较大的气囊12的目标浮力值，使无人机先快速上浮；接近目标水深时，可减小气囊12的目标浮力值，使无人机上浮速度减慢。
以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。
Claims (10)
1.一种可调式浮力测量系统，其特征在于，包括：
气囊(12)、拉力传感器(14)、板状件(16)、高压气瓶(18)和浮力控制器(22)；
所述拉力传感器(14)具有第一端和第二端，所述第一端固定，所述第二端耦接至所述板状件(16)的一个板面侧，所述气囊(12)耦接至所述板状件(14)的另一个板面侧，所述拉力传感器(14)被构造成借由所述板状件(16)感测所述气囊(12)的浮力；
所述浮力控制器(22)基于所述拉力传感器(14)感测的所述气囊(12)的浮力值，控制所述高压气瓶(18)向所述气囊(12)充气或从所述气囊(12)排气，从而调节所述气囊(12)的浮力。
2.根据权利要求1所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，所述气囊(12)具有开口，所述开口处设有连接块(101)，所述连接块(101)具有与气囊(12)内部连通的通道，所述气囊(12)通过所述连接块(101)耦接至所述板状件(16)。
3.根据权利要求2所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，所述拉力传感器(14)的第二端与所述板状件(16)通过螺栓连接。
4.根据权利要求3所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，所述拉力传感器设有三个，三个所述拉力传感器均匀地布置在所述连接块(101)的外周。
5.根据权利要求4所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，包括：
进气管(102)和两通电磁阀(24)，所述进气管(102)的一端连接至所述高压气瓶(18)，所述进气管(102)的另一端连接至所述连接块(101)的通道，所述两通电磁阀(24)设置于所述进气管(102)；以及
出气管(106)和抽气泵(28)，所述出气管(106)的一端连接至所述连接块(101)的通道，所述出气管(106)的另一端连接至所述抽气泵(28)；
其中，所述浮力控制器(22)控制所述两通电磁阀(24)继而控制向所述气囊(12)充气，所述浮力控制器(22)控制所述抽气泵(28)从所述气囊(12)排气。
6.根据权利要求5所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，包括可拆卸连接的箱体(32)和盖板(31)，所述拉力传感器(14)的第一端通过螺栓固定连接至所述盖板(31)；
所述高压气瓶(18)、所述浮力控制器22、所述两通电磁阀(24)和所述抽气泵(28)设置于箱体(32)内，所述进气管(102)和所述出气管(106)延伸穿过所述盖板(31)；
其中，所述箱体(32)内还设有电池(108)，所述电池(108)与所述浮力控制器(22)电连接。
7.根据权利要求6所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，所述抽气泵(28)设有排气管(107)，所述排气管(107)延伸穿过所述盖板(31)；
位于所述高压气瓶(18)与所述两通电磁阀(24)之间的进气管(102)设有调压阀(26)；
所述高压气瓶(18)设有减压阀(104)，所述进气管(102)的所述一端连接至所述减压阀(104)。
8.根据权利要求7所述的可调式浮力测量系统，其特征在于，所述气囊(12)提供的浮力可调节范围为0～300N。
9.一种水空两用无人机，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的可调式浮力测量系统，所述浮力控制器(22)与所述无人机信号连通。
10.根据权利要求9所述的水空两用无人机，其特征在于，设有水深传感器，所述无人机根据所述水深传感器检测的水深实时值设定所述气囊(12)的目标浮力值，从而使所述浮力控制器(22)控制并调节所述气囊(12)的体积，直至所述拉力传感器(14)感测的气囊(12)的浮力值等于目标浮力值。
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