CN117401132A - 一种水下机器人的浮力调节方法及浮力调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下机器人的浮力调节方法及浮力调节装置，属于浮力调节领域，包括耐压外壳、固定于耐压外壳外壁对称两侧的气囊以及固定于耐压外壳内部的气动驱动机构，气动驱动机构包括两位四通阀和与两位四通阀的P接口和T接口联通的气泵，两位四通阀的A接口与气囊联通，两位四通阀的B接口经气水分离单元与设置于耐压外壳外壁上的单向进气阀门或者单向排气阀门连通。本发明采用上述水下机器人用浮力调节装置及浮力调节方法，通过气动驱动气囊进行进气或者排气，调节整体浮力的大小，具有结构简单、操作便捷、性能稳定、体型小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及浮力调节技术领域，尤其涉及一种水下机器人的浮力调节方法及浮力调节装置。
背景技术
水下机器人在进行作业时，需要下潜或者上升，此时需要对机器人进行浮力调节。目前主要采用以下浮力调节方式：
CN202210648312.8公开了一种水下航行器浮力调节装置及浮力调节方法，其通过活塞的移动改变排水体积，当活塞向海水舱的一侧移动时，排出去的水体积变大，航行器自身重力减小，浮力相应变大，航行器上浮；当活塞向远离海水舱的一侧移动时，排出去的水体积变小，航行器自身重力增大，航行器下潜。
可知现有的浮力调节装置一般采用油压驱动，故存在体积大、管道结构复杂、易泄漏、零部件多以及装配困难等问题，对于水下机器人微型化有严重的影响，给水下机器人的开发和维护带来了挑战。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种水下机器人的浮力调节方法及浮力调节装置，通过气动驱动气囊进行进气或者排气，调节整体浮力的大小，具有结构简单、操作便捷、性能稳定、体型小等优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种水下机器人的浮力调节方法，包括进气调节和排气调节；
其中，进气调节包括以下步骤：首先打开气泵、两位四通阀的进气通道、单向进气阀门、双向阀门的进气方向，在气泵的作用下，混合水的空气经进气管、单向进气阀门、气水混合出入口进入分离沉淀箱内，在分离沉淀箱内，水在自身重力的作用下沉淀到分离沉淀箱的底端，空气由气体出入口溢出，并经三通块和双向阀门进入气囊内部，对气囊充气；
其中两位四通阀的进气通道由单向连通的A接口、P接口、T接口和B接口组成；
排气调节包括以下步骤：反向打开气泵，并打开两位四通阀的排气通道、单向排气阀门以及双向阀门的排气方向，在气泵的作用下，将空气由气囊内抽出，抽出的空气由三通块、气体出入口进入分离沉淀箱内，并在混合水后由气水混合出入口、单向排气阀门、排气管排出；
其中两位四通阀的进气通道由单向连通的B接口、T接口、P接口和A接口组成。
优选的，在进气调节和排气调节的过程中，利用气压监测单元监测气囊内的气压，并将气压信号传输至控制器，控制器根据气压信号控制浮力调节装置的工作时间；
其具体包括以下步骤：
S1、气压监测单元通过I2C通信方式采集气压信号，并将气压信号转化为电压信号传输至控制器中处理；
S2、求平均值并计算标准差/>；
式中，/>为采样的电压信号的个数；/>为的第/>个电压信号，其中/>；
S3、采用原则过滤：
若，则将当前电压信号剔除，否则保留；
S4、计算过滤后将剩余电压数据的平均值作为电压值；
S5、利用以下公式将电压转化为实际气压值/>；
式中，/>为电压单位倍数；/>为气压监测单元的测量范围；
S6、将实际气压值与设定的阈值比较，若超出设定的阈值则停机。
一种浮力调节装置，包括耐压外壳、固定于耐压外壳外壁对称两侧的气囊以及固定于耐压外壳内部的气动驱动机构，气动驱动机构包括两位四通阀和与两位四通阀的P接口和T接口联通的气泵，两位四通阀的A接口与气囊联通，两位四通阀的B接口经气水分离单元与设置于耐压外壳外壁上的单向进气阀门或者单向排气阀门连通。
优选的，气囊的进气端设置有用于监测气囊内压力的气压监测单元，气压监测单元与控制器的输入端电性连接，控制器的输出端分别与气泵以及设置于气囊和两位四通阀之间的双向阀门电性连接；
气压监测单元为压力传感器。
优选的，气囊为经固定板安装于耐压外壳外壁上的长条形囊体结构，气囊面向耐压外壳的一侧固定有双向阀门，双向阀门经管件与固定于耐压外壳内部的两位四通阀。
优选的，耐压外壳的内壁上固定有安装板，安装板的两端经安装环固定于耐压外壳的内壁上；
安装板的一侧经螺丝固定有气泵和两位四通阀，另一侧固定有气水分离单元，两位四通阀与气水分离单元之间经快插头以及穿过安装板的管件连通。
优选的，气水分离机构包括固定于安装板底端的分离沉淀箱，分离沉淀箱的下上两端分别设置有气水混合出入口和气体出入口，分离沉淀箱经气水混合出入口与单向进气阀门或者单向排气阀门连通，分离沉淀箱还依次经气体出入口和三通块、双向阀门与气囊连通。
优选的，分离沉淀箱的底部端面设置成圆弧形。
优选的，单向进气阀门和单向排气阀门分别设置于进气管和排气管内，进气管和排气管均经管件与分离沉淀箱的气水混合出入口连通，且进气管和排气管均固定于耐压外壳的外壁上。
优选的，耐压外壳为分体式椭圆中空结构，耐压外壳包括中间筒体以及固定于中间筒体两端的前端盖和后端盖，前端盖和中间筒体之间以及后端盖与中间筒体之间径向密封连接。
本发明具有以下有益效果：
通过吸排气改变气囊的体积，从而调节水下机器人的浮力，该系统适应不同水下工作条件，提升机器人的适应性；同时简化了管道结构和零部件数量，避免了泄露和故障的风险，降低了维护成本和维修难度；同时方便缩小机器体积，保证水下作业的隐蔽性，有助于提高水下工作的效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的一种浮力调节装置的进气原理图；
图2为本发明的一种浮力调节装置的排气原理图；
图3为本发明的一种浮力调节装置的耐压外壳的外形图；
图4为本发明的一种浮力调节装置的耐压外壳内部结构立体图；
图5为本发明的一种浮力调节装置的耐压外壳内部结构另一立体图；
图6为本发明的一种浮力调节装置的气囊结构示意图。
其中：1、耐压外壳；2、进气管；3、分离沉淀箱；4、安装板；5、安装环；6、气泵；7、两位四通阀；8、气压监测单元；9、三通块；10、排气管；11、气囊；12、双向阀门。
具体实施方式
为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
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“上”、“下”、“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，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。
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”、“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-图6所示，一种浮力调节装置，包括耐压外壳1、固定于耐压外壳1外壁对称两侧的气囊11以及固定于耐压外壳1内部的气动驱动机构，气动驱动机构包括两位四通阀7和与两位四通阀7的P接口和T接口联通的气泵6，两位四通阀7的A接口与气囊11联通，两位四通阀7的B接口经气水分离单元与设置于耐压外壳1外壁上的单向进气阀门或者单向排气阀门连通。
气囊11的进气端设置有用于监测气囊11内压力的气压监测单元8，气压监测单元8与控制器的输入端电性连接，控制器的输出端分别与气泵6以及设置于气囊11和两位四通阀7之间的双向阀门12电性连接；气压监测单元8为压力传感器。
气囊11为经固定板安装于耐压外壳1外壁上的长条形囊体结构，气囊11面向耐压外壳1的一侧固定有双向阀门12，双向阀门12经管件与固定于耐压外壳1内部的两位四通阀7。
耐压外壳1的内壁上固定有安装板4，安装板4的两端经安装环5固定于耐压外壳1的内壁上；安装板4的一侧经螺丝固定有气泵6和两位四通阀7，另一侧固定有气水分离单元，两位四通阀7与气水分离单元之间经快插头以及穿过安装板4的管件连通。本实施例中的安装板4为带孔板，便于安装器件以及穿接管件。
气水分离机构包括固定于安装板4底端的分离沉淀箱3，分离沉淀箱3的下上两端分别设置有气水混合出入口和气体出入口，即气水混合出入口位于分离沉淀箱3的底端，气体出入口位于分离沉淀箱3的顶端，且分离沉淀箱3的顶端经隔板与安装板4隔离，避免了水对安装板4上的器件腐蚀，分离沉淀箱3经气水混合出入口与单向进气阀门或者单向排气阀门连通，分离沉淀箱3还依次经气体出入口和三通块9、双向阀门12与气囊11连通。
分离沉淀箱3的底部端面设置成圆弧形，当水进入分离沉淀箱3内时，在重力的作用下，可保持圆弧形始终位于最低端，保持整个设备的朝向稳定。
单向进气阀门和单向排气阀门分别设置于进气管2和排气管10内，进气管2和排气管10均经管件与分离沉淀箱3的气水混合出入口连通，且进气管2和排气管10均固定于耐压外壳1的外壁上。
耐压外壳1为分体式椭圆中空结构，耐压外壳1包括中间筒体以及固定于中间筒体两端的前端盖和后端盖，前端盖和中间筒体之间以及后端盖与中间筒体之间径向密封连接，分体式结构便于拆装维修。
一种水下机器人的浮力调节方法，包括进气调节和排气调节；
其中，进气调节包括以下步骤：首先打开气泵6、两位四通阀7的进气通道、单向进气阀门、双向阀门12的进气方向，在气泵6的作用下，混合水的空气经进气管2、单向进气阀门、气水混合出入口进入分离沉淀箱3内，在分离沉淀箱3内，水在自身重力的作用下沉淀到分离沉淀箱3的底端，空气由气体出入口溢出，并经三通块9和双向阀门12进入气囊11内部，对气囊11充气；
其中两位四通阀7的进气通道由单向连通的A接口、P接口、T接口和B接口组成；
排气调节包括以下步骤：反向打开气泵6，并打开两位四通阀7的排气通道、单向排气阀门以及双向阀门12的排气方向，在气泵6的作用下，将空气由气囊11内抽出，抽出的空气由三通块9、气体出入口进入分离沉淀箱3内，并在混合水后由气水混合出入口、单向排气阀门、排气管10排出；
其中两位四通阀7的进气通道由单向连通的B接口、T接口、P接口和A接口组成。
在进气调节和排气调节的过程中，利用气压监测单元8监测气囊11内的气压，并将气压信号传输至控制器，控制器根据气压信号控制浮力调节装置的工作时间；
其具体包括以下步骤：
S1、气压监测单元8通过I2C通信方式采集气压信号，并将气压信号转化为电压信号传输至控制器中处理；
S2、求平均值并计算标准差/>；
式中，/>为采样的电压信号的个数；/>为的第/>个电压信号，其中/>；
S3、采用原则过滤：
若，则将当前电压信号剔除，否则保留；
S4、计算过滤后将剩余电压数据的平均值作为电压值；
S5、利用以下公式将电压转化为实际气压值/>；
式中，/>为电压单位倍数；/>为气压监测单元的测量范围；
S6、将实际气压值与设定的阈值比较，若超出设定的阈值则停机。
因此，本发明采用上述水下机器人的浮力调节方法及浮力调节装置，通过气动驱动气囊进行进气或者排气，调节整体浮力的大小，具有结构简单、操作便捷、性能稳定、体型小等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种水下机器人的浮力调节方法，其特征在于：包括进气调节和排气调节；
其中，进气调节包括以下步骤：首先打开气泵、两位四通阀的进气通道、单向进气阀门、双向阀门的进气方向，在气泵的作用下，混合水的空气经进气管、单向进气阀门、气水混合出入口进入分离沉淀箱内，在分离沉淀箱内，水在自身重力的作用下沉淀到分离沉淀箱的底端，空气由气体出入口溢出，并经三通块和双向阀门进入气囊内部，对气囊充气；
其中两位四通阀的进气通道由单向连通的A接口、P接口、T接口和B接口组成；
排气调节包括以下步骤：反向打开气泵，并打开两位四通阀的排气通道、单向排气阀门以及双向阀门的排气方向，在气泵的作用下，将空气由气囊内抽出，抽出的空气由三通块、气体出入口进入分离沉淀箱内，并在混合水后由气水混合出入口、单向排气阀门、排气管排出；
其中两位四通阀的进气通道由单向连通的B接口、T接口、P接口和A接口组成。
2.根据权利要求1所述的一种水下机器人的浮力调节方法，其特征在于：在进气调节和排气调节的过程中，利用气压监测单元监测气囊内的气压，并将气压信号传输至控制器，控制器根据气压信号控制浮力调节装置的工作时间；
其具体包括以下步骤：
S1、气压监测单元通过I2C通信方式采集气压信号，并将气压信号转化为电压信号传输至控制器中处理；
S2、求平均值并计算标准差/>；
式中，/>为采样的电压信号的个数；/>为的第/>个电压信号，其中；
S3、采用原则过滤：
若，则将当前电压信号剔除，否则保留；
S4、计算过滤后将剩余电压数据的平均值作为电压值；
S5、利用以下公式将电压转化为实际气压值/>；
式中，/>为电压单位倍数；/>为气压监测单元的测量范围；
S6、将实际气压值与设定的阈值比较，若超出设定的阈值则停机。
3.基于上述权利要求1或2所述的一种水下机器人的浮力调节方法的浮力调节装置，其特征在于：包括耐压外壳、固定于耐压外壳外壁对称两侧的气囊以及固定于耐压外壳内部的气动驱动机构，气动驱动机构包括两位四通阀和与两位四通阀的P接口和T接口联通的气泵，两位四通阀的A接口与气囊联通，两位四通阀的B接口经气水分离单元与设置于耐压外壳外壁上的单向进气阀门或者单向排气阀门连通。
4.根据权利要求3所述的浮力调节装置，其特征在于：气囊的进气端设置有用于监测气囊内压力的气压监测单元，气压监测单元与控制器的输入端电性连接，控制器的输出端分别与气泵以及设置于气囊和两位四通阀之间的双向阀门电性连接；
气压监测单元为压力传感器。
5.根据权利要求4所述的浮力调节装置，其特征在于：气囊为经固定板安装于耐压外壳外壁上的长条形囊体结构，气囊面向耐压外壳的一侧固定有双向阀门，双向阀门经管件与固定于耐压外壳内部的两位四通阀。
6.根据权利要求4所述的浮力调节装置，其特征在于：耐压外壳的内壁上固定有安装板，安装板的两端经安装环固定于耐压外壳的内壁上；
安装板的一侧经螺丝固定有气泵和两位四通阀，另一侧固定有气水分离单元，两位四通阀与气水分离单元之间经快插头以及穿过安装板的管件连通。
7.根据权利要求6所述的浮力调节装置，其特征在于：气水分离机构包括固定于安装板底端的分离沉淀箱，分离沉淀箱的下上两端分别设置有气水混合出入口和气体出入口，分离沉淀箱经气水混合出入口与单向进气阀门或者单向排气阀门连通，分离沉淀箱还依次经气体出入口和三通块、双向阀门与气囊连通。
8.根据权利要求7所述的浮力调节装置，其特征在于：分离沉淀箱的底部端面设置成圆弧形。
9.根据权利要求7所述的浮力调节装置，其特征在于：单向进气阀门和单向排气阀门分别设置于进气管和排气管内，进气管和排气管均经管件与分离沉淀箱的气水混合出入口连通，且进气管和排气管均固定于耐压外壳的外壁上。
10.根据权利要求3所述的浮力调节装置，其特征在于：耐压外壳为分体式椭圆中空结构，耐压外壳包括中间筒体以及固定于中间筒体两端的前端盖和后端盖，前端盖和中间筒体之间以及后端盖与中间筒体之间径向密封连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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