WO2015140612A1 - Dispositivo para o controlo automático de flutuabilidade, do rolamento, da arfagem, da profundidade e da altitude em veículos submersíveis - Google Patents

Dispositivo para o controlo automático de flutuabilidade, do rolamento, da arfagem, da profundidade e da altitude em veículos submersíveis Download PDF

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WO2015140612A1
WO2015140612A1 PCT/IB2014/067447 IB2014067447W WO2015140612A1 WO 2015140612 A1 WO2015140612 A1 WO 2015140612A1 IB 2014067447 W IB2014067447 W IB 2014067447W WO 2015140612 A1 WO2015140612 A1 WO 2015140612A1
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depth
ballast tanks
liquid ballast
altitude
valves
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Application number
PCT/IB2014/067447
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Fernando Jorge RAMA SEABRA SANTOS
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Friday, Ciência E Engenharia Do Lazer, Sa
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    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/26—Trimming equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B63G2008/002—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned

Definitions

  • submersible vehicles After immersion maneuvers have been completed, submersible vehicles are subject to a number of factors which may affect their stabilization in net mass, making their navigation or operability difficult and compromising the comfort or even safety of their occupants. .
  • the change in density of the aquatic environment as a result of changes in temperature and / or pressure and / or water salinity, the weight loss of the vehicle due to product launches or the loss of consumables and the change in volume in Following changes in external pressure caused by varying depth are the most common causes of changing equilibrium conditions.
  • varying the internal distribution of weights during a mission either by moving moving weights (eg crew) or by differently or not properly compensated consumption of materials (eg diesel or compressed air), may cause changes to the angles of panting and rolling which are equally inconvenient for the navigation of the vehicle.
  • GB191422337A describes a trim compensation system by means of tanks located towards the stern and bow of a submarine, the compensation of the harness being ensured by pumping water into said tanks.
  • automatic correction of roll and pitch angles is not foreseen and cannot be achieved with this document, which greatly reduces the interest of its application in the case of small submarines, remotely operated submarine vehicles and autonomous submarine vehicles.
  • US2012 / 0128425 A1 describes a buoyancy compensation device that allows a diver or submersible object to reach or maintain a predetermined depth, regardless of the orientation or direction of said diver or submersible object.
  • automatic rolling angle correction and pitching are not foreseen and cannot be achieved with this document, which greatly reduces the interest of its application in the case of small submarines, remotely operated submarine vehicles and autonomous submarine vehicles.
  • the present solution enables the neutral buoyancy of submersible vehicles to be reset automatically, as well as to automatically correct the rolling and pitching of a submersible vehicle and to automatically reach and / or maintain a certain depth or altitude.
  • pitching shall be understood as the rotation about the transverse horizontal axis of the submersible vehicle; and rolling as the rotation about the longitudinal horizontal axis of the same vehicle.
  • the solution now described is intended to automatically reset neutral buoyancy as well as to automatically correct the rolling and pitching of a submersible vehicle and thus automatically reach and / or maintain a certain depth or altitude.
  • flexible floats may be fully or partially filled or emptied automatically and independently, increasing or decreasing the thrust of the assembly, or transferring thrust from any of them to any other.
  • liquid ballast tanks are chosen, they can be automatically or independently weighted or ballasted, increasing or decreasing the weight of the assembly or transferring weight from either of them to any other.
  • the control unit evaluates and processes the relevant information provided by the sensors, calculating the corrections to be made and acting on the solenoid valves to establish the proper air circuits for the required time interval.
  • buoyancy compensation and pitch correction are carried out using two ballast tanks.
  • One of the ballast tanks is located at the bow of the submersible vehicle, while the second ballast tank is located at the stern of the submersible vehicle.
  • buoyancy compensation and bearing correction are performed using two tanks, one of which is now one of the ballast tanks located on the port side of the submersible vehicle and the second ballast tank located on the starboard side of the submersible vehicle. .
  • ballast tank is sufficient for this purpose, bringing the device back to known achievements.
  • a device for the automatic control of buoyancy, rolling, pitching, depth and / or altitude in submersible vehicles comprising:
  • an electronic control unit for opening and closing independent of the inlet and outlet valves of the liquid ballast tanks; - a reservoir for the storage of compressed air connected to the air inlet valves of the liquid ballast tanks;
  • liquid ballast tanks comprise free communication with the outside of the tank through one or more holes disposed at the bottom of the tank;
  • said flexible floats or liquid ballast tanks are to be in different sections of the submersible vehicle arranged along two directions of the horizontal plane of the submersible vehicle.
  • the flexible floats or liquid ballast tanks are 4.
  • the two directions of the horizontal plane are orthogonal directions.
  • the submersible vehicle sections where said liquid ballast tanks are the sections of:
  • bow and starboard bow and port; stern and starboard; and stern and port; or central bow, central stern, central starboard and central port;
  • the electronic control unit is configured to open and close the air inlet and outlet valves for ascent, descent, depth maintenance, altitude maintenance, predefined depth obtaining, of a preset altitude.
  • the electronic control unit is configured to open and close the air inlet and outlet valves to correct pitch and roll angles.
  • valves are solenoid type valves electrically controlled by the electronic control unit.
  • inlet valve and outlet valve of a flexible float or liquid ballast tank are in the same valve body.
  • One embodiment further comprises manually actuated valve circuits in parallel with each of the electrically controlled circuits.
  • submersible vehicle comprising any of the above devices for automatic control of buoyancy, rolling and pitching in submersible vehicles.
  • the submersible vehicle is a crewed submarine or a remotely operated submarine vehicle or an autonomous submarine vehicle.
  • a method of operating any of the above devices for automatic buoyancy, rolling and pitching in submersible vehicles comprising by the automatic control unit: the calculation of the corrections to be made and their actions on them is further described. the valves to obtain the desired buoyancy in each of the liquid ballast tanks;
  • One embodiment comprises three procedural modes: continuous automatic mode; single maneuver automatic mode, manual assisted mode,
  • continuous automatic mode comprises starting and permanently activating one or more (preselected) procedures, and in which the procedures are resume automatically at a pre-set frequency or whenever they deviate too far from the pre-selected correction or setting; wherein the single-maneuver automatic mode comprises simultaneously performing one or more preselected correction or definition procedures simultaneously;
  • assisted manual mode comprises automatically performing an isolated correction or preset setting procedure according to pilot preselected values from a system proposal.
  • the single-maneuver automatic mode may be repeated at the operator's initiative.
  • a non-transient computer readable means for storing code executable by a computer processor for operating a device according to any of the above methods is further described.
  • a set of sensors permanently feeds a central controller with measurements of the various navigation parameters. At each moment, with a sampling period that depends on each measuring device but which will typically be in the order of tenths or hundredths of a second, the following parameters are measured and stored:
  • the system presets a calculation interval (At) that the pilot can confirm or modify according to his experience or sensitivity. From the measurements made of the instantaneous values of each of the quantities within the sampling interval (between t- ⁇ and t), the on-board computer calculates, on the basis of In this interval, it projects on the screen and permanently updates the average values of the following quantities (Figure 1):
  • the on-board computer also calculates at each instant the average values of the following variables:
  • the correction in volume of water by each tank is achieved by injecting or exhausting the compressed air.
  • the system interface with the user is through a panel, as shown in Figure 1.
  • the operation begins with the selection by the operator of the type of maneuver to be performed. There are five maneuver options to select from:
  • the system after selecting the desired type of maneuver, the system has three modes of operation, namely ( Figure 1):
  • One embodiment allows the choice of continued auto mode.
  • Continued automatic mode (Auto) and (Run) allows you to start and permanently activate the correction procedure for the selected effect (s) (buoyancy compensation, pitch correction, bearing correction, depth or altitude setting).
  • This procedure is automatically resumed at a predefined frequency (eg every 2 minutes), or whenever the variable in question deviates too much from the predefined value.
  • choosing the single-maneuver (Single-Maneuver) and (Execute) mode allows simultaneous correction of the effect (s) selected once and according to the values displayed at the time of activation (Execute). It may be repeated at the pilot's initiative whenever he wishes.
  • the choice of assisted manual mode applies only to the first three maneuvering options (buoyancy compensation, pitch correction, rolling correction) and allows the rider to manually set the following points:
  • the (Execute) key activates the selected procedure that is performed only once.
  • the (Execute) key initiates the procedures necessary for the liquid ballast transfer (s) under the conditions defined by the selected mode.
  • the control unit calculates the expected flow rate for each solenoid valve as a function of pressure differential and other parameters, and will then activate the appropriate valve opening for the required time.
  • All valves in the system are, in one embodiment, two position (2V / 2P) and N / C type (normally closed. Submersible vehicle response is permanently monitored via sensors, the information of which can determine the interruption of the operation as soon as the objectives are met.
  • the system can also be deactivated by referring to an entirely manual type of piloting from mechanical valves.
  • each type 2V / 2P valve may be replaced by another equivalent valve, for example each set of two 2V / 2P valves may be replaced by a 3V / 3P valve.
  • Figure 1 Schematic representation of the control panel of an embodiment of the automatic trim and roll correction device.
  • FIG. 2 Operation diagram of a 4-tank device embodiment where each tank is connected to two air manifolds, one being high pressure (pressure higher than external ambient pressure) and one low pressure (lower pressure external ambient pressure) through solenoid valves.
  • FIG. 3 Schematic representation of the control panel of an embodiment of the automatic pitch and roll compensation and correction device.
  • FIG. 4 Operation diagram of an embodiment of the ballast transfer module between trim tanks.
  • Figure 1 represents a possible arrangement of the system control screen now revealed. At the top of the screen, in a first line, are the various types of maneuver that can be performed: (i) buoyancy compensation;
  • the system displays the current values of the relevant navigation parameters: depth, altitude, vertical speed, liquid density and pitch and roll angles.
  • each tank On the left are the four tanks, each displaying the current ballast volume and the volume proposed by the system for transfer. On the right, a similar scheme reveals in each tank the final ballast volume (supposed to be completed).
  • the left side button indicates the amount of water needed to ballast the submarine, if the vertical speed is positive or when you want to increase the diving depth or decrease the altitude.
  • the lower right side button indicates the amount of water required to dismantle the submarine in case the vertical speed is negative or when we want to decrease the diving depth or increase the altitude.
  • two dials each with two triangular buttons allow to manually set the required volumes for each transfer or the depth or altitude level to be navigated in the case of a maneuver option. assisted manual.
  • FIG. 2 the general scheme of the device is briefly presented, in a configuration in which there are four tanks (T1 to T4).
  • the figure shows: A - Compressed Air Reserve; B - Air Exhaust; C - Pressure reducing valve; D - Non-return valve; E - Digital pressure gauge (pressure transmitter); F - Acquisition, data processing and control unit; G - CTD - conductivity, temperature and depth; H - DVL - Doppler velocity logger; I - Manual mechanical valve; J - 2P / 2V Solenoid Valve.
  • Each tank is connected to two air collectors, one of which is high pressure (pressure higher than external ambient pressure) and one of low pressure (pressure lower than external ambient pressure) via two solenoid valves (J).
  • These valves, as well as the measuring instruments, are connected to a controller, or electronic control unit, which controls their status (open or closed) and the actuation time.
  • Figure 3 represents a (schematic) control panel of one embodiment of the automatic trim and roll correction device.
  • FIG 4 is an operation diagram of an embodiment of the ballast transfer module between compensating tanks by pumping water. The embodiments described above are combinable with each other.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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Abstract

Dispositivo para o controlo automático de flutuabilidade, do rolamento, da arfagem, da profundidade e da altitude em veículos submersíveis O presente dispositivo enquadra-se nas soluções de controlo de movimento e equilíbrio de veículos submersíveis, designadamente nas vertentes de rolamento, arfagem, profundidade e altitude. Uma realização compreende 3 ou mais flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido, cada um com uma válvula de entrada de ar e uma válvula de saída de ar, com abertura e fecho comandados eletricamente; uma unidade eletrónica de controlo para abertura e fecho independente das válvulas de entrada e de saída de ar dos tanques de lastro líquido; um reservatório para o armazenamento de ar comprimido conectado às válvulas de entrada de ar dos tanques de lastro líquido; em que os referidos tanques de lastro líquido compreendem uma comunicação livre com o exterior do tanque através de um ou mais orifícios dispostos na parte inferior do tanque. A solução reduz consideravelmente as dimensões e o peso do equipamento e melhora a manobrabilidade do veículo.

Description

DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF BUOYANCY, HEEL, TRIM, DEPTH AND ALTITUDE IN SUBMERSIBLE VEHICLE S
Domínio técnico
[0001] A presente descrição enquadra-se no campo técnico das soluções de controlo de movimento e equilíbrio de veículos submersíveis, designadamente nas vertentes de rolamento, arfagem, profundidade e altitude dos mesmos, consubstanciando uma solução automatizada de operação daquele tipo de veículos.
Estado da técnica
[0002] Depois de terminadas as manobras de imersão, os veículos submersíveis ficam sujeitos a vários fatores que podem afetar a sua estabilização na massa líquida, dificultando a sua navegação ou a sua operacionalidade e pondo em causa o conforto ou mesmo a segurança dos seus ocupantes.
[0003] A variação da densidade do meio aquático, na sequência de modificações da temperatura e/ou pressão e/ou da salinidade da água, a perda de peso do veículo pelo lançamento de produtos ou perda de consumíveis e a variação do seu volume em sequência da modificação da pressão externa provocada pela variação da profundidade são as causas mais comuns da alteração das condições de equilíbrio. Adicionalmente, a variação da distribuição interna de pesos durante uma missão, quer pela movimentação dos pesos móveis (por exemplo a tripulação) quer pelo consumo diferenciado ou não convenientemente compensado de materiais (por exemplo gasóleo ou ar comprimido), pode provocar alterações aos ângulos de arfagem e de rolamento que são igualmente inconvenientes para a navegação do veículo.
[0004] As soluções técnicas visando a correção destes desequilíbrios consistem, normalmente, em encher ou esvaziar de ar flutuadores ou tanques de lastro líquido, à medida que é necessário aumentar ou diminuir a flutuabilidade, respetivamente. Da mesma forma, a operação diferenciada dos tanques de proa e de popa permite corrigir o ângulo de arfagem, enquanto a operação diferenciada dos tanques de bombordo e estibordo permite agir sobre o ângulo de rolamento.
[0005] Estas manobras, realizadas manualmente, são muito exigentes e necessitam de tempo e atenção na medida em que os fatores que determinam estas manobras, embora sempre presentes, são variáveis e muitas vezes imprevisíveis.
[0006] Ora, num pequeno veículo submersível com capacidade para poucas pessoas, tal significa que uma delas tem que reservar uma parte significativa do seu tempo para manter o equilíbrio do veículo, retirando-lhe disponibilidade para outras tarefas ou simplesmente para desfrutar do mergulho.
[0007] A análise do estado da técnica nesta matéria revela a existência de alguns documentos com propósitos semelhantes ao agora apresentado. Alguns deles têm como objetivo a compensação automática mas não o controlo dos ângulos de arfagem e rolamento.
[0008] Por exemplo, o documento GB191422337A descreve um sistema de compensação de arfagem (trim), através de tanques localizados na direção da popa e proa de um submarino, sendo a compensação da arfagem assegurada pela bombagem de água para os referidos tanques. Todavia, a correção automática dos ângulos de rolamento e arfagem não são previstos nem poderão ser alcançados com este documento, o que reduz fortemente o interesse da sua aplicação no caso dos pequenos submarinos, dos veículos submarinos operados remotamente e dos veículos autónomos submarinos.
[0009] O documento US2012/0128425 Al descreve um dispositivo para a compensação de flutuabilidade que permite a um mergulhador ou a um objeto submersível alcançar ou manter uma profundidade pré-determinada, independentemente da orientação ou direção do dito mergulhador ou do objeto submersível. Todavia, também aqui, a correção automática dos ângulos de rolamento e arfagem não são previstos nem poderão ser alcançados com este documento, o que reduz fortemente o interesse da sua aplicação no caso dos pequenos submarinos, dos veículos submarinos operados remotamente e dos veículos autónomos submarinos.
Descrição geral
[0010] A presente solução permite repor automaticamente a flutuabilidade neutra de veículos submersíveis, bem como corrigir automaticamente o rolamento e a arfagem de um veículo submersível e bem assim, atingir e/ou manter automaticamente uma determinada profundidade ou altitude.
[0011] No contexto da presente solução, deve-se entender arfagem como a rotação em torno do eixo horizontal transversal do veículo submersível; e rolamento como a rotação em torno do eixo horizontal longitudinal do mesmo veículo.
[0012] O estado da arte que se conhece à data não permite conjugar a manutenção automática da flutuabilidade neutra com a correção automática dos ângulos de rolamento e de arfagem, ou caso permita esta conjugação, a alternativa é excessivamente pesada, energeticamente dispendiosa e portanto desadequada para a sua aplicação em veículos submersíveis.
[0013] Os sistemas existentes são baseados na bombagem de água entre tanques que podem estar submetidos a um diferencial de pressão importante entre o exterior e o interior (hard ballast) e por isso têm que ser tanques pressurizados (pressure vessels). Por outro lado, para um mesmo caudal escoado, as electroválvulas utilizadas nos escoamentos de água têm de assumir dimensões e peso notoriamente superiores às utilizadas para os escoamentos de ar. Ou, em alternativa, assumindo-se dimensões e peso do equipamento equivalentes, o tempo de operação seria até cerca de trinta vezes mais longo ao que se consegue com a solução ora proposta. [0014] A solução agora apresentada baseia-se no controlo de escoamentos de ar comprimido. Como o ar tem uma densidade muito inferior à da água para as mesmas condições de temperatura e de pressão; e podendo-se impor um diferencial de pressão muito superior, o escoamento de ar faz-se muito mais rapidamente e com menores perdas de energia do que o da água.
[0015] As vantagens encerradas na presente solução são, assim, evidentes. Ela permite prescindir da existência de uma bomba de água e de electroválvulas para escoamento de água, conseguindo-se assim reduzir consideravelmente as dimensões e o peso do equipamento a utilizar. Permite igualmente a utilização de flutuadores flexíveis ou tanques não pressurizados (a funcionar com um diferencial de pressão muito pequeno entre o interior e o exterior) e por isso menos exigentes do ponto de vista estrutural. À evidente vantagem da redução das dimensões e do peso destes equipamentos, acresce ainda a possibilidade de limitar significativamente a utilização de equipamento mecânico em contacto direto com a água do mar.
[0016] A presente solução tem aplicação na indústria de construção de veículos submersíveis, como por exemplo, veículos submarinos, veículos submarinos operados remotamente, veículos autónomos submarinos.
[0017] A solução que agora se descreve tem por finalidade repor automaticamente a flutuabilidade neutra, bem como corrigir automaticamente o rolamento e a arfagem de um veículo submersível e assim, atingir e/ou manter automaticamente uma determinada profundidade ou altitude.
[0018] Os elementos componentes numa realização preferencial do presente dispositivo são os seguintes:
• Flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido não pressurizados, que comunicam livremente com o exterior através de um orifício junto à sua base, judiciosamente distribuídos pelo veículo submersível, contendo cada um deles duas válvulas de tipo solenóide, sendo uma para entrada e outra para saída de ar, a serem operadas pela unidade de controlo automático; • Unidade de controlo automático para abertura e fecho independente das várias válvulas, compreendendo a aquisição e o processamento de dados através de vários sensores (giroscópio, profundímetro e CTD-condutividade, temperatura e pressão);
• Dispositivo de produção ou armazenamento de ar comprimido (reservatório) para alimentação do sistema;
• Um painel de bordo, capaz de evidenciar em tempo real as operações de correção que o sistema efetua e de possibilitar ao operador introduzir alterações manuais, se assim entender.
[0019] Caso se opte por flutuadores flexíveis, podem estes ser total ou parcialmente cheios ou esvaziados automaticamente e de forma independente, aumentando ou diminuindo a impulsão do conjunto, ou ainda transferindo impulsão de qualquer um deles para qualquer outro.
[0020] Caso se opte por tanques de lastro líquido, podem estes ser lastrados ou deslastrados automaticamente e de forma independente, aumentando ou diminuindo o peso do conjunto, ou ainda transferindo peso de qualquer um deles para qualquer outro.
[0021] A opção por flutuadores flexíveis ou por tanques de lastro líquido é, na maior parte das presentes realizações, equivalente. Por isso, por uma questão de simplificação e quando não seja necessário distingui-los, na sequência do texto apenas nos referiremos aos tanques.
[0022] A unidade de controlo avalia e processa a informação relevante fornecida pelos sensores, calculando as correções a efetuar e atuando sobre as válvulas solenóides para estabelecer os circuitos de ar adequados, durante o intervalo de tempo necessário.
[0023] Numa realização para repor automaticamente a flutuabilidade neutra, bem como corrigir automaticamente o rolamento e a arfagem de um veículo submersível e bem assim, atingir e/ou manter automaticamente uma determinada profundidade ou altitude, será necessário prever, pelo menos, quatro tanques de lastro líquido: por exemplo, dois na proa e dois na popa, dois a estibordo e dois a bombordo.
[0024] Numa outra realização, a compensação da flutuabilidade e a correção da arfagem são efetuadas com o recurso a dois tanques de lastro. Um dos tanques de lastro tem por localização a proa do veículo submersível, enquanto o segundo tanque de lastro é localizado na popa do veículo submersível.
[0025] Numa outra realização, a compensação da flutuabilidade e a correção do rolamento são efetuadas com o recurso a dois tanques, sendo agora um dos tanques de lastro localizado a bombordo do veículo submersível e o segundo tanque de lastro localizado a estibordo do veículo submersível.
[0026] Ainda numa outra realização, se apenas for pretendida a compensação da flutuabilidade e a definição ou a manutenção da profundidade ou da altitude, um tanque de lastro é suficiente para o efeito, reconduzindo-se o dispositivo a realizações já conhecidas.
[0027] É claro que apenas 3 tanques dispostos ao longo de dois eixos permitem controlar tanto a arfagem como o rolamento do veículo submersível. É também claro que 4 tanques permitem um controlo mais facilitado da arfagem e do rolamento.
[0028] Descreve-se um dispositivo para o controlo automático de flutuabilidade, rolamento, arfagem, profundidade e/ou altitude em veículos submersíveis, que compreende:
- 3 ou mais flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido cada um com uma válvula de entrada e uma válvula de saída de ar, com abertura e fecho comandados eletricamente;
- uma unidade eletrónica de controlo para abertura e fecho independente das válvulas de entrada e de saída de ar dos tanques de lastro líquido; - um reservatório para o armazenamento de ar comprimido conectado às válvulas de entrada de ar dos tanques de lastro líquido;
em que os referidos tanques de lastro líquido compreendem uma comunicação livre com o exterior do tanque através de um ou mais orifícios dispostos na parte inferior do tanque;
e em que os referidos flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido são para estarem em secções diferentes do veículo submersível dispostas ao longo de duas direções do plano horizontal do veículo submersível.
[0029] Numa realização, os flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido são 4.
[0030] Numa realização, as duas direções do plano horizontal são direções ortogonais.
[0031] Numa realização, as secções do veículo submersível onde estão os referidos tanques de lastro líquido são as secções de:
proa e estibordo; proa e bombordo; popa e estibordo; e popa e bombordo; ou proa central, popa central, estibordo central e bombordo central;
ou qualquer das disposições intermédias entre as duas disposições anteriores.
[0032] Numa realização, a unidade eletrónica de controlo está configurada para proceder à abertura e fecho das válvulas de entrada e de saída de ar para ascensão, descida, manutenção da profundidade, manutenção da altitude, obtenção de uma profundidade pré-definida, obtenção de uma altitude pré-definida.
[0033] Numa realização, a unidade eletrónica de controlo está configurada para proceder à abertura e fecho das válvulas de entrada e de saída de ar para correção dos ângulos de arfagem e rolamento.
[0034] Numa realização, as válvulas são válvulas de tipo solenóide controladas eletricamente pela unidade eletrónica de controlo. [0035] Numa realização, a válvula de entrada e a válvula de saída de um flutuador flexível ou tanque de lastro líquido estão no mesmo corpo de válvula.
[0036] Uma realização compreende adicionalmente circuitos com válvulas de acionamento manual em paralelo com cada um dos circuitos controlados eletricamente.
[0037] Descreve-se ainda um veículo submersível que compreende qualquer um dos dispositivos anteriores para o controlo automático de flutuabilidade, rolamento e arfagem em veículos submersíveis.
[0038] Numa realização, o veículo submersível é um submarino com tripulação ou um veículo submarino operado remotamente ou um veículo autónomo submarino.
[0039] Descreve-se ainda um método de operar qualquer um dos dispositivos anteriores para o controlo automático de flutuabilidade, rolamento e arfagem em veículos submersíveis, que compreende efetuar pela unidade de controlo automático: o cálculo das correções a efetuar e as respetivas ações sobre as válvulas para obter as flutuabilidades desejadas em cada um dos tanques de lastro líquido;
a aquisição e o processamento dos dados recolhidos através de sensores que compreendem giroscópio, profundímetro e CTD;
a visualização em tempo real das correções que o dispositivo propõe e/ou efetua.
[0040] Uma realização compreende três modos de procedimento: modo automático continuado; modo automático com manobra única, modo manual assistido,
relativos a um procedimento de correção ou definição pré-selecionado que compreende correção da flutuabilidade, correção da arfagem, correção do rolamento, definição da profundidade, definição da altitude, ou suas combinações; em que:
o modo automático continuado compreende iniciar e ativar em permanência um ou mais procedimentos (pré-selecionados), e em que os procedimentos são retomados automaticamente com uma periodicidade previamente definida ou sempre que se afastem demasiado da correção ou definição pré-selecionada; em que o modo automático com manobra única compreende efetuar simultaneamente e uma só vez um ou mais procedimentos de correção ou definição pré-selecionados;
em que o modo manual assistido compreende efetuar automaticamente um procedimento isolado de correção ou definição pré-selecionado, de acordo com valores pré-selecionados pelo piloto, a partir de uma proposta do sistema.
[0041] Numa realização, o modo automático com manobra única pode ser repetido por iniciativa do operador.
[0042] Descreve-se ainda uma unidade de controlo automático configurada para a operação de um dispositivo de acordo com qualquer um dos métodos anteriores.
[0043] Descreve-se ainda um programa de computador para a operação de um dispositivo de acordo com qualquer um dos métodos anteriores.
[0044] Descreve-se ainda um meio não-transiente suscetível de leitura por computador para armazenamento de código executável por um processador de computador para a operação de um dispositivo de acordo com qualquer um dos métodos anteriores.
[0045] Numa realização da solução e por uma questão de segurança e de evitar a redundância de sistemas, a possibilidade de efetuar a operação automática pode ser desativada, iniciando-se assim o procedimento de operação em modo manual e efetuando os procedimentos da forma que é hoje a habitual, ou seja, abrindo ou fechando manualmente válvulas mecânicas e mantendo-as acionadas por estimativa, a sentimento, das quantidades de lastro a movimentar, ou até que a observação visual dos instrumentos de medida indique que o objetivo da manobra foi atingido. [0046] São entradas permanentes do sistema, isto é, característicos de cada veículo submersível, os seguintes dados:
- Deslocamento submerso: D
Distância metacêntrica :
Área em planta:
Coeficiente de forma :
Braço de correção de Arfagem :
Braço de correção de Rolamento
[0047] Um conjunto de sensores alimenta em permanência um controlador central com medidas dos vários parâmetros de navegação. A cada momento, com um período de amostragem que depende de cada aparelho de medida mas que será, tipicamente da ordem das décimas ou das centésimas de segundo, são medidos e armazenados os seguintes parâmetros:
- Volume de lastro líquido no tanque Tl;
- Volume de lastro líquido no tanque T2;
- Volume de lastro líquido no tanque T3;
- Volume de lastro líquido no tanque T4;
- Velocidade vertical;
- Temperatura da água;
- Salinidade da água;
- Ângulo de arfagem (trim);
- Ângulo de rolamento (heel);
- Profundidade;
- Altitude.
[0048] O sistema pré-define um intervalo de cálculo (At) que o piloto pode confirmar ou modificar segundo a sua experiência ou sensibilidade. A partir das medições efetuadas dos valores instantâneos de cada uma das grandezas compreendidos no intervalo de amostragem (entre t-Δΐ e t), o computador de bordo calcula, com base nesse intervalo, projeta no écran e atualiza permanentemente, os valores médios das seguintes grandezas (Figura 1):
Volume de lastro líquido no tanque Tl: vx
Volume de lastro líquido no tanque T2: v2
Volume de lastro líquido no tanque T3: v3
Volume de lastro líquido no tanque T4: v4
Velocidade vertical: Vv
Ângulo de arfagem:
Ângulo de rolamento: An
Densidade da água: d
Profundidade: h
Altitude: H
[0049] Para o intervalo de tempo selecionado (At), o computador de bordo calcula ainda, em cada instante, os valores médios das seguintes variáveis:
- Flutuabilidade, dada, em N, por F = 500 x d x Cd x Ap x Vv x \VV \;
- Compensação proposta de flutuabilidade, em litros, dada por:
Cf = F/9,81/d, a dividir igualmente pelos quatro tanques.
Teremos, Cfl = Cf2 = Cf3 = C 4 = Cf/4;
- Braço do desequilíbrio de arfagem dado, em metros, por:
bt = sin At x MG
- Braço do desequilíbrio de rolamento dado, em metros, por: bh = sin Ah x MG
- Correção proposta de arfagem dada, em litros, por:
Ct = 1000 x d x D x bt/Bt; Teremos, Ctl = Ct2 = Ct/2 e Ct3 = Ct4 = -Q/2;
- Correção proposta de rolamento dada, em litros, por:
Ch = 1000 x d x D x bft/5ft.
Teremos, Chl = Cft3 = Ch/2 e Cft2 = CM = -Ch/2;
- Correção global proposta, em litros, a cada momento, para cada tanque,
Figure imgf000014_0001
[0050] Estes últimos valores, que se referem respetivamente aos tanques Tl a T4, são igualmente afixados no painel de bordo (Figura 1), no interior dos respetivos botões. Neste exemplo, são utilizadas como unidades de comprimento e de volume, respetivamente o metro e o litro. Naturalmente, qualquer outro sistema de unidades é possível.
[0051] A correção em volume de água por cada tanque é obtida pela injeção ou exaustão do ar comprimido.
[0052] O interface do sistema com o utilizador faz-se através de um painel, tal como o apresentado na Figura 1.
[0053] A operação começa com a seleção, por parte do operador, do tipo de manobra que este pretende realizar. Existem cinco opções de manobras passíveis de serem selecionadas:
Compensação da flutuabilidade para anular qualquer velocidade vertical que se tenha instalado; Correção da arfagem para eliminar qualquer ângulo de arfagem que se tenha instalado;
Correção do rolamento para eliminar qualquer ângulo de rolamento que se tenha instalado;
Definição de uma profundidade fixa de mergulho, que manobra automaticamente o veículo submersível até ele atingir essa profundidade e o mantém nela sequentemente;
Definição de uma altitude fixa de mergulho (distância ao fundo), que manobra automaticamente o veículo submersível até ele atingir essa altitude e o mantém nela sequentemente;
[0054] Numa realização, após a seleção do tipo de manobra pretendido, o sistema apresenta três modos de atuar, nomeadamente (Figura 1):
Modo automático continuado;
Modo automático com manobra única (Manobra Única), efetuado por iniciativa do piloto, segundo os parâmetros propostos pelo sistema;
Modo manual assistido (Assistido), controlado automaticamente mas despoletado por iniciativa do piloto, segundo os parâmetros que ele próprio selecione a partir de valores propostos pelo sistema.
[0055] Uma realização permite a escolha do modo automático continuado. O modo automático continuado (Automático) e (Executar) permite iniciar e deixar ativado em permanência o procedimento de correção do (ou dos) efeito(s) selecionado(s) (compensação da flutuabilidade, correção da arfagem, correção do rolamento, definição da profundidade ou definição da altitude). Esse procedimento é retomado automaticamente com uma periodicidade previamente definida (por exemplo de 2 em 2 minutos), ou sempre que a variável em causa se afaste demasiado do valor previamente definido.
[0056] Numa outra realização, a escolha do modo automático com manobra única (Manobra Única) e (Executar) permite efetuar a correção simultânea do(s) efeito(s) selecionado(s) uma só vez e de acordo com os valores afixados no momento da ativação (Executar). Pode ser repetida por iniciativa do piloto, sempre que ele desejar.
[0057] Ainda numa outra realização, a escolha do modo manual assistido (Assistido), apenas é aplicável às três primeiras opções de manobra (compensação da flutuabilidade, correção da arfagem, correção do rolamento) e permite ao piloto definir manualmente os seguintes pontos:
- A escolha da correção a efetuar (compensação, arfagem ou rolamento), atuando isoladamente em um destes botões ou comandos;
- A origem do lastro líquido (Tanque 1 e/ou Tanque 2 e/ou Tanque 3 e/ou Tanque 4, ou exterior);
- O destino do lastro líquido (Tanque 1 e/ou Tanque 2 e/ou Tanque 3 e/ou Tanque 4, ou exterior);
- O volume a deslocar, em litros.
Após efetuar as opções, numa realização, a tecla (Executar) ativa o procedimento selecionado que é efetuado uma única vez.
[0058] Em qualquer dos modos, numa realização, a tecla (Executar) inicia os procedimentos necessários à(s) transferência(s) do lastro líquido nas condições definidas pelo modo selecionado. A unidade de controlo calcula o caudal previsível para cada válvula solenóide em função do diferencial de pressão e dos outros parâmetros, e ativará então a abertura das válvulas adequadas, durante o tempo necessário.
[0059] Todas as válvulas do sistema são, numa realização, de duas posições (2V/2P) e do tipo N/C (normalmente fechadas. A resposta do veículo submersível é permanentemente monitorizada através dos sensores, cuja informação pode determinar a interrupção da operação assim que os objetivos estejam cumpridos. Conforme já aludido, o sistema pode ser igualmente desativado, remetendo para um tipo de pilotagem inteiramente manual, a partir de válvulas mecânicas. [0060] Caso seja considerado vantajoso, cada válvula do tipo 2V/2P pode ser substituída por outra válvula equivalente, por exemplo cada conjunto de duas válvulas 2V/2P pode ser substituída por uma válvula 3V/3P.
Breve descrição das figuras
[0061] Para uma mais fácil compreensão, juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais que, contudo, não pretendem limitar o objeto da presente invenção.
[0062] Figura 1: Representação esquemática de painel de controlo de uma realização do dispositivo de compensação automática e de correção automática da arfagem e do rolamento.
[0063] Figura 2: Esquema de funcionamento de uma realização do dispositivo com 4 tanques em que cada tanque está ligado a dois coletores de ar, sendo um de alta pressão (pressão superior à pressão ambiente externa) e outro de baixa pressão (pressão inferior à pressão ambiente externa), através de válvulas solenóides.
[0064] Figura 3: Representação esquemática de painel de controle de uma realização do dispositivo de compensação e correção automática da arfagem e do rolamento.
[0065] Figura 4: Esquema de funcionamento de uma realização do módulo de transferência de lastro entre tanques de compensação.
Descrição detalhada
[0066] A figura 1 representa uma possível disposição do ecrã de comando do sistema agora revelado. Na parte superior do ecrã, numa primeira linha, são apresentadas os vários tipos de manobra que são passíveis de realizar: i) Compensação de flutuabilidade;
ii) Correção da arfagem;
iii) Correção do rolamento;
iv) Imposição de uma profundidade de mergulho;
v) Imposição de uma altitude de mergulho.
[0067] A segunda linha permite escolher o nível de automação pretendido, entre três possíveis:
• Modo automático continuado (Automático),
• Modo automático com manobra única (Manobra Única) e
• Modo manual assistido (Assistido).
[0068] Logo abaixo, na zona central, o sistema apresenta os valores atuais dos parâmetros de navegação relevantes: a profundidade, a altitude, a velocidade vertical, a densidade do líquido e os ângulos de arfagem e rolamento.
[0069] À esquerda esquematizam-se os quatro tanques, tendo cada um afixado o volume atual de lastro e o volume proposto pelo sistema para transferência. À direita, um esquema semelhante revela em cada tanque o volume de lastro final (suposta a manobra concluída).
[0070] Na penúltima linha de comandos, o botão lateral esquerdo indica a quantidade de água necessária para lastrar o submarino, no caso da velocidade vertical ser positiva ou quando se pretende aumentar a profundidade de mergulho ou diminuir a altitude.
[0071] O botão lateral inferior direito indica a quantidade de água necessária para deslastrar o submarino, no caso da velocidade vertical ser negativa ou quando queremos diminuir a profundidade de mergulho ou aumentar a altitude. [0072] No centro, abaixo dos parâmetros de navegação, dois mostradores cada um com dois botões triangulares permitem definir manualmente os volumes requeridos para cada transferência ou o nível de profundidade ou de altitude a que se pretende navegar, no caso da opção por uma manobra manual assistida.
[0073] A tecla inferior central (Executar), permite iniciar o procedimento selecionado, nas condições definidas. Finalmente na última linha, observam-se à esquerda e à direita dois botões para, respetivamente, anular a definição selecionada ou a totalidade das programações anteriores.
[0074] Na Figura 2 apresenta-se resumidamente o esquema geral do dispositivo, numa configuração em que existem quatro tanques (Tl a T4). Na figura representa- se: A - Reserva de Ar Comprimido; B - Exaustão de Ar; C - Válvula de redução de pressão; D - Válvula de não-retorno; E - Manómetro digital (pressure transmitter); F - Unidade de aquisição, processamento de dados e controlo; G - CTD - condutividade, temperatura e profundidade; H - DVL - Doppler velocity logger; I - Válvula mecânica manual; J - Válvula Solenóide 2P/2V.
[0075] Cada tanque está ligado a dois coletores de ar, sendo um de alta pressão (pressão superior à pressão ambiente externa) e outro de baixa pressão (pressão inferior à pressão ambiente externa), através de duas válvulas solenóides (J). Estas válvulas e bem assim os instrumentos de medida, estão ligadas a um controlador, ou unidade eletrónica de controlo, que comanda o seu estatuto (aberta ou fechada) e o tempo de acionamento.
[0076] A Figura 3 representa um painel de controlo (esquemático) de uma realização do dispositivo de compensação automática e de correção automática da arfagem e do rolamento.
[0077] A Figura 4 representa um esquema de funcionamento de uma realização do módulo de transferência de lastro entre tanques de compensação através da bombagem de água. [0078] As realizações acima descritas são combináveis entre si.
[0079] Ainda que na presente descrição se tenham somente representado e descrito realizações particulares, o perito na matéria saberá introduzir modificações e substituir umas características técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, sem sair do âmbito de proteção definido pelas reivindicações anexas.
[0080] As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações preferenciais.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo para o controlo automático de flutuabilidade, rolamento, arfagem, profundidade e/ou altitude em veículos submersíveis, que compreende:
3 ou mais flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido, cada um com uma válvula de entrada de ar e uma válvula de saída de ar, com abertura e fecho comandados eletricamente;
uma unidade eletrónica de controlo para abertura e fecho independente das válvulas de entrada e de saída de ar dos tanques de lastro líquido;
um reservatório para o armazenamento de ar comprimido conectado às válvulas de entrada de ar dos tanques de lastro líquido;
em que os referidos tanques de lastro líquido compreendem uma comunicação livre com o exterior do tanque através de um ou mais orifícios dispostos na parte inferior do tanque;
e em que os referidos flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido são para estarem em secções diferentes do veículo submersível dispostas ao longo de duas direções do plano horizontal do veículo submersível.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior em que os flutuadores flexíveis ou tanques de lastro líquido são 4.
3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que as duas direções do plano horizontal são direções ortogonais.
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior em que as secções do veículo submersível onde estão os referidos tanques de lastro líquido são as secções de: proa e estibordo; proa e bombordo; popa e estibordo; e popa e bombordo; ou proa central, popa central, estibordo central e bombordo central;
ou qualquer das disposições intermédias entre as duas disposições anteriores.
5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que a unidade eletrónica de controlo está configurada para proceder à abertura e fecho das válvulas de entrada e de saída de ar para correção do ângulo de arfagem e correção do ângulo de rolamento.
6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que a unidade eletrónica de controlo está configurada para proceder à abertura e fecho das válvulas de entrada e de saída de ar para ascensão, descida, manutenção da profundidade, manutenção da altitude, obtenção de uma profundidade pré- definida, obtenção de uma altitude pré-definida.
7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que as válvulas são válvulas de tipo solenóide controladas eletricamente pela unidade eletrónica de controlo.
8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores em que a válvula de entrada e a válvula de saída de um flutuador flexível ou tanque de lastro líquido estão no mesmo corpo de válvula.
9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende adicionalmente circuitos com válvulas de acionamento manual em paralelo com cada um dos circuitos controlados eletricamente.
10. Veículo submersível que compreende o dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores.
11. Veículo submersível de acordo com a reivindicação anterior em que o veículo submersível é um submarino tripulado ou um veículo submarino operado remotamente ou um veículo autónomo submarino.
Método de operar o dispositivo referido em qualquer uma das reivindicações anteriores que compreende efetuar, pela unidade de controlo automático: calcular as correções a efetuar e as respetivas ações sobre as válvulas para obter o peso desejado em cada um dos tanques de lastro líquido;
adquirir e processar os dados recolhidos através de sensores que compreendem giroscópio, profundímetro e CTD;
visualizar em tempo real as correções que o dispositivo propõe e/ou efetua.
13. Método de acordo com a reivindicação anterior que compreende três modos de procedimento: modo automático continuado; modo automático com manobra única, modo manual assistido,
relativos a um procedimento de correção ou definição pré-selecionado que compreende correção da flutuabilidade, correção da arfagem, correção do rolamento, definição da profundidade, definição da altitude, ou suas combinações; em que:
o modo automático continuado compreende iniciar e ativar em permanência um ou mais procedimentos pré-selecionados, e em que os procedimentos são retomados automaticamente com uma periodicidade previamente definida ou sempre que se afastem demasiado da correção ou definição pré-selecionada; em que o modo automático com manobra única compreende efetuar simultaneamente e uma só vez um ou mais procedimentos de correção ou definição pré-selecionados;
em que o modo manual assistido compreende efetuar automaticamente um procedimento isolado de correção ou definição pré-selecionado, de acordo com valores definidos pelo piloto a partir de propostas do sistema.
14. Método de acordo com a reivindicação anterior em que o modo automático com manobra única pode ser repetido por iniciativa do operador.
15. Unidade de controlo automático configurada para a operação de um dispositivo de acordo com o método de qualquer uma das reivindicações 12-14.
Programa de computador para a operação de um dispositivo de acordo com o método de qualquer uma das reivindicações 12-14.
Meio não-transiente suscetível de leitura por computador para armazenamento de código executável por um processador de computador para a operação de um dispositivo de acordo com o método de qualquer uma das reivindicações 12-14.
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