一種水下航行器浮力測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下航行器浮力測量方法。該方法是通過使用溫壓傳感器來測量密封艙內(nèi)的氣壓改變量，從而測量出內(nèi)外油囊吸排油液的體積。經(jīng)過計算之后得到浮力的改變量。該測量方法所需的硬件簡單、成本低，但測量精確度高，測量速度快，可以通過該方法精確調(diào)節(jié)水下航行器的浮力大小。本發(fā)明對于使用內(nèi)外油囊調(diào)節(jié)浮力的水下航行器，提出了一種準(zhǔn)確測量航行器內(nèi)外油囊體積變化的方法，從而可以間接測量水下航行器的浮力改變量。該測量方法所需的硬件簡單、成本低，但測量精確度高，測量速度快，可以通過該方法精確調(diào)節(jié)水下航行器的浮力大小。
【專利說明】
一種水下航行器浮力測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種水下航行器浮力測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下航行器是一種依靠自身攜帶能源進(jìn)行自主航行的水下平臺，可完成深海海底 資源和能源的各種探測任務(wù)，具有重要的價值。
[0003] 目前比較高效與實用的方式是利用航行器的沉浮運動，巧妙地將重力和浮力轉(zhuǎn)化 為前進(jìn)的驅(qū)動力，只提供少量的能量即可實現(xiàn)長時序和大縱深作業(yè)。由于配平后，航行器的 重力不再改變，所以在水下的運動狀態(tài)是由浮力的改變來實現(xiàn)的，因此準(zhǔn)確及時地測量水 下航行器的浮力變化，才能有效地控制水下航行器的運動狀態(tài)。
[0004] 對于使用內(nèi)外油囊調(diào)節(jié)浮力的水下航行器，通過控制內(nèi)外油囊交替充盈的方式來 達(dá)到控制航行器在水中沉浮的目的。浮力的改變是通過內(nèi)外油囊的體積變化所導(dǎo)致的排水 量決定的，因此精準(zhǔn)、快速地測量內(nèi)外油囊的體積變化是測量浮力變化的關(guān)鍵。
[0005] 本發(fā)明方法主要是利用氣體的壓力變化，是因為氣壓變化明顯，變化速度快，測量 簡單，氣壓差所產(chǎn)生的作用力(壓力)大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種水下航行器浮力測量方法。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種水下航行器浮力測量方 法，水下航行器的浮力調(diào)節(jié)裝置，包括航行器殼體、油栗、栗電機(jī)、電磁閥、油路、內(nèi)油囊和外 油囊；內(nèi)油囊裝在航行器密封殼體內(nèi)，殼上裝有抽取真空的閥門，殼內(nèi)還有溫壓傳感器，外 油囊安裝并暴露在航行器殼體的外部；油栗通過油路分別與內(nèi)油囊和外油囊連接，栗電機(jī) 驅(qū)動油栗將內(nèi)油囊的儲油抽到外油囊;從外油囊到內(nèi)油囊還設(shè)有由單向電磁閥控制通閉的 單向油路;水下航行器的浮力測量方法包括以下步驟：
[0008] (1)通過抽取真空將航行器密封殼體內(nèi)的氣壓設(shè)定為0.6個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即所謂的 負(fù)壓;在最開始的通信狀態(tài)時，內(nèi)外油囊各有一半的油量;打開回油路上的電磁閥，外油囊 中的油在外部海水壓力的作用下自動流回內(nèi)油囊，實現(xiàn)排水體積的減小，使水下航行器浮 力減小，當(dāng)浮力小于其重力時航行器下沉;在這個過程中，內(nèi)油囊的體積變大，密封艙內(nèi)的 氣壓增大，通過溫壓傳感器測量氣壓值并進(jìn)行溫度補(bǔ)償;通過內(nèi)油囊油量改變前后所測得 的氣壓值得到氣壓改變量，通過計算得到艙內(nèi)氣體的體積變化量，即內(nèi)油囊的體積變化；由 于外油囊體積的變化相應(yīng)等于內(nèi)油囊體積的變化，這樣可得到航行器整體浮力變化情況；
[0009] (2)栗電機(jī)通過驅(qū)動油栗把內(nèi)油囊的油打到外油囊，并用單向電磁閥保證油不會 回流，由于外油囊裝在航行器的機(jī)殼外面且暴露于海水中，外油囊充油量的增加，加大了排 水體積，使得航行器的浮力增加，當(dāng)浮力大于重力時航行器開始上升;在這個過程中，浮力 的測算原理與下沉過程相同；
[0010] (3)航行器通過溫壓傳感器測得的氣壓變化量來檢測油囊體積的變化量，從而算 出自身浮力的改變，以此控制自身凈浮力；由此航行器完成了上升與下降的運動過程，并且 可以求得浮力的改變量。
[0011]作為優(yōu)選，通過溫壓傳感器輸出的壓力測量信號來實時反饋水下航行器浮力的調(diào) 節(jié)值。
[0012] 作為優(yōu)選，油栗為柱塞栗。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 通過使用溫壓傳感器來測量密封艙內(nèi)的氣壓改變量，從而測量出內(nèi)外油囊吸排油 液的體積。經(jīng)過計算之后得到浮力的改變量。該測量方法所需的硬件簡單、成本低，但測量 精確度高，測量速度快，可以通過該方法精確調(diào)節(jié)水下航行器的浮力大小。
【附圖說明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0016] 圖1是本發(fā)明實施例的水下航行器的浮力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明實施例的水下航行器的氣壓改變量與吸排油液體積的擬合曲線。
【具體實施方式】
[0018] 圖1是一種水下航行器的浮力調(diào)節(jié)裝置，由航行器密封殼體、油栗、栗電機(jī)、電磁 閥、油路、內(nèi)油囊和外油囊組成。內(nèi)油囊裝在航行器密封殼體內(nèi)，殼上裝有抽取真空的閥門， 殼內(nèi)還有溫壓傳感器，外油囊安裝并暴露在航行器殼體的外部；油栗通過油路分別與內(nèi)油 囊和外油囊連接，栗電機(jī)驅(qū)動油栗將內(nèi)油囊的儲油抽到外油囊，油栗采用柱塞栗。從外油囊 到內(nèi)油囊還設(shè)有一條由單向電磁閥控制通閉的單向油路。
[0019] 裝有上述浮力調(diào)節(jié)裝置的水下航行器的浮力測量方法，包括以下步驟：
[0020] 1、通過抽取真空將航行器密封殼體內(nèi)的氣壓設(shè)定為0.6個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即所謂的 負(fù)壓。在最開始的通信狀態(tài)時，內(nèi)外油囊各有一半的油量。打開回油路上的電磁閥，外油囊 中的油在外部海水壓力的作用下自動流回內(nèi)油囊，實現(xiàn)排水體積的減小，使水下航行器浮 力減小，當(dāng)浮力小于其重力時航行器下沉。在這個過程中，內(nèi)油囊的體積變大，密封艙內(nèi)的 氣壓增大，通過溫壓一體化傳感器測量氣壓值并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過內(nèi)油囊油量改變前后 所測得的氣壓值得到氣壓改變量，通過計算得到艙內(nèi)氣體的體積變化量，即內(nèi)油囊的體積 變化。由于外油囊體積的變化相應(yīng)等于內(nèi)油囊體積的變化，這樣可得到航行器整體浮力變 化情況。
[0021] 2、栗電機(jī)通過驅(qū)動柱塞栗把內(nèi)油囊的油打到外油囊，并用單向電磁閥保證油不會 回流，由于外油囊裝在航行器的機(jī)殼外面且暴露于海水中，外油囊充油量的增加，加大了排 水體積，使得航行器的浮力增加，當(dāng)浮力大于重力時航行器開始上升。在這個過程中，浮力 的測算原理與下沉過程相同。
[0022] 3、航行器通過溫壓一體化傳感器測得的氣壓變化量來檢測油囊體積的變化量，從 而算出自身浮力的改變，以此控制自身凈浮力。由此航行器完成了上升與下降的運動過程， 并且可以求得浮力的改變量。
[0023] 4、通過溫壓一體化傳感器輸出的壓力測量信號來實時反饋水下航行器浮力的調(diào) 節(jié)值。
[0024] 本實施例主要是利用氣體的壓力變化，是因為氣壓變化明顯，變化速度快，測量簡 單，氣壓差所產(chǎn)生的作用力(壓力)大。
[0025] 本實施例的水下航行器浮力測量方法是通過使用溫壓傳感器來測量密封艙內(nèi)的 氣壓改變量，從而測量出內(nèi)外油囊吸排油液的體積。經(jīng)過計算之后得到浮力的改變量。該測 量方法所需的硬件簡單、成本低，但測量精確度高，測量速度快，可以通過該方法精確調(diào)節(jié) 水下航行器的浮力大小。
[0026]本實施例的技術(shù)特點如下：
[0027] 1、本浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以精確地控制浮力的大小，不受水下航行器姿態(tài)影響，從而 使得水下航行器可以按照預(yù)定軌跡精確航行。
[0028] 2、溫度補(bǔ)償：
[0029] 在用溫壓傳感器測量氣壓的時候進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使測得的氣壓值更準(zhǔn)確。這是該 傳感器自帶的補(bǔ)償措施。選用的溫壓傳感器要量程?。ㄒ獪y量的氣壓范圍為〇~1.5bar)，精 度高，帶有溫度補(bǔ)償。
[0030] 3、浮力測算原理
[0031]根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV = nRT(其中P為壓強(qiáng)，V為體積，η為物質(zhì)的量，R為普適氣體常 量，Τ為絕對溫度），得到V = nRT/P。當(dāng)航行器上浮時，通過油栗將內(nèi)油囊中的油打到外油囊 中。在這個過程中，利用溫壓傳感器可以測得前后兩次密封艙內(nèi)的溫度與氣壓，假設(shè)開始時 溫度與氣壓為T1與P1，結(jié)束時溫度與氣壓為T2與P2，則利用公式V = nRT/P可以得到前后兩 次密封艙內(nèi)的氣體體積V1 = nRT 1 /P1，V2 = nRT2/P2。那么在浮力調(diào)節(jié)的過程中，密封艙內(nèi)的 氣體體積改變量為V2-V1，這也就是內(nèi)油囊的體積改變量。由于外油囊體積的變化相應(yīng)等于 內(nèi)油囊體積的變化，所以V2-V1就是外油囊的體積改變量。利用浮力公式FipgV'(其中F為 浮力，P為液體的密度即海水的密度，g為重力加速度，V'為排開液體的體積即排開海水的體 積），其中，=￥2，1，便可得到浮力的改變量。這樣，在航行器上浮的過程中，就可以利用溫 壓傳感器間接測量出浮力的改變量。當(dāng)航行器下潛時，測算原理是相同的。
[0032 ] 4、氣壓改變量與吸排油液體積的關(guān)系
[0033] (1)實驗?zāi)康模簻y試油量與氣壓的關(guān)系
[0034] (2)實驗方法:通過量筒測試內(nèi)油囊排出的油量，對應(yīng)記錄密封艙內(nèi)氣壓值
[0035] (3)實驗步驟：
[0036] 1)通過灌油裝置向油囊灌入定量體積的油；
[0037] 2)將灌油裝置接入油路三通并將單向閥打開將油囊內(nèi)油及氣體全部抽出；
[0038] 3)將灌油裝置懸掛利用重力向內(nèi)油囊灌油；
[0039] 4)油囊灌滿后將三通用死堵堵死，并接上單向閥，開始試驗；
[0040] 5)分別檢測內(nèi)油囊排油0.1L、0.2L……1. 1L、1.2L時，對應(yīng)密封艙內(nèi)氣壓值，并記 錄；
[0041] 6)重復(fù)以上步驟進(jìn)行多次實驗，最終取平均值。
[0042] (4)實驗說明：
[0043] 油密度：0.812kg/L
[0044] 油囊體積:1.2L
[0045] 壓力傳感器測量精度:全量程0 · 01 %，即0 · 001 bar
[0046] 壓力傳感器誤差：-〇·0〇3~0.004bar
[0047] 量筒精度：10ml
[0048] (5)實驗結(jié)果：
[0049] 實驗數(shù)據(jù)見表1
[0050] 表 1
[0051]
[0052]根據(jù)表1數(shù)據(jù)，利用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合曲線如圖2所示。
[0053]擬合方程為
[0054] y = -3.141x3+8.717x2-8.707x+3.551
[0055] 其中y表示外油囊中的油量(單位L)，x表示密封艙內(nèi)的氣壓(單位bar)，即得到氣 壓改變量與吸排油液體積的關(guān)系。
[0056] 以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范 圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種水下航行器浮力測量方法，所述水下航行器的浮力調(diào)節(jié)裝置，包括航行器密封 殼體、油栗、栗電機(jī)、電磁閥、油路、內(nèi)油囊和外油囊；內(nèi)油囊裝在航行器密封殼體內(nèi)，殼上裝 有抽取真空的閥門，殼內(nèi)還有溫壓傳感器，外油囊安裝并暴露在航行器密封殼體的外部;油 栗通過油路分別與內(nèi)油囊和外油囊連接，栗電機(jī)驅(qū)動油栗將內(nèi)油囊的儲油抽到外油囊;從 外油囊到內(nèi)油囊還設(shè)有由單向電磁閥控制通閉的單向油路;其特征在于： 所述水下航行器浮力測量方法包括以下步驟： (1) 通過抽取真空將航行器密封殼體內(nèi)的氣壓設(shè)定為0.6個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即所謂的負(fù) 壓;在最開始的通信狀態(tài)時，內(nèi)外油囊各有一半的油量;打開回油路上的電磁閥，外油囊中 的油在外部海水壓力的作用下自動流回內(nèi)油囊，實現(xiàn)排水體積的減小，使水下航行器浮力 減小，當(dāng)浮力小于其重力時航行器下沉;在這個過程中，內(nèi)油囊的體積變大，密封艙內(nèi)的氣 壓增大，通過溫壓傳感器測量氣壓值并進(jìn)行溫度補(bǔ)償;通過內(nèi)油囊油量改變前后所測得的 氣壓值得到氣壓改變量，通過計算得到艙內(nèi)氣體的體積變化量，即內(nèi)油囊的體積變化；由于 外油囊體積的變化相應(yīng)等于內(nèi)油囊體積的變化，這樣可得到航行器整體浮力變化情況； (2) 栗電機(jī)通過驅(qū)動油栗把內(nèi)油囊的油打到外油囊，并用單向電磁閥保證油不會回流， 由于外油囊裝在航行器的機(jī)殼外面且暴露于海水中，外油囊充油量的增加，加大了排水體 積，使得航行器的浮力增加，當(dāng)浮力大于重力時航行器開始上升;在這個過程中，浮力的測 算原理與下沉過程相同； (3) 航行器通過溫壓傳感器測得的氣壓變化量來檢測油囊體積的變化量，從而算出自 身浮力的改變，以此控制自身凈浮力；由此航行器完成了上升與下降的運動過程，并且可以 求得浮力的改變量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器浮力測量方法，其特征在于:通過所述溫壓傳感器 輸出的壓力測量信號來實時反饋水下航行器浮力的調(diào)節(jié)值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器浮力測量方法，其特征在于:所述油栗為柱塞栗。
【文檔編號】B63G8/24GK105857554SQ201610182404
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】宋大雷, 秦嗣通, 趙有星, 韓雷
【申請人】中國海洋大學(xué)