一种水下航行器浮力测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种水下航行器浮力测量方法。该方法是通过使用温压传感器来测量密封舱内的气压改变量，从而测量出内外油囊吸排油液的体积。经过计算之后得到浮力的改变量。该测量方法所需的硬件简单、成本低，但测量精确度高，测量速度快，可以通过该方法精确调节水下航行器的浮力大小。本发明对于使用内外油囊调节浮力的水下航行器，提出了一种准确测量航行器内外油囊体积变化的方法，从而可以间接测量水下航行器的浮力改变量。该测量方法所需的硬件简单、成本低，但测量精确度高，测量速度快，可以通过该方法精确调节水下航行器的浮力大小。
【专利说明】
一种水下航行器浮力测量方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种水下航行器浮力测量方法。
【背景技术】
[0002] 水下航行器是一种依靠自身携带能源进行自主航行的水下平台，可完成深海海底 资源和能源的各种探测任务，具有重要的价值。
[0003] 目前比较高效与实用的方式是利用航行器的沉浮运动，巧妙地将重力和浮力转化 为前进的驱动力，只提供少量的能量即可实现长时序和大纵深作业。由于配平后，航行器的 重力不再改变，所以在水下的运动状态是由浮力的改变来实现的，因此准确及时地测量水 下航行器的浮力变化，才能有效地控制水下航行器的运动状态。
[0004] 对于使用内外油囊调节浮力的水下航行器，通过控制内外油囊交替充盈的方式来 达到控制航行器在水中沉浮的目的。浮力的改变是通过内外油囊的体积变化所导致的排水 量决定的，因此精准、快速地测量内外油囊的体积变化是测量浮力变化的关键。
[0005] 本发明方法主要是利用气体的压力变化，是因为气压变化明显，变化速度快，测量 简单，气压差所产生的作用力(压力)大。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种水下航行器浮力测量方法。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种水下航行器浮力测量方 法，水下航行器的浮力调节装置，包括航行器壳体、油栗、栗电机、电磁阀、油路、内油囊和外 油囊；内油囊装在航行器密封壳体内，壳上装有抽取真空的阀门，壳内还有温压传感器，外 油囊安装并暴露在航行器壳体的外部；油栗通过油路分别与内油囊和外油囊连接，栗电机 驱动油栗将内油囊的储油抽到外油囊;从外油囊到内油囊还设有由单向电磁阀控制通闭的 单向油路;水下航行器的浮力测量方法包括以下步骤：
[0008] (1)通过抽取真空将航行器密封壳体内的气压设定为0.6个标准大气压，即所谓的 负压;在最开始的通信状态时，内外油囊各有一半的油量;打开回油路上的电磁阀，外油囊 中的油在外部海水压力的作用下自动流回内油囊，实现排水体积的减小，使水下航行器浮 力减小，当浮力小于其重力时航行器下沉;在这个过程中，内油囊的体积变大，密封舱内的 气压增大，通过温压传感器测量气压值并进行温度补偿;通过内油囊油量改变前后所测得 的气压值得到气压改变量，通过计算得到舱内气体的体积变化量，即内油囊的体积变化；由 于外油囊体积的变化相应等于内油囊体积的变化，这样可得到航行器整体浮力变化情况；
[0009] (2)栗电机通过驱动油栗把内油囊的油打到外油囊，并用单向电磁阀保证油不会 回流，由于外油囊装在航行器的机壳外面且暴露于海水中，外油囊充油量的增加，加大了排 水体积，使得航行器的浮力增加，当浮力大于重力时航行器开始上升;在这个过程中，浮力 的测算原理与下沉过程相同；
[0010] (3)航行器通过温压传感器测得的气压变化量来检测油囊体积的变化量，从而算 出自身浮力的改变，以此控制自身净浮力；由此航行器完成了上升与下降的运动过程，并且 可以求得浮力的改变量。
[0011]作为优选，通过温压传感器输出的压力测量信号来实时反馈水下航行器浮力的调 节值。
[0012] 作为优选，油栗为柱塞栗。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014] 通过使用温压传感器来测量密封舱内的气压改变量，从而测量出内外油囊吸排油 液的体积。经过计算之后得到浮力的改变量。该测量方法所需的硬件简单、成本低，但测量 精确度高，测量速度快，可以通过该方法精确调节水下航行器的浮力大小。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0016] 图1是本发明实施例的水下航行器的浮力调节装置结构示意图。
[0017] 图2是本发明实施例的水下航行器的气压改变量与吸排油液体积的拟合曲线。
【具体实施方式】
[0018] 图1是一种水下航行器的浮力调节装置，由航行器密封壳体、油栗、栗电机、电磁 阀、油路、内油囊和外油囊组成。内油囊装在航行器密封壳体内，壳上装有抽取真空的阀门， 壳内还有温压传感器，外油囊安装并暴露在航行器壳体的外部；油栗通过油路分别与内油 囊和外油囊连接，栗电机驱动油栗将内油囊的储油抽到外油囊，油栗采用柱塞栗。从外油囊 到内油囊还设有一条由单向电磁阀控制通闭的单向油路。
[0019] 装有上述浮力调节装置的水下航行器的浮力测量方法，包括以下步骤：
[0020] 1、通过抽取真空将航行器密封壳体内的气压设定为0.6个标准大气压，即所谓的 负压。在最开始的通信状态时，内外油囊各有一半的油量。打开回油路上的电磁阀，外油囊 中的油在外部海水压力的作用下自动流回内油囊，实现排水体积的减小，使水下航行器浮 力减小，当浮力小于其重力时航行器下沉。在这个过程中，内油囊的体积变大，密封舱内的 气压增大，通过温压一体化传感器测量气压值并进行温度补偿。通过内油囊油量改变前后 所测得的气压值得到气压改变量，通过计算得到舱内气体的体积变化量，即内油囊的体积 变化。由于外油囊体积的变化相应等于内油囊体积的变化，这样可得到航行器整体浮力变 化情况。
[0021] 2、栗电机通过驱动柱塞栗把内油囊的油打到外油囊，并用单向电磁阀保证油不会 回流，由于外油囊装在航行器的机壳外面且暴露于海水中，外油囊充油量的增加，加大了排 水体积，使得航行器的浮力增加，当浮力大于重力时航行器开始上升。在这个过程中，浮力 的测算原理与下沉过程相同。
[0022] 3、航行器通过温压一体化传感器测得的气压变化量来检测油囊体积的变化量，从 而算出自身浮力的改变，以此控制自身净浮力。由此航行器完成了上升与下降的运动过程， 并且可以求得浮力的改变量。
[0023] 4、通过温压一体化传感器输出的压力测量信号来实时反馈水下航行器浮力的调 节值。
[0024] 本实施例主要是利用气体的压力变化，是因为气压变化明显，变化速度快，测量简 单，气压差所产生的作用力(压力)大。
[0025] 本实施例的水下航行器浮力测量方法是通过使用温压传感器来测量密封舱内的 气压改变量，从而测量出内外油囊吸排油液的体积。经过计算之后得到浮力的改变量。该测 量方法所需的硬件简单、成本低，但测量精确度高，测量速度快，可以通过该方法精确调节 水下航行器的浮力大小。
[0026]本实施例的技术特点如下：
[0027] 1、本浮力调节系统可以精确地控制浮力的大小，不受水下航行器姿态影响，从而 使得水下航行器可以按照预定轨迹精确航行。
[0028] 2、温度补偿：
[0029] 在用温压传感器测量气压的时候进行温度补偿，使测得的气压值更准确。这是该 传感器自带的补偿措施。选用的温压传感器要量程小（要测量的气压范围为〇~1.5bar)，精 度高，带有温度补偿。
[0030] 3、浮力测算原理
[0031]根据气体状态方程PV = nRT(其中P为压强，V为体积，η为物质的量，R为普适气体常 量，Τ为绝对温度），得到V = nRT/P。当航行器上浮时，通过油栗将内油囊中的油打到外油囊 中。在这个过程中，利用温压传感器可以测得前后两次密封舱内的温度与气压，假设开始时 温度与气压为T1与P1，结束时温度与气压为T2与P2，则利用公式V = nRT/P可以得到前后两 次密封舱内的气体体积V1 = nRT 1 /P1，V2 = nRT2/P2。那么在浮力调节的过程中，密封舱内的 气体体积改变量为V2-V1，这也就是内油囊的体积改变量。由于外油囊体积的变化相应等于 内油囊体积的变化，所以V2-V1就是外油囊的体积改变量。利用浮力公式FipgV'(其中F为 浮力，P为液体的密度即海水的密度，g为重力加速度，V'为排开液体的体积即排开海水的体 积），其中，=￥2，1，便可得到浮力的改变量。这样，在航行器上浮的过程中，就可以利用温 压传感器间接测量出浮力的改变量。当航行器下潜时，测算原理是相同的。
[0032 ] 4、气压改变量与吸排油液体积的关系
[0033] (1)实验目的：测试油量与气压的关系
[0034] (2)实验方法:通过量筒测试内油囊排出的油量，对应记录密封舱内气压值
[0035] (3)实验步骤：
[0036] 1)通过灌油装置向油囊灌入定量体积的油；
[0037] 2)将灌油装置接入油路三通并将单向阀打开将油囊内油及气体全部抽出；
[0038] 3)将灌油装置悬挂利用重力向内油囊灌油；
[0039] 4)油囊灌满后将三通用死堵堵死，并接上单向阀，开始试验；
[0040] 5)分别检测内油囊排油0.1L、0.2L……1. 1L、1.2L时，对应密封舱内气压值，并记 录；
[0041] 6)重复以上步骤进行多次实验，最终取平均值。
[0042] (4)实验说明：
[0043] 油密度：0.812kg/L
[0044] 油囊体积:1.2L
[0045] 压力传感器测量精度:全量程0 · 01 %，即0 · 001 bar
[0046] 压力传感器误差：-〇·0〇3~0.004bar
[0047] 量筒精度：10ml
[0048] (5)实验结果：
[0049] 实验数据见表1
[0050] 表 1
[0051]
[0052]根据表1数据，利用matlab进行数据拟合，得到拟合曲线如图2所示。
[0053]拟合方程为
[0054] y = -3.141x3+8.717x2-8.707x+3.551
[0055] 其中y表示外油囊中的油量(单位L)，x表示密封舱内的气压(单位bar)，即得到气 压改变量与吸排油液体积的关系。
[0056] 以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明 的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种水下航行器浮力测量方法，所述水下航行器的浮力调节装置，包括航行器密封 壳体、油栗、栗电机、电磁阀、油路、内油囊和外油囊；内油囊装在航行器密封壳体内，壳上装 有抽取真空的阀门，壳内还有温压传感器，外油囊安装并暴露在航行器密封壳体的外部;油 栗通过油路分别与内油囊和外油囊连接，栗电机驱动油栗将内油囊的储油抽到外油囊;从 外油囊到内油囊还设有由单向电磁阀控制通闭的单向油路;其特征在于： 所述水下航行器浮力测量方法包括以下步骤： (1) 通过抽取真空将航行器密封壳体内的气压设定为0.6个标准大气压，即所谓的负 压;在最开始的通信状态时，内外油囊各有一半的油量;打开回油路上的电磁阀，外油囊中 的油在外部海水压力的作用下自动流回内油囊，实现排水体积的减小，使水下航行器浮力 减小，当浮力小于其重力时航行器下沉;在这个过程中，内油囊的体积变大，密封舱内的气 压增大，通过温压传感器测量气压值并进行温度补偿;通过内油囊油量改变前后所测得的 气压值得到气压改变量，通过计算得到舱内气体的体积变化量，即内油囊的体积变化；由于 外油囊体积的变化相应等于内油囊体积的变化，这样可得到航行器整体浮力变化情况； (2) 栗电机通过驱动油栗把内油囊的油打到外油囊，并用单向电磁阀保证油不会回流， 由于外油囊装在航行器的机壳外面且暴露于海水中，外油囊充油量的增加，加大了排水体 积，使得航行器的浮力增加，当浮力大于重力时航行器开始上升;在这个过程中，浮力的测 算原理与下沉过程相同； (3) 航行器通过温压传感器测得的气压变化量来检测油囊体积的变化量，从而算出自 身浮力的改变，以此控制自身净浮力；由此航行器完成了上升与下降的运动过程，并且可以 求得浮力的改变量。2. 根据权利要求1所述的水下航行器浮力测量方法，其特征在于:通过所述温压传感器 输出的压力测量信号来实时反馈水下航行器浮力的调节值。3. 根据权利要求1所述的水下航行器浮力测量方法，其特征在于:所述油栗为柱塞栗。
【文档编号】B63G8/24GK105857554SQ201610182404
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】宋大雷, 秦嗣通, 赵有星, 韩雷
【申请人】中国海洋大学