可控制浮力系統和方法

專利名稱：可控制浮力系統和方法
技術領域：
本發明涉及用于將物體錨定在空間中而不需要連接到地面的錨定點的可控制浮力系統。
背景技術：
在署名為本申請人的WO 07/036930中描述了ー種被適配為當被具有小于空氣的特定重力的氣體填充時漂浮在空氣中的物體，該物體包括中空圍繞物，該中空圍繞物具有入口，該入口被耦合到壓カ調整裝置，該壓カ調整裝置用于調節該圍繞物內部的氣體的壓力因而確保該圍繞物的獨自的浮力抵消該物體的重量。建議了大量用于調節該圍繞物內部的氣體壓力的通用方法。因此，根據ー個方法，該圍繞物是浮力平臺的一部分，該浮力平臺將物體支撐在空間中并且被建議將氣體連接器經由可調整壓カ閥耦合到該圍繞物的入口，因而，可以以受控壓カ向浮力平臺供給氣體。通過該裝置，可以調整該平臺的浮力以便精確地抵消該浮力平臺與該依附物體的組合重量，因而當依附不同的物體時允許調整該平臺的浮力。可以使用試驗和誤差設置可調整壓カ閥，因而氣體壓カ極其正確以實現用于錨定到該支撐結構或與之集成的物體的浮力。可選擇地，可以基于使用的浮力氣體、期望的環境條件和要支撐的物體的質量，通知用戶提供給浮力支撐結構的合適的氣體壓力。還建議使用該中空支撐結構中的彈性膈膜來調整氣體壓力，并且通過該彈性隔膜的位移來調整該中空支撐結構中的有效氣體體積。雖然當條件被清楚限定并且不受到恒定波動時該裝置起作用，但是當環境條件改變時它們不適用于維持恒定高度。具體而言，由于例如氣流，WO 07/036930中描述的設備除非被系住否則易于游離。此外，根據不同的環境條件和物體來校準該壓カ閥的要求可能是不方便的或者可能沒有足夠的準確性。建議提供遙控推進器以便允許受支撐物體在空間中的受控移動。美國專利號7，341，224公開了ー種具有用于控制垂直移動的電子處理器子系統的微縮機器人監視氣球系統。可以使用與氣球組件攜帯并且包括比空氣更輕的氣體如氦氣的氣筒控制浮力。在另ー個實施方式中，預充氣該氣球，以便消除將氣筒依附到該氣球組件的要求。在該情況中，可以增加該氣球的有效浮力的唯一方式是扔掉壓艙物。并且不管是否提供了外部氣筒，可以減小氣球的有效浮力的唯一方式是從氣球釋放氣體。在主要要求是將監視系統升高到預先確定高度并且隨后將其帶回到地面時該方法是可接受的。但是當需要伺服輔助海拔調節時它是不可接受的，因為一旦氦氣被釋放以便降低浮力，由于氦氣的數量不能増加所以沒有辦法足夠地升高浮力。與僅僅提供浮力不同，這是使用氦氣來調節浮力的固有問題。此外，當氣筒的質量可能大大超過系統的其余部分的質量時對于便攜式設備而言攜帶氣筒的要求是不現實的。US 2006/0065777公開了ー種密度控制浮力系統，其具有用于控制閥的處理器，用于允許空氣入艙以壓縮提升氣體的入口閥和用于從艙釋放氣體以泄壓提升氣體的出口閥。圖3A中顯示的飛艇具有堅硬的外売，該外殼包括提升氣體并且包括內彈性艙，該內彈性艙包括可以被調節以控制浮力的空氣。控制器控制入ロ閥和/或泵和出ロ閥和/或泵的功能和操作以調節氣流。控制器允許在飛艇在飛行員的手動控制之下達到需要的高度之后維持平衡，但是它不能夠自動將飛艇非常準確地升高到需要的高度。此外，該操作原理基于密度控制，因而使用外殼內部的提升氣體(氦氣)與彈性艙內部的空氣之間的差分壓カ來調節氣流進出彈性艙以便維持平衡。很顯然，當該方法可能對于延伸高度范圍上的差分壓カ可測量的飛艇是可行的，但是壓力梯度可忽略的有限高度范圍中的使用是不可行的。以觀察的角度來看待，在海平面的壓カ是101325帕并且在5米處是101253帕。在I千米的高度是87836帕并且在10千米的高度是24283帕。因此，雖然海平面與I千米之間的壓力梯度顯著，但是在5米的高度差上壓カ差僅僅是72帕，這可能太低而不能作為用于伺服控制系統的實際誤差信號。當然，在3米(101282帕)與3.5米(101274帕)上的大氣壓的差僅僅是8帕并且很顯然這不能以作為實際反饋信號。類似地，在飛艇達到目標海拔之后，基于差分壓カ反饋以±I米的分辨率之內將其維持在該海拔是不可想象的。同樣認識到其他環境條件如可以直接或間接用于在高海抜上提供伺服誤差信號的溫度在低的絕對或差分海抜上不適用。此外，基于壓カ變化控制高度允許相對海平面維持高度，但是不容忍地形變化。飛艇對于爬升到足夠高的海抜以避開高建筑物和山巒沒問題。但是這不適用于相對地面的準確的高度控制。因此很顯然US 2006/0065777無法經受在密閉空間如房間中將物體提升到設定高度或者以在小于I米的準確度以內將物體維持在設定高度。US 2008/0265086公開了ー種用于具有提升氣體壓艙物罐的飛艇的系留航空器的提升氣體壓艙物系統，其中該提升氣體壓艙物罐被放置在地面上并且通過雙滑環和中空供給管道被連接到系留航空器。US 2008/0135678公開了ー種具有控制器的用于傳輸乘客和貨物的飛艇，該控制器調節出入艙的第一空氣的流動以主動地控制飛艇的上升和下降。美國專利號5，782，668公開了ー種用于廣告的氣球，其具有被連接到固定電源的內部燈，并且如果氣球癟掉或其表面變形則該電源斷開。美國專利號3，839，631公開了ー種比環境介質更輕的自動平衡充氣懸浮物體。借助從固定提升點到物體延伸的彈性繩索來自動實現平衡。該物體的垂直移動改變受該物體支撐的繩索的重量部分直到該繩索的由物體支撐的重量等于升カ為止。FR 2 372 075公開了ー種氦氣填充的遇險信號氣球，使用空氣來穩定該氣球的海拔并且該球裝配有發射器。

發明內容
本發明的ー個目的在于提供ー種浮力支撐結構，該支撐結構具有用于控制該支撐結構的高度的控制器并且不需要被連接到地面的錨定點或者用于每個與之依附的物體的校準并且提供比W007/036930中的提出的方法更好的控制。根據本發明的第一方案，提供了一種可控制浮力系統，包括:支撐結構，該支撐結構具有密封的中空圍繞物，該中空圍繞物用于容納第一氣體并且被第二氣體包圍，使得該第一氣體或該第二氣體比環境空氣輕，經由防止該第一氣體從該中空圍繞物逃逸的單向閥用所述第一氣體預填充所述中空圍繞物，海拔傳感器，用于生成指示該支撐結構的高度的海抜信號；高度變換器，其被耦合到該支撐結構并且響應于該海抜信號以改變該支撐結構的浮力，以及控制器，其被耦合到該海拔傳感器和該高度變換器并且響應于該海抜信號和至少一個基準海抜信號以自動控制該高度變換器以便在當前海抜維持該支撐結構漂浮。在一個實施方式中，該中空圍繞物是彈性的并且被布置在容納足夠體積的氦氣以提供需要的浮力的外圍繞物之中，并且空氣被抽吸到中空內圍繞物中并且作為壓艙物重量。因此通過向內圍繞物増加或者從內圍繞物釋放空氣實現受控高度。在一些實施方式中，機械地實現內腔室的體積的改變。在一些實施方式中，在中空腔室中的該第一氣體的密度的受控改變用于調整該支撐結構的浮力。在一些實施方式中，可以將物體依附到該支撐結構和受控高度變換器以便維持該支撐結構在預先確定海拔的浮力，可以經由合適的選擇器選擇該預先確定的海抜，因而該浮力平臺與依附物體一起達到平衡位置，其中在該平衡位置處該平臺的浮力抵消該平臺和該依附物體的組合重量。在該實施方式中，該物體可以與該浮力平臺集成并且可以是用電池或太陽能操作的自供電電動設備。該物體可以與該支撐結構獨立或與之集成。


為了理解本發明并且為了看出如何在實踐中執行本發明，現在將參考附圖，僅通過非限制性的實施方式描述實施方式，其中:圖1示意性地顯示了根據本發明的一個實施方式用于調節無支撐物體在空間中的高度的控制系統的基本原理；圖2a和2b示意性地顯示了根據本發明的一個實施方式具有高度變換器的支撐結構；圖3a和3b示意性地顯示了根據本發明的一個實施方式具有高度變換器的支撐結構；圖4a和4b是根據本發明的一個實施方式的從控制系統的對面看的分解視圖；圖5a、5b和5c是圖4a和4b的系統的透視圖；圖6a和6b是用于顯示控制器的操作的流程圖；圖7圖示了可釋放地安裝到臺子上的漂浮燈；圖8示意性地顯示了根據本發明的另ー個實施方式具有高度變換器的支撐結構；以及圖9a和9b示意性地顯示了根據本發明的另ー個實施方式具有高度變換器的支撐結構。
具體實施方式
在下文的描述中，將由相同的數字來識別在多個附圖中出現的特征。圖1功能性地顯示了根據第一實施方式用于調節圖2a和2b中示意性地顯示的支撐結構11在空間的高度的控制系統10。支撐結構11包括被密封地支撐在外圍繞物13 (圖2a和2b中所示)的內部的彈性氣球12 (構成中空圍繞物)。氣球12容納可調整體積的第ー氣體，第一氣體被外圍繞物中的不同的第二氣體包圍。典型而言，在氣球12中的第一氣體是空氣并且該外圍繞物13中的第二氣體是氦氣。與支撐結構11關聯地安裝海拔傳感器14以便生成基于該支撐結構的海抜的海抜信號，并且控制器15被耦合到海拔傳感器14并且響應于該海抜信號來自動地調整彈性氣球12中的空氣的體積并且因此質量，以便在預先確定海抜維持該支撐結構漂浮。要明白在本發明和所附權利要求的上下文中術語“支撐結構”包括與將要提升的物體集成的平臺以及包括內外圍繞物和控制器但是允許外部物體依附到該平臺的平臺。在后一種情況中，控制器必須能夠被用戶外部校準以補償依附物體的重量的差異。當物體和支撐結構一體時，可以根據已知的組合重量出廠設置控制器。支撐結構可以包括用于兒童的懸浮三維玩具和小機械、內部設計產品、用于奢侈消費品或者用于收藏家的物品或藝術品的包裝或展示。可以類似地使用本發明的原理支撐用于廣告產業的產品如廣告牌、旗幟、屏幕等等以及用于救援的緊急信號產品。本發明還可以用于支撐諸如用于監視和安保的例如照相機的產品，特別是在非常大的空間中或者在通路受限并且不存在基礎設施的區域中。本發明的另ー個應用是用于物體的外部支撐如露營和緊急照明或其他臨時戶外部署例如用于建設或維護工作(例如在無光區域中的車輛壞損維修)。可以根據大量不同的物理方法實現高度調整，在圖1中僅僅顯示了該大量不同的物理方法中的ー個代表性方法，在該代表性方法中外圍繞物13是堅硬的并且具有足夠的體積，因而當被氦氣填充時存在足夠的浮力以支撐包括任意由此在自由空間中受支撐物體的支撐結構U。如現在將解釋的，弾性內氣球的使用僅僅是ー種可能性，因為也可以使用弾性外氣球。在全部情況中，由高度變換器根據高度，基于多個物理特性中的任意一個調整支撐結構的凈浮力。為了實現支撐結構11在標稱固定高度上懸浮在空氣中的平衡，將空氣抽吸入氣球12，因而隨著吸入越來越多空氣氣球12如圖2b中所示膨脹，直到空氣的附加質量取代氦氣的浮力因此導致支撐結構11下降為止。當如海拔傳感器14所檢測，支撐結構11下降到低于預先確定水平吋，開啟氣球12的空氣供應閥，以便釋放空氣，因而降低空氣的重量直到氦氣的浮力取代當閥閉合時空氣的重量為止。支撐結構11現在上升并且繼續重復該閥的開啟和閉合的循環。描述了控制系統10的操作的基本原理之后，現在將更完整地描述圖1中所示的實施方式。控制器15具有經由第一電線16電耦合到泵17的第一輸出，泵17被管道的第一部分18連接到氣球12的入口 19。共同與第一部分18接合的管道的第二部分20被連接到電磁閥21的入口，電磁閥21經由第二電線22被電耦合到控制器15的第二輸出以便因而被促動。當控制器15向泵17供給促動信號時，將環境空氣通過管道18吸入氣球12，而當控制器15向閥12供給促動信號時，經由管道的第二部分20將空氣從氣球12釋放到大氣中。由通過主開關24耦合到控制器15的可再充電11.1伏特鋰聚合物電池23向控制器15和包括泵17和閥21的相關電子器件供電。如果希望則圖2a中所示的外圍繞物13可以至少部分地是透明的并且可以由被LED驅動器26驅動的發光二極管(LED) 25組內部照明，由輔助開關27將LED驅動器26耦合到電池23。如果希望，則可以由控制器15獨立地控制LED 25以便作為高度指示器，因而例如隨著設備上升更多LED點亮并且隨著設備下降更少LED點亮或者反之亦然。為了將支撐結構11和與之依附的任意物體從它的靜止位置上升以及類似地當希望時使它回到地面，優選控制器15能夠遠程促動。為此目的，可以將無線通信設備例如能夠經由RF控制器29 (構成遙控器)遙控的RF模塊28連接到控制器。公知該設備操作在有限的距離上在近似433MHz的頻率上，因而不需要FCC許可(或相當的)。可選擇地，可以應用其他無線通信模式例如可以使用蜂窩或藍牙。在物體被升高到永久固定位置的情況中例如當用于純裝飾性目的或者可能用于固定顯示如緊急出口標志、廣告等等的情況中，遙控是非必要的。在該情況中，可以提供耦合到控制器15的校準刻度盤(未顯示)，其帶有根據要支撐的重量和希望的高度來校準的刻度。可以根據依附物體的重量和其必須被升高到的高度設置刻度盤，以便在完全正確的壓力上將足夠數量的空氣抽入氣球12中以產生希望的浮力。可選擇地，當支撐結構與物體一體時，僅需要根據高度來設置刻度盤，因為支撐結構的重量是不變的。而在其他實施方式中，不提供外部校準并且控制器被預設為將支撐結構升高到當沒有由支撐結構攜帯外部物體時在エ廠中預先確定的高度或者將要根據由支撐結構攜帯的外部物體的重量改變的高度。在圖2a和2b中所示的實施方式中，外圍繞物13是堅硬的并且具有固定的體積而不管其中容納的氦氣的數量，而中空內圍繞物12是彈性的。在該情況中，增加外氣球中的氦氣的數量就増加總質量，但是對氣球的浮力具有可忽略的影響。因此對于外氣球中固定的氦氣質量，通過改變內氣球中的空氣的質量來實現高度調整。圖3a和3c顯示了外圍繞物13和內中空圍繞物12都是彈性的可選擇的結構。向外氣球增加氦氣就增加它的質量和體積。體積的增加就增加了氣球的浮力,其升高氣球,而質量的結果增加降低了氣球。因此在該實施方式中，支配性的控制因素也是內氣球中的空氣的質量，外氣球中的氦氣的數量的任意改變變得較不重要。可選擇地(未顯示)僅外圍繞物13可以是彈性的。在全部這些實施方式中，使用大氣空氣作為控制氣體，因而吸入或者釋放空氣的內圍繞物作為用于外圍繞物的壓載艙，就像用于調整潛水艇的浮力的壓載艙。這具有不需要將外部氣體供應耦合到泵的優點。但是為了完整起見，本發明的原理也可以逆向應用于氦氣作為控制氣體吋。在該情況中，可以將氦氣吸入內弾性圍繞物以增加浮力并且從內彈性圍繞物釋放以降低浮力。這是較不吸引人的，因為外部氦氣源必須由支撐結構負擔并且耦合到泵入口。這增加了結構的重量并且浪費氦氣，氦氣與環境空氣不同必須周期性地補充。然而當要支撐固定的輕量物體時可以使用該實施方式，因而可以由小體積氣球提供所需要的浮力。可以使用外堅硬圍繞物，它的固定體積作為用于提供所需要浮力的氦氣的希望體積。在該實施方式中，通過將氦氣吸入內氣球中直到其碰到外圍繞物的內部輪廓為止以實現期望的浮力。忽略補償環境溫度中的波動可能需要的任意精細的調諧，氣球中的氦氣的體積足以提升物體。
此外，可以使用這樣ー種實施方式，在支撐結構上攜帯小型氦氣瓶以便通過利用氦氣填充外腔室來發射物體，而此后通過如上所述通過吸入或排出內氣球的空氣來調節高度。支撐結構可以是可折疊的，因而在從地面或從空中發射之后，從氦氣瓶中排放氦氣到外圍繞物中因而導致外圍繞物的充氣和支撐結構的布置。可選擇地，然后可以自動拋棄空的
氦氣瓶。參考圖4和5，顯示了根據ー個實施方式的控制系統10的示圖。支撐結構11包括圓形頂盤30，在圓形頂盤30的邊緣的周圍焊接外圍繞物(在這些圖中未顯示)，因而邊緣提供氣密封。在頂盤30的下表面上形成螺紋孔(未顯示)，用于接合經過從一對對立的半圓柱形側面部分33和34的外部可進入的孔32插入的螺絲釘31，以便將側面部分33和34固定到頂盤30的下表面。在每個側面部分33和34的內表面上形成朝向它們的下邊緣的各自的弧形邊緣35，并且弧形邊緣接合底座盤37中的圓周槽36。在組裝期間，控制器15 (圖1中所示)和相關組件被安裝到底座盤37上，此后側面部分33和34被安裝到底座盤上并且隨后被螺絲釘31固定到頂盤30，以便形成基本上圓柱形的外殼38 (圖5a中所示)，外殼38的頂部支撐外圍繞物13。頂盤30包括中央孔40，通過中央孔40將錐形肋連接器41密封插入，并且在中央孔40上安裝彈性氣球，因此允許空氣被吸入內彈性氣球12或從內彈性氣球12釋放。將頂盤30中的孔42連接到氣體入口 43，氣體入口 43經過側面部分33中的孔44突出并且被蓋45終接，蓋45被經由管道(未顯示)連接到氣體入口 43。氣體入口 43允許氦氣從外部源被吸入外圍繞物，此后由塞子46密封蓋45以防止氦氣逃逸。可選擇地，蓋45可以是單向閥，在該情況中塞子46是非必要的。還在頂盤30中形成多個凹陷的孔47，在孔47中密封地依附圖5a中所示的各個透鏡48。透鏡48將光從LED 25傳遞到外圍繞物13，外圍繞物13是至少部分透明的以便發射LED的光。將LED 25安裝到具有孔49的雙面印刷電路板(PCB) 49的上表面，其中將PCB通過孔49螺釘固定到頂盤30中各自的螺紋孔51。在圖4a和4b中還顯示了海拔傳感器14、泵17和電池23以及允許外部充電器的連接以便再充電電池23的充電器端子52。充電器端子52經過底座盤37中的孔53突出并且被螺帽54固定。主開關24經過孔55被安裝并且由螺帽56固定到側面部分內部。圖1中所示的管道的第一部分18在ー個末端被耦合到泵17的出口并且它的對立末端被依附到與被插入連接器41并且與連接器41互補的錐形肋連接器。管道的第二部分20在ー個末端被連接到電磁閥21的入口，它的對立分支從如圖1中所示的第一部分18分叉。在圖4a和4b中未顯示該管道以免模糊其中顯示的其他組件。在實際實施方式中，海拔傳感器14能夠以不大于±1米的誤差測量高達50米的高度。控制器15響應于用于指示希望的預設海抜的第一基準信號以將支撐結構發射到該海抜。此后，控制器15可以響應于用于指示即時海抜與該預設海拔之間的可允許差異的第ニ基準信號，將高度維持在指定容限內。可以由遙控單元外部地設置并且持續地改變該基準信號。在以上實施方式精簡到實踐的原型中，海拔傳感器是由美國亞利桑那州的MaxBotix 公司生產的LV-MaxSonar -EZ3 型聲納范圍探測器。泵是美國北卡羅來納州的Hargraves生產的9伏特電刷電動機CTS隔膜泵型A.1C25N1.C09VDC,并且電磁閥是同樣由Hargrves生產的75型Magnum 5伏特2瓦特15PSI閥。在圖5b和5c中顯示了LV-MaxSonar -EZ3 聲納范圍探測器的外部，其以25.4毫米的分辨率檢測從0到6.45米的物體。圖6a和6b是顯示具有圖2a和2b中所示的結構的控制器15的操作的流程圖。為了方便起見，控制器15根據兩個不同狀態來操作。圖6a顯示了在氣球12達到穩定狀態之前例如當設備首次從它的靜止狀態上升時執行的初始化程序。在該狀態中，外圍繞物13充滿氦氣并且內氣球12實質上是空的。優選僅當在內氣球中存在足夠的空氣時反饋控制才起效，以防止氣球不受控制地上升，因為如果氣球在不足空氣下被釋放則其可能飛得遠超出希望的高度之后才有足夠的空氣將其重壓下來。由于兩個原因，這是不希望的。首先，在內氣球中具有足夠的空氣之前的短時間周期期間，設備失去控制。其次，如果飛得過高則可能存在其將不再處于海拔傳感器的操作范圍中的風險。恢復控制的唯一方法將是使用遙控迫使設備下降，以便逐漸向內氣球增加空氣，因為如果太多空氣被吸入內氣球則存在內氣球爆裂的危險。事實上，初始化程序允許與由海拔傳感器提供的反饋控制獨立地控制氣球，直到設備達到穩定狀態為止，當設備達到穩定狀態時允許反饋控制。因此，在圖6a中，控制器確定該設備是否高于指定的基準線高度，其中該基準線高度被設置為故意低的水平以導致控制器推斷該設備過高。這迫使控制器激活泵以便填充氣球。即使當保持該設備以防止其在氦氣填充的外圍繞物的浮力之下上升時這也可以完成。當在內氣球中有足夠的空氣時，可以使用RF控制來改變狀態，于是如圖6b中所示地開始正常狀態，圖6b顯示了高度為與預設希望高度相當的高度時的簡單的反饋機制。如果高度大于該預設高度，則激活該泵以便將更多空氣吸入內氣球，因此導致設備下降。如果高度低于預設高度則激活該閥以便從內氣球釋放空氣，因此導致設備上升。在兩個狀態中，RF控制器能夠改變當前狀態并且被用于將設備從穩定狀態降到地面。其還可用于在設備是浮燈的情況中控制LED，因而在可以在無須使燈降回到地面水平的情況下打開并且關閉該燈。但是如前所示，LED可用于作為高度指示器，該情況中，被點亮的LED的數量可用作高度的指示。可選擇地，可以根據測量的高度點亮不同顔色的LED。在該情況中LED除了被用作主照明源之外，LED還可以用作可視高度指示器。圖4和5中所示的設備的操作基于公知的氣體定律并且在我們更早的WO07/036930中被詳述。在這里不重復，首先因為其是公知常識并且更重要的是因為本發明的控制器不需要實際物理知識。其事實上這是與WO 07/036930中所述的設備完全分離地設置的。原因是在WO 07/036930中不存在控制器并且不存在反饋機制，由預校準壓カ調節閥實現高度控制。在該情況中，在エ廠中根據假設的環境條件調整閥以將漂浮氣球中的氦氣的壓カ調整到正確值，以便浮力足以提升具有指定重量的物體。這不允許在希望的預定高度上支承具有不同重量的物體。可選擇地，可以提供被校準在相當于增加質量的単位的刻度盤，以便允許通過調整刻度盤在希望的預定高度上支持具有不同重量的物體。但是，在控制器簡單地基于該設備的即時高度是否小于或大于預設高度來調整(如由圖1中的泵和釋放閥構成的)高度變換器的情況中，在本發明中不可應用這些條件。事實上在上述實施方式中，外圍繞物的浮力是不可變的，通過改變內氣球中的空氣的重量來實現高度控制。這么說，具有給定重量的支撐結構將漂浮到的標稱高度不需要理解物理知識。因此，顯然需要根據支撐結構的組合重量來選擇內和外圍繞物的尺度，該尺度決定外圍繞物中的氦氣的體積以及內圍繞物中的氣體的抵消重量。現在下面給出用于決定這些設計計算的相關理論。在平衡時，作用在支撐結構和任意依附物體上的向上的浮力被重量精確地反平衡。外氣球浮在空氣中并且因此如下給出它的浮力:Fb = P AirxvTxSd)其中Vt是外圍繞物的體積；PAir是空氣的密度；并且g是由于重力的加速度。如下給出反作用重量:W = (mobJect+mAir+mHe) X g ⑵因此，為了支持質量為0.3千克的物體:(0.3+mAir+mHe) Xg= P AirXVTXg(3)應用通用氣體定律:PXV = mXRXT(4)
[11 '
權利要求
1.一種可控制浮力系統(10)，包括: 支撐結構(11)，具有密封的中空圍繞物(12)，所述中空圍繞物用于容納第一氣體并且被第二氣體包圍，使得所述第一氣體或所述第二氣體比環境空氣輕，經由防止所述第一氣體從所述中空圍繞物逃逸的單向閥用所述第一氣體預填充所述中空圍繞物， 海拔傳感器(14)，用于生成指示所述支撐結構的高度的海抜信號， 高度變換器(17、21、61、66、67、68)，被耦合到所述支撐結構并且響應于所述海拔信號以改變所述支撐結構的浮力，以及 控制器(15)，被耦合到所述海拔傳感器和所述高度變換器并且響應于所述海拔信號和至少ー個基準海抜信號以自動控制所述高度變換器以便維持所述支撐結構漂浮在預設海拔上。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述海拔傳感器(14)能夠以不大于±1米的誤差測量高達50米的高度。
3.如權利要求1或2所述的系統，其中，所述至少一個基準海抜信號包括指示希望的預設海拔的第一基準信號。
4.如權利要求1到3中任一項所述的系統，其中，所述至少一個基準海抜信號包括指示即時海拔與所述預設海抜之間的可允許差異的第二基準信號。
5.如權利要求1到4中的任一項所述的系統，其中: 所述中空圍繞物是彈性的并且被布置在容納所述第二氣體的外圍繞物之中， 所述第一氣體作為壓艙物，并且 所述控制器響應于所述海 拔信號以調整所述中空圍繞物中的所述第一氣體的質量，以便維持所述支撐結構漂浮在預設海抜上。
6.如權利要求5所述的系統，其中: 經由可釋放的閥(21)將泵(17)耦合到所述中空圍繞物的入口，并且 所述控制器響應于所述海拔信號以抽吸第一氣體進入所述中空圍繞物，以便使所述中空圍繞物充氣，或者以開啟所述可釋放的閥以便將所述內中空圍繞物放氣。
7.如權利要求1到6中的任一項所述的系統，其中，所述第一氣體是空氣。
8.如權利要求1所述的系統，其中: 所述高度變換器包括在所述中空圍繞物內部的至少ー個電氣加熱元件(61)，并且 所述控制器響應于所述支撐結構下降到低于所述預先確定的海抜來加熱所述第一氣體以便增加所述中空圍繞物的所述浮力，并且控制器響應于所述支撐結構上升到高于所述預先確定的海抜來允許所述第一氣體冷卻以便降低所述中空圍繞物的所述浮力。
9.如權利要求8所述的系統，其中: 所述控制器被適配為通過將所述至少一個電加熱元件斷開能量來冷卻所述第一氣體以便允許所述第一氣體被動地冷卻。
10.如權利要求8所述的系統，還包括: 用于主動地冷卻所述第一氣體的冷卻設備； 所述控制器被適配為通過除了對所述至少ー個電加熱元件斷開能量之外向所述冷卻設備供能來冷卻所述第一氣體。
11.如權利要求5所述的系統，其中:所述中空圍繞物基本上是堅硬的， 所述高度變換器包括在所述中空圍繞物內部用于將所述中空圍繞物的壁(67)耦合到所述控制器的體積調整設備(66)，并且 所述控制器響應于所述支撐結構下降到低于所述預先確定的海拔來調整所述體積調整設備以便増加所述中空圍繞物中的氣體的體積并且從而增加所述中空圍繞物的浮力，并且響應于所述支撐結構上升到高于所述預先確定的海拔來調整所述體積調整設備以便減小所述中空圍繞物中的氣體的體積并且從而降低所述中空圍繞物的浮力。
12.如權利要求11所述的系統，其中: 所述體積調整設備是繩索，所述繩索的第一末端被錨定到所述中空圍繞物的內壁并且所述繩索的第二末端被耦合到所述控制器，并且 所述控制器被適配為通過調整所述繩索的張カ來改變所述中空圍繞物中的所述氣體的體積。
13.如權利要求12所述的系統，其中，經由電動機(68)將所述繩索(61)耦合到所述控制器(15)，由所述控制器促動所述電動機以纏繞或展開所述繩索以便分別增加或減小所述繩索中的所述張力。
14.如權利要求1所述的系統，其中: 將所述中空圍繞物放置在容納所述第二氣體的弾性外圍繞物中， 將泵(17)經由可釋放的閥(21)耦合 到所述外圍繞物的氣體入口，并且 所述控制器響應于所述海拔信號，將第二氣體抽吸到外中空圍繞物中以便將所述外中空圍繞物充氣，或者開啟所述可釋放的閥以便將所述外中空圍繞物放氣。
15.如權利要求1到14中的任一項所述的系統,其由電池(25)自供電。
16.如權利要求1到14中的任一項所述的系統，其由被傳遞到該電設備的輻射供電。
17.如權利要求16所述的系統，其由太陽能供電。
18.如權利要求1到17中的任一項所述的系統，其中，所述支撐結構作為用于支持依附物體的平臺。
19.如權利要求1到18中的任一項所述的系統，其具有被耦合到所述控制器以用于設置所述預設海抜的選擇器。
20.如權利要求1到19中的任一項所述的系統，還包括被耦合到所述控制器以用于所述控制器的遠程促動的遙控單元(28)。
21.如權利要求20所述的系統，其中，所述遙控單元是RF模塊(28)。
22.如前述權利要求的任一項所述的系統，其中，所述控制器被適配為執行初始化階段直到所述支撐結構達到穩定狀態為止，并且隨后執行調節階段以維持所述支撐結構處于希望的預設海抜上。
23.如權利要求20到22中的任一項所述的系統，其中，由唯一ID標識所述支撐結構(11)，并且所述控制器響應于所述唯一 ID來將接收的海抜信號與所述支撐結構相關聯并且向所述支撐結構中的所述高度變換器發送控制信號，因而允許由遙控器(29)進行對多個支撐結構的遙控。
24.如權利要求23所述的系統，包括多個支撐結構，每個支撐結構包括各自的控制器，全部所述控制器被互相地同歩。
25.如權利要求1到24中的任一項所述的系統，其中，所述海拔傳感器被適配為以小于100毫米的分辨率測量從0到6.45米的高度。
26.如權利要求1到25中的任一項所述的系統，其具有小于5千克的組合質量。
27.ー種用于將根據權利要求22所述的系統上升到所述預設海抜的方法，所述方法包括: 指定小于所述希望的預設海抜的基準線高度；在所述初始化階段使用所述基準線高度作為用于所述控制器的基準，因而控制器推斷所述設備過高并且激活所述高度變換器以將空氣抽吸到所述中空圍繞物(12)中；以及 當在內氣球中有足夠的空氣時改變到所述調節階段。
28.如權利要求27所述的方法，其中，在所述初始化階段期間阻止所述支撐結構在填充氦氣的外圍繞物的浮力之下上升。
29.如權利要求27或28所述的方法，包括使用遙控從所述初始化階段改變到所述調節階 段。
全文摘要
一種可控制浮力系統(10)包括支撐結構，該支撐結構具有密封的中空圍繞物(12)，該中空圍繞物容納第一氣體并且被第二氣體包圍，該第一氣體或該第二氣體比環境空氣輕。經由防止該第一氣體逃逸的單向閥用該第一氣體預填充該中空圍繞物，并且海拔傳感器(14)生成用于指示該支撐結構的高度的海拔信號。耦合到該中空圍繞物的高度變換器(17、21、61、66、67、68)響應該海拔信號以改變該支撐結構的浮力。控制器(15)被耦合到該海拔傳感器和該高度變換器并且響應該海拔信號和至少一個基準海拔信號以自動控制該高度變換器以便維持該支撐結構漂浮在預設海拔上。
文檔編號A63H27/10GK103140265SQ201180032736
公開日2013年6月5日 申請日期2011年5月24日 優先權日2010年5月25日
發明者O·申哈 申請人:紐克里特有限公司