一種潛水器用浮力調節及壓力補償系統的制作方法

本實用新型屬于潛水器浮力調節和壓力補償裝置領域，特別涉及該領域中的一種適用于水下機器人、水下觀測平臺等水下潛水器的浮力調節及壓力補償系統。

背景技術：

當前，潛水器的浮力驅動有三種方案：

第一種方案是利用高壓氣瓶中的高壓氣體，排擠水箱中的海水，實現浮力調節。這種方案的氣體壓力需高于水深壓力，當水深增加到一定程度時，氣源發生裝置所需的體積急劇增加，能耗急劇，故對于深海無法采用。

第二種方案是采用外軟油囊、內耐壓油箱及油液壓泵。水深壓力將油直接壓入內耐壓油箱，排水體積減小，浮力減小，實現下潛。當油液壓泵將液壓油從內耐壓油箱壓入外軟油囊時，排水體積增大、浮力增加，重量未變，實現上浮。為了保證深海環境下液壓泵不吸空，這種方案還需額外的油箱壓力補償系統（如增壓泵或真空泵系統）以補償真空度不足的缺陷。故此種方案的浮力調控系統復雜、笨重、浮力調控有限、油液壓泵工作壓力高（≥水深壓力）。

第三種方案是在觀測平臺內放置耐壓水箱，其容積等于所需最大浮力調節量。需要調節浮力時，用高壓海水液壓泵將水箱中的水排出，或從外界注入水，使重量發生變化，實現上浮或下潛。這種浮力調控方案雖系統簡單，但仍需高壓泵（≥水深壓力）和水箱壓力補償系統，能耗較大，且受海水液壓實現高壓化困難的限制。

總之，隨著觀測深度的增加，潛水器艙體所承受的環境壓力相應增大，現有技術方案不能很好地解決潛水器在浮力驅動及壓力補償等方面的難題。因此，有必要探索浮力驅動新方案，以提高浮力調控性能。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題就是提供一種潛水器用浮力調節及壓力補償系統和方法。

本實用新型采用如下技術方案：

一種潛水器用浮力調節及壓力補償系統，其改進之處在于：所述的系統包括殼體，殼體內充有一定壓力的氣體，殼體上安裝有兩個以上的彈性氣囊，所述的彈性氣囊內充有一定壓力的氣體，并且透過包覆在其外的帶孔保護殼與殼體內外相接觸，所述各個彈性氣囊內所充氣體的壓力均不相同，并且殼體內的氣體壓力低于彈性氣囊內的氣體壓力；殼體內設置彈性水囊、雙向海水液壓泵和海水電磁閥，并且彈性水囊通過上述的雙向海水液壓泵和海水電磁閥與殼體外的水環境相通以便進行彼此之間的水傳遞；殼體內還設置與雙向海水液壓泵相連接的電機，控制電機和海水電磁閥工作的控制系統以及為殼體內各裝置供電的電源。

進一步的，殼體和/或彈性氣囊內充的氣體均為惰性氣體。

進一步的，所述的帶孔保護殼一側位于殼體外，一側位于殼體內，并且在其兩側表面上各分布有一個以上的通孔。

進一步的，所述的帶孔保護殼由多孔介質材料制成。

進一步的，所述的控制系統通過壓力傳感器獲取殼體外水環境的壓力值。

進一步的，所述的殼體上設置過濾器，海水電磁閥通過上述的過濾器與殼體外的水環境相通。

一種潛水器用浮力調節及壓力補償方法，使用上述的系統，其改進之處在于，包括如下步驟：

（1）在下潛時，控制系統控制海水電磁閥通電接通外部水環境向彈性水囊的單向水路，在彈性氣囊內的氣體壓力大于等于外部水環境壓力時，控制系統控制電機轉動驅動雙向海水液壓泵將外部水環境的水壓入彈性水囊，殼體體積不變質量增加實現下潛；

彈性水囊得水后體積增大，而殼體內的氣體體積減小，壓力升高，在殼體內的氣體壓力逐漸高于各個彈性氣囊內氣體壓力的過程中，殼體內氣體可透過帶孔保護殼朝殼體外方向按照從低壓到高壓的順序依次擠壓各個彈性氣囊，以便降低殼體內氣體壓力的增長速度，實現壓力調節；

在外部水環境壓力開始高于彈性氣囊內的氣體壓力時，控制系統控制電機停止轉動、控制海水電磁閥斷電關閉外部水環境向彈性水囊的單向水路，外部水環境壓力可透過帶孔保護殼朝殼體內方向按照從低壓到高壓的順序依次擠壓各個彈性氣囊，使系統體積減小，浮力減小，實現自動下潛；

（2）在上浮時，控制系統控制海水電磁閥通電接通彈性水囊向外部水環境的單向水路、控制電機轉動驅動雙向海水液壓泵將彈性水囊的水壓入外部水環境，殼體體積不變質量減小實現上浮；

在外部水環境壓力開始低于各個彈性氣囊內的氣體壓力時，彈性氣囊按照從高壓到低壓的順序朝殼體外方向膨脹，使系統浮力增加，輔助上浮；

彈性水囊失水后體積減小，殼體內的氣體體積增加、壓力降低，各個彈性氣囊內的氣體壓力也在降低，如在此過程殼體內的氣體壓力高于部分彈性氣囊內的氣體壓力，殼體內氣體可透過帶孔保護殼朝殼體外方向按照從低壓到高壓的順序依次擠壓這部分彈性氣囊，以便降低殼體內氣體壓力的降低速度，實現壓力調節。

進一步的，在上浮時，控制系統通過壓力傳感器獲取殼體外水環境的壓力值，如殼體外水環境的壓力值降至某一設定值，則控制系統控制電機停止轉動、控制海水電磁閥斷電斷開彈性水囊向外部水環境的單向水路。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型所公開的潛水器用浮力調節及壓力補償系統，浮力調節由閉式油液壓向開式海水液壓轉變，擴大浮力調節范圍、提高可靠性及與環境相容性。結構簡單，通過改變殼體的質量調節殼體的下潛和上浮，實現對水下機器人、浮標、水下滑翔機等潛水器的下潛和上浮控制；有效利用海洋壓差能，極大降低浮力調節總量，提高系統效率。以最大工作壓力約為水深壓力1/4的雙向海水液壓泵實現潛水器的大潛深升降，降低核心元件成本和加工制造難度。

本實用新型所公開的潛水器用浮力調節及壓力補償系統和方法，殼體上安裝充有一定壓力氣體的彈性氣囊，彈性氣囊與殼體內的氣體相接觸，在殼體內的氣體壓力高于彈性氣囊內的氣體壓力時，朝殼體外方向擠壓彈性氣囊，實現殼體內氣體壓力的近線性調控，主動補償殼體內外壓差；彈性氣囊還與殼體外的水環境相接觸，當潛水器下潛至水深壓力大于彈性氣囊內的氣體壓力后，在水深壓力的作用下，外部水環境壓力朝殼體內方向擠壓彈性氣囊，實現殼體內氣體壓力的被動近線性調控，補償殼體內外壓差，同時系統體積減小，實現自動無能耗下潛。通過以上設置實現對浮力的主/被動調控，實現變質量（主動）和變體積（被動）浮力調節及殼體內外壓力補償，極大降低殼體承受壓差，減小殼體壁厚及重量。潛水器在半潛深以上作業時，即使電機故障失效，在殼體內氣體壓力的作用下，通過海水電磁閥向外部水環境的單向水路，實現向外排水、減輕重量，實現上浮，降低了潛水器沉沒丟失的概率。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例1所公開的潛水器用浮力調節及壓力補償系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型實施例1所公開的系統中彈性氣囊與帶孔保護殼之間的位置關系示意圖；

圖3是由多孔介質材料制成的帶孔保護殼的結構示意圖；

圖4是本實用新型實施例1所公開系統的殼體內部氣體壓力與外部水環境壓力的變化趨勢圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

實施例1，如圖1所示，本實施例公開了一種潛水器用浮力調節及壓力補償系統，所述的系統包括殼體5，殼體5內充有一定壓力的氣體，殼體5上安裝有兩個以上的彈性氣囊6，如圖2所示，所述的彈性氣囊6內充有一定壓力的氣體，并且透過包覆在其外的帶孔保護殼61與殼體5內外相接觸，所述各個彈性氣囊6內所充氣體的壓力均不相同，并且殼體5內的氣體壓力低于彈性氣囊6內的氣體壓力，在本實施例中，彈性氣囊6的數量為A、B、C、D四個，且內部氣體壓力A＜B＜C＜D。

殼體5內設置彈性水囊4、雙向海水液壓泵2和海水電磁閥1，并且彈性水囊4通過上述的雙向海水液壓泵2和海水電磁閥1與殼體5外的水環境相通以便進行彼此之間的水傳遞；殼體5內還設置與雙向海水液壓泵2相連接的電機3，控制電機3和海水電磁閥1工作的控制系統以及為殼體5內各裝置供電的電源。

作為一種可供選擇的方式，在本實施例中，殼體5和/或彈性氣囊6內充的氣體均為惰性氣體。所述的帶孔保護殼61一側位于殼體外，一側位于殼體內，并且在其兩側表面上各分布有一個以上的通孔611，在通孔611數量較多時，各通孔611均勻分布在帶孔保護殼61表面構成衛星孔。如圖3所示，所述的帶孔保護殼61可以直接使用多孔介質材料制成。所述的控制系統通過壓力傳感器7獲取殼體5外水環境的壓力值。所述的殼體5上設置過濾器8，海水電磁閥1通過上述的過濾器8與殼體5外的水環境相通。

本實施例還公開了一種潛水器用浮力調節及壓力補償方法，使用上述的系統，包括如下步驟：

（1）在下潛時，控制系統控制海水電磁閥通電接通外部水環境向彈性水囊的單向水路，在彈性氣囊內的氣體壓力大于等于外部水環境壓力時，控制系統控制電機轉動驅動雙向海水液壓泵將外部水環境的水壓入彈性水囊，殼體體積不變質量增加實現下潛；

彈性水囊得水后體積增大，而殼體內的氣體體積減小，壓力升高，在殼體內的氣體壓力逐漸高于A、B、C、D彈性氣囊內氣體壓力的過程中，殼體內氣體可透過帶孔保護殼朝殼體外方向按照A、B、C、D的順序依次擠壓各個彈性氣囊，以便降低殼體內氣體壓力的增長速度，實現壓力調節；

如圖4所示，在外部水環境壓力開始高于彈性氣囊內的氣體壓力時，控制系統控制電機停止轉動、控制海水電磁閥斷電關閉外部水環境向彈性水囊的單向水路，外部水環境壓力可透過帶孔保護殼朝殼體內方向按照A、B、C、D的順序依次擠壓各個彈性氣囊，使系統體積減小，浮力減小，實現自動下潛；

（2）在上浮時，控制系統控制海水電磁閥通電接通彈性水囊向外部水環境的單向水路、控制電機轉動驅動雙向海水液壓泵將彈性水囊的水壓入外部水環境，殼體體積不變質量減小實現上浮；

在外部水環境壓力開始低于各個彈性氣囊內的氣體壓力時，彈性氣囊按照D、C、B、A的順序朝殼體外方向膨脹，使系統浮力增加，輔助上浮；

彈性水囊失水后體積減小，殼體內的氣體體積增加、壓力降低，各個彈性氣囊內的氣體壓力也在降低，如在此過程殼體內的氣體壓力高于部分彈性氣囊內的氣體壓力，殼體內氣體可透過帶孔保護殼朝殼體外方向按照A、B、C、D的順序依次擠壓這部分彈性氣囊，以便降低殼體內氣體壓力的降低速度，實現壓力調節。

作為一種可供選擇的方式，在本實施例中，在上浮時，控制系統通過壓力傳感器獲取殼體外水環境的壓力值，如殼體外水環境的壓力值降至某一設定值，則控制系統控制電機停止轉動、控制海水電磁閥斷電斷開彈性水囊向外部水環境的單向水路

本實施例所公開的方法，通過在殼體上安裝四個充有一定壓力氣體的彈性氣囊，彈性氣囊與殼體內的氣體相接觸，在殼體內的氣體壓力高于彈性氣囊內的氣體壓力時，朝殼體外方向擠壓彈性氣囊，實現殼體內氣體壓力的近線性調控，主動補償殼體內外壓差；彈性氣囊還與殼體外的水環境相接觸，當潛水器下潛至水深壓力大于彈性氣囊內的氣體壓力后，在水深壓力的作用下，外部水環境壓力朝殼體內方向擠壓彈性氣囊，實現殼體內氣體壓力的被動近線性調控，補償殼體內外壓差，同時系統體積減小，實現自動無能耗下潛。潛水器在半潛深以上作業時，即使電機故障失效，在殼體內氣體壓力的作用下，通過海水電磁閥向外部水環境的單向水路，實現向外排水、減輕重量，實現上浮，降低了潛水器沉沒丟失的概率。