耦合横滚调节和浮力调节的滑翔器调节装置

摘要

本发明提供一种耦合横滚调节和浮力调节的滑翔器调节装置，包括外部框架、内部框架，内部框架通过两根短轴铰接安装在外部框架内，外部框架的一侧安装有步进电机，步进电机的输出端连接有蜗杆，一根短轴的端部穿过外部框架且其上安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，内部框架上安装有直流电机，直流电机的输出端连接油泵，油泵的输出端连接有阀块，阀块设置有两个输油口，且一个输油口通过软管与设置在内部框架中的内油箱连接、另一个输油口通过软管与涡轮流量计的一端连接，涡轮流量计的另一端通过软管与皮囊连接，在所述内部框架中间还设置有电池组。本发明结构设计紧凑，空间利用效率高，控制可靠，适用于旋转体外壳的滑翔式潜水器。

权利要求

1.耦合横滚调节和浮力调节的滑翔器调节装置，其特征在于：包括由两块外层板以及设置在两块外层板之间的连杆构成的外部框架、由两块内层板以及设置在两块内层板之间的连杆构成的内部框架，所述内部框架通过两根短轴铰接安装在外部框架内，所述外部框架的一侧安装有步进电机，步进电机的输出端连接有蜗杆，一根短轴的端部穿过外部框架且短轴上安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，内部框架上安装有直流电机，直流电机的输出端连接油泵，油泵的输出端连接有阀块，阀块设置有两个输油口，且一个输油口通过软管与设置在内部框架中的内油箱连接、另一个输油口通过软管与涡轮流量计的一端连接，涡轮流量计的另一端通过软管和不锈钢卡套直通穿板接头与皮囊连接，在所述内部框架中间还设置有电池组。

说明书

耦合横滚调节和浮力调节的滑翔器调节装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种滑翔式潜水器的驱动和运动控制装置，尤其涉及一种耦合横滚调节和浮力调节的滑翔器调节装置。

背景技术

[0002] 滑翔式潜水器结合了水下无人潜水器和浮标的技术特点，是一种典型的海洋探测平台。其运动由浮力与重力差提供，配合重心的调整以及主翼和尾翼的作用，实现锯齿形向前滑翔，它具有低成本、低噪声、长航程等优点，可用于测量大范围内海水的盐度、温度、海流，甚至可以记录海洋生物声音，并且可以实现海洋环境数据的在线传输。

[0003] 滑翔式潜水器运动的根本动力来自于重力与浮力的差，因此必须有相应的调节机构。调节机构一般通过调节潜水器的浮力或者重力来实现上浮或下潜。为了保证一定的机动性，滑翔式潜水器需要相应的横滚调节机构。现有的横滚调节则主要有改变重心在横向上的位置和尾翼调节两种方式。而为了简化滑翔式潜水器系统设计的复杂性，一般会选择前者作为横滚调节方式。所以一般的滑翔式潜水器的水密舱内都包括了浮力调节系统与横滚调节系统，但是现有的滑翔式潜水器都是将两者独立设计的，空间并没有得到充分的利用。这对滑翔式潜水器的负载能力造成一定的不利影响。为了降低滑翔式潜水器内部结构的冗余度，本发明利用浮力调节系统进行优化设计，提出了一种耦合了浮力调节和横滚调节的滑翔器调节装置。具体的说，就是在满足浮力调节的基础上，利用浮力调节系统的内部执行结构进行横滚调节。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了提供一种能同时调节滑翔式潜水器自身浮力和重心在横向上的位置的耦合横滚调节和浮力调节的滑翔器调节装置，既能驱动滑翔式潜水器的上浮或下潜，并能控制滑翔式潜水器的的横滚运动，还能充分利用有效的空间。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：包括由两块外层板以及设置在两块外层板之间的连杆构成的外部框架、由两块内层板以及设置在两块内层板之间的连杆构成的内部框架，所述内部框架通过两根短轴铰接安装在外部框架内，所述外部框架的一侧安装有步进电机，步进电机的输出端连接有蜗杆，一根短轴的端部穿过外部框架且其上安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，内部框架上安装有直流电机，直流电机的输出端连接油泵，油泵的输出端连接有阀块，阀块设置有两个输油口，且一个输油口通过软管与设置在内部框架中的内油箱连接、另一个输油口通过软管与涡轮流量计的一端连接，涡轮流量计的另一端通过软管与皮囊连接，在所述内部框架中间还设置有电池组。

[0006] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种在不改变滑翔式潜水器总质量的情况下，既可以改变滑翔式潜水器浮力，又可以利用浮力调节系统的内部调节结构充当偏心质量块进行横滚调节的装置。而且本发明可以调节滑翔式潜水器的重力与浮力差，驱动滑翔式潜水器的上浮或下潜，同时改变滑翔式潜水器重心在横向上的位置，使得滑翔式潜水器产生横滚运动。本发明结构设计紧凑，空间利用效率高，控制可靠，适用于旋转体外壳的滑翔式潜水器。

附图说明

[0007] 图1(a)是本发明的内部执行机构的结构示意图，图1(b)是图1(a)中A部分的放大示意图，图1(c)是图1(a)中B部分的放大示意图；

[0008] 图2是本发明的浮力调节系统的连接示意图；

[0009] 图3是不锈钢卡套直通穿板接头的水密处理方式；

[0010] 图4是本发明的工作流程图。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0012] 结合图1(a)至图4，本发明的主要构成部分包括：步进电机1、蜗杆2、涡轮3、短轴4-1、短轴4-2、轴承5-1和5-2、外层亚克力板6-1和6-2、连轴固定端7-1和7-2、内层亚克力板8-
1和8-2、涡轮流量计9、直流电机10、电池组11-1、11-2、11-3和11-4、阀块12、油泵13、内油箱
14、连杆15、皮囊16、不锈钢卡套直通穿板接头17、不锈钢卡套接头18、输油孔19、连接软管
20以及水密外壳。

[0013] 皮囊16位于水密外壳外部，与水介质接触，裸露在水介质中。内油箱14则位于水密舱内部，固定在油泵13的上方。直流电机10的输出端穿过阀块与油泵13连接，油泵13的输出端连接有阀块12，阀块12上设置有两个输油口19，所述四者构成常见的往复式液压动力单元。阀块12上的两个输油口19，通过连接软管20，分别与皮囊16和内油箱14连接，形成一个闭合的浮力调节机构。通过直流电机10的正反转，可以使得液油在内油箱14和皮囊16之间往复移动，改变皮囊16的体积，从而起到改变滑翔式潜水器浮力大小的效果。

[0014] 4根小直径连杆15绕圆均等分布，固定两块类半圆的内层亚克力板8-1和8-2，使两块内层亚克力板8-1和8-2不能有任何的相对位移，构成一个内部框架。另外，4根小直径连杆15绕圆均等分布，固定两块圆型的外层亚克力板6-1和6-2，使两块外层亚克力板6-1和6-2不能有任何的相对位移，构成一个外部框架。内部框架设置在外部框架囊括的空间内。连轴固定端7-1和7-2的一端分别固定在内层亚克力板8-1和8-2上，另一端则分别连接短轴4-
1和短轴4-2的一端。而短轴4-1和短轴4-2的另一端则穿过外层亚克力板6-1和6-2的圆心，通过轴承5-1和5-2固定，使得整个内部框架可以绕轴转动。其中短轴4-1稍长，且完全穿过外层亚克力板8-1，其突出端安装蜗轮3，蜗轮3与蜗杆2啮合实现运动的传递。蜗杆2与步进电机1的输出端连接。由直流电机10、油泵13和阀块12构成的往复式液压动力单元和内油箱
14被固定在内部框架上，剩余空间加装4个电池组11-1、11-2、11-3和11-4，充当旋转偏心质量块，提高了空间利用率和系统的能源总容量，并且增加压载，扩大横滚角调节的范围。步进电机1带动蜗杆2，蜗杆2和蜗轮3啮合传动，使得电池组11-1、11-2、11-3和11-4、往复式液压动力单元和内油箱14组成的压载物绕轴转动，从而改变滑翔式潜水器重心在横向上的位置，达到滑翔式潜水器横滚的效果。步进电机1可以达到较高的控制精度，没有累计误差。通过由蜗杆2和蜗轮3组成的高传动比蜗轮蜗杆副，旋转偏心的最小控制角度进一步变小，且能提供更大的扭矩，还能形成自锁效应，避免对步进电机1造成损伤。

[0015] 结合图2介绍了内油箱14、输油孔19、涡轮流量计9、不锈钢卡套直通穿板接头17、不锈钢快拧软管接头18、连接软管20和皮囊16的连接方式。

[0016] 阀块上12有两个输油孔19，通过连接软管20，一个输油口与内油箱14连接，另一输油口与涡轮流量计9连接。而涡轮流量计9的另一端则通过连接软管20与不锈钢卡套直通穿板接头17连接。皮囊16则通过螺纹直接与不锈钢卡套直通穿板接头17的另一端连接。除了不锈钢卡套直通穿板接头17，连接软管20与其他各部分都是通过不锈钢快拧软管接头18相连。通过直流电机10的正转，可以将内油箱14里面的液油抽到皮囊16当中，增大皮囊16的体积，从而达到增大滑翔式潜水器浮力的效果；直流电机10反转，可以将皮囊16里面的液油抽到内油箱14当中，减小皮囊16的体积，从而达到减小滑翔式潜水器浮力的效果。为了避免内油箱14中液油减少后出现的自由液面，内油箱14不采用刚性材料，而是采用具有收缩功能的柔性材料。涡轮流量计9与控制系统相连，且其作用就是测量液油的移动变化量，从而达到精确控制浮力的变化量的效果；同时监督旋转偏心质量块的变化情况，为控制系统提供一个较为精准的偏心质量值，精确控制横滚运动。

[0017] 端面的水密处理过程不属于本发明的范畴，因此本发明只介绍了不锈钢卡套直通穿板接头17的开口水密处理方法。结合图3，详细介绍如下：不锈钢卡套直通穿板接头17的主体上具有螺纹23，可以拧进穿板螺纹口。它的一侧具有固定的六角限位法兰26，法兰上开了一个“O”型槽24，可以通过“O”型圈进行舱盖里面一侧的开口密封。而活动螺母25的宽度和厚度较大，两侧都开了一个“O”型槽24，可以通过“O”型圈进行密封，并利用“O”型圈进行多重密封，其中一端密封皮囊16的接口，另一端从外面密封舱盖开口。

[0018] 结合图4介绍本发明的调节原理：

[0019] 本发明的执行器是步进电机1和直流电机10，被控对象是皮囊16中液油的变化量和滑翔式潜水器的横滚角，其给定量为皮囊中液油的变化量和滑翔式潜水器的横滚角，控制量为涡轮流量计9的流量和步进电机1转动的角度。控制系统主要包括信号采集电路以及电机驱动电路等模块。

[0020] 进行浮力调整时，控制器根据给定皮囊9中液油的体积变化量，控制直流电机10的正转或者反转，涡轮流量计9检测液油移动的流量，并将检测到的结果反馈给比较器比较，闭环调节，从而起到精确控制皮囊体积变化的效果。同时，涡轮流量计9的检测值也可以通过进一步计算出偏心压载物的质量，反馈给控制系统，以便横滚调节的控制。

[0021] 进行横滚调节时，控制器根据给定横滚角，控制步进电机1的转动方向和转动角度，磁罗经检测滑翔式潜水器的横滚角度，并将检测结果反馈给比较器比较，闭环调节，从而达到精确控制横滚角的效果。

[0022] 本发明的工作过程如下：

[0023] 滑翔式潜水器的浮力调节和横滚调节是两个相对独立的调节过程，其工作过程分开描述。

[0024] 当滑翔式潜水器浮出水面传输数据完毕后，直流电机10反转，皮囊16里的液油被压到内油箱14当中。皮囊16的体积减小，滑翔式潜水器的浮力也随之减小重力大于浮力，滑翔式潜水器下潜，通过纵倾调节实现滑翔。当滑翔式潜水器达到预定的深度，直流电机10正转，内油箱14里的液油被压到皮囊16当中。皮囊16的体积增大，滑翔式潜水器的浮力也随之增大，浮力大于重力，滑翔式潜水器上浮，通过纵倾调节实现滑翔。本发明就是通过如此的方式控制滑翔式潜水器的浮力，控制滑翔式潜水器的上浮或下潜。在浮力调节的过程中，涡轮流量计9测量皮囊16和内油箱14的液油变化量，控制浮力变化的的大小。

[0025] 当滑翔式潜水器浮出水面后，通过GPS定位确定当前位置，计算偏差值，在滑翔式潜水器下潜的过程中，控制步进电机1的正转或反转的转动角度，使得压载物旋转偏心，改变滑翔式潜水器重心在横向上的位置，使得它做横滚运动，从而改变滑翔式潜水器的航向角。