一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及可压缩液体，具体地说是一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统，利用可压缩液体对水下机器人进行被动浮力补偿，使其在运行过程中浮力状态更加稳定，所需可压缩液体的体积可由公式计算得到；水下机器人安装的浮力补偿系统，包括可压缩液体和柔性容器，能够被动补偿水下机器人和海水压缩率不匹配所引起的浮力差；可压缩液体的压缩率比海水大得多，受到相同的外部压力时体积压缩程度更大，并且体积能够随着压力增大发生压缩，也能够随着压力的减小而恢复。该方法不限于在水下滑翔机及AUV上的应用，对于各种浮力驱动水下机器人本发明专利技术方法同样具有较好的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统
本专利技术涉及可压缩液体，具体地说是一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统。
技术介绍
水下机器人作为一种水下测量、工作平台，是人类探索海洋最重要的手段，已经广泛应用在海洋科学研究、海洋资源勘探、安全搜救，海底探测、海洋生物研究与追踪等领域。水下机器人通常是通过浮力调节系统改变自身整体浮力实现在海洋中的上浮(下潜)或定深悬停。然而，海水密度会随着深度变化而发生变化，水下机器人的浮力状态也会随之变化，进而影响水下机器人的运动状态。水下机器人通常都由固体材料组成，比海水更加难以压缩，由于水下机器人与海水压缩率的不匹配，造成水下机器人的驱动浮力不断减小，使其在运行过程中需要额外消耗能源来克服海水密度变化的影响。因此，通过被动补偿水下机器人与海水压缩率的不匹配所引起的浮力差，尽可能减少主动浮力调节，对提高水下机器人的能源使用率和运行效率，增强续航能力具有重要作用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术的目的在于提供一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统，对水下机器人进行被动浮力调节，提高运行效率及能源使用效率。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法及系统。一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，包括：搭载了浮力补偿系统的水下机器人下潜或上浮过程中，浮力补偿系统内部的柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。所述可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大时，所需可压缩液体体积可通过如下步骤计算得到：步骤1：假设水下机器人在水面时的排水量为V0，可压缩液体的体积为Vc；当水下机器人下潜深度增加时，在海水压力p作用下，载体和可压缩液体的排水体积将不断减小，按照公式(1)和(2)计算：载体体积变化量ΔVk、可压缩液体体积变化量ΔVc；其中，kv为载体压缩系数，kc为可压缩液体压缩系数，Kv为载体体积弹性模量，Kc为可压缩液体体积弹性模量；步骤2：水下机器人的初始浮力为：B0＝ρ0(V0+Vc)(3)水下机器人在不同深度的浮力为：B＝(V0-ΔVk)ρ(p)+(Vc-ΔVc)ρ(p)(4)通过可压缩液体补偿因水下机器人与海水压缩率不匹配产生的浮力差，须满足B0＝B，即应满足：ρ0(V0+Vc)＝(V0-ΔVk)ρ(p)+(Vc-ΔVc)ρ(p)(5)其中，ρ0为海水表层密度，ρ(p)为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力作用时的海水密度，海水密度状态方程近似表示为：其中，Ks为海水体积弹性模量；步骤3：将式(1)、(2)、(6)带入式(5)，可得：即，因此，得到可压缩液体的体积Vc的计算公式如下：所述载体体积弹性模量Kv、可压缩液体体积弹性模量Kc、海水体积弹性模量Ks会随压力、温度因素变化而发生改变，是动态参数。一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿系统，包括：柔性容器和其内部盛载的可压缩液体；用于改变水下机器人的整体压缩率，使水下机器人在运行过程中与海水具有近似相同的压缩率。当水下机器人上浮或者下潜时，所述浮力补偿系统的柔性容器被浸没在海水中。所述可压缩液体压缩率比海水大，用于当水下机器人下潜或上浮时，柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。所述柔性容器材质为具有弹性或韧性的材料。所述柔性容器选用的具有弹性或韧性的材料为丁晴橡胶。所述可压缩液体为有机硅。所述可压缩液体选用的有机硅为聚二甲基硅氧烷液体或六甲基二硅氧烷液体。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术方法利用可压缩液体对水下机器人进行被动浮力补偿，可减小了主动浮力调节造成的能源消耗，被动补偿水下机器人与海水压缩率的不匹配所引起的浮力差，使其在运行过程中浮力状态尽可能保持稳定，有效的提高水下机器人的运行效率，增强续航能力。2.本专利技术方法和系统不限于在水下滑翔机及AUV上的应用，对于各种浮力驱动水下机器人本专利技术方法同样具有较好的效果。附图说明图1是本专利技术系统应用于水下滑翔机的内部结构示意图；图2是聚二甲基硅氧烷体积弹性模量变化曲线；图3是六甲基二硅氧烷体积弹性模量变化曲线；图4是应用本专利技术方法的水下滑翔机运行过程中被动浮力补偿示意图；具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法是利用可压缩液体对水下机器人进行被动浮力补偿，使其在运行过程中浮力状态更加稳定；水下机器人下潜过程中，随着下潜深度的增加，静水压增大，海水密度也会随之增大，而由于水下机器人与海水压缩率的不匹配，会使水下机器人受到的浮力逐渐增加，相反，上浮过程中，又会随着深度的减小浮力逐渐减小；本专利技术方法通过可压缩液体补偿水下机器人因壳体压缩变形和海水密度变化产生的浮力改变量，使水下机器人在工作过程中净浮力的变化达到最小，从而提高运行效率及能源使用效率，用于浮力补偿的可压缩液体体积可通过如下方法计算得到。假设水下机器人在水面时的排水量为V0，可压缩液体的体积为Vc，当水下机器人下潜深度增加时，在海水压力p作用下，其排水体积将不断减小，体积减小量可以用下式近似表示：其中，ΔVk为载体体积变化量，kv为载体压缩系数，ΔVc为可压缩液体体积变化量，kc为可压缩液体压缩系数，Kv为载体体积弹性模量，Kc为可压缩液体体积弹性模量。水下机器人的初始浮力为：B0＝p0(V0+Vc)(3)水下机器人在不同深度的浮力为：B＝(V0-ΔVk)ρ(p)+(Vc-ΔVc)ρ(p)(4)通过可压缩液体补偿因水下机器人与海水压缩率不匹配产生的浮力差，须满足B0＝B，即应满足：ρ0(V0+Vc)＝(V0-ΔVk)ρ(p)+(Vc-ΔVc)ρ(p)(5)其中，ρ0为海水表层密度，ρ(p)为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力作用时的海水密度，则海水密度状态方程近似表示为：其中，Ks为海水体积弹性模量。现将式(1)、(2)、(6)带入式(5)，可得：即，因此，通过可压缩液体补偿水下机器人运行过程中与海水压缩率不匹配产生的浮力差，所需可压缩液体的体积Vc可通过公式式(7)计算得到，由于体积弹性模量是一个动态量，会随压力、温度等因素变化而发生改变，因此，kc、Kv、Ks不是严格恒定的，所以补偿过程是实现压缩系数的近似匹配；对于不同的水下机器人，Kv及V0会有所不同，但都可以通过公式(7)计算所需的可压缩液体，应用本专利技术方法对其进行浮力补偿。如图1所示，应用本专利技术方法的一种水下机器人100——水下滑翔机，主要包括耐压舱体3、艏部导流罩1、艉部导流罩4、浮力调节系统120、浮力补偿系统110、艏部导流罩内腔2、艉部导流罩内腔5；其中耐压舱体3密闭，不与海水直接连通，艏部导流罩1和艉部导流罩4连接于耐压舱体3上，艏部导流罩内腔2和艉部导流罩内腔5与海水连通。耐压舱体3可由金属、碳纤维或其它合适的材料制成，艏部导流罩1和艉部导流罩4可由PVC、玻璃纤维或其它合适的材料制成；固体材料较液体更加难以压缩，因此，水下机器人100的整体压缩率要比海水更小。浮力补偿系统110包括可压缩液体7和柔性容器6，该系统用于补偿水下机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，其特征在于，包括：搭载了浮力补偿系统的水下机器人下潜或上浮过程中，浮力补偿系统内部的柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，其特征在于，包括：搭载了浮力补偿系统的水下机器人下潜或上浮过程中，浮力补偿系统内部的柔性容器中的可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大，从而被动补偿水下机器人因与海水压缩率不匹配所引起的浮力差。2.按照权利要求1所述一种水下机器人用基于可压缩液体的浮力补偿方法，其特征在于，所述可压缩液体受到海水压力作用体积缩小或变大时，所需可压缩液体体积可通过如下步骤计算得到：步骤1：假设水下机器人在水面时的排水量为V0，可压缩液体的体积为Vc；当水下机器人下潜深度增加时，在海水压力p作用下，载体和可压缩液体的排水体积将不断减小，按照公式(1)和(2)计算：载体体积变化量ΔVk、可压缩液体体积变化量ΔVc；其中，kv为载体压缩系数，kc为可压缩液体压缩系数，Kv为载体体积弹性模量，Kc为可压缩液体体积弹性模量；步骤2：水下机器人的初始浮力为：B0＝ρ0(V0+Vc)(3)水下机器人在不同深度的浮力为：B＝(V0-ΔVk)ρ(p)+(Vc-ΔVc)ρ(p)(4)通过可压缩液体补偿因水下机器人与海水压缩率不匹配产生的浮力差，须满足B0＝B，即应满足：ρ0(V0+Vc)＝(V0-ΔVk)ρ(p)+(Vc-ΔVc)ρ(p)(5)其中，ρ0为海水表层密度，ρ(p)为忽略温度和盐度影响，仅考虑压力作用时的海水密度，海水密度状态方程近似表示为：其中，KS为海水体积弹性模量；步骤3：将式(1)、(2)、(6)带入式(5)，可得：即，因此，得到可压缩液体的体积Vc的...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞建成，曲明伟，谭智铎，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21