一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置

1.本发明涉及水下环境探测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置。


背景技术：

2.随着国家对湖海环境检测和资源勘探需求的日益提高，各种类型的潜水器被设计制造。其中，包括但不限于军事目的的无缆水下探测潜器。此类潜水器需要长期保持水下姿态和深度执行特定探测任务，需求长续航、低能耗和运行安静的姿态和深度调节系统。
3.现有潜器姿态调节方案主要有推进器式、压载水式、油囊式、机械传动式等。推进器式姿态调节系统最为常见，使用安装于潜器壳体外的推进器提供转向推力，调整速度快但持续能耗高，且频率机械振动易被水下侦测。压载水式、油囊式姿态调节系统，通过泵送海水或油液到内部压载容器，改变总质量或排水体积调节浮心位置。然而，深水高压环境需要对泵和电机进行耐压密封处理，且无法安静运行，隐蔽性差。机械传动式，类似专利cn111874193a，具有一定的隐蔽性。但缺点是，该潜器姿态调节方案在深水环境下电机需要耐压处理，配重机构也需要足够的直线空间进行位置变动，系统尺寸大。以上列举系统的工作核心都需要机电执行器进行驱动，虽然调节速度较快，但无法满足节能、耐压和隐蔽性等需求，且增加了系统成本和体积。


技术实现要素：

4.根据上述提出现有潜器姿态调节方案无法同时满足节能、耐压和隐蔽性的需求的技术问题，而提供一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置。本发明使用环形排列的相变装置实现潜水器的姿态和深度的安静、低能耗调节。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，包括设置于潜水器上的控制模块和若干个相变膨胀单元，所述控制模块与相变膨胀单元相连，所述相变膨胀单元设置于潜水器的浮心平面位置，所述控制模块采集潜水器的姿态信息并基于姿态信息命令调度各相变膨胀单元内部加热器的加热功率；所述相变膨胀单元因加热功率改变而受热相变，从而通过改变排水体积而产生浮力；所有相变膨胀单元共同在潜水器重心处产生倾覆力矩或上浮力以实现潜水器姿态和深度的改变。
7.进一步地，所述潜水器包括外壳，所述外壳内部为潜水器舱体，所述潜水器舱体内设置有环形架，若干个相变膨胀单元以环形等间隔设置于环形架上表面，所述环形架下部连接有控制模块。
8.进一步地，所述相变膨胀单元包括加热器、柔性外皮、相变材料和固定底座，所述加热器固定于固定底座上，所述固定底座固定于环形架上，所述加热器部包裹有柔性外皮，所述柔性外皮通过固定底座固定于环形架上，所述加热器与柔性外皮间填充有相变材料。
9.进一步地，所述加热器包括加热丝、支撑架和温度传感器，所述支撑架直立固定于
固定底座上，所述加热丝蛇形排列于支撑架的正反面，所述温度传感器固定于支撑架侧面，所述温度传感器与控制模块相连，所述加热丝通过贯穿固定底座和环形架的通孔后与恒压电源和金属氧化物场效应晶体管相连。
10.进一步地，所述金属氧化物场效应晶体管的栅极接收来自控制模块的开关信号，进而控制加热丝中电流的通断，通过改变开关信号的占空比从而控制加热器的加热功率。
11.进一步地，所述控制模块包括微控制器和惯性传感器，所述惯性传感器实时测量潜水器的姿态和深度信息，所述微控制器基于姿态和深度信息计算出各相变膨胀单元所需的浮力改变量，所述微控制器通过浮力改变量调节各相变膨胀单元内部加热器的加热功率。
12.进一步地，所述惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。
13.进一步地，所述加热器提供相变材料所需的相变能量，同时通过外部海水进行被动散热，当加热器产热量大于外部海水散热量，内部相变材料融化膨胀，浮力增加；当加热器产热量小于外部海水散热量，内部相变材料凝固缩减体积，浮力减小。
14.进一步地，所述微控制器包括内控制环和外控制环，所述内控制环对每个相变膨胀单元的温度闭环控制，所述外控制环对潜水器整机的姿态和深度闭环控制。
15.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
16.本发明具有紧凑的结构，无活动和机械驱动结构，能耗极低。无水箱或油箱结构，无泄漏和污染问题。整体无内部空隙，可耐受深水高压环境。此外，相变膨胀部件通过螺栓连接和封装，拆卸和更换方便。与现有技术相比，本发明实现了更低的结构复杂性、更低的能耗和更长的续航，且制造简单成本降低，环境友好易于维护。
17.本发明采用相变材料，其相变融化的体积增量产生上浮力和倾覆力矩，相较于压载水式、油囊式或机械式，能耗更低，隐蔽性更强。
18.本发明的加热单元的功率可调，通过温度传感器检测相变温度，执行单元的相变过程可控。
19.本发明采用海水被动散热，进一步简化系统结构。本发明封闭结构无内部空隙，耐受深水高压环境，绿色无污染。本发明螺栓连接进行固定和封装，拆卸维护简单。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明整体结构示意图。
22.图2为本发明相变膨胀单元结构示意图。
23.图3为本发明控制示意图。
24.图中：1、外壳；2、潜水器舱体；3、相变膨胀单元；4、环形架；5、控制模块；6、柔性外皮；7、相变材料；8、加热丝；9、支撑架；10、固定底座；11、恒压电源；12、金属氧化物场效应晶体管；13、温度传感器；14、微控制器；15、惯性传感器。
具体实施方式
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
28.如图1-3所示，本发明提供了一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，包括设置于潜水器上的控制模块5和若干个相变膨胀单元3，所述控制模块5与相变膨胀单元3相连，所述相变膨胀单元3设置于潜水器的浮心平面位置，所述控制模块5采集潜水器的姿态信息并基于姿态信息命令调度各相变膨胀单元3内部加热器的加热功率；所述相变膨胀单元3因加热功率改变而受热相变，从而通过改变排水体积而产生浮力；所有相变膨胀单元3共同在潜水器重心处产生倾覆力矩或上浮力以实现潜水器姿态和深度的改变。
29.所述潜水器包括外壳1，所述外壳1内部为潜水器舱体2，所述潜水器舱体2内设置有环形架4，若干个相变膨胀单元3以环形等间隔设置于环形架4上表面，所述环形架4下部连接有控制模块5。
30.所述相变膨胀单元3包括加热器、柔性外皮6、相变材料7和固定底座10，所述加热器固定于固定底座10上，所述固定底座10固定于环形架4上，所述加热器部包裹有柔性外皮6，优选地，柔性外皮6采用硅橡胶外皮。所述柔性外皮6通过固定底座10固定于环形架4上，所述加热器与柔性外皮6间填充有相变材料7。相变材料7可以采用包括但不限于烷烃类化合物等材料，优选地，相变材料7采用58号石蜡。在固定底座10、环形架4和柔性外皮6连接处采用密封处理，防止相变材料7漏出。所述加热器包括加热丝8、支撑架9和温度传感器13，所述支撑架9直立固定于固定底座10上，以增加加热丝8和相变材料7的接触面积。所述加热丝8蛇形排列于支撑架9的正反面，所述温度传感器13固定于支撑架9侧面，所述温度传感器13与控制模块5相连，所述加热丝8通过贯穿固定底座10和环形架4的通孔后与恒压电源11和金属氧化物场效应晶体管12相连。恒压电源11提供恒定电压，由控制模块5输出脉宽调制的开关信号到金属氧化物场效应晶体管的栅极，控制加热丝8的间歇性加热和停止加热，实现功率可变的加热模式。所述金属氧化物场效应晶体管12的栅极接收来自控制模块5的开关信号，进而控制加热丝8中电流的通断，通过改变开关信号的占空比从而控制加热器的加热功率。
31.所述控制模块5包括微控制器14和惯性传感器15，所述惯性传感器15实时测量潜水器的姿态和深度信息，所述微控制器14基于姿态和深度信息计算出各相变膨胀单元3所需的浮力改变量，所述微控制器14通过浮力改变量调节各相变膨胀单元3内部加热器的加
热功率。所述惯性传感器15包括陀螺仪和加速度计。所述微控制器14包括内控制环和外控制环，所述内控制环对每个相变膨胀单元3的温度闭环控制，所述外控制环对潜水器整机的姿态和深度闭环控制。控制模块5输出多路脉宽调制信号，采集各相变膨胀单元3的内部温度信号和姿态传感器的姿态信号。
32.所述加热器提供相变材料7所需的相变能量，同时通过外部海水进行被动散热，当加热器产热量大于外部海水散热量，内部相变材料7融化膨胀，浮力增加；当加热器产热量小于外部海水散热量，内部相变材料7凝固缩减体积，浮力减小。
33.当潜水器置于水下悬浮时，水流等干扰力使潜水器的姿态和深度发生变化。为保持姿态和深度的稳定，控制模块5实时测量姿态和深度信息并计算各相变膨胀单元3所需的浮力改变量，调节其内部加热器的加热功率。如图3所示，控制单元5内置微控制器(mcu)14和惯性传感器(imu)15，惯性传感器15内置陀螺仪和加速度计，可以采集潜器的姿态倾角和深度信息。
34.同时，相变膨胀单元3内部相变材料7的热量经过柔性硅胶外皮6的传导，由海水环境带走，实现被动散热过程。内部的温度传感器13采集当前时刻相变材料7的温度，微控制器14调节相变材料7的温度稳定在一特定数值。当温度固定时，相变材料7中加热器的加热量和被动散热量相等，相变过程停止，膨胀体积保持，该单元所提供的浮力也保持不变。由此，微控制器14实现控制各相变膨胀单元3的浮力调控。
35.当姿态和深度调节作用介入时，潜水器的各相变膨胀单元处受到不同或相同的浮力，进而在重心处产生倾覆力矩和上浮力。倾覆力矩的作用使潜水器发生姿态角度变化，该角度由惯性传感器15测量并回馈给微控制器14。微控制器14计算稳定姿态所需的倾覆力矩，然后使所有相变膨胀单元3提供所需的倾覆力矩，稳定整体姿态。
36.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于：包括设置于潜水器上的控制模块(5)和若干个相变膨胀单元(3)，所述控制模块(5)与相变膨胀单元(3)相连，所述相变膨胀单元(3)设置于潜水器的浮心平面位置，所述控制模块(5)采集潜水器的姿态信息并基于姿态信息命令调度各相变膨胀单元(3)内部加热器的加热功率；所述相变膨胀单元(3)因加热功率改变而受热相变，从而通过改变排水体积而产生浮力；所有相变膨胀单元(3)共同在潜水器重心处产生倾覆力矩或上浮力以实现潜水器姿态和深度的改变。2.根据权利要求1所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述潜水器包括外壳(1)，所述外壳(1)内部为潜水器舱体(2)，所述潜水器舱体(2)内设置有环形架(4)，若干个相变膨胀单元(3)以环形等间隔设置于环形架(4)上表面，所述环形架(4)下部连接有控制模块(5)。3.根据权利要求1所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述相变膨胀单元(3)包括加热器、柔性外皮(6)、相变材料(7)和固定底座(10)，所述加热器固定于固定底座(10)上，所述固定底座(10)固定于环形架(4)上，所述加热器部包裹有柔性外皮(6)，所述柔性外皮(6)通过固定底座(10)固定于环形架(4)上，所述加热器与柔性外皮(6)间填充有相变材料(7)。4.根据权利要求3所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述加热器包括加热丝(8)、支撑架(9)和温度传感器(13)，所述支撑架(9)直立固定于固定底座(10)上，所述加热丝(8)蛇形排列于支撑架(9)的正反面，所述温度传感器(13)固定于支撑架(9)侧面，所述温度传感器(13)与控制模块(5)相连，所述加热丝(8)通过贯穿固定底座(10)和环形架(4)的通孔后与恒压电源(11)和金属氧化物场效应晶体管(12)相连。5.根据权利要求4所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述金属氧化物场效应晶体管(12)的栅极接收来自控制模块(5)的开关信号，进而控制加热丝(8)中电流的通断，通过改变开关信号的占空比从而控制加热器的加热功率。6.根据权利要求1所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述控制模块(5)包括微控制器(14)和惯性传感器(15)，所述惯性传感器(15)实时测量潜水器的姿态和深度信息，所述微控制器(14)基于姿态和深度信息计算出各相变膨胀单元(3)所需的浮力改变量，所述微控制器(14)通过浮力改变量调节各相变膨胀单元(3)内部加热器的加热功率。7.根据权利要求6所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述惯性传感器(15)包括陀螺仪和加速度计。8.根据权利要求3所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述加热器提供相变材料(7)所需的相变能量，同时通过外部海水进行被动散热，当加热器产热量大于外部海水散热量，内部相变材料(7)融化膨胀，浮力增加；当加热器产热量小于外部海水散热量，内部相变材料(7)凝固缩减体积，浮力减小。9.根据权利要求6所述的基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，其特征在于，所述微控制器(14)包括内控制环和外控制环，所述内控制环对每个相变膨胀单元(3)的温度闭环控制，所述外控制环对潜水器整机的姿态和深度闭环控制。

技术总结
本发明提供一种基于相变膨胀的潜水器姿态深度调节装置，涉及水下环境探测技术领域，包括设置于潜水器上的控制模块和若干个相变膨胀单元，所述控制模块与相变膨胀单元相连，所述相变膨胀单元设置于潜水器的浮心平面位置，所述控制模块采集潜水器的姿态信息并基于姿态信息命令调度各相变膨胀单元内部加热器的加热功率；所述相变膨胀单元因加热功率改变而受热相变，从而通过改变排水体积而产生浮力；所有相变膨胀单元共同在潜水器重心处产生倾覆力矩或上浮力以实现潜水器姿态和深度的改变。本发明具有紧凑的结构，无活动和机械驱动结构，能耗极低。无水箱或油箱结构，无泄漏和污染问题。整体无内部空隙，可耐受深水高压环境。境。境。


技术研发人员：宁大勇 张峰瑞 侯交义 马鹤 杜洪伟 陈圣涛 田昊 张康
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/28