一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置

1.本发明属于浮力调节设备领域，尤其是涉及一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置。


背景技术：

2.小型水下机器人作为一种无人海洋探测平台，具有成本低、使用方便的优点，可以对海洋环境及资源进行多样性研究。
3.在水下机器人结构中，浮力调节装置是其中重要组成部分，用于控制机器人完成上浮下潜运动。目前应用于小型水下机器人的浮力调节装置主要是通过改变位于耐压腔体外的油囊或气囊的体积来改变自身排水体积进行浮力调节。通常分为液压和气动两种方式。液压方式采用位于腔体外的油囊与位于腔体内部的油缸、电磁阀、液压泵、驱动电机等组成的液压管路连接，通过控制泵及电磁阀的工作实现液压油在油囊与油缸之间流动，增大或减小油囊体积。气动方式采用位于腔体外的气囊与位于腔体内的阀、高压气瓶或气泵连接，实现气囊体积的增大与减小。
4.然而，上述两种装置均存在所需元器件多、结构复杂、重量大、占用机器人腔体内部体积大的缺点。所以亟需一种结构简单、体积小、重量轻、稳定可靠的装置实现小型水下机器人的浮力调节。
5.公开号为cn108327855a的中国专利文献公开了一种深海浮力调节系统及其方法，系统包括玻璃浮球耐压舱、外油囊、外气囊、内油囊、直流电机、高压柱塞泵、气泵、球阀、电磁气阀。该系统通过气泵为高压柱塞泵提供入口压力的方法实现深海排油增大浮力，通过真空腔体产生压差实现回油减小浮力，解决了深海环境下智能浮标浮力调节问题。但该系统仍存在以下缺点：
6.(1)该系统使用了一个内油囊、一个高压柱塞泵、一个气泵、两个直流电机、两个电磁阀、两个单向阀、这些部件需大量占用水下机器人密封腔体内空间，同时重量较大，不适用于小型水下机器人。
7.(2)该系统中的外油囊、外气囊在深海压力下的体积压缩量巨大，油囊、气囊与金属连接处容易破裂造成泄漏。
8.(3)该系统使用多个电机、泵、阀，系统复杂、功耗高、可靠性低。
9.(4)该系统所使用的液压器件均需要耐高压，产品选择少，成本高，不适用于小型水下机器人。
10.(5)该系统需要密封腔体内为真空环境，实际操作不便，同时不利于密封腔体内器件工作时散热。


技术实现要素：

11.本发明提供了一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，结构简单，无需额外传感器，可以在产气和排气过程中检测气体体积，便于浮力的定量控制。
12.一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，固定在小型水下机器人的密封腔端盖上部，包括与密封腔端盖固定的导流罩；所述的导流罩顶部设有排气孔以及用于控制排气孔开关的电控开关模块；所述的电控开关模块通过水密缆与密封腔内的电路相连；
13.所述的导流罩内部设有相互套设布置的电解阳极和电解阴极，所述的电解阳极和电解阴极分别通过阳极水密连接器和阴极水密连接器固定在密封腔端盖上并与密封腔内的电解控制电路相连；所述的密封腔端盖上设有透水孔。
14.本发明整个装置主体位于水下机器人耐压腔体外部，导流罩结构内部，不占用水下机器人腔体内部空间同时无需占用额外的腔体外部空间，从而节省空间，便于水下机器人体积小型化。同时，使用导流罩结构作为浮力调节气体容器，减少了传统浮力调节装置外置的油囊或气囊，减轻系统重量同时避免油囊或气囊受海水压力作用造成结构损坏。
15.进一步地，电控开关模块主要通过电磁铁和弹簧结构控制气体排放，具体的，所述的电控开关模块包括与导流罩顶部固定的支架、固定在支架上的电磁铁、下端与电磁铁的动芯固定的拉杆以及与拉杆上端固定的密封盖，所述密封盖的下端面与电磁铁的上端面之间连接有预压紧弹簧，所述的电磁铁与水密缆连接；
16.在电磁铁不通电时，预压紧弹簧将密封盖压在导流罩上，将排气孔封堵；在电磁铁通电时，电磁铁的动芯带动拉杆将密封盖与导流罩分离，使排气孔打开。
17.本发明主要使用了电解电极、电磁铁，相较传统浮力调节装置使用的油缸、泵、电机、电磁阀，结构简单、体积小、成本低、不易损坏、可靠性高。
18.为了获得更大的比表面积，所述的电解阳极与电解阴极均采用长圆柱网状结构。
19.为了获得更小的海水电阻，提升电解效率，所述电解阳极与电解阴极之间的间距为3mm～8mm。
20.所述密封腔端盖的外沿均匀设有多个固定块，所述导流罩的下端通过螺栓与固定块固定。
21.为获得更高的电解效率，电解阴极需具有良好析氢能力同时耐腐蚀，可选择纯钛电极；电解阳极可选择铱钽钛电极。
22.本发明中，通过控制电磁铁是否通电以及电解电流的大小来控制浮力增大与减小，无需额外传感器，可以在产气和排气过程中检测气体体积，便于浮力的定量控制。具体控制过程为：
23.当水下机器人需增大自身浮力时，电磁铁不通电，密封盖在预压紧弹簧的作用下将排气孔密封，电解控制电路给电解阳极与电解阴极间施加电压产生大电解电流，此时海水被电解产生的气体在浮力作用下上升至导流罩顶部，海水从底部透水孔排出，导流罩上部气体体积增大，海水液面下降，水下机器人整体排水体积增大，浮力增大；同时电解控制电路不断检测电极两端电压与电解电流，计算出电解阳极与电解阴极间海水电阻，并进一步计算导流罩内的气体体积，当达到目标气体体积即达到水下机器人需要的浮力时，停止给电解阳极与电解阴极施加电压，海水电解停止，气体停止产生，导流罩内气体体积保持不变，机器人浮力保持恒定；
24.当水下机器人需要减小自身浮力时，电磁铁通电，动芯带动拉杆将密封盖与导流罩分离，气体从排气孔溢出，导流罩内气体体积减小，海水液面上升，水下机器人整体排水
体积减小，浮力减小；在排气的同时，电解控制电路给电解阳极与电解阴极施加电压产生微小电流，通过检测电极两端电压与电解电流，计算出电解阳极与电解阴极间海水电阻，进而得到导流罩内的气体体积，此时，两电极上仅有微量气体产生；当测得气体体积减小至目标值后，电磁铁断电，密封盖在预压紧弹簧的作用下重新将排气孔密封，气体停止溢出，体积保持不变，机器人浮力保持恒定。
25.电解阳极与电解阴极间海水电阻与电解阳极和电解阴极被海水浸没高度成反比例关系，电解阳极与电解阴极间海水电阻与电极两端电压、电解电流的数量关系由初始实验测得后，通过电极两端电压与电解电流计算电解阳极与电解阴极间海水电阻，再由电解阳极与电解阴极间海水电阻得到导流罩内电极被海水浸没高度，最后由导流罩及其内部结构几何尺寸计算海水液面上部导流罩内部气体体积。
26.进一步地，导流罩内电解阳极与电解阴极被海水浸没高度h的计算公式为：
[0027][0028]
式中，ue为电解阳极与电解阴极两端电压，i为电解电流；根据公式ue＝ur+u
p
+ire，对装置实验数据用线性回归方法得到不同电极被海水浸没高度h下装置等效欧姆内阻re以及理论分解电压ur与电极极化电压u
p
两者的和，记为u
rp
，u
rp
＝ur+u
p
；根据公式不同电极被海水浸没高度h下装置等效欧姆内阻re，通过线性回归分析求得电阻系数kr与装置金属导体电阻rm。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
1)本发明利用水下机器人普遍具有的导流罩结构作为电解反应容器及气体容器，不占用水下机器人宝贵的密封腔体内部空间，同时也不增加腔体外体积，可以减少水下机器人整体体积和重量。
[0031]
2)本发明将导流罩作为气体容器，代替现有产品常用的气囊，可以避免气囊受水压作用破裂造成水下机器人密封腔体泄漏，提高系统可靠性。
[0032]
3)本发明系统结构简单，主要部件为电解电极和一个电磁铁，相比现有产品多使用的泵、阀、电机，成本大幅降低，同时故障率降低，系统可靠性高。
[0033]
4)电解电极采用长圆柱网状结构，比表面积增大，电解效率提高，电极重量降低，同时便于气体体积测量。
[0034]
5)本发明通过测量电解过程电压电流间接得到装置内气体体积，无需安装额外的传感器，解决了气体体积难以测量的难点，方便对水下机器人浮力大小进行定量控制。
附图说明
[0035]
图1为本发明一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置整体结构示意图。
[0036]
图中：1-排气孔；2-o形密封圈；3-密封盖；4-支架；5-电磁铁；6-水密缆；7-阳极水密连接器；8-密封腔端盖；9-透水孔；10-固定块；11-阴极水密连接器；12-导流罩；13-电解阴极；14-电解阳极；15-拉杆；16-预压紧弹簧。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0038]
如图1所示，一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，包括：固定于水下机器人密封腔端盖8的导流罩12(图中展示了导流罩的剖视图)，电解阳极14通过阳极水密连接器7与密封腔端盖8连接，并与密封腔内的电解控制电路相连(图中未画出)。电解阴极13通过阴极水密连接器11与密封腔端盖8连接，并与密封腔内的电解控制电路相连(图中未画出)。
[0039]
密封腔端盖8上表面有透水孔9，导流罩12内部与其外部海水相通，导流罩12顶部开有排气孔1与外部海水相通。密封腔端盖8的外沿均匀设有多个固定块10，导流罩12的下端通过螺栓与固定块10固定。
[0040]
电磁铁5通过螺栓固定于支架4，支架4与导流罩1的内顶面由螺栓固定。装有o形密封圈2的密封盖3由拉杆15与电磁铁5的动芯相连，电磁铁5通过水密缆6与密封腔内的电路相连。在密封盖3与电磁铁5间安装有预压紧弹簧16，在电磁铁5不通电的状态下预压紧弹簧16将密封盖3压在导流罩12上，将排气孔1封堵。
[0041]
为获得更高的电解效率，阴极需具有良好析氢能力同时耐腐蚀可选择纯钛电极，阳极可选择铱钽钛电极。为了获得更大的比表面积，电解阳极14与电解阴极13均采用网状结构。电解阳极14与电解阴极13之间的间距为5mm。
[0042]
本发明中，导流罩内气体体积测量方法为：电解阳极14与电解阴极13间海水的电阻与其浸没电解电极高度成反比例关系，即两电极被海水浸没的高度越大，电解阳极14与电解阴极13间海水电阻越小。电解阳极14与电解阴极13间海水电阻与电极两端电压和电解电流数量关系由初始实验测得后，在装置使用过程中便可通过电极两端电压与电解电流求得电解阳极14与电解阴极13间海水电阻，再由海水电阻得到导流罩12内电解阳极14与电解阴极13被海水浸没高度h，最后由导流罩12及其内部结构几何尺寸计算海水液面上部导流罩12内部气体体积。
[0043]
下面对导流罩内电极被海水浸没高度h的计算过程进行介绍：
[0044]
根据电解理论，电解海水时电解阳极14与电解阴极13的电压电流关系可以表示如下：
[0045]
ue＝ur+u
p
+ireꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ⅰ)
[0046]
其中，ue为电解阳极14与电解阴极13两端电压，ur为理论分解电压，u
p
为电极极化电压，i为电解电流，re为装置等效欧姆内阻，由如下两部分组成：
[0047]
re＝rs+rmꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(ⅱ)
[0048]
其中，rm为装置金属导体电阻，包括导线电阻、电解电极金属电阻等，在装置工作过程中保持不变。rs为电解阳极14与电解阴极13间海水电阻，可由下式计算：
[0049][0050]
其中，d为电解阳极14与电解阴极13间距，κ为海水电导率，s为电解电极被海水浸没部分面积，对于垂直高度方向截面一致的电极，浸没部分面积s与电极被海水浸没高度h成正比例关系，比例系数为k。
[0051]
将式(ⅲ)与式(ⅱ)带入到式(ⅰ)可得到电解阳极14与电解阴极13两端电压ue、电解电流i、与电极被海水浸没高度h关系：
[0052][0053]
根据式(ⅳ)得到电极被海水浸没高度h的计算式：
[0054][0055]
由于电极极化电压u
p
、比例系数k、装置金属导体电阻rm与电解装置相关且难以通过直接测量获得，所以可以通过装置实验数据拟合计算式(
ⅴ
)中所需参数。
[0056]
本实施例采用如下方法：
[0057]
步骤1、在装置使用前使用模拟海水完成装置电解实验，在不同电极被海水浸没高度h下在电解阳极14与电解阴极13施加不同电压产生不同电解电流，根据式(ⅰ)使用线性回归方法可以得到不同电极被海水浸没高度h下装置等效欧姆内阻re以及理论分解电压ur与电极极化电压u
p
两者的和，记作u
rp
。u
rp
在不同电极被海水浸没高度h下近似相等，取不同浸没高度下回归分析得到的值的均值作为最终计算用数值。
[0058]
步骤2、根据式(ⅱ)和式(ⅲ)，装置等效欧姆内阻re可表示为电极被海水浸没高度h倒数的线性关系：
[0059][0060]
根据步骤1得到的不同电极被海水浸没高度h下装置等效欧姆内阻re，可以通过线性回归分析求得电阻系数kr与装置金属导体电阻rm。
[0061]
步骤3、根据步骤1、2中实验拟合的装置参数，电极被海水浸没高度h可以表示为：
[0062][0063]
装置使用过程中，通过电解控制电路检测电解阳极14与电解阴极13两端电压ue及通过的电解电流i，结合步骤1步骤2拟合得到的装置参数电阻系数kr、装置金属导体电阻rm、理论分解电压ur与电极极化电压u
p
之和u
rp
，根据式(ⅶ)可计算得到电极被海水浸没高度h，进一步根据导流罩12及其内部结构几何尺寸计算得到海水液面上部导流罩12内部气体体积。
[0064]
本实施例中，实验装置通过上述方法拟合的参数为：u
rp
＝2.77v，kr＝2.38
×
10-3
ω
·
m，rm＝0.0779ω。
[0065]
本发明装置实施过程包括两个阶段：浮力增大与浮力减小。
[0066]
浮力增大：当水下机器人需增大自身浮力时，电磁铁5不通电，装有o形密封圈2的密封盖3在预压紧弹簧16的作用将排气孔1密封，内部电解控制电路给电解阳极14与电解阴极13间施加电压(约3.7v)产生大电解电流(约10a)，此时海水被电解，快速产生气体，产生的气体在浮力作用下上升至导流罩12顶部，海水从底部透水孔9排出，导流罩12上部气体体积增大，海水液面下降，水下机器人整体排水体积增大，浮力增大，同时内部控制电路不断
检测电极两端电压和电解电流并间接计算导流罩12内部气体体积，当达到目标气体体积即达到水下机器人需要的浮力时，停止给电解阳极14与电解阴极13施加电压，海水电解停止，气体停止产生，导流罩12内气体体积保持不变，机器人浮力保持恒定。
[0067]
浮力减小：当水下机器人需要减小自身浮力时，电磁铁5通电，动芯带动拉杆15将密封盖3与导流罩12分离，气体从排气孔1溢出，导流罩12内气体体积减小，海水液面上升，水下机器人整体排水体积减小，浮力减小。在排气的同时，内部电解控制电路给电解阳极14与电解阴极13施加电压(约2.6v)产生微小电解电流(约0.5a)，同时内部控制电路不断检测电极两端电压与电解电流并间接计算导流罩12内部气体体积，此时，两电极上仅有微量气体产生。当测得气体体积减小至目标值后，电磁铁5断电，密封盖3在预压紧弹簧16的作用下重新将排气孔1密封，气体停止溢出，体积保持不变，机器人浮力保持恒定。
[0068]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，固定在小型水下机器人的密封腔端盖(8)上部，包括与密封腔端盖固定的导流罩(12)；所述的导流罩(12)顶部设有排气孔(1)以及用于控制排气孔(1)开关的电控开关模块；所述的电控开关模块通过水密缆(6)与密封腔内的电路相连；所述的导流罩(12)内部设有相互套设布置的电解阳极(14)和电解阴极(13)，所述的电解阳极(14)和电解阴极(13)分别通过阳极水密连接器(7)和阴极水密连接器(11)固定在密封腔端盖(8)上并与密封腔内的电解控制电路相连；所述的密封腔端盖(8)上设有透水孔(9)。2.根据权利要求1所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，所述的电控开关模块包括与导流罩(12)顶部固定的支架(4)、固定在支架(4)上的电磁铁(5)、下端与电磁铁(5)的动芯固定的拉杆(15)以及与拉杆(15)上端固定的密封盖(3)，所述密封盖(3)的下端面与电磁铁(5)的上端面之间连接有预压紧弹簧(16)，所述的电磁铁(5)与水密缆(6)连接；在电磁铁(5)不通电时，预压紧弹簧(16)将密封盖(3)压在导流罩(12)上，将排气孔(1)封堵；在电磁铁(5)通电时，电磁铁(5)的动芯带动拉杆(15)将密封盖(3)与导流罩(12)分离，使排气孔(1)打开。3.根据权利要求1所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，所述的电解阳极(14)与电解阴极(13)均采用长圆柱网状结构。4.根据权利要求1所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，所述电解阳极(14)与电解阴极(13)之间的间距为3mm～8mm。5.根据权利要求1所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，所述密封腔端盖(8)的外沿均匀设有多个固定块(10)，所述导流罩(12)的下端通过螺栓与固定块(10)固定。6.根据权利要求1所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，所述的电解阳极(14)采用铱钽钛电极，所述的电解阴极(13)采用纯钛电极。7.根据权利要求1所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，通过控制电磁铁是否通电以及电解电流的大小来控制浮力增大与减小，具体控制过程为：当水下机器人需增大自身浮力时，电磁铁(5)不通电，密封盖(3)在预压紧弹簧(16)的作用下将排气孔(1)密封，电解控制电路给电解阳极(14)与电解阴极(13)间施加电压产生大电解电流，此时海水被电解产生的气体在浮力作用下上升至导流罩(12)顶部，海水从底部透水孔(9)排出，导流罩(12)上部气体体积增大，海水液面下降，水下机器人整体排水体积增大，浮力增大；同时电解控制电路不断检测电解阳极(14)与电解阴极(13)两端电压与电解电流，计算电解阳极(14)与电解阴极(13)间海水电阻，并进一步计算导流罩(12)内的气体体积，当达到目标气体体积即达到水下机器人需要的浮力时，停止给电解阳极(14)与电解阴极(13)施加电压，海水电解停止，气体停止产生，导流罩(12)内气体体积保持不变，机器人浮力保持恒定；当水下机器人需要减小自身浮力时，电磁铁(5)通电，动芯带动拉杆(15)将密封盖(3)与导流罩(12)分离，气体从排气孔(1)溢出，导流罩(12)内气体体积减小，海水液面上升，水下机器人整体排水体积减小，浮力减小；在排气的同时，电解控制电路给电解阳极(14)与电
解阴极(13)施加电压产生微小电解电流，通过检测电解阳极(14)与电解阴极(13)两端电压与电解电流，计算电解阳极(14)与电解阴极(13)间海水电阻，进而得到导流罩(12)内的气体体积，此时，两电极上仅有微量气体产生；当测得气体体积减小至目标值后，电磁铁(5)断电，密封盖(3)在预压紧弹簧(16)的作用下重新将排气孔(1)密封，气体停止溢出，体积保持不变，机器人浮力保持恒定。8.根据权利要求7所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，电解阳极(14)与电解阴极(13)间海水电阻与电解阳极(14)和电解阴极(13)被海水浸没高度h成反比例关系；电解阳极(14)与电解阴极(13)间海水电阻与电极两端电压及电解电流的数量关系由初始实验测得后，通过检测电解阳极(14)与电解阴极(13)两端电压及电解电流，计算电解阳极(14)与电解阴极(13)间海水电阻，再由电解阳极(14)与电解阴极(13)间海水电阻得到导流罩(12)内电极被海水浸没高度h，最后由导流罩(12)及其内部结构几何尺寸计算海水液面上部导流罩(12)内部气体体积。9.根据权利要求8所述的基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，其特征在于，导流罩(12)内电解阳极(14)与电解阴极(13)被海水浸没高度h的计算公式为：式中，u
e
为电解阳极(14)与电解阴极(13)两端电压，i为电解电流；根据公式u
e
＝u
r
+u
p
+ir
e
，对装置实验数据用线性回归方法得到不同电极被海水浸没高度h下装置等效欧姆内阻r
e
以及理论分解电压u
r
与电极极化电压u
p
两者的和，记为u
rp
，u
rp
＝u
r
+u
p
；根据公式不同电极被海水浸没高度h下装置等效欧姆内阻r
e
，通过线性回归分析求得电阻系数k
r
与装置金属导体电阻r
m
。

技术总结
本发明公开了一种基于电解海水的小型水下机器人浮力调节装置，固定在小型水下机器人的密封腔端盖上部，包括与密封腔端盖固定的导流罩；所述的导流罩顶部设有排气孔和用于控制排气孔开关的电控开关模块；所述的电控开关模块通过水密缆与密封腔内的电路相连；所述的导流罩内部设有相互套设布置的电解阳极和电解阴极，所述的电解阳极和电解阴极分别通过阳极水密连接器和阴极水密连接器固定在密封腔端盖上并与密封腔内的电解控制电路相连；所述的密封腔端盖上设有透水孔。本发明结构简单，无需额外传感器，使用导流罩结构作为浮力调节气体容器，减少了传统浮力调节装置外置的油囊或气囊，可以在产气和排气过程中检测气体体积，便于浮力的定量控制。便于浮力的定量控制。便于浮力的定量控制。


技术研发人员：陈燕虎 赵晓岩 费新宇 秦晓亚 刘正朝 杨灿军
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/5/31