[发明专利]一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器

权利要求书

1.一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：包括壳体、控制系统、电池、配重、气动门、气动门控制器、信号发射接收器、湿度传感器、姿态传感器、温度控制器和螺旋桨；所述的壳体为蛋壳形，壳体内上部设有空气舱，下部设有控制舱，壳体底部设有进水口，空气舱与控制舱之间设有隔板，隔板中部设有向下的通水管，空气舱通过通水管与进水口连通；控制系统和电池分别设在控制舱内，配重设在控制舱底部；进水口处设有气动门，气动门与气动门控制器相连，气动门控制器设在控制舱内，通过线路与控制系统相连；信号发射接收器、湿度传感器和姿态传感器设在壳体顶部，通过线路与控制系统相连；温度控制器设在空气舱内，通过线路与控制系统相连，所述的温度控制器包括温控板、内部温度传感器；壳体外表面周圈设有数个均匀分布的螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：所述的壳体外表面沿壳体中部周圈设有四组螺旋桨，四组螺旋桨呈十字形均匀分布，每组螺旋桨分别包括螺旋桨电机和螺旋桨叶片，螺旋桨电机通过线路与控制系统相连，螺旋桨叶片与螺旋桨电机的输出轴相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：所述的控制舱内从上到下依次设有电池电路舱和气动配重舱，电池和控制系统设在电池电路舱内，气动门控制器和配重设在气动配重舱内；电池电路舱对应的壳体上设有电路舱门，气动配重舱对应的壳体上设有气动配重舱门。

4.根据权利要求1所述的一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：所述的控制系统包括主控制电路和副控制电路，主控制电路包括主单片机，主单片机与信号发射接收器、温度控制器和姿态传感器相连；副控制电路包括副单片机，副单片机与科研系统相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：所述的科研系统包括搭载机架、顶部环形摄像头、底部环形摄像头、照明灯、外部温度传感器、水质检测器和设备通用接口，所述的搭载机架设在壳体底部，环绕进水口设置，顶部环形摄像头设在壳体顶部，底部环形摄像头、照明灯、外部温度传感器、水质检测器和设备通用接口分别设在搭载机架上，并分别通过线路与控制系统相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：所述的空气舱对应的壳体上设有空气舱门。

7.根据权利要求1所述的一种基于浮沉子原理和温控气压法的潜水器，其特征在于：具有如下控制方法：

(1)潜水器准备下潜之前，预设一个临界深度h_c，测得水面上方实时气压P_w和此时空气舱内气体温度T，带入已知潜水器的质量m、潜水器壳体体积V_b和此时气体温度T，根据如下公式计算出潜水器内气体物质的量n：

其中，h_c为潜水器临界深度，Z为压缩因子，n为潜水器内气体物质的量，R为理想气体常数，T为气体的温度，m为潜水器与内部气体的总质量，V_b为潜水器壳体的体积，P_w为水面上方的压强，ρ为液体的密度，g为重力加速度；

确定潜水器内气体物质的量n，再确定加入水的体积V_v，向空气舱内注入V_w体积的水，使初始时潜水器临界深度在水面以上，公式如下：

其中，V_w为向空气舱内注入水的体积，Z为压缩因子，n为潜水器内气体物质的量，R为理想气体常数，T为气体的温度，V_r为空气舱和通水管容积；

预设潜水器下降到目标深度H进行科研作业，进一步计算当临界深度为H时所对应的目标气体温度；

(2)潜水器下水后，由于潜水器的临界深度高于水面，潜水器会直接下沉；壳体顶部的湿度传感器检测到水，即潜水器完全入水之后，信号发射接收器开始工作，潜水器发射信号给地面/海面的信号发射接收器，通过地面/海面的声呐设备与潜水器的姿态传感器结合的方式实时反应潜水器所处的深度；

(3)同时地面发射信号将该时刻当地的水面上实时大气压P_w传给潜水器信号发射接收器，潜水器信号发射接收器将该时刻的深度以及当地的水面上大气压P_w传给潜水器的控制系统，控制系统内主单片机的临界深度计算模块计算出对应此深度的临界深度对应的气体温度：

其中，T为气体的温度，m为潜水器与内部气体的总质量，g为重力加速度，ρ为液体的密度，V_b为潜水器壳体的体积，h_c为潜水器临界深度，Z为压缩因子，n为潜水器内气体物质的量，R为理想气体常数，P_w为水面上方的压强；

(4)控制系统根据计算出的气体温度与内部温度传感器检测的空气舱内气体该时刻的温度比较，通过输出控制信号控制温度控制器使空气舱内气体温度快速达到计算的气体温度；潜水器继续向下运动，不断重复步骤(2)(3)(4)，使得潜水器始终存在一个向下的加速度；

(5)当检测到潜水器实时深度h＝H-Δh时，启动初级减速；Δh为预设的缓冲区长度，Δh＝αH，其中，α为缓冲系数，H为目标检测深度；

启动初级减速时，温度控制器的温控板启动使气体温度快速达到目标气体温度，使该潜水器的临界深度迅速调整为目标深度，此时临界深度在潜水器的下方，潜水器有一个向上的加速度，并开始减速；同时，姿态传感器开始实时反应潜水器的速度v与加速度a；

所述的初级减速的过程包括三种情况：

1)当潜水器速度减为零，但仍在目标深度之上，即有：

h＜H，v＝0，a＜0(↑)

此时温度控制器启动将气体温度快速降至临界深度为H-Δh的温度，有：

其中，T为气体的温度，m为潜水器与内部气体的总质量，g为重力加速度，ρ为液体的密度，V_b为潜水器壳体的体积，h_c为潜水器临界深度，Z为压缩因子，n为潜水器内气体物质的量，R为理想气体常数，P_w为水面上方的压强；

此时，潜水器的临界深度在此时的深度以上，即会加速下沉，当检测潜水器的深度深于目标深度H时，温度控制器启动最大功率升温至临界深度为h＝H+Δh所对应的温度，有：

潜水器有向上的加速度，开始减速，由于缓冲系数α＜1，第一次减速后所积累的速度远小于之前所积累的速度，故而，潜水器会在h＜H+Δh时速度降为零，并加速向上运动，当潜水器深度第二次达到目标深度后，启动目标深度逼近功能；

2)若潜水器达到目标深度时速度恰好为零，即有

h＝H，v＝0，a＝0

则气动门控制器启动使气动门关闭，由于此时潜水器整体密度等于水，则潜水器会漂浮在目标深度；

若潜水器达到目标深度后仍有向下的速度，即有

h＞H，v＞0，a＞0

此时温度控制器启动升温至临界深度为h＝H+Δh所对应的温度，有：

若潜水器在h＝H+Δh之上速度降为零，潜水器开始上浮，当潜水器第二次上浮达到目标深度时，启动目标深度逼近功能；

3)若潜水器在h＝H+Δh时速度仍未降为零，将临界深度再次下调Δh，温度控制器启动最大功率将气体温度快速升温至临界深度的温度，潜水器有向上的加速度，开始减速，直至潜水器无向下的速度，再次返回目标深度时，启动目标深度逼近功能；

(6)目标深度逼近功能控制过程如下：

设置目标深度为H，调节系数为s，方向系数f，速度向下时f为+1，速度向上时f为-1，偏移限制深度为h_m，偏移限制温度调节常数为[T]；

V_Cmax为三级调节速度上限

V_Bmax为二级调节速度上限

V_Amax为一级调节速度上限

当潜水器到达目标深度H时，此时根据控制系统计算出当前位置平衡温度为T₁，通过温度控制器将温度控制为T₁，启动目标深度逼近功能；姿态传感器检测当前潜水器瞬时速度v_h，根据当前潜水器瞬时速度v_h发送给控制系统，从而确定调速档位：

当|v_h|＞V_Cmax时，使用强力调节档位，使得T＝T₁(1+4fsv_h)，此时潜水器受反向加速度大，能够大幅度的对速度进行调节；

当V_Cmax＞|v_h|＞V_Bmax时，使用中级调节档位，使得T＝T₁(1+2fsv_h)，此时潜水器受反向加速度适中，能够中幅度的对速度进行调节；

当V_Bmax＞|v_h|＞V_Amax时，使用细微调节档位，使得T＝T₁(1+fsv_h)，此时潜水器受反向加速度较小，能够小幅度的对速度进行微调；

当|v_h|＜V_Amax时，此时认为潜水器的速度近似于0，符合静态标准，启动气动门控制器，将气动门关闭，温度控制器停止工作；关闭后潜水器平均密度保持不变，在控温片不运转时保持潜水器在此位置的近似稳态，同时科研系统启动；

(7)近似稳态时，潜水器仍不断检测自身深度H_X发送给控制系统中的偏移限制模块，当深度|H-H_X|＞h_m时，气动门控制器启动，气动门打开，姿态传感器将当前速度传送给控制系统中的偏移限制模块，得出调节温度为T₂＝T+f[T]，通过温度控制器调节温度，使得潜水器受反方向作用力，回到目标深度；

当潜水器穿过目标深度点时，启动目标深度逼近功能，使得潜水器在目标深度达到稳定；

(8)在目标深度作业时，进行水平方位控制：

以预定点位置作为原点，水平两方向位移坐标分别为x，y，设潜水器工作水平区间为：|x|＜x_max，|y|＜y_max，当潜水器的水平方位在此区域内时，视作潜水器在工作区间，潜水器可正常实行科研系统；

潜水器在工作过程中不断通过信号发射接收器与GPS定位系统进行信号传输，检测当前水平方位；若当前水平方位超出工作水平区间时，启动螺旋桨调整水平位置，通过调节潜水器x，y方向的速度对潜水器的位置进行调整，期间仍不断与GPS定位系统进行信号传输，直到检测得目前水平方位在工作水平区间内时，停止螺旋桨电机的转动，使得其稳定在工作水平区间内；

(9)回收时，地面向潜水器发射控制信号，温控板加热，打开气动门，使临界深度持续超出此时潜水器深度，直到潜水器上升至水面为止。