AUV基于浮力调节系统的 水底着陆策略研究

1台柱塞泵、1个内油囊与外油囊。出油管系包括1 1单向阀和 个过滤器，回油管系包括 台低功耗齿1轮泵和 个电磁阀。0.1 mL/r，最高工出油管系中，柱塞泵排量为50 MPa。为保证柱塞泵正常工作，在柱作压力为 60 μm塞泵前配置一个滤网孔径为 的过滤器。单向阀保证出油油路单向流动。回油管系中，齿轮泵为磁力驱动的低功耗齿500 mL/min，0～ 5V轮泵，最大排量为 电压调速。为方便测量浮力调节量，内油囊设计为波纹0.9 L。采用一个量程为10 cm状，有效容积约 的直线位移传感器测量内油囊的容积，该传感器分0.01 mm，线性度为±0.1%。辨率为出油时，回油油路电磁阀常闭，齿轮泵不供电，柱塞泵供电，将内油囊内的工作液体输送至外油囊，当达到设定的出油量时柱塞泵断电。回油时，常闭电磁阀和齿轮泵上电开启，将外油囊内的工作液体输送至内油囊，当达到设定的回油量时常闭电磁阀和齿轮泵均断电关闭。

2.2 海洋压力环境模拟器设计

对于柱塞泵来说，转速不变时理论流量恒定不变。但是，实践表明，泵的实际流量比理论流量要小。为了准确控制油量，研究了浮力调节系统在实际海洋压力环境下的工作性能，设计了海洋6压力环境模拟器。模拟器原理图和实物图如图所示，主要由耐压装置和加压装置组成，耐压装置由耐压圆筒和耐压端盖组成，耐压圆筒设计采用3cm壁厚 的不锈钢，耐压端盖与耐压圆筒之间采1用轴向密封。在耐压端盖上，除了设计 个加压1装置接口和 个浮力调节系统安装接口之外，还1 1设置有 个耐压装置压力表和 个耐压装置溢流1阀。加压装置由 台手摇泵和压力表组成。通过手摇泵，向耐压装置中注水，当耐压装置中水压达到试验压力时，停止注水。溢流阀用于保持耐压装置中恒定的压力环境，也可用于设置不同的试6 MPa验压力。设计的环境模拟器最大可模拟 的海洋压力环境。实验时，浮力调节系统安装于耐压装置上，其耐压部件（包括外油囊）全部置于耐压装置内，以模拟滑翔机实际航行过程中机体尾部的受压情况。

3 浮力调节系统实验 3.1 实验方法

为了研究浮力调节系统在不同工况下的工作 情况，分别测试系统在不同压力环境下的出油性能及在大气压下的回油性能。出油过程通常发生在水下滑翔机由下潜运动转变到上浮运动这一时间段，此时水下滑翔机处于较深的位置，若浮力调节系统不能正常工作，则水下滑翔机继续下潜而存在触底或超压的风险。因此，在高压环境下，浮力调节系统的正常出油是保证水下滑翔机正常上浮的关键因素。出油实验时，由于浮力调节系统向外油囊排油，会导致耐压装置有限容积中的压力增加。为了保持恒定的压力环境，利用溢流阀稳定耐压装置内压力。由此可在不同压力环境下，通过调节柱塞泵的转速，测试浮力调节系统的出油时间和能耗。回油实验时，考虑到回油时水下滑翔机通常位于海洋表面，外油囊的压力环境设定为大气1V压。回油实验过程中，齿轮泵以 的恒定电压控制转速，直至回油到指定状态。

3.2 实验结果与分析

浮力调节系统通过位移传感器测量内油囊体积，在柱塞泵转速一定的情况下，位移传感器的读7所数与内油囊体积之间存在准线性关系。如图200～600 mL示，当内油囊的体积在 区间变化时，位移与容积之间呈现较好的线性关系；当内油囊100 mL的体积小于 时，受内皮囊的波纹管形式影响，位移与体积关系出现轻微的非线性特征，而且内油囊越收缩，非线性特性越明显。位移传感器具有毫米级别的分辨率，受浮力调节系统内油囊的大横截面的影响，导致系统对内油囊体积的分6mL。辨率较低。经过多次测试，分辨率约为 8图 所示为不同压力环境下，泵转速分别为1 000 2 000 r/min和 时的流量曲线。从图中可以1 000 r/min看出，排量随着压力的增加而降低，在6 mL/min，降 6%时，排量最多降低约 低了 。在2 000 r/min 40 mL/min，降时，流量最多降低约 低20%。由此可见，在外压增大的情况下，泵的排了量受到一定影响，即泵的容积效率降低。同时，泵9的能耗也随之增加，如图 所示。 10图 所示为不同压力环境下的排油过程动态曲线。由图可以看出，在相同转速下，随着外压的增大，完成相同排油量所需的时间增大。并且， 1 000 r/min在泵转速为 的情况下，排油所需时间4.1% 2 000 r/min比理论值增加了约 ；在泵转速为 33%。的情况下，排油所需时间比理论值增加了约11图 所示为在大气压力环境下的回油过程360 mL/min，能耗约20W。曲线。回油速率约10（b）可 2.5 MPa由图 知，在 的压力环境下， 76s 300 mL浮力调节系统耗时 即可完成 的输油，

-150~150 mL实现滑翔机体积变化在 之间的切11换，完成上潜和下浮状态的切换。由图 可知， 50s回油时， 即可完成浮态的切换。综上所述，浮力调节系统在外部压力环境下工作稳定，可实现较快的上潜和下浮状态切换。随着外部压力的增加，排油时柱塞泵的排量有所降低。特别是在泵的转速较高时，影响较大。

4结语

通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论CFD分析和 计算，求得浮力调节量这一重要设计参数。针对传统浮力调节系统出油油路复杂及回油慢的缺点，设计了可快速出油和回油、可用于高压环境的低能耗浮力调节系统，并设计了海洋压力环境模拟器，在不同外部压力环境条件下进行了实验。实验结果表明，设置了出油和回油通路、以高压柱塞泵执行深水环境下向外出油、以低能耗齿轮泵执行浅水环境下回油的浮力调节系统，在外部压力环境下工作稳定，可实现较快的下潜、2.5 MPa上浮状态切换。此外，该浮力调节系统在 压力环境下出油过程正常，在大气压力环境下回油过程也正常。

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图6 浮力调节系统及海洋压力环境模拟器Fig.6 Buoyancy regulating system and marine pressure environment simulator

Fig.9 图9 不同外压下的能耗Energy consumption under different external pressures

图8 不同外压下的流量Flow rate under different external pressures

图7位移传感器电阻与内油囊体积的关系Fig.7 The corresponding curve of displacement sensor resistance and oil bag volume

10图 不同压力情况下的排油过程响应曲线Fig.10 Response curve of oil outlet process under different pressure conditions

11图 大气压力环境下的回油过程动态曲线Fig.11 Oil return curve under atmospheric pressure environment