[发明专利]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

说明书

本发明涉及可压缩液体，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方法同样具有较好的效果。

技术领域

本发明涉及可压缩液体，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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明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。

本发明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V_c；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ΔV_k、可压缩液体体积变化量ΔV_c；

其中，k_v为载体压缩系数，k_c为可压缩液体压缩系数，K_v为载体体积弹性模量，K_c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+V_c) (3)

水下机器人在不同深度的浮力为：

B＝(V₀-ΔV_k)ρ(p)+(V_c-ΔV_c)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：