CN105790570A - 一种水下机器人电源磁控开关装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水下机器人电源磁控开关装置及控制方法。包括底板，安装在底板上的DC/DC电源模块、固态继电器和电源输入输出端子，DC/DC电源模块的输入端连接总电源，DC/DC电源模块的输出端连接驱动固态继电器，固态继电器连接电源输入输出端子，DC/DC电源模块的输入端还连接两个干簧管，一支干簧管采用常闭接法并安装于接近耐压壳体的位置，另一支干簧管采用常开接法并安装于远离耐压壳体的位置，两支干簧管安装方向一致。该开关装置使用永磁体进行控制，不需要无线电、红外线控制器或机械插拔开关，可实现水下机器人非钢质承压密闭容器中、通过磁力以非接触的方式实现对电源的通断控制。

Description

一种水下机器人电源磁控开关装置及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种电源开关装置，具体地说是一种适用于水下机器人的电源磁控开关装置。

背景技术

由于水下机器人工作时需承受极大的海水压力，因此插拔式或拨动式电源开关使用寿命较短，如不及时更换则可能使水密接插件失效，或者存在短路、漏电风险。因此，水下机器人尤其是大潜深水下机器人，电源开关应该采用非接触式的控制方式。

非接触方式的电源开关从原理上可分为红外线、电磁波、磁力等方式。红外线与电磁波控制方式类似，都是接收装置接收到控制端的红外线或电磁波信号，通过解码采取相应的开关动作。这两种方式要求接收装置必须持续工作，因此需要对其独立供电或电源系统不间断供电，导致接收装置具有掉电风险或电源不能彻底切断而消耗能量。另外，使用红外线时要求装置外壳可透光，而使用无线电时要求装置外壳不能有电磁屏蔽效果，因此这两种非接触方式的电源开关在使用时受到限制。不能满足水下机器人的需求。

一般的基于磁力方式的非接触方式的电源开关，一般是利用磁铁使衔铁产生移动来控制开关的通断，或者是磁铁的磁场改变霍尔元件的输出信号开控制开关的通断。前者由于衔铁容易受到机械振动的干扰，存在失效的风险，后者需要持续供电，因此也不适用于水下机器人可靠性要求高、环境干扰复杂的工作场合。关于磁控开关的公开报道也很多，例如：

(1)申请号为201210423624.5的专利文件中记载了一种“磁控开关”。在开关盒内的中间通过两侧滑轨条装有一个可滑动块，可滑动块的内芯有一个磁性块，开关盒一侧有两个间隔不通的带电源线的电极板，可滑动块与电极板相处一侧边装有可将两个电极板相触导通电源的导电板，在开关盒外面有一个可与内置磁性块相吸、用于滑移可滑动块的金属块。使用时，可手持开关盒外面的金属块，向两个电极板滑移，由于可滑动块内的磁性块与金属块吸附，即滑动可滑动块移动，当其导电板与两个电极板相触，即接通两个电极，使电源线导通电源，由此实现开与关的目的。该技术方案采用内置的磁性块相吸进行滑移操作实现电源的开启和关闭。

(2)申请号为94239877.7的专利文件中，公开了“一种舰船舱门磁控开关”，包括输入电源、开关电路电源、撤控开关、霍尔效应传感器和驱动单元，它们顺次以电路联结成一闭环控制回路结构，实现对受控灯的管理，其中霍尔效应传感器被安装在舱门的适当位置上。

(3)申请号为200420065213.4的专利文件中，公开了一种“干簧管磁控开关”。其控制电路由电阻、触发二极管、干簧管、双向可控硅及照明灯连接而成。采用干簧管与冰箱门封上的磁条配合来控制冰箱的照明灯。

这些磁控开关并不适用于处于非钢质承压密闭容器中、易受环境磁场干扰的水下机器人电源控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于从水密舱外部对处于非钢质承压密闭容器中的电源开关进行控制、并且具有抵抗环境磁场干扰的水下机器人电源磁控开关装置。本发明的目的还在于提供一种水下机器人电源磁控开关装置的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的水下机器人电源磁控开关装置包括底板，安装在底板上的DC/DC电源模块、固态继电器和电源输入输出端子，DC/DC电源模块的输入端连接总电源，DC/DC电源模块的输出端连接驱动固态继电器，固态继电器连接电源输入输出端子，DC/DC电源模块的输入端还连接两个干簧管，一支干簧管采用常闭接法并安装于接近耐压壳体的位置，另一支干簧管采用常开接法并安装于远离耐压壳体的位置，两支干簧管安装方向一致。

本发明还可以包括：

1、DC/DC电源模块的输出端与驱动固态继电器之间连接有电容，所述电容串联第一电阻。

2、DC/DC电源模块的输出端与驱动固态继电器之间连接有LED指示，所述LED指示串联第二电阻。

本发明的水下机器人电源磁控开关装置的控制方法为：

使用永磁体进行控制；

在正常状态下即无永磁体作用，为接通状态，常闭干簧管为接通状态，常开干簧管不工作，DC/DC电源模块接受总电源供电、输出端输出5V电源驱动固态继电器为导通状态；

永磁体接近时，转为断开状态，常闭干簧管磁在场作用下触点断开，DC/DC电源模块输入端的供电中断、输出端停止输出5V电源，在电容所储存电量的驱动下固态继电器保持导通状态，直到电容电量耗尽、固态继电器转为截止状态，电源开关转为断开状态，在此过程中由于常开干簧管距离较远，永磁体磁场不足以驱动簧片动作，常开干簧管不发挥作用；

永磁体离开时，转为接通状态，常闭干簧管触点回到接通状态，DC/DC电源模块输入端的供电恢复，输出端输出5V电源，驱动固态继电器进入导通状态，同时电容开始充电，在此过程中由于常开干簧管距离较远，永磁体磁场不足以驱动簧片动作，常开干簧管不发挥作用；

正常状态下、环境中存在稳定强磁干扰时，保持为接通状态，在强磁干扰下常闭干簧管触点断开、常开干簧管触点接通后，DC/DC电源模块输入端供电持续，由于干簧管触点接通时间比断开时间长，存在常闭干簧管断开而常闭干簧管未接通的短暂时间，此时DC/DC电源模块输入端供电中断，固态继电器由电容储存的电量驱动，此时电源开关状态不受影响，保持接通状态；

正常状态下、环境稳定强磁干扰消失时，保持为接通状态，强磁干扰消失，常闭干簧管触点接通、常开干簧管触点断开后，DC/DC电源模块输入端供电持续，由于干簧管触点接通时间比断开时间长，因此存在常闭干簧管断开而常开干簧管未接通的短暂时间，此时DC/DC电源模块输入端供电中断，固态继电器由电容储存的电量驱动，此时电源开关状态不受影响，保持接通状态；

正常状态下、环境中存在周期脉动强磁干扰时，保持为接通状态，在周期脉动强磁干扰下，常闭干簧管和常开干簧管其中之一是接通状态，DC/DC电源模块驱动固态继电器处于接通状态；在常闭干簧管和常开干簧管切换间隔时间内，由电容储存的电量驱动固态继电器，此时电源开关仍保持接通状态。

本发明提供的是一种适合于水下机器人使用的非接触式磁控开关，可以实现从水密舱外部对电源开关进行控制，具有抗环境磁场的干扰能力。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的电源开关装置为非接触式控制，能够放置于水密耐压容器内使用，并且不受常用的水下机器人耐压容器材料(玻璃、钛合金、铝合金、不锈钢、碳纤维等)限制；本发明的电源开关装置在断开状态时不需要持续供电；本发明的电源开关装置接通状态时不需要使用永磁体，避免磁场对于其他设备的干扰(例如磁罗经)，同时不存在意外撞击时永磁体脱落导致系统断电；本发明的电源开关装置在环境中存在强磁干扰时仍能正常工作；本发明的电源开关装置中使用的干簧管、固态继电器、DC/DC等元件接通及断开时不会产生火花，因此除水下机器人之外还可应用于防爆场合；本发明的电源开关装置结构简单、成本低、操作简单、不需维护。

该开关装置使用永磁体进行控制，不需要无线电、红外线控制器或机械插拔开关，可实现水下机器人非钢质承压密闭容器中、通过磁力以非接触的方式实现对电源的通断控制。

附图说明

图1为本发明的水下机器人电源磁控开关装置的结构示意图。

图2为本发明的水下机器人电源磁控开关装置正常工作状态电路原理图。

图3为本发明的水下机器人电源磁控开关装置永磁体作用下的电路原理图。

图4为本发明的水下机器人电源磁控开关装置在稳定强磁场作用下的电路原理图。

图5为本发明的水下机器人电源磁控开关装置周期脉动强磁场作用下干簧管动作及电容充放电时序图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明进行详细说明。

为实现水下机器人水密耐压舱内电源开关的非接触式控制，并且结构简单、抗干扰能力强、使用方便，本发明实施例提供了一种基于干簧管的非接触式电源开关装置。

结合图1，开关装置包括底板1，所述底板为矩形印制电路板，四角具有固定孔2，用于在水下机器人控制舱内固定；所述底板具有电子元件焊接焊盘及固定孔；所述具有印制电路，用于连接各种元件与模块；所述底板上安装电源输入输出端子3；所述电子元件包含同型号C型干簧管4和干簧管5，一支干簧管5采用常闭接法并接近耐压壳体安装，一支干簧管4采用常开接法并远离耐压壳体安装，两支干簧管安装方向一致；所述电子元件包含一支电容10和第一电阻11，电容10作为储能元件，在环境干扰时提供驱动能量，电阻11作为限流元件，避免电容10充电时瞬间电流过大；所述电子元件包含一支LED8和第二电阻9，LED8指示开关接通状态，LED8点亮表示开关装置处于接通状态，LED8熄灭表示开关装置处于断开状态，电阻9作为限流元件，避免通过LED8的电流过大；所述模块包含固态继电器7用来控制系统电源通断；DC/DC电源模块6，输出端用来驱动固态继电器7，输入端连接总电源并且受干簧管4、5控制；所述开关装置使用永磁体进行控制，当永磁体接近或离开干簧管5时，簧片磁化产生动作，带动触点接触或分离。

所述开关装置在正常状态下(无永磁体作用，下同)为接通状态，结合图2其原理说明如下：常闭干簧管5为接通状态，常开干簧管4不工作，DC/DC电源模块6接受总电源供电，输出端输出5V电源，驱动固态继电器7为导通状态，电源开关为接通状态，可为用电器供电，此时电容10充电结束，LED8点亮。

永磁体接近开关装置时，所述开关装置转为断开状态，结合图3其原理说明如下：常闭干簧管磁5在场作用下触点断开，DC/DC电源模块6输入端的供电中断，输出端停止输出5V电源，此时在电容10所储存电量的驱动下固态继电器7保持导通状态，直到电容10电量耗尽，固态继电器7转为截止状态、LED9熄灭，电源开关转为断开状态，用电器供电停止，在此过程中由于常开干簧管4距离较远，永磁体磁场不足以驱动簧片动作，因此常开干簧管4不发挥作用。

永磁体离开所述开关装置时，所述开关装置转为接通状态，结合图2其原理说明如下：由于磁场消失，常闭干簧管5触点回到接通状态，DC/DC电源模块6输入端的供电恢复，输出端输出5V电源，驱动固态继电器7进入导通状态，电源开关转为接通状态，与此同时电容10开始充电、LED8点亮，在此过程中由于常开干簧管4距离较远，永磁体磁场不足以驱动簧片动作，因此常开干簧管4不发挥作用。

正常状态下，环境中存在稳定强磁干扰时，所述开关装置保持为接通状态，结合图4其原理说明如下：在强磁干扰下常闭干簧管5触点断开、常开干簧管4触点接通后，DC/DC电源模块6输入端供电持续，因此电源开关处于接通状态，但是由于干簧管4和5触点接通时间比断开时间长，因此存在常闭干簧管5断开而常开干簧管4未接通的短暂时间，此时DC/DC电源模块6输入端供电中断，固态继电器7由电容10储存的电量驱动，此时电源开关状态不受影响，保持接通状态。

正常状态下，环境稳定强磁干扰消失时，所述开关装置保持为接通状态，结合图2其原理说明如下：强磁干扰消失，常闭干簧管5触点接通、常开干簧管4触点断开后，DC/DC电源模块6输入端供电持续，固态继电器7导通，因此电源开关处于接通状态，但是由于干簧管触点接通时间比断开时间长，因此存在常开干簧管断开4而常闭干簧管5未接通的短暂时间，此时DC/DC电源模块6输入端供电中断，固态继电器7由电容10储存的电量驱动，此时电源开关状态不受影响，保持接通状态。

正常状态下，环境中存在周期脉动强磁干扰时，所述开关装置保持为接通状态，结合图5其原理说明如下：如前所述，在周期脉动强磁干扰下，常闭干簧管5和常开干簧管4其中之一是接通状态，DC/DC电源模块6由电源供电驱动固态继电器7，因此电源开关处于接通状态；在常闭干簧管5和常开干簧管4切换间隔时间内，由电容10储存的电量驱动固态继电器7，此时电源开关仍保持接通状态，并且由于电容10充电总是比放电更快，因此在DC/DC电源模块6供电时电容10的电量能够及时补充。

Claims (4)

1.一种水下机器人电源磁控开关装置，包括底板，安装在底板上的DC/DC电源模块、固态继电器和电源输入输出端子，DC/DC电源模块的输入端连接总电源，DC/DC电源模块的输出端连接驱动固态继电器，固态继电器连接电源输入输出端子，其特征是：DC/DC电源模块的输入端还连接两个干簧管，一支干簧管采用常闭接法并安装于接近耐压壳体的位置，另一支干簧管采用常开接法并安装于远离耐压壳体的位置，两支干簧管安装方向一致。

2.根据权利要求1所述的水下机器人电源磁控开关装置，其特征是：DC/DC电源模块的输出端与驱动固态继电器之间连接有电容，所述电容串联第一电阻。

3.根据权利要求2所述的水下机器人电源磁控开关装置，其特征是：DC/DC电源模块的输出端与驱动固态继电器之间连接有LED指示，所述LED指示串联第二电阻。

4.一种权利要求2所述的水下机器人电源磁控开关装置的控制方法，其特征是：

使用永磁体进行控制；

在正常状态下即无永磁体作用，为接通状态，常闭干簧管为接通状态，常开干簧管不工作，DC/DC电源模块接受总电源供电、输出端输出5V电源驱动固态继电器为导通状态；

永磁体接近时，转为断开状态，常闭干簧管磁在场作用下触点断开，DC/DC电源模块输入端的供电中断、输出端停止输出5V电源，在电容所储存电量的驱动下固态继电器保持导通状态，直到电容电量耗尽、固态继电器转为截止状态，电源开关转为断开状态，在此过程中由于常开干簧管距离较远，永磁体磁场不足以驱动簧片动作，常开干簧管不发挥作用；

永磁体离开时，转为接通状态，常闭干簧管触点回到接通状态，DC/DC电源模块输入端的供电恢复，输出端输出5V电源，驱动固态继电器进入导通状态，同时电容开始充电，在此过程中由于常开干簧管距离较远，永磁体磁场不足以驱动簧片动作，常开干簧管不发挥作用；

正常状态下、环境中存在稳定强磁干扰时，保持为接通状态，在强磁干扰下常闭干簧管触点断开、常开干簧管触点接通后，DC/DC电源模块输入端供电持续，由于干簧管触点接通时间比断开时间长，存在常闭干簧管断开而常闭干簧管未接通的短暂时间，此时DC/DC电源模块输入端供电中断，固态继电器由电容储存的电量驱动，此时电源开关状态不受影响，保持接通状态；

正常状态下、环境稳定强磁干扰消失时，保持为接通状态，强磁干扰消失，常闭干簧管触点接通、常开干簧管触点断开后，DC/DC电源模块输入端供电持续，由于干簧管触点接通时间比断开时间长，因此存在常闭干簧管断开而常开干簧管未接通的短暂时间，此时DC/DC电源模块输入端供电中断，固态继电器由电容储存的电量驱动，此时电源开关状态不受影响，保持接通状态；

正常状态下、环境中存在周期脉动强磁干扰时，保持为接通状态，在周期脉动强磁干扰下，常闭干簧管和常开干簧管其中之一是接通状态，DC/DC电源模块驱动固态继电器处于接通状态；在常闭干簧管和常开干簧管切换间隔时间内，由电容储存的电量驱动固态继电器，此时电源开关仍保持接通状态。