一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置和调节方法

1.本发明实施例涉及水下抛载装置技术领域，具体涉及一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置和调节方法。


背景技术：

2.海洋日渐成为不断吸引人类关注的领域，由于环境的复杂，海洋数据的收集、海洋环境的探测等越来越依靠于自主水下航行器。在遇到复杂及危险情况，或有任务需要时，使自主水下航行器安全可靠地上浮是必须解决的重点问题。在实际工程应用中，一般是采用液压传动的机械式的方式进行抛载，而由于液压传动抛载方式结构复杂，因此其往往载荷较大，在此基础上，一般需要通过抛掉航行器本身自带的一些装置，例如，电池组等，而抛掉电池组等方式则会造成了成本的提高。而采用常规的电力式抛载的方式则存在着受供电设备影响大，尤其是出现突发或是紧急状态时，无法及时抛载，造成航行器潜在危险增加的问题。因此，提供一种安全，可靠，在失电故障等情况下依然可以保证有效且及时抛载的装置及方法是本发明亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.为此，本发明实施例提供一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置和调节方法，通过冗余设置的主供电模块和备份供电模块的协同配合，保证在主供电模块出现失电故障时依然能够有效实现抛载，并且，基于电源切换调节模块和隔离电路模块的引入，对电性参数进行调节，并能够基于实际情况针对性控制通断路，从而保证了抛载的可靠性，增加了整体的安全性能。
4.为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
5.在本发明实施例的一个方面，提供了一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，包括主供电模块，备份供电模块，电源切换调节模块，控制模块，隔离电路模块，电磁执行模块，以及与所述电磁执行模块电磁连接的抛载物；其中，
6.所述主供电模块与所述备份供电模块各自与所述电源切换调节模块电连，并通过所述电源切换调节模块选择所述主供电模块或所述备份供电模块作为供电端，并对电性参数进行调节后进行供电；
7.所述控制模块通过控制所述隔离电路模块的通断路，来控制所述电磁执行模块对所述抛载物的吸附或抛载。
8.作为本发明的一种优选方案，所述电源切换调节模块包括自所述主供电模块和所述备份供电模块顺次电连设置的继电单元和电压转换单元；
9.所述继电单元用于选择所述主供电模块或所述备份供电模块供电；
10.所述电压转换单元用于对所述主供电模块和所述备份供电模块的输出电压进行调节。
11.作为本发明的一种优选方案，所述继电单元包括三极管、第一继电器和二极管，所
述电压转换单元包括电压转换电路；且，
12.所述三极管的集电极与所述主供电模块和所述备份供电模块的第一支路各自电连，所述三极管的基极与所述主供电模块和所述备份供电模块的第二支路各自电连，所述三极管的发射极与所述第一继电器相连并向所述第一继电器供电；
13.所述第一继电器的正负极之间通过所述二极管连接；
14.所述主供电模块与所述第一继电器的常开触点电连，所述备份供电模块与所述第一继电器的常闭触点电连。
15.作为本发明的一种优选方案，所述主供电模块上还设置有稳压单元，所述稳压单元用于在所述主供电模块供电时，驱动所述主供电模块与所述第一继电器的吸合，以使得所述主供电模块接通自锁。
16.作为本发明的一种优选方案，所述电源切换调节模块调节的所述主供电模块和/或所述备份供电模块的电性参数为电压，且调节后的电压值不大于6v；
17.且调节后的所述主供电模块的输出电压与所述备份供电模块的输出电压相同，或误差值不大于0.5v。
18.作为本发明的一种优选方案，所述隔离电路模块包括多组驱动及光耦隔离单元，所述电磁执行模块对应形成为多个电磁执行单元，每个所述电磁执行单元各自连接有所述抛载物；
19.每组所述驱动及光耦隔离单元各自与其中一个所述电磁执行单元电性连接；
20.所述控制模块对每组所述驱动及光耦隔离单元分别进行控制。
21.作为本发明的一种优选方案，所述电磁执行模块为固定设置的失电型电磁铁，所述抛载物与所述失电型电磁铁磁力吸合。
22.作为本发明的一种优选方案，还包括备用抛载电路，所述备份供电模块通过所述备用抛载模块与至少部分所述电磁执行模块电连。
23.作为本发明的一种优选方案，所述备用抛载电路至少包括第二继电器，所述备份供电模块在对电性参数进行调节后，输出端电连所述第二继电器进行供电；
24.所述备份供电模块与所述电源切换调节模块和所述备用抛载电路之间通过切换电路可切换地连通。
25.作为本发明的一种优选方案，所述抛载物至少包括荷载块，以及围合所述荷载块的套筒。
26.在本发明实施例的另一个方面，还提供了一种基于冗余供电的抛载式浮力调节方法，采用根据上述所述的抛载式浮力调节装置，方法包括：
27.s100、控制模块向隔离电路模块输出触发信号，隔离电路模块根据触发信号进行响应，实现电源切换模块与电磁执行模块之间的通断路；
28.s200、当主供电模块有效时，电源切换调节模块选择主供电模块并调节电压后输出至隔离电路模块；当主供电模块失效时，电源切换调节模块选择备份供电模块并调节电压后输出至隔离电路模块；
29.s300、电磁执行模块根据隔离电路模块的通断路完成抛载物的吸附或抛载。
30.作为本发明的一种优选方案，步骤s200还包括，当选择备份供电模块时，隔离电路模块断路，备份供电模块通过备用抛载电路与电磁执行模块之间连接，控制模块通过触发
备用抛载电路，并完成备份供电模块对电磁执行模块的通断电。
31.本发明的实施方式具有如下优点：
32.本发明基于电性连接通路的调节，并进一步通过电磁执行模块对抛载物进行抛载，从而实现电性连接通路对抛载物的间接控制抛载，基于电磁执行模块的良好的密封性，即可实现整个抛载装置的相对良好的密封，使得其能被应用于深海等相对恶劣的环境中；同时，基于主供电模块和备份供电模块的冗余配合，保证在主供电模块出现失电故障时依然能够有效实现抛载，保证水下航行器安全上浮。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
34.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
35.图1为本发明实施例提供的抛载式浮力调节装置的结构示意图；
36.图2为本发明实施例提供的抛载式浮力调节方法的流程图；
37.图3为本发明实施例提供的电磁执行模块的局部结构示意图。
38.其中：
39.1-电磁铁；2-套筒；3-抛载物；4-安装板；5-连接件。
具体实施方式
40.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.以下通过具体的实施例进行进一步的说明。
42.如图1所示，本发明提供了一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，包括两个电源，即主电源(对应主供电模块)和备用电源(对应备份供电模块)。需要说明的是，本发明中的备份供电模块可以为多个，这里可以根据实际需要对其数量进行相应的择选，每个备份供电模块的连接方式相同，每次选择主供电模块或是其中一个备份电源模块工作即可。两个电源通过电源切换调节模块进行切换，首选采用主电源，当主电源出现供电故障时，电源切换调节模块将切换为备用电源供电。当处于正常工作状态时，主电源为隔离电路模块中的驱动及光耦隔离单元供电，外部的控制单元控制信号输入至驱动及光耦隔离单元中的驱动芯片(驱动及光耦隔离单元包括驱动芯片和通过驱动芯片控制的光耦隔离电路)，从而控制光耦隔离电路的输出是否为高电压，光耦隔离电路的输出连接着电磁执行模块的正极。电磁执行模块中的失电型电磁铁，在通电时失去磁性，在不通电时保持磁性。抛载物与电磁
执行模块之间通过磁力连接，并被套筒保护免受水下冲击。
43.在实际调节过程中，当外部的控制单元输出为高电平时，光耦隔离电路输出端有电压，使失电型电磁铁失去磁性，抛载物被抛掉。当外部的控制单元的信号输出为低电平时，光耦隔离电路输出端无电压，失电型电磁铁保持磁性，抛载物不被抛掉。需要说明的是，这里的控制模块是基于高低电平的输出来反馈到电源切换模块，从而选择由主供电模块或是备份供电模块进行供电。具体地，这里的控制单元可以设置在水下航行器的控制板卡上，控制信号通过控制板卡发出，上电后，控制板卡通过io口向驱动及光耦隔离单元发送低电平，驱动及光耦隔离单元不输出电压，电磁执行模块的失电型电磁铁保持吸合；需要抛载时，控制板卡通过io口向驱动及光耦隔离单元发送高电平，驱动及光耦隔离单元输出电压，电磁执行模块的失电型电磁铁失磁释放抛载物。电磁执行模块与水下航行器固定连接，抛载物与电磁执行模块之间通过磁力吸合。
44.当切为备用电源时，备用电源为备用抛载电路供电，不经过驱动及光耦隔离单元即可抛掉抛载，确保了主电源掉电环境下也可以正常工作，并进行抛载。在实际操作过程中，基于控制模块一直向备用电源或备用抛载电路输出高电平，从而使备用抛载电路不生效；当控制模块失效时，则无法输出高电平，则备用电源或备用抛载电路生效，进而直接通过备用抛载电路控制电磁执行模块完成直接抛载。
45.具体地，备用抛载电路可以按照如下方式设置，其包括第二继电器、二极管及必要的电阻器件。备用电源将电压转换为5v后连接第二继电器的正极为线圈供电。所述第二继电器正负极之间用二极管连接实现防回流。电磁执行模块中一组电磁铁的输入端连接第二继电器的输出端，这一组的控制信号连接第二继电器的常开触点。这里的电磁铁为多组，例如，可以为两组，主要是为了应对在海中下沉、悬浮和上升三种工况，在实际操作过程中，可以为主供电模块对电源切换模块、隔离电路模块和电磁执行模块整体构成的主抛载电路对两组电磁铁分别控制，也可以为备用供电模块对主抛载电路供电实现正常控制，同时，备用供电模块还可以通过备用抛载电路实现全部抛载。当然，这里并不排除其它合适的设置方式，例如，另一方式中，这里的电磁铁为多组，也就是说，可以部分(至少一组)通过备用抛载电路直接连载备用电源上，而其他电磁铁(至少一组)依然可以基于驱动及光耦隔离单元连接，从而形成为多组相互并联，相互独立的连接方式，并针对性通过相应的方式抛载不同组的电磁铁。任意合适的抛载方式在此均可以使用，本发明并不局限于上述公开的抛载模式和电磁铁的设置方式。
46.整个抛载装置中，电压转换单元用于将主电源或备用电源的电压变为低压，如5v，用于其他部分电路的驱动和保护。电源切换调节模块用于主电源和备用电源的切换，包括第一继电器、二极管、三极管，电压转换单元。主电源连接三极管集电极，主电源经过电压转换单元转为5v并连接三极管基极，三极管发射极连接第一继电器，实现对第一继电器供电。第一继电器的正负极之间用二极管连接，实现防回流作用。主电源连接第一继电器的常开触点，当主电源供电正常时，第一继电器由主电源供电，并输出由主电源提供的电压。备用电源连接第一继电器的常闭触点，当主电源供电停止时，第一继电器电磁铁不通电，输出端输出备用电源提供的电压。
47.即，根据上述所述，当主电源失效时，其中一种方式为，这里的备用电源可以直接通过向第一继电器通断电来复制主电源的控制方式，并进而实现对抛载物的抛载或是吸
附；另一种方式下，直接切断这里的驱动及光耦隔离单元的通路，备用电源直接通过备用抛载电路与电磁执行模块进行电连，并通过控制模块的对应控制，实现对抛载物的抛载或是吸附。
48.驱动及光耦隔离单元包括驱动芯片、光耦隔离芯片及必要的电阻和电容器件。驱动及光耦隔离单元为相同的两组，每组的驱动芯片输入端连接对应的控制信号，光耦隔离芯片输出端输出电压信号，连接电磁执行机构的输入端。
49.电磁执行模块由四个失电型电磁铁1和对应的四个圆柱形套筒2组成，整个电磁执行模块可固定于水下航行器的下部。圆柱形套筒2固定在电磁铁1外部，抛载物3置于套筒2内，避免水下冲击使抛载物3意外掉落，同时套筒2起到导向作用，使抛载物3更顺利地抛掉。并且这里有固定设置的安装板4，安装板4固定连接于水下航行器上，套筒2也为固定设置，例如，可以固定连接在安装板4上，而电磁铁1则可以通过螺栓等连接件5固定连接于安装板4上。同时，这里的失电型电磁铁1每两个为一组，每组由不同的控制信号对应控制。这里通过采用失电型的电磁铁1，在通电时无磁，而失电时有磁，即在常规使用时(即配载状态下)，完全无需通电，而仅在即时抛载时，需要向其供电以完成抛载操作，大大降低了对电能的损耗。
50.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，包括主供电模块，备份供电模块，电源切换调节模块，控制模块，隔离电路模块，电磁执行模块，以及与所述电磁执行模块电磁连接的抛载物；其中，所述主供电模块与所述备份供电模块各自与所述电源切换调节模块电连，并通过所述电源切换调节模块选择所述主供电模块或所述备份供电模块作为供电端，并对电性参数进行调节后进行供电；所述控制模块通过控制所述隔离电路模块的通断路，来控制所述电磁执行模块对所述抛载物的吸附或抛载。2.根据权利要求1所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，所述电源切换调节模块包括自所述主供电模块和所述备份供电模块顺次电连设置的继电单元和电压转换单元；所述继电单元用于选择所述主供电模块或所述备份供电模块供电；所述电压转换单元用于对所述主供电模块和所述备份供电模块的输出电压进行调节。3.根据权利要求2所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，所述继电单元包括三极管、第一继电器和二极管，所述电压转换单元包括电压转换电路；且，所述三极管的集电极与所述主供电模块和所述备份供电模块的第一支路各自电连，所述三极管的基极与所述主供电模块和所述备份供电模块的第二支路各自电连，所述三极管的发射极与所述第一继电器相连并向所述第一继电器供电；所述第一继电器的正负极之间通过所述二极管连接；所述主供电模块与所述第一继电器的常开触点电连，所述备份供电模块与所述第一继电器的常闭触点电连；优选地，所述主供电模块上还设置有稳压单元，所述稳压单元用于在所述主供电模块供电时，驱动所述主供电模块与所述第一继电器的吸合，以使得所述主供电模块接通自锁。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，所述电源切换调节模块调节的所述主供电模块和/或所述备份供电模块的电性参数为电压，且调节后的电压值不大于6v；且调节后的所述主供电模块的输出电压与所述备份供电模块的输出电压相同，或误差值不大于0.5v。5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，所述隔离电路模块包括多组驱动及光耦隔离单元，所述电磁执行模块对应形成为多个电磁执行单元，每个所述电磁执行单元各自连接有所述抛载物；每组所述驱动及光耦隔离单元各自与其中一个所述电磁执行单元电性连接；所述控制模块对每组所述驱动及光耦隔离单元分别进行控制。6.根据权利要求5所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，所述电磁执行模块为固定设置的失电型电磁铁，所述抛载物与所述失电型电磁铁磁力吸合。7.根据权利要求6所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，还包括备用抛载电路，所述备份供电模块通过所述备用抛载模块与至少部分所述电磁执行模块电连。8.根据权利要求7所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置，其特征在于，所述
备用抛载电路至少包括第二继电器，所述备份供电模块在对电性参数进行调节后，输出端电连所述第二继电器进行供电；所述备份供电模块与所述电源切换调节模块和所述备用抛载电路之间通过切换电路可切换地连通；优选地，所述抛载物至少包括荷载块，以及围合所述荷载块的套筒。9.一种基于冗余供电的抛载式浮力调节方法，其特征在于，采用根据权利要求1-8中任意一项所述的抛载式浮力调节装置，方法包括：s100、控制模块向隔离电路模块输出触发信号，隔离电路模块根据触发信号进行响应，实现电源切换模块与电磁执行模块之间的通断路；s200、当主供电模块有效时，电源切换调节模块选择主供电模块并调节电压后输出至隔离电路模块；当主供电模块失效时，电源切换调节模块选择备份供电模块并调节电压后输出至隔离电路模块；s300、电磁执行模块根据隔离电路模块的通断路完成抛载物的吸附或抛载。10.根据权利要求9所述的一种基于冗余供电的抛载式浮力调节方法，其特征在于，步骤s200还包括，当选择备份供电模块时，隔离电路模块断路，备份供电模块通过备用抛载电路与电磁执行模块之间连接，控制模块通过触发备用抛载电路，并完成备份供电模块对电磁执行模块的通断电。

技术总结
本发明实施例公开了一种基于冗余供电的抛载式浮力调节装置和调节方法，装置包括主供电模块，备份供电模块，电源切换调节模块，控制模块，隔离电路模块，电磁执行模块，以及与所述电磁执行模块电磁连接的抛载物；其中，所述主供电模块与所述备份供电模块各自与所述电源切换调节模块电连，并通过所述电源切换调节模块对电性参数进行调节后选择所述主供电模块或所述备份供电模块作为供电端进行供电；所述控制模块通过控制所述隔离电路模块的通断路，来控制所述电磁执行模块对所述抛载物的吸附或抛载。实现了安全，可靠，在失电故障等情况下依然可以保证有效且及时抛载的效果。依然可以保证有效且及时抛载的效果。依然可以保证有效且及时抛载的效果。


技术研发人员：银波 杨国伟 黄顺 郝占宙 王一伟
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/5/10