智能跟隨旋轉(zhuǎn)自清潔喇叭傘

1、北京航空天大學(xué)第二十四屆“馮如杯 ”學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競賽參賽作品第二十五屆“馮如杯”學(xué)生創(chuàng)意大賽智能跟隨旋轉(zhuǎn)自清潔喇叭傘摘要 從四千年前一個(gè)孩子頭頂一大片荷葉冒雨行走發(fā)展至今，雨傘已成為人們生活的必需品。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于傘的樣式和功能人們也從未停止求索。而經(jīng)歷上千年演變的雨傘無論從生產(chǎn)工藝到成本計(jì)算到易用程度都已達(dá)到非常優(yōu)化的程度，攜帶不方便、適用范圍小、大風(fēng)天持傘困難，有風(fēng)時(shí)下半身易淋濕等不足非改變雨傘基本結(jié)構(gòu)不能解決。本論文從雨傘大風(fēng)天不易控制的問題出發(fā)，反其道而行，將雨傘直接設(shè)計(jì)成喇叭狀，傘面上的雨水匯聚后沿傘柄流下，利用無線電學(xué)、微電子學(xué)原理方法并結(jié)合材料學(xué)相關(guān)知識，參照可彎吸

2、管的設(shè)計(jì)完善此傘。經(jīng)理論分析及技術(shù)成本的初步計(jì)算，認(rèn)為其理論上可行且解決了傳統(tǒng)雨傘的幾點(diǎn)不足，批量生產(chǎn)可降低成本，適用于大范圍推廣，市場前景廣闊。關(guān)鍵詞：智能跟隨 傾斜角度 納米二氧化鈦 喇叭傘AbstractFrom a four thousand years ago the child head a large lotus leaf umbrella walking in the rain development so far, has become a necessity of life. With the development of science and technology, s

3、tyle and function of the umbrella for people never stop seeking. Through thousands of years of evolution and the umbrella no matter from the production process to cost calculation to the easy to use degree has reached a very optimized degree, inconvenient carrying, small range of application, strong

4、 wind days, the wind at the lower body easy to wet insufficient non change can not solve the basic structure of umbrella. Starting this paper from the umbrella windy day is not easy to control, the opposite will be an umbrella, direct design into a horn shape, the umbrella surface of rainwater conve

5、rgence along the umbrella handle flow, using wireless electricity, microelectronics principle method and combining the material science related knowledge, reference design can be bent Straw perfect this umbrella. After the preliminary calculation of theoretical analysis and technical cost, think it

6、is feasible in theory and solve a few traditional umbrella is insufficient, mass production can reduce the cost,suitable for a wide range of promotion, broad market prospects. 1目錄第一章 引言11.1 創(chuàng)意背景11.2 現(xiàn)有雨傘類型優(yōu)缺點(diǎn)分析1第二章 創(chuàng)意產(chǎn)生過程與可行性分析32.1 創(chuàng)意產(chǎn)生過程42.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)分析5第三章 應(yīng)用前景7結(jié)論.7參考文獻(xiàn)7ii北京航空天大學(xué)第二十五屆“馮如杯 ”學(xué)生學(xué)術(shù)科技作

7、品競賽參賽作品第一章 引言1.1 創(chuàng)意背景雨傘經(jīng)歷了數(shù)千年的發(fā)展，其基本結(jié)構(gòu)也固定了數(shù)千年，不可避免的，其缺點(diǎn)也是如此沿襲了數(shù)千年。有文字記載，傘最開始是那位神通廣大的魯班先師發(fā)明的，靈感起源于避雨的亭子。自此，傘作為一種可以幫助人們擺脫被動躲雨?duì)顟B(tài)的工具很快被視為一樣必不可少的生活用品。隨著生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對于傘的要求也逐漸提高。頭盔傘、空氣傘，收縮傘等全新的雨傘種類也開始走入人們的視野，但這些雨傘卻只能改善傳統(tǒng)傘的一個(gè)或幾個(gè)方面，全面解決雨傘日趨固定的幾個(gè)基本缺點(diǎn)便顯得捉襟見肘。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與其大眾化促進(jìn)了雨傘向智能化、完美化的方向發(fā)展，一個(gè)全新的雨傘類型呼之欲出

8、。1.2 現(xiàn)有雨傘類型優(yōu)缺點(diǎn)分析傳統(tǒng)雨傘的主要結(jié)構(gòu)分為傘柄、傘骨、傘面三部分，傘面近錐狀。現(xiàn)有雨傘中除空氣傘和喇叭傘外與傳統(tǒng)雨傘構(gòu)型基本相同。先說空氣傘，如圖1-1所示，空氣傘是韓國設(shè)計(jì)師打造的一款“看不見的”雨傘，它的傘柄上設(shè)有吹氣孔，將傘柄下方的空氣吸入并由上方噴出，通過氣流吹散傘柄周圍的雨水避免人們淋濕。這一突破性的設(shè)計(jì)有三大明顯優(yōu)點(diǎn)。第一，它采用空氣幕的形式，更容易干燥，和普通的傘來說，一般要等嗮干了才可以收起來；第二，它更容易儲存，由于是空氣幕的結(jié)構(gòu)哦，使用收縮起來的時(shí)候體積很小，就像一根手杖一樣；第三，它更容易攜帶，你可以把它放在包包里。圖1-1 空氣傘工作原理但是這個(gè)創(chuàng)意傘的強(qiáng)度

9、還有待于我們?nèi)z驗(yàn)，能不能抗大風(fēng)。然而它的不足之處同樣不容忽視：電源、重量、噪聲，美觀等問題在實(shí)際生產(chǎn)過程中都有待于解決。其缺點(diǎn)電源問題最為致命，若下雨天空氣傘出現(xiàn)故障或者是沒電了就束手無策，因?yàn)殡娏康脑蚨绊懭藗兊臅r(shí)間安排不甚不合理，人們?yōu)槭褂每諝鈧愣┯暌乱苑廊f一更是不現(xiàn)實(shí)。 圖1-2 空氣傘的使用而喇叭傘，形似喇叭花，直徑3-4米，鋁傘柄。傘面面料為280g/滌綸布，經(jīng)PU處理，增加了其耐磨性。但這樣的喇叭傘是作為一種景觀傘，不能移動，采用喇叭的造型是從其開口朝上，象征著喜慶祥和的角度考慮，應(yīng)用方向十分有限，就目前市場來看也不十分理想。傳統(tǒng)類型的雨傘，按照功能和特點(diǎn)可分為油紙傘、太陽傘

10、、透明傘、兒童傘、滑翔傘、三折傘、多折傘、高爾夫傘、廣告?zhèn)?、太陽能傘、鉛筆傘，太空傘等類型。結(jié)構(gòu)大同小異，功能即遮陽或遮蔽雨雪，特點(diǎn)就是方便快捷可隨身攜帶。然?？蔀榈湥蔀槠?，善可為妖，傳統(tǒng)雨傘的不足之處恰是由它易于攜帶的特點(diǎn)轉(zhuǎn)化而來的。因其需用手撐，撐久手會酸，為滿足其輕便的特點(diǎn)，強(qiáng)度上就會要求適當(dāng)降低，大風(fēng)天傘面會向外翻而嚴(yán)重變形的問題就更嚴(yán)重。下雨天從室外回來，濕淋淋的雨傘反而成了累贅，不易保管更容易遺忘。同時(shí)雨傘需手持，只有傘面與雨勢垂直時(shí)才能使人更不容易被淋濕，但因?yàn)槿瞬豢赡艹鲩T就精確的計(jì)算撐傘的角度同時(shí)人力又具有不確定性，所以一般只能保證頭以下小范圍不被雨淋。 第二章 創(chuàng)意產(chǎn)生過

11、程與可行性分析2.1 創(chuàng)意產(chǎn)生過程隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，雨傘給人們生活提供便利的同時(shí)也帶來諸多不便。作者從傳統(tǒng)雨傘的缺點(diǎn)出發(fā)，對其進(jìn)行不斷地改善和改造，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種全新類型的智能化雨傘。以下是對傳統(tǒng)類型雨傘不足的分析進(jìn)而產(chǎn)生創(chuàng)意的過程：首先是難以同時(shí)滿足的衡量雨傘好壞的兩大要素重量和強(qiáng)度。據(jù)調(diào)查，目前三折晴雨傘折疊傘的質(zhì)量約300克，直柄雨傘質(zhì)量為500-1000克。如果久持，手就會酸，減輕質(zhì)量雨傘的強(qiáng)度，即穩(wěn)固性勢必下降，因此傳統(tǒng)雨傘類型輕便與壽命長難以兼得。若雨傘無需人來撐，傘柄延長至地面并安裝小輪子便可以兩者同時(shí)解決。其次，雨傘傘面接近錐形，打在雨傘上的雨滴發(fā)散留下

12、，被他人雨傘上流下的水淋濕的現(xiàn)象就尤為常見，如圖2-1。因此考慮將傘上的水匯聚到一處，即將傘做成喇叭狀，匯聚的雨水經(jīng)傘柄流向地面。 圖2-1 傳統(tǒng)雨傘構(gòu)型第三，下雨天進(jìn)商場，濕傘難以處理。若用傘套，傘套一次性使用后丟棄的問題嚴(yán)重，保護(hù)了商場小環(huán)境卻犧牲了城市大環(huán)境，若不用傘套，則商場地面濕滑顧客易摔倒，放在商場外更會被頻頻錯(cuò)拿。由此考慮為改進(jìn)的大雨傘設(shè)置雨傘停放處上鎖，同時(shí)解決了雨傘收起后易被遺忘的問題。第四，刮大風(fēng)時(shí)打傘吃力，易變成“小喇叭”。人打傘相對于空氣做低速運(yùn)動，氣體認(rèn)為是不可壓縮。從傘面上方流過的空氣與從下方流過的空氣同時(shí)到達(dá)后緣，根據(jù)伯努利方程，等高流動時(shí)，傘面上方流速大壓力小，

13、傘表現(xiàn)為被吸起，不易控制。由此可見，將雨傘設(shè)計(jì)成喇叭形更穩(wěn)定，傘面上下方產(chǎn)生的壓差可以通過設(shè)計(jì)傘柄的形狀得到平衡。第五，有風(fēng)時(shí)人無法準(zhǔn)確計(jì)算撐傘角度易淋濕。當(dāng)雨量等級、風(fēng)向和風(fēng)力確定后，最佳撐傘的角度可以說是確定的。比如有風(fēng)時(shí)，仍保持豎直打傘就容易淋濕，垂直于雨勢并和人保持適當(dāng)距離才能保證人得以最小的程度淋雨。圖2-2 有風(fēng)時(shí)豎直撐傘圖2-3 有風(fēng)時(shí)垂直雨勢撐傘一日之內(nèi)的風(fēng)向等條件是基本不變的，而人力卻存在很大程度的不確定性。若可以通過提前設(shè)定當(dāng)日甚至接受實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)來設(shè)定瞬時(shí)的傘面的傾斜方向和角度，那么人就能得到最小程度的淋濕?？萍嫉母灸康木褪欠?wù)于人，雨傘等生活用品的智能化是科技進(jìn)步的必

14、然趨勢。2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)分析產(chǎn)品整體接近喇叭花的形狀，基座下有四個(gè)小輪子，可自動跟隨或者依靠人力推動。傘面與傘柄交接處設(shè)有褶皺，內(nèi)連電路以及指南針，用戶可直接輸入當(dāng)日風(fēng)力、風(fēng)向和雨量級別，雨傘自動調(diào)整傾斜角度，和人保持合適的距離并固定下來。雨傘所用材料為PU橡膠，傘面部分添加有納米二氧化鈦。PU橡膠在硬度范圍內(nèi)保持了較高的彈性和耐磨性，其硬度特征保證了它在強(qiáng)風(fēng)時(shí)角度的穩(wěn)定性，彈性和耐磨性使雨傘有較長的使用壽命，節(jié)約能源。傘面部分填充了納米二氧化鈦，二氧化鈦受陽光中的紫外光照射時(shí)，鈦原子上的電子被紫外光激發(fā)，軌道發(fā)生變化，產(chǎn)生超強(qiáng)的氧化能力。這不僅使雨傘分解其表面的塵土和其他的有機(jī)污染

15、物，擁有自清潔能力，它受光后產(chǎn)生的羥基自由基還可將有機(jī)物質(zhì)和空氣中的有害氣體轉(zhuǎn)化成水、二氧化碳和鹽，從而達(dá)到凈化空氣的功效。智能跟隨功能的實(shí)現(xiàn)通過Arduino軌跡跟蹤，結(jié)合us100超聲測距模塊、無線通訊模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊L297等實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)定位和避障。其傘面逆向還原了喇叭花開放的過程，即停放雨傘時(shí)傘面可螺旋收起，減少雨傘占用的空間。產(chǎn)品解決了傳統(tǒng)雨傘的諸多不足，還可用于自行車等交通工具的擋雨，但不可避免的已入了其他問題，如雷電天氣雨傘功能的限制使用、技術(shù)成本較高。智能型自清潔喇叭傘仍需進(jìn)一步的完善和設(shè)計(jì)。 圖2-4 喇叭花圖片 圖2-5 喇叭傘（大連華昌）第3章 應(yīng)用前景發(fā)展科技的根本目

16、的就是服務(wù)人類的生活，隨科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，雨傘等生活用品的智能化成了不然的發(fā)展趨勢。同時(shí)雨傘在數(shù)千年的發(fā)展延續(xù)過程中已暴露出諸多不足，雨傘花樣的設(shè)計(jì)進(jìn)行的如火如荼，而對其根本結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善的卻屈指可數(shù)。本作品從雨傘的不足出發(fā)，對傳統(tǒng)雨傘具有的問題一一解決，提高雨傘的抗風(fēng)能力，保證美觀性的同時(shí)提高了雨傘的智能化程度，雨傘材料的選擇也符合社會對環(huán)境保護(hù)資源節(jié)約的逐漸重視的趨勢。然產(chǎn)品的科技化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有雨傘，雖批量化生產(chǎn)可降低成本，但其成本較之傳統(tǒng)雨傘也是大幅度增加。本雨傘屬于一種偏向未來型的雨傘，短時(shí)間內(nèi)很難普及。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能型雨傘終將取代傳統(tǒng)雨傘，市場應(yīng)用前景十分廣闊。結(jié)論雨傘等生活用