智能跟随旋转自清洁喇叭伞.docx

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智能跟随旋转自清洁喇叭伞

第二十五届“冯如杯”学生创意大赛

智能跟随旋转自清洁喇叭伞

摘要

从四千年前一个孩子头顶一大片荷叶冒雨行走发展至今，雨伞已成为人们生活的必需品。

随着科学技术的发展，对于伞的样式和功能人们也从未停止求索。

而经历上千年演变的雨伞无论从生产工艺到成本计算到易用程度都已达到非常优化的程度，携带不方便、适用范围小、大风天持伞困难，有风时下半身易淋湿等不足非改变雨伞基本结构不能解决。

本论文从雨伞大风天不易控制的问题出发，反其道而行，将雨伞直接设计成喇叭状，伞面上的雨水汇聚后沿伞柄流下，利用无线电学、微电子学原理方法并结合材料学相关知识，参照可弯吸管的设计完善此伞。

经理论分析及技术成本的初步计算，认为其理论上可行且解决了传统雨伞的几点不足，批量生产可降低成本，适用于大范围推广，市场前景广阔。

关键词：

智能跟随倾斜角度纳米二氧化钛喇叭伞

Abstract

Fromafourthousandyearsagothechildheadalargelotusleafumbrellawalkingintheraindevelopmentsofar,hasbecomeanecessityoflife.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,styleandfunctionoftheumbrellaforpeopleneverstopseeking.Throughthousandsofyearsofevolutionandtheumbrellanomatterfromtheproductionprocesstocostcalculationtotheeasytousedegreehasreachedaveryoptimizeddegree,inconvenientcarrying,smallrangeofapplication,strongwinddays,thewindatthelowerbodyeasytowetinsufficientnonchangecannotsolvethebasicstructureofumbrella.Startingthispaperfromtheumbrellawindydayisnoteasytocontrol,theoppositewillbeanumbrella,directdesignintoahornshape,theumbrellasurfaceofrainwaterconvergencealongtheumbrellahandleflow,usingwirelesselectricity,microelectronicsprinciplemethodandcombiningthematerialsciencerelatedknowledge,referencedesigncanbebentStrawperfectthisumbrella.Afterthepreliminarycalculationoftheoreticalanalysisandtechnicalcost,thinkitisfeasibleintheoryandsolveafewtraditionalumbrellaisinsufficient,massproductioncanreducethecost,suitableforawiderangeofpromotion,broadmarketprospects.

目录

第一章引言1

1.1创意背景1

1.2现有雨伞类型优缺点分析1

第二章创意产生过程与可行性分析3

2.1创意产生过程4

2.2产品设计及相关技术分析5

第三章应用前景7

结论.................................................................................................................................7

参考文献7

第一章引言

1.1创意背景

雨伞经历了数千年的发展，其基本结构也固定了数千年，不可避免的，其缺点也是如此沿袭了数千年。

有文字记载，伞最开始是那位神通广大的鲁班先师发明的，灵感起源于避雨的亭子。

自此，伞作为一种可以帮助人们摆脱被动躲雨状态的工具很快被视为一样必不可少的生活用品。

随着生活水平的提高和科学技术的迅速发展，人们对于伞的要求也逐渐提高。

头盔伞、空气伞，收缩伞等全新的雨伞种类也开始走入人们的视野，但这些雨伞却只能改善传统伞的一个或几个方面，全面解决雨伞日趋固定的几个基本缺点便显得捉襟见肘。

科学技术的进步与其大众化促进了雨伞向智能化、完美化的方向发展，一个全新的雨伞类型呼之欲出。

1.2现有雨伞类型优缺点分析

传统雨伞的主要结构分为伞柄、伞骨、伞面三部分，伞面近锥状。

现有雨伞中除空气伞和喇叭伞外与传统雨伞构型基本相同。

先说空气伞，如图1-1所示，空气伞是韩国设计师打造的一款“看不见的”雨伞，它的伞柄上设有吹气孔，将伞柄下方的空气吸入并由上方喷出，通过气流吹散伞柄周围的雨水避免人们淋湿。

这一突破性的设计有三大明显优点。

第一，它采用空气幕的形式，更容易干燥，和普通的伞来说，一般要等嗮干了才可以收起来；第二，它更容易储存，由于是空气幕的结构哦，使用收缩起来的时候体积很小，就像一根手杖一样；第三，它更容易携带，你可以把它放在包包里。

图1-1空气伞工作原理

但是这个创意伞的强度还有待于我们去检验，能不能抗大风。

然而它的不足之处同样不容忽视：

电源、重量、噪声，美观等问题在实际生产过程中都有待于解决。

其缺点电源问题最为致命，若下雨天空气伞出现故障或者是没电了就束手无策，因为电量的原因而影响人们的时间安排不甚不合理，人们为使用空气伞而穿雨衣以防万一更是不现实。

图1-2空气伞的使用

而喇叭伞，形似喇叭花，直径3-4米，铝伞柄。

伞面面料为280g/㎡涤纶布，经PU处理，增加了其耐磨性。

但这样的喇叭伞是作为一种景观伞，不能移动，采用喇叭的造型是从其开口朝上，象征着喜庆祥和的角度考虑，应用方向十分有限，就目前市场来看也不十分理想。

传统类型的雨伞，按照功能和特点可分为油纸伞、太阳伞、透明伞、儿童伞、滑翔伞、三折伞、多折伞、高尔夫伞、广告伞、太阳能伞、铅笔伞，太空伞等类型。

结构大同小异，功能即遮阳或遮蔽雨雪，特点就是方便快捷可随身携带。

然福可为祸，正可为奇，善可为妖，传统雨伞的不足之处恰是由它易于携带的特点转化而来的。

因其需用手撑，撑久手会酸，为满足其轻便的特点，强度上就会要求适当降低，大风天伞面会向外翻而严重变形的问题就更严重。

下雨天从室外回来，湿淋淋的雨伞反而成了累赘，不易保管更容易遗忘。

同时雨伞需手持，只有伞面与雨势垂直时才能使人更不容易被淋湿，但因为人不可能出门就精确的计算撑伞的角度同时人力又具有不确定性，所以一般只能保证头以下小范围不被雨淋。

第二章创意产生过程与可行性分析

2.1创意产生过程

随科学技术的不断发展和人们生活水平的提高，雨伞给人们生活提供便利的同时也带来诸多不便。

作者从传统雨伞的缺点出发，对其进行不断地改善和改造，进而设计出一种全新类型的智能化雨伞。

以下是对传统类型雨伞不足的分析进而产生创意的过程：

首先是难以同时满足的衡量雨伞好坏的两大要素—重量和强度。

据调查，目前三折晴雨伞折叠伞的质量约300克，直柄雨伞质量为500-1000克。

如果久持，手就会酸，减轻质量雨伞的强度，即稳固性势必下降，因此传统雨伞类型轻便与寿命长难以兼得。

若雨伞无需人来撑，伞柄延长至地面并安装小轮子便可以两者同时解决。

其次，雨伞伞面接近锥形，打在雨伞上的雨滴发散留下，被他人雨伞上流下的水淋湿的现象就尤为常见，如图2-1。

因此考虑将伞上的水汇聚到一处，即将伞做成喇叭状，汇聚的雨水经伞柄流向地面。

图2-1传统雨伞构型

第三，下雨天进商场，湿伞难以处理。

若用伞套，伞套一次性使用后丢弃的问题严重，保护了商场小环境却牺牲了城市大环境，若不用伞套，则商场地面湿滑顾客易摔倒，放在商场外更会被频频错拿。

由此考虑为改进的大雨伞设置雨伞停放处上锁，同时解决了雨伞收起后易被遗忘的问题。

第四，刮大风时打伞吃力，易变成“小喇叭”。

人打伞相对于空气做低速运动，气体认为是不可压缩。

从伞面上方流过的空气与从下方流过的空气同时到达后缘，根据伯努利方程，等高流动时，伞面上方流速大压力小，伞表现为被吸起，不易控制。

由此可见，将雨伞设计成喇叭形更稳定，伞面上下方产生的压差可以通过设计伞柄的形状得到平衡。

第五，有风时人无法准确计算撑伞角度易淋湿。

当雨量等级、风向和风力确定后，最佳撑伞的角度可以说是确定的。

比如有风时，仍保持竖直打伞就容易淋湿，垂直于雨势并和人保持适当距离才能保证人得以最小的程度淋雨。

图2-2有风时竖直撑伞

图2-3有风时垂直雨势撑伞

一日之内的风向等条件是基本不变的，而人力却存在很大程度的不确定性。

若可以通过提前设定当日甚至接受实时天气预报来设定瞬时的伞面的倾斜方向和角度，那么人就能得到最小程度的淋湿。

科技的根本目的就是服务于人，雨伞等生活用品的智能化是科技进步的必然趋势。

2.2产品设计及相关技术分析

产品整体接近喇叭花的形状，基座下有四个小轮子，可自动跟随或者依靠人力推动。

伞面与伞柄交接处设有褶皱，内连电路以及指南针，用户可直接输入当日风力、风向和雨量级别，雨伞自动调整倾斜角度，和人保持合适的距离并固定下来。

雨伞所用材料为PU橡胶，伞面部分添加有纳米二氧化钛。

PU橡胶在硬度范围内保持了较高的弹性和耐磨性，其硬度特征保证了它在强风时角度的稳定性，弹性和耐磨性使雨伞有较长的使用寿命，节约能源。

伞面部分填充了纳米二氧化钛，二氧化钛受阳光中的紫外光照射时，钛原子上的电子被紫外光激发，轨道发生变化，产生超强的氧化能力。

这不仅使雨伞分解其表面的尘土和其他的有机污染物，拥有自清洁能力，它受光后产生的羟基自由基还可将有机物质和空气中的有害气体转化成水、二氧化碳和盐，从而达到净化空气的功效。

智能跟随功能的实现通过Arduino轨迹跟踪，结合us100超声测距模块、无线通讯模块，电机驱动模块L297等实现特定目标定位和避障。

其伞面逆向还原了喇叭花开放的过程，即停放雨伞时伞面可螺旋收起，减少雨伞占用的空间。

产品解决了传统雨伞的诸多不足，还可用于自行车等交通工具的挡雨，但不可避免的已入了其他问题，如雷电天气雨伞功能的限制使用、技术成本较高。

智能型自清洁喇叭伞仍需进一步的完善和设计。

图2-4喇叭花图片图2-5喇叭伞（大连华昌）

第3章应用前景

发展科技的根本目的就是服务人类的生活，随科学技术水平的不断提高，雨伞等生活用品的智能化成了不然的发展趋势。

同时雨伞在数千年的发展延续过程中已暴露出诸多不足，雨伞花样的设计进行的如火如荼，而对其根本结构进行完善的却屈指可数。

本作品从雨伞的不足出发，对传统雨伞具有的问题一一解决，提高雨伞的抗风能力，保证美观性的同时提高了雨伞的智能化程度，雨伞材料的选择也符合社会对环境保护资源节约的逐渐重视的趋势。

然产品的科技化程度远远大于现有雨伞，虽批量化生产可降低成本，但其成本较之传统雨伞也是大幅度增加。

本雨伞属于一种偏向未来型的雨伞，短时间内很难普及。

随着科学技术的飞速发展，智能型雨伞终将取代传统雨伞，市场应用前景十分广阔。

结论

雨伞等生活用品的智能化是社会发展进步的必然趋势。

智能化喇叭伞保留了传统雨伞伞面、伞骨和伞柄的三大基本结构的同时又在此三方面进行突破性创新：

伞面设计成喇叭形汇聚伞面雨水，伞骨有类似可弯吸管的褶皱用以调节方向，伞柄延伸到地面，至于可移动基座上实现自动跟随。

智能化喇叭伞为雨伞功能的完善提供了新的思路。

参考文献

[1]黄彤.《无线电》.[J].用Arduino玩转传感器，2014，

（2）

[2]奚同庚.《科学原来如此:

无所不在的材料》.[M].上海：

上海科学技术文献出版社，2011.

[3]傅政.《橡胶材料与工艺学》.[M].北京:

化学工业出版社，2013.