CN103885356A - 一种穿水帘式秋千及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿水帘式秋千及其控制方法，该穿水帘式秋千包括秋千架、秋千链、座板，秋千链下端与座板连接，所述的穿水帘式秋千还包括水池、送水管、喷水管、电子控制器、角度传感器、速度传感器，控制方法主要通过角度和速度传感器反馈的信号控制喷水管的喷水。本发明结构简单，使用方便，且使用安全，喷出的水不会碰到人的身上，能够给人带来新鲜感、刺激感和趣味性，比较适合进驻游乐场，能够产生很好的经济效益。

Description

一种穿水帘式秋千及其控制方法
技术领域
本发明及一种秋千，特别涉及一种穿水帘式秋千及其控制方法。
背景技术
目前市面上的秋千各式各样，但总体来说基本是由支架、悬索或者摆臂、座椅构成，有些秋千为了让人完全放松舒适而增加电力驱动，这些秋千都没有突破传统秋千的枷锁，带给人们的新鲜感、刺激感和趣味性日益平淡。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种穿水帘式秋千及其控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：
一种穿水帘式秋千，包括秋千架、秋千链、座板，秋千链下端与座板连接，所述的穿水帘式秋千还包括水池、送水管、喷水管、电子控制器、角度传感器、速度传感器，所述的秋千架上端与喷水管连接，喷水管与秋千链上端连接，所述的水池设置在喷水管的正下方的地面上，送水管与喷水管连接，所述的角度传感器和速度传感器内嵌于所述的秋千链下端，所述的角度传感器和速度传感器的信号输出端与电子控制器的信号输入端相连，电子控制器的信号输出端与喷水管的控制信号输入端相连，所述的电子控制器采用微处理器进行控制，在所述的微处理器内置有A/D转换器。
作为本发明的一种优选，所述的电子控制器采用的微处理器选用芯片型号为C8051F020的单机片。
作为本发明的一种优选，角度传感器采用型号为MMA7361QR3轴小量程加速传感器。
作为本发明的一种优选，所述速度传感器采用型号为VG035PD的光纤陀螺仪角速度传感器。
一种穿水帘式秋千的控制方法，包括如下步骤：
步骤A1：读取与速度传感器相连的A/D转换器输出的数据作为当前速度数据，判断该速度是否为零，如果判断结果为是，则执行步骤A2，否则执行步骤A1；
步骤A2：读取与角度传感器相连的A/D转换器输出的数据作为最大倾斜角度，判断最大倾斜角度是否大于临界倾斜角度，如果判断结果为是，则执行步骤A3，否则输出信号给喷水管控制器使其停止放水，执行步骤A1；
步骤A3：读取当前系统时间记为初始时刻，计算喷水管开始停水的时刻以及喷水管开始放水的时刻，执行步骤A4；
步骤A4：读取当前系统时间，判断当前系统时间是否小于喷水管开始停水的时刻，如果判断结果为是，则执行步骤A4，否则输出信号给放水开关控制器使其停止放水，执行步骤A5；
步骤A5：读取当前系统时间，判断当前系统时间是否小于喷水管开始放水的时刻，如果判断结果为是，则执行步骤A5，否则输出信号给放水开关控制器使其开始放水，执行步骤A1。
作为本发明方法的一种改进，所述的速度传感器发送来的速度数据为秋千链底端的线速度，该线速度为非负值。
本发明的有益效果是：
本发明结构简单，使用方便，且使用安全，喷出的水不会碰到人的身上，能够给人带来新鲜感、刺激感和趣味性，比较适合进驻游乐场，能够产生很好的经济效益。
附图说明
图1为本发明的穿水帘式秋千系统结构示意图
图2为本发明的穿水帘式秋千系统在摆动时，摆动到最高处的状态示意图；
图3为本发明的穿水帘式秋千系统在摆动时，摆动到最低处的状态示意图；
图4为本发明的穿水帘式秋千控制系统结构示意图；
图5为本发明的穿水帘式秋千系统控制流程图；
图6为本发明的计算秋千的摆角θ与时间t的关系的结构示意图；
图7为本发明的喷水管停止喷水以及开始喷水的时间计算结构示意图；
图8为本发明中相应的停水时刻t停、放水时刻t放、临界角θ临界的值的表格。
图中各部件为：
1-电子控制器，2-秋千架，3-喷水管，4-秋千链，5-座板，6-角度传感器，7-速度传感器，8-水池，9-送水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做具体的说明。
如图1到图4所述的所述的一种穿水帘式秋千，其机械结构包括秋千架2、秋千链4、座板5，秋千链4下端与座板5连接，所述的穿水帘式秋千还包括水池8、送水管9、喷水管3、所述的秋千架2上端与喷水管3连接，喷水管3与秋千链4上端连接，所述的水池设置在喷水管3的正下方的地面上，送水管9与喷水管3连接。
所述的穿水帘式秋千还包括电子控制器1、角度传感器6、速度传感器7，所述的角度传感器6和速度传感器7内嵌于所述的秋千链4下端，所述的角度传感器6和速度传感器7的信号输出端与电子控制器1的信号输入端相连，电子控制器1的信号输出端与喷水管3的控制信号输入端相连，在本实施例中所述速度传感器7采用型号为VG035PD的光纤陀螺仪角速度传感器，角度传感器6采用型号为MMA7361QR3轴小量程加速传感器。
所述的电子控制器1采用微处理器进行控制，电子控制器内部嵌有控制软件，所述的微处理器内置有A/D转换器，在本实施例中所述的电子控制器1采用的微处理器选用芯片型号为C8051F020的单机片。
图5为本发明的水帘式秋千的控制方法的流程图，包括如下步骤：
步骤A1：读取与速度传感器7相连的A/D转换器输出的数据作为当前速度数据，判断该速度是否为零，如果判断结果为是，则执行步骤A2，否则执行步骤A1；
步骤A2：读取与角度传感器6相连的A/D转换器输出的数据作为最大倾斜角度，判断最大倾斜角度是否大于临界倾斜角度，如果判断结果为是，则执行步骤A3，否则输出信号给喷水管3控制器使其停止放水，执行步骤A1；
步骤A3：读取当前系统时间记为初始时刻，计算喷水管开始停水的时刻以及喷水管开始放水的时刻，执行步骤A4；
步骤A4：读取当前系统时间，判断当前系统时间是否小于喷水管开始停水的时刻，如果判断结果为是，则执行步骤A4，否则输出信号给放水开关控制器使其停止放水，执行步骤A5；
步骤A5：读取当前系统时间，判断当前系统时间是否小于喷水管开始放水的时刻，如果判断结果为是，则执行步骤A5，否则输出信号给放水开关控制器使其开始放水，执行步骤A1。
在本发明中，所述的速度传感器7发送来的速度数据为秋千链4底端的线速度，该线速度为非负值。
下面就本发明的计算过程过进一步地阐述，首先定义秋千摆角为θ，临界倾斜角为θ临界，所述临界倾斜角为一个倾斜角度，只有最大倾斜角大于该角度时，在半个周期（秋千座板从一侧最高点到另一侧最高点记为半个周期）内才会有水从喷水管流下。喷水管的放水时刻为t放、停止喷水的时刻为t停，秋千链的长度为l、秋千链的最大倾斜角度为θmax、人坐在秋千座板时臀部到头顶的距离为h，臀部到脚底的距离为w，通过θmax、θ临界、t0、t停、t放、l、h、w，建立穿水帘式秋千的模型：
1、秋千的摆角θ与时间t的关系
秋千的运动轨迹类似于单摆运动，在不考虑阻力的情况下，设人的质量为m，重力加速度为g，秋千运动的周期为T，秋千在最高点时作为初始时刻，其结构示意图如图6所示。
根据角动量定理知单摆的运动方程：
Figure BDA00003450268000031
由文献[张广平.无阻尼单摆运动方程反函数形式的精确解.陇东学院学报，2010，21(2):46-47]可知：
Figure BDA00003450268000041
    （式1）
因此，在四分之一周期内给定一个θ，可以求出唯一的t。
（式1）中，当θ＝0时，
Figure BDA00003450268000049
求得周期
Figure BDA00003450268000042
   （式2）
（式1）和（式2）的表达式为第一类非完全椭圆积分，我们可以通过数值积分求出其数值解，误差控制在系统要求的误差内即可。
2、喷水管停止喷水以及开始喷水的时间计算，其结构示意图如图7所示。
最高点位置O对应的时刻为初始时刻t0，停止放水的位置A对应的时刻为t停，开始放水的位置B对应的时刻t放，位置C为最低点。
人从B处到C处所用的时间tBC=tC-t放＝t0+0.25T-t放与水从喷水管流出后作自由落体流到人头顶所用的时间
Figure BDA00003450268000043
相等，因此：
Figure BDA00003450268000044
                   （式3）
人从A处到B处所用的时间tAB＝t放-t停与长度为0.5w通过最低点C处所需的时间相等，因此：
                       （式4）
3、临界角的计算
由于时刻t停在时刻t0之后，故令t停＝t0，得
Figure BDA00003450268000047
那么将 t = 2 ( l - h ) g θ = w 2 l 代入（式1）求出的θmax，即为临界角θ临界，此临界角没有显示表达式，这里通过二分法求得其近似值。
设初始时刻t0=0，穿水帘式秋千设计参数：秋千链长l分别为3，3.5，4，4.5，5，5.5米；最大倾斜角θmax分别为20，30，40，50，60，70，80度；人的臀部到头顶的距离为1米；人的臀部达到脚底的距离为0.8米。图8中的表格中列出相应的停水时刻t停、放水时刻t放、临界角θ临界的值。
以穿水帘式秋千的秋千链4长为4米，人坐在座板5上臀部到头顶的距离为1米，臀部到脚底的距离为0.8米为例，具体阐述下本发明的使用过程。
使用时人站在水池8的正后方，将座板5拉到水池8的边缘，人坐在座板5上，将腿蜷起，秋千会摇摆起来，随着人用力摇摆秋千，秋千座板5的最大倾斜角度会逐渐增大，当最大倾斜角度超过临界倾斜角度16.88°后，假设此时最大倾斜角度为50°，秋千座板5处于最高点参见图2开始计时，且喷水管3开始放水，经过0.154秒喷水管3停止放水，再过0.076秒喷水管3开始放水，当人荡在最低点时参见图3，从喷水管流出的水恰好没流到人身上，当秋千座板5处于最高点时又开始从新计时，如此循环。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种穿水帘式秋千，包括秋千架（2）、秋千链（4）、座板（5），秋千链（4）下端与座板（5）连接，其特征在于：还包括水池（8）、送水管（9）、喷水管（3）、电子控制器（1）、角度传感器（6）、速度传感器（7），所述的秋千架（2）上端与喷水管（3）连接，喷水管（3）与秋千链（4）上端连接，所述的水池设置在喷水管（3）的正下方的地面上，送水管（9）与喷水管（3）连接，所述的角度传感器（6）和速度传感器（7）内嵌于所述的秋千链（4）下端，所述的角度传感器（6）和速度传感器（7）的信号输出端与电子控制器（1）的信号输入端相连，电子控制器（1）的信号输出端与喷水管（3）的控制信号输入端相连，所述的电子控制器（1）采用微处理器进行控制，在所述的微处理器内置有A/D转换器。
2.根据权利要求1所述的一种穿水帘式秋千，其特征在于：所述的电子控制器（1）采用的微处理器选用芯片型号为C8051F020的单机片。
3.根据权利要求1所述的一种穿水帘式秋千，其特征在于：角度传感器（6）采用型号为MMA7361QR 3轴小量程加速传感器。
4.根据权利要求1所述的一种穿水帘式秋千，其特征在于：所述速度传感器（7）采用型号为VG035PD的光纤陀螺仪角速度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种穿水帘式秋千的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤A1：读取与速度传感器（7）相连的A/D转换器输出的数据作为当前速度数据，判断该速度是否为零，如果判断结果为是，则执行步骤A2，否则执行步骤A1；
步骤A2：读取与角度传感器（6）相连的A/D转换器输出的数据作为最大倾斜角度，判断最大倾斜角度是否大于临界倾斜角度，如果判断结果为是，则执行步骤A3，否则输出信号给喷水管（3）控制器使其停止放水，执行步骤A1；
步骤A3：读取当前系统时间记为初始时刻，计算喷水管开始停水的时刻以及喷水管开始放水的时刻，执行步骤A4；
步骤A4：读取当前系统时间，判断当前系统时间是否小于喷水管开始停水的时刻，如果判断结果为是，则执行步骤A4，否则输出信号给放水开关控制器使其停止放水，执行步骤A5；
步骤A5：读取当前系统时间，判断当前系统时间是否小于喷水管开始放水的时刻，如果判断结果为是，则执行步骤A5，否则输出信号给放水开关控制器使其开始放水，执行步骤A1。
6. 根据权利要求5所述的一种穿水帘式秋千的控制方法，其特征在于：所述的速度传感器（7）发送来的速度数据为秋千链（4）底端的线速度，该线速度为非负值。
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