CN105923116A - 一种水上电动冲浪板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水上电动冲浪板，包括动力单元、调控单元和机械结构，所述的机械结构包括流线型设计的船体，船体表面设有踏板，船体前端设有操纵杆，船底尾部对称设有2个平行的螺旋桨；所述的动力单元包括蓄电池、直流电动机和螺旋桨推进器，其中蓄电池用于供电，每个螺旋桨各配有一个直流电动机和螺旋桨推进器，直流电机通过螺旋桨推进器控制对应的螺旋桨；所述的调控单元包括调速器、压力传感器、处理器和伺服控制器。本发明采用电驱动直流电动机为船体提供动力来源，手调节操纵杆从而调速，脚控制踏板从而转向，操作简单，对操作者的技术和熟练程度要求小，易于推广，且本发明结构简单，成本低。

Description

一种水上电动冲浪板

技术领域

本发明涉及一种水上娱乐工具，具体涉及一种水上电动冲浪板。

背景技术

根据检索资料和市场调查,目前普通冲浪板是需要海边这个地理条件，利用海浪推动冲浪板运动，不能在江河湖泊这些水面条件下进行游玩，同时游玩者需要有熟练的操作技能。海边冲浪游艇采用发动机驱动，利用燃烧汽油产生动力，功率大，能耗损失大，动力驱动较复杂，价格过于昂贵。对于一般的游客来说，消费高难以接受，受惠的人群少，推广程度低。同时现有江河湖泊景区的水上娱乐设施中未发现此类产品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种水上电动冲浪板，采用电驱动，操作简单且成本较低。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种水上电动冲浪板，它包括动力单元、调控单元和机械结构，其特征在于：所述的机械结构包括流线型设计的船体，船体表面设有踏板，船体前端设有操纵杆，船底尾部对称设有2个平行的螺旋桨；

所述的动力单元包括蓄电池、直流电动机和螺旋桨推进器，其中蓄电池用于供电，每个螺旋桨各配有一个直流电动机和螺旋桨推进器，直流电机通过螺旋桨推进器控制对应的螺旋桨；

所述的调控单元包括调速器、压力传感器、处理器和伺服控制器；其中调速器设置在所述的操纵杆内，通过旋转操纵杆调节调速器，处理器根据调速器的电压大小通过伺服控制器同时控制2个直流电机的电流大小；压力传感器设置在所述的踏板底部，通过感受踏板的左右倾斜传递给处理器，处理器根据压力传感器的信号通过伺服控制器分别控制2个直流电机使2个螺旋桨推进器产生转速差从而转向。

按上述方案，所述的调速器为霍尔传感器。

按上述方案，所述的压力传感器为霍尔式压力传感器；所述的踏板设有2块脚踏区域，每块脚踏区域下部连接有传力杆，霍尔式压力传感器设置在传力杆的底部。

本发明的有益效果为：本发明采用电驱动直流电动机为船体提供动力来源，手调节操纵杆从而调速，脚控制踏板从而转向，操作简单，对操作者的技术和熟练程度要求小，易于推广，且本发明结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明一实施例的俯视图。

图2为本发明一实施例的主视图。

图3为本发明一实施例的侧视图。

图4为本发明一实施例的立体图。

图5为本发明一实施例的硬件框图。

图6为霍尔式压力传感器的安装示意图。

图中：1-脚踏区域，2-操纵杆，3-船体，4-螺旋桨推进器，5-螺旋桨，6-传力杆，7-霍尔式压力传感器。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种水上电动冲浪板，如图1至图4所示，它包括动力单元、调控单元和机械结构，机械结构包括流线型设计的船体3，船体3表面设有踏板，船体前端设有操纵杆2，船底尾部对称设有2个平行的螺旋桨5；所述的动力单元包括蓄电池、直流电动机和螺旋桨推进器4，其中蓄电池用于供电，每个螺旋桨各配有一个直流电动机和螺旋桨推进器4，直流电机通过螺旋桨推进器4控制对应的螺旋桨5；所述的调控单元如图5所示，包括调速器、压力传感器、处理器和伺服控制器；其中调速器设置在所述的操纵杆2内，通过旋转操纵杆2调节调速器，处理器根据调速器的电压大小通过伺服控制器同时控制2个直流电机的电流大小；压力传感器设置在所述的踏板底部，通过感受踏板的左右倾斜传递给处理器，处理器根据压力传感器的信号通过伺服控制器分别控制2个直流电机使2个螺旋桨推进器4产生转速差从而转向。

优选的，所述的调速器为霍尔传感器，调节操纵杆2使霍尔传感器输出相应的变化电流，处理器根据该变化电流控制直流变速电机的转速，最终实现无极调速功能。本实施例中，处理器选用89c51单片机，操纵杆2通过霍尔传感器输出信号给89c51单片机，89c51单片机通过驱动H桥直流电机驱动电路来控制直流电动机。

进一步优选的，如图6所示，压力传感器为霍尔式压力传感器7；所述的踏板设有2块脚踏区域1，每块脚踏区域1下部连接有传力杆6，霍尔式压力传感器7设置在传力杆6的底部。霍尔式压力传感器特别适用于在变化陡峭的弱磁场中运用，它能够精确地检测2个脚踏区域1的相对位移，另外成本相对较低。

整个船体采用流线型结构，减小行驶阻力；根据动力的相关要求，采用直流电动机；蓄电装置采用两个24V直流蓄电池组，将其串联为直流电动机提供能量供应。选用两个螺旋桨和螺旋桨推进器，选用功率为600W单个推力达到20kg。

主要技术参数

1、船体运动稳定性理论分析

当船在转弯时会因为向心力而使得船体倾斜，计算如下，我们假设最大倾角是船边沿刚好在水面时，此时有arctanθ＝(B/2)/M，其中B是船宽，M是船深，本实施例中，设计B＝600mm，M＝325mm。所以算得θ＝22°。

根据船体稳定原理，当船体倾斜时仍要满足稳心在重心之上，我们用横稳心高度h来表示船体的稳定性。h变大，则船体的稳定性越高，因此我们在算船体安全转弯时可以以θ＝22°作为临界角度计算得出相应的临界安全转弯半径R与转弯安全速度V。对最小转弯半径的理论分析：

冲浪板在航行过程中，其转弯半径随着航行的速度和冲浪板倾斜的角度的变化而变化，三者之间的关系可以用以下公式进行理论值计算：

R²＝V²/gtanθ

由上述公式可以得出：在速度一定的情况下，随着冲浪板倾斜角度的增大，冲浪板允许的理论最小转弯半径在逐渐变小。因此，冲浪板的理论安全转弯半径是一个范围。

在设定冲浪板的理论平均航行速度是5m/s，冲浪板的理论倾斜角度为0°～22°的前提下，计算可得理论最小转弯半径为6.31m。

2、船体设计计算：

根据船体的快速性、稳定性、操作性和抗沉性，船体强度参照船体制造参数如以下：

由于对船的快速性要求较低，船的稳定性要求高，抗沉性高。所以我们可以设计L/B＝3.3；B/d＝2.4；D/d＝1.3；Cw＝0.8；Cm＝0.8；CB＝0.6；Cw＝Aw/LB；Cm＝Am/Bd；CB＝K/LBd。

(L-全长；B-全宽；D-全高；d-吃水深度；Cw-水线面系数；Cm-中横剖面系数；CB-方形系数；Aw-水线面面积；Am-中横剖面吃水线以下的面积；K-排水体积)

设计思路：运用以上公式计算大致船体尺寸，运用Cw＝0.8；Cm＝0.8；CB＝0.6校核船体。

因此我们设计L＝2000mm，B＝600mm，D＝325mm，d＝250mm。船重计算，因为单件是不适合泡沫模型制作，所以选用钢板制作，已知铁板密度是7.93g/cm³，我们为了便于计算将弧度换为直线(变大处理)得船体表面积为：

2000*600*2+2000*325*2+600*325*2＝4090000mm²

根据强度，价格对比。我们选用1.5mm的不绣钢板，所以船体质量W为：

W＝4090000*1.5/1000*7.93＝48650.55g＝48.65Kg。

对船体校核：

Cw＝Aw/LB；Cm＝Am/Bd；CB＝K/LBd

Cw＝(1000*600+2/3*600*700+π*300*300/2)/2000*600＝0.85

Cm＝250*600/325*600＝0.76

CB＝Cw*Cm＝0.85*0.76＝0.646

基本符合船体制造的各系数要求。所以我们的冲浪板尺寸设计是合理的。

3、船体实际吃水深度计算：

我们计算得出船体使用1.5mm钢板时的质量是48.65Kg，我们假设人得重量是75Kg，船体的后部放置有螺旋桨以及电机，重量大约有20Kg，前面主要是转向机构，大约10Kg。所以我们整个装置的重量是48.85+75+20+10＝153.65Kg。因此我们根据公式F＝ρgv＝1.0*1000*9.8*2*0.6*h＝mg。所以我们解得h＝0.128<d＝0.25。所以得出我们的计算船体的吃水深度是合理且正确的。

4、阻力计算

船舶阻力是舰船的基本性能之一。船体在运动过程中兴起波浪，改变了船体表面压力分布情况，这种通过兴波引起压力分布改变所产生的阻力称为兴波阻力，用Rw表示。船体运动时，由于水具有粘性，从而会在船体周围产生切向作用力，它在运动方向的合力便是摩擦力，用R_f表示。同样由于水具有粘性，会造成船体前后压力不平衡，这样产生的阻力称为粘压阻力，用Rpv表示。这样，船体总阻力Rt可以分为兴波阻力Rw、摩擦阻力R_f和粘压阻力Rpv，其表达式可以写为：R_t＝R_w+R_f+R_pv。

各种阻力成分在总阻力中所占比重在不同航速的船中是不相同的，对于低速船来说，摩擦阻力Rf占总阻力的70％-80％，粘压阻力Rpv约等于或大于10％，而兴波阻力成分很小；对于高速船，Rf约占总阻力的40％-50％，而兴波阻力却可达50％左右，粘压阻力Rpv仅占5％左右。

方案一：

根据傅汝德公式计算船体粗糙表面的摩擦阻力：

$R_f=\frac{\mathrm{\&rho;}f}{101.94}{\mathrm{Sv}}^{1.825}$

其中，ρ为水的密度(kg/m³)，S为船模或实船的湿面积(m²)，v为船速(m/s)，f为阻力系数。

阻力系数f公式为：

其中L为船长(m)，t为水温(摄氏度)

我们取海水为常温25°时，通过计算，通过inventor建模，当排水量为0.14m³时，通过inventor软件计算得吃水深度为150mm，湿表面积S为1.7m²。

当冲浪板以5m/s的速度行驶时，ρ取1000kg/m³

由傅汝德公式计算得：

而当以5m/s的速度行驶时，摩擦阻力Rf占总阻力的50％，所以R_t＝120.6N

方案二：

由于粘压阻力一般所占比重不大，且实际上亦难以同兴波阻力分开，故通常把粘压阻力与兴波阻力合并在一起称为剩余阻力Rr。这样船体总阻力又可分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr两部分。船体总阻力之所以要这样分，主要是根据阻力产生的原因不同，进而带来了研究和处理方式的不同。

在船舶阻力的考察中，有两个参数对于阻力的考察是很重要的，一个是雷诺数Re，另一个是傅汝德数Fn。其公式分别表示如下：

$\mathrm{Re}=\frac{Lv}{\mathrm{\&mu;}}$

$Fn=\frac{v}{\sqrt{gL}}$

其中L为船长(m)，v为行驶速度(m/s),g为重力常数，为运动粘性系数

傅汝德作出下列假定：假定船体总阻力可以分为独立的两部分，一为摩擦阻力R_f，只与雷诺数有关；另一为粘压阻力Rpv与兴波阻力Rw合并后的剩余阻力Rr，只与傅汝德数有关，且适用比较定律。表示为：

R_t＝R_f+R_r

其中，R_r＝R_pv+R_w

这样，总阻力可以表示为雷诺数和傅汝德数的函数：

R_t＝f(Re,Fn)＝f₁(Re)+f₂(Fn)

而，R_r＝f₂(Fn)

R_f＝f₁(Re)

根据傅汝德假定，R_t＝R_f+R_r两边同除以得无量纲形式：C_t＝C_f+C_r平板摩擦阻力系数Cf仅仅是雷诺数的函数，可表示成当平板摩擦阻力系数Cf仅仅是雷诺数的函数，可表示成

摩擦阻力系数可以采用1957年的国际船模试验池会议1957ITTC公式来计算。1957ITTC公式如下：

运动粘性系数表如下：

我们取海水为常温25°时，运动粘性系数为0.94252*10^-6m²/s，通过inventor建模，当排水量为0.14m³时，通过inventor软件计算得吃水深度为150mm，湿表面积S为1.7m²，当冲浪板以5m/s的速度行驶时，ρ取1000kg/m³

$\mathrm{Re}=\frac{Lv}{\mathrm{\&mu;}}=\frac{2.0*5}{0.94252*{10}^{-6}}=1.061*{10}^7$

由1957ITTC公式：得：

$C_f=\frac{0.075}{{(\lg \mathrm{Re}-2)}^2}=0.002969$

$R_f=f_1\left(\mathrm{Re}\right)=\frac{C_f{\mathrm{\&rho;v}}^{2}S}{2}=63.1N$

而当以5m/s的速度行驶时，摩擦阻力Rf占总阻力的50％，所以R_t＝126.2N

由上的阻力计算得出动力推进和蓄电池的型号：

为了配合阻力的要求，我们选用的螺旋桨和电机给的推力单个达到20kg，选用的功率要满足要求，要达到阻力600W，我们用了两个螺旋桨和电机推进，推力：20kg，与之配套的蓄电池规格：12V*60AH。

通过以上原理说明，本发明的设计是完全可行的。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水上电动冲浪板，它包括动力单元、调控单元和机械结构，其特征在于：所述的机械结构包括流线型设计的船体，船体表面设有踏板，船体前端设有操纵杆，船底尾部对称设有2个平行的螺旋桨；

所述的动力单元包括蓄电池、直流电动机和螺旋桨推进器，其中蓄电池用于供电，每个螺旋桨各配有一个直流电动机和螺旋桨推进器，直流电机通过螺旋桨推进器控制对应的螺旋桨；

所述的调控单元包括调速器、压力传感器、处理器和伺服控制器；其中调速器设置在所述的操纵杆内，通过旋转操纵杆调节调速器，处理器根据调速器的电压大小通过伺服控制器同时控制2个直流电机的电流大小；压力传感器设置在所述的踏板底部，通过感受踏板的左右倾斜传递给处理器，处理器根据压力传感器的信号通过伺服控制器分别控制2个直流电机使2个螺旋桨推进器产生转速差从而转向。

2.根据权利要求1所述的水上电动冲浪板，其特征在于：所述的调速器为霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的水上电动冲浪板，其特征在于：所述的压力传感器为霍尔式压力传感器；所述的踏板设有2块脚踏区域，每块脚踏区域下部连接有传力杆，霍尔式压力传感器设置在传力杆的底部。