一种水上电动冲浪板的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种水上电动冲浪板
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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；
[0005] 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；
[0006] 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。
[0007] 按上述方案，所述的调速器为霍尔传感器。
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010]图1为本发明一实施例的俯视图。
[0011] 图2为本发明一实施例的主视图。
[0012] 图3为本发明一实施例的侧视图。
[0013] 图4为本发明一实施例的立体图。
[0014]图5为本发明一实施例的硬件框图。
[0015] 图6为霍尔式压力传感器的安装示意图。
[0016] 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】
[0017] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 主要技术参数
[0023] 1、船体运动稳定性理论分析
[0024]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arctan0 = (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°。
[0025]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：
[0026]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：
[0027] R2 = V2/gtan9
[0028] 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。 [0029]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。
[0030] 2、船体设计计算：
[0031]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：
[0032]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/ LBd0
[0033] (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）
[0034] 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。
[0035] 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：
[0036] 2000*600*2+2000*325*2+600*325*2 = 4090000mm3
[0037] 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：
[0038] W=4090000*1.5/1000*7.93 = 48650.55g = 48.65Kg〇
[0039] 对船体校核：
[0040] Cw=Aw/LB；Cm=Am/Bd；CB=K/LBd
[0041 ] Cw= (1000*600+2/3*600*700+π*300*300/2)/2000*600 = 0 · 85
[0042] Cm = 250*600/325*600 = 0.76
[0043] CB = Cw*Cm = 0.85*0.76 = 0.646
[0044] 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。
[0045] 3、船体实际吃水深度计算：
[0046]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 7 5 K g，船体的后部放置有螺旋桨以及电机，重量大约有2 0 K g，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 = Pgv = 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。
[0047] 4、阻力计算
[0048]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Rf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Rp v表示。这样，船体总阻力Rt可以分为兴波阻力Rw、摩擦阻力Rf和粘压阻力 Rpv，其表达式可以写为:Rt=Rw+Rf+Rpv。
[0049]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。
[0050]方案一：
[0051 ]根据傅汝德公式计算船体粗糙表面的摩擦阻力：
[0053]其中，P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。
[0055]其中L为船长(m)，t为水温(摄氏度）
[0056] 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. Hm3时，通 过inventor软件计算得吃水深度为150mm，湿表面积S为1.7m2。
[0057]当冲浪板以5m/s的速度行驶时，P取1000kg/m3
[0059] 而当以5m/s的速度行驶时，摩擦阻力Rf占总阻力的50%，所以Rt = 120 ·6N
[0060] 方案二：
[0061]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。
[0062]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：
[0065]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 [0066]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Rf， 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：
[0067] Rt = Rf+Rr
[0068] 其中，Rr = Rpv+Rw
[0069] 这样，总阻力可以表示为雷诺数和傅汝德数的函数：
[0070] Rt = f (Re ,Fn) = fi(Re)+f2(Fn)
[0071] 而，Rr = f2(Fn)
[0072] Rf = fi(Re)
[0073] 根据傅汝德假定，Rt = Rf+Rr两边同除以
得无量纲形式:Ct = Cf+Cr平板摩擦 阻力系数Cf仅仅是雷诺数的函数，
当平板摩擦阻力系数Cf仅 仅是雷诺数的函数，
[0074]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：
[0075]运动粘性系数表如下：
[0077] 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，当排水量为〇. 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，P取1000kg/m 3
[0082] 而当以5m/s的速度行驶时，摩擦阻力Rf占总阻力的50%，所以Rt = 126 · 2N [0083]由上的阻力计算得出动力推进和蓄电池的型号：
[0084]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。
[0085] 通过以上原理说明，本发明的设计是完全可行的。
[0086] 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。
【主权项】
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。
【文档编号】B63B35/79GK105923116SQ201610226620
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】王三武, 白云昭, 颜志浩, 孙光耀
【申请人】武汉理工大学