[0028] 下面结合附图对本发明做具体的说明。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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:
[0033] 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;
[0034] 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;
[0035] 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;
[0036] 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;
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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:
[0040] 1、秋千的摆角θ与时间t的关系
[0041] 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。
[0042] 根据角动量定理知单摆的运动方程: 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:
[0043] (式1)
[0044] 因此,在四分之一周期内给定一个θ,可以求出唯一的t。
[0045] (式1)中,当θ=0时, 求得周期 (式2)
[0046] (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。
[0047] 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。
[0048] 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。
[0049] 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 相等,因此:
[0050] (式3)
[0051] 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:
[0052] (式4)
[0053] 3、临界角的计算
[0054] 由于时刻t停在时刻t0之后,故令t停=t0,得 那么将 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。
[0055] 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。
[0056] 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。
[0057] 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。
[0058] 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。