一种智能雨伞的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能雨伞，还包括风速风向传感器，控制器和伞柄旋转执行机构，所述的风速风向传感器设置在伞面的顶部，所述的伞柄旋转执行机构设置在伞柄的上将伞柄分为上部伞柄和下部伞柄，所述的控制器设置在伞柄旋转执行机构的上方，所述的伞柄旋转执行机构控制上部伞柄自动旋转一个角度，使得上部伞柄和雨落下方向同向，从而伞面就和雨下降方向呈垂直角度。通过上述，本发明能够在恶劣的下雨天，特别是刮风天气，利用风速风向传感器实时获取风速和风向，然后计算出雨的下落方向，并根据该方向控制伞柄旋转，让雨伞能根据雨的降落方向自动调节伞柄和伞面的方向，使得伞面对准雨滴下落方向，更好地为用户遮雨。
【专利说明】
一种智能雨伞
技术领域
[0001] 本发明涉及雨伞制造行业的技术领域，尤其是提供一种智能雨伞。
【背景技术】
[0002] 雨伞是一种遮蔽雨雪的工具，在下雨或下雪天气中撑在人的头顶部位，防止人被 雨或雪淋湿。在中国伞是公元前1000年由鲁班的妻子发明的，在英国18世纪才开始使用雨 伞。千百年来，雨伞的设计和制造在不断进步，从雨伞的结构设计来说，包括直杆伞，两折叠 伞，三折叠伞，手开伞，自动伞等;从材料的选择包括塑料伞、油纸伞、布伞、尼龙伞等;从外 观设计上包括的种类就更多了。目前为止，雨伞的发展还是沿着传统的方向在进步，其目的 就是改善雨伞使用的方便性、多用途性以及外观上的吸引性。
[0003] 在雨伞使用时，由于伞的遮雨面积的限制，撑伞的人常常需要根据下雨的状况调 整手中雨伞方向和位置，以避免被雨淋湿，特别是雨伞面积比较小以及有风的情况更是如 此。在又下雨又刮风的天气时，雨常常不会从天上垂直落到地下，而是会斜着落到地面上， 故称为飘风雨，在该情况下，雨随着风向的变化而实时变化，风从东向西刮，雨也会从东向 西飘落，同时雨也随着风力的变化发生飘落方向上的改变，在微风状态下，雨只是稍稍从垂 直方向偏移，在大风状态下，雨会被风刮地偏向垂直方向更多。
[0004]通常在飘风雨情况下，即使人撑伞，雨也可能落到人的身体上，因为伞不能完全遮 住从侧面飘来的雨，所以撑伞的人可能会被雨淋到，特别是脑袋以下的身体部分，此时自然 的反应就是稍稍将伞倾斜一个角度，希望伞的正中央正对雨下落的方向，使自己不被雨淋 到。但是往往这个手动的调节也不能完全遮住雨落到人的身体上，一个原因是可能人在伞 下时对飘雨的方向不能做出正确判断，甚至做出相反方向的判断，从而导致将伞偏向相反 方向，被雨淋到的情况，另一个原因是即使对飘雨方向做出了正确判断，实际撑伞的偏移方 向不能与飘雨方向达到完全一致，导致不能完全遮挡住飘风雨的情形。而且，风不仅能改变 雨的方向，也会吹动伞的方向，导致雨的飘落方向和伞的偏离方向一致，在雨和风都比较激 烈的情况下有可能出现雨伞被吹到不能遮挡到人身体的位置。
[0005] 所以如果在雨伞中有一种自动根据雨的方向调节雨伞伞面方向和位置的装置的 话，那么雨伞能更多地避免人被飘风雨淋到。
[0006] 最近几年全世界范围都在进入智能化世界，许多生活工作中的工具都有智能化的 需求，希望给用户带来更好的体验和便利性。但目前对雨伞的智能化武装还相对较慢。本发 明就是提出一种智能化的雨伞系统，使得这种产生千百年的生活必需品能给人带来更好的 遮雨效果，特别是对于恶劣的下雨天。
【发明内容】
[0007] 本发明主要解决的技术问题是提供一种智能雨伞，能够在恶劣的下雨天，特别是 刮风天气，利用风速风向传感器实时获取风速和风向，然后计算出雨的下落方向，并根据该 方向控制伞柄旋转，让雨伞能根据雨的降落方向自动调节伞柄和伞面的方向，使得伞面对 准雨滴下落方向，更好地为用户遮雨。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供了一种智能雨伞，包括 伞面、伞骨架和伞柄，所述的伞面通过伞骨架设置在伞柄上端，还包括风速风向传感器，控 制器和伞柄旋转执行机构，所述的风速风向传感器设置在伞面的顶部，所述的伞柄旋转执 行机构设置在伞柄的上将伞柄分为上部伞柄和下部伞柄，所述的控制器设置在伞柄旋转执 行机构的上方，所述的伞柄旋转执行机构控制上部伞柄自动旋转一个角度，使得上部伞柄 和雨落下方向同向，从而伞面就和雨下降方向呈垂直角度。
[0009] 在本发明一个较佳实施例中，所述的上部伞柄的长度小于下部伞柄的长度。
[0010] 在本发明一个较佳实施例中，所述的风速风向传感器包括但不限于超声波涡旋式 风速传感器、螺旋桨风速传感器、热线式风速传感器和热膜式风速传感器。
[0011] 在本发明一个较佳实施例中，所述的智能雨伞还包括雨速档位选择装置和信号 线，所述的雨速档位选择装置设置在下部伞柄上，所述的风速风向传感器，控制器、伞柄旋 转执行机构和雨速档位选择装置通过信号线相连接。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述的智能雨伞能根据当前风速来确定下雨天飘风 雨的下落方向，并确定雨伞偏移遮挡飘风雨的方向和角度。
[0013] 在本发明一个较佳实施例中，所述的智能雨伞能根据飘风雨的大小和方向进行伞 面方向调整的机制。
[0014] 本发明的有益效果是：本发明的智能雨伞，能够在恶劣的下雨天，特别是刮风天 气，利用风速风向传感器实时获取风速和风向，然后计算出雨的下落方向，并根据该方向控 制伞柄旋转，让雨伞能根据雨的降落方向自动调节伞柄和伞面的方向，使得伞面对准雨滴 下落方向，更好地为用户遮雨。
【附图说明】
[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图，其中： 图1是本发明智能雨伞的一较佳实施例的结构示意图； 图2是智能雨伞的使用方式和遮雨效果图； 图3是智能雨伞控制系统的系统图； 图4是三维空间中落雨方向的角度示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0017]如图1所示，本发明实施例包括： 一种智能雨伞，包括伞面1、伞骨架2和伞柄3,所述的伞面1通过伞骨架2设置在伞柄3上 端，还包括风速风向传感器4，控制器5和伞柄旋转执行机构6，所述的风速风向传感器4设置 在伞面1的顶部，所述的伞柄旋转执行机构6设置在伞柄3的上将伞柄3分为上部伞柄31和下 部伞柄32,所述的控制器5设置在伞柄旋转执行机构6的上方，所述的伞柄旋转执行机构6控 制上部伞柄31自动旋转一个角度，使得上部伞柄31和雨落下方向同向，从而伞面1就和雨下 降方向呈垂直角度。其中，所述的上部伞柄31的长度小于下部伞柄32的长度。
[0018] 上述中，所述的风速风向传感器包括但不限于超声波涡旋式风速传感器、螺旋桨 风速传感器、热线式风速传感器和热膜式风速传感器。
[0019] 进一步的，所述的智能雨伞还包括雨速档位选择装置7和信号线8,所述的雨速档 位选择装置7设置在下部伞柄32上，所述的风速风向传感器4,控制器5、伞柄旋转执行机构6 和雨速档位选择装置7通过信号线8相连接。
[0020] 具体的，风速风向传感器4位于伞的最上面，在伞面1外部，这样能更加准确地测到 风速和风向，控制器5和伞柄旋转执行机构6位于伞柄3中间位置，它们可以是合为一体的， 也可以是分开植入伞柄3中的部件，风速风向传感器4和控制器5之间通过信号线8进行通 信，信号线8位于伞柄3内部。另外，前面所描述:雨速的三个等级需要根据雨伞使用者对降 雨强度的主观判断进行调整，那然后这个判断信息传递到控制器5,让控制器5来计算角度9 ，故可以在伞的下方伞柄3处设置一个具有三个档位选择的按钮(雨速档位选择装置7)，例 如"高"表示暴雨，"中"表示中雨，"低"表示小雨，让用户进行选择操作。根据用户档位的选 择，控制器5就能根据相应预设的雨速来计算伞柄旋转角度了。而且用户可以根据雨的大小 随时进行档位更换，来控制雨伞偏移角度的变化。当两个方向变量I和f都获取到以后，就可 以通过伞柄旋转执行机构6来操作上部伞柄31旋转了。这里的伞柄旋转执行机构6可以采用 最常规的角度位移控制设备，来控制万向节等旋转设备，带动上部伞柄31方向的旋转。
[0021] 本发明中，所述的智能雨伞能根据当前风速来确定下雨天飘风雨的下落方向，并 确定为了遮挡飘风雨，雨伞需要偏移的方向和角度，并根据飘风雨的大小和方向进行伞面 方向调整的机制。其主要思路是雨伞能根据飘风雨的方向自动调节伞柄和伞面的方向，使 其对准飘风雨落下的方向，尽量减少撑伞人被雨淋到的机会，更好地达到遮挡雨的功能，这 样一种智能型雨伞发明了基于风速风向传感器和万向控制器的智能雨伞控制系统。
[0022] 首先需要了解到，飘风雨的形成是与风向和风速有直接关系的，风往北吹，雨就向 北飘，风向东南方向吹，雨也就向东南方向飘，而且风越大，雨下落倾斜的角度就偏离垂直 方向越大。那么在风速和飘风雨的倾斜角度之间有一个关系，要使雨伞能遮挡住飘风雨，那 么撑伞的倾斜角度(或伞柄的倾斜角度)就要与雨的偏离角度保持一致，所以风速和伞柄的 倾斜角度之间就存在同样的关系。以下的描述就是要通过风速风向来获得飘风雨的倾斜角 度，从而利用这个角度驱动伞柄自动倾斜，使得伞面正对雨下落的方向，即雨的下落方向与 伞柄保持同样的方向。
[0023] 雨伞通常是由伞面、伞骨架、伞柄、伞把和展开装置构成的，其中展开装置包括手 动和自动两种形式。伞面由布、塑料或尼龙等材料制成，其形状包括三角形，圆弧面形等，但 伞面最下部形成的平面与伞柄一般呈垂直关系。本发明所设计的伞柄旋转执行机构6安置 在伞柄3上，该伞柄旋转执行机构6将伞柄3分为上下两部分，那么伞柄旋转执行机构6以上 的部分包括上部伞柄31，伞面1和伞骨架2,伞柄旋转执行机构6根据风的方向和速度来控制 雨伞上半部分自动旋转一个角度，这个角度就是雨落下的方向，使得上半部分伞柄和雨落 下方向同向，从而伞面就和雨下降方向呈垂直角度，达到遮挡飘风雨的功能，其功能实现方 式如图2所示。
[0024]在该智能雨伞中，控制系统是其核心部分，其系统图如图3所示，该控制系统采用 简单的开环控制就完全足够了。
[0025]该系统图包含风速风向传感器4,控制器5和伞柄旋转执行机构6三个部分，箭头表 示输入输出变量，输入输出可能包含多个变量，也可能只包含一个变量，故用粗箭头表示。 整个系统的输入为气压或者风力，这依赖于所采用的风速风向传感器4类型，目前风力风向 传感器包括超声波涡旋式风速传感器，螺旋桨风速传感器、热线式风速传感器和热膜式风 速传感器等，这些传感器是通过测量超声波时差，气压差，热量转移等数据来测量风速和风 向的，它们的输入量可能不尽相同，但都会输出风向和风速两个变量，本发明不限制风速风 力传感器的选择和使用。
[0026] 当获取到风速和风向变量以后，下一步就要通过控制器将其变为方向信息，以控 制雨伞的伞柄和伞面方向的调节，这一步是利用控制器的算法来完成的，利用风速风向信 息计算角度方位信息是本专利的一个重要步骤。在无风的下雨天，雨水垂直落到地面，通常 雨从大约2000米的高空落下，下落过程中受到重力和空气阻力的联合受力，从加速度下降 变为匀速下降，所以雨滴最终落到地面时是匀速降落，降落的速度与雨滴体积大小有关，也 就与降雨强度有关，毛毛小雨的雨滴体积很小，所以降落速度慢，而阵雨的雨滴体积较大， 下降速度就比较快，暴雨是类似倾盆大雨，雨滴也相应具有更大的体积，所以下降速度也是 最快的。雨最终落地的速度通常被称为雨滴下落的收尾速度，已经有相关的物理理论对这 一问题进行了描述[1，2]，通过经验分析，雨滴下落的收尾速度，根据雨的大小不同，大致在 4m/ s-10m/s范围内。以上这个雨滴下落速度是在无风状况下的垂直下落速度。
[0027] 而在有风的情况下，风力会给雨滴一个水平方向的速度，那么雨水落地的速度即 为垂直速度与水平速度的合速度，雨滴下落的方向也由两个方向的速度共同决定。假设水 平方向的风速为vl，雨水垂直下落的速度为v2,那么最终雨水的合成速度衫和偏离垂直方向 的角度i分别为：
角度P就是通过本发明的智能雨伞系统需要自动调节雨伞的方向之一，也即伞柄上半 部分的偏离垂直方向的角度。在计算这个角度的过程中，需要知道vdPv2两个速度，水平方 向的风速VI可以通过风速风向传感器来获取，而垂直方向的雨速V 2是不那么容易获取到的， 特别是雨本身就是非垂直方向的飘风雨，那是很难精确计算到垂直方向的雨速的。
[0028] 对于本发明，可以根据下雨的剧烈程度，对垂直方向的雨速进行估计，用三个等级 来进行表示，4m/s代表小雨时的雨速，7m/s代表中雨时的雨速，10m/s代表大雨时的雨速，用 这些雨速来与当前风速进行合成，获取雨伞需要偏离的角度在一个x、y、z轴组成的坐标 轴中（图4)，偏离角度S是雨下降过程中与z轴的夹角，而伞柄上的自动执行机构要调节伞柄 的偏移方向，还需要知道伞柄在x-y平面上向哪个方向偏离S角度，所以还要获取飘风雨在 水平上的方向，而这个方向正好就是风的方向，在χ-y平面上用|来表示风向与X轴之间的夹 角。
[0029] 综上所述，利用来自风速风向传感器的信息，和雨伞用户主观推测出的雨速，就能 够获取到关于雨下落方向的两个方向变量#和|，然后控制器根据这两个变量来对伞柄的旋 转方向进行操作。
[0030] 将传统的雨伞进行智能化的优化，使这一普通的生活必须的工具能在下雨天为用 户带来更好的遮蔽雨雪的效果。该发明的智能雨伞能自动根据飘风雨的下降方向来调节雨 伞伞面的方向，克服了传统雨伞在飘风雨状况下不能完全遮挡雨的缺点。
[0031] 综上所述，本发明的智能雨伞，能够在恶劣的下雨天，特别是刮风天气，利用风速 风向传感器实时获取风速和风向，然后计算出雨的下落方向，并根据该方向控制伞柄旋转， 让雨伞能根据雨的降落方向自动调节伞柄和伞面的方向，使得伞面对准雨滴下落方向，更 好地为用户遮雨。
[0032] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领 域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种智能雨伞，包括伞面、伞骨架和伞柄，所述的伞面通过伞骨架设置在伞柄上端， 其特征在于，还包括风速风向传感器，控制器和伞柄旋转执行机构，所述的风速风向传感器 设置在伞面的顶部，所述的伞柄旋转执行机构设置在伞柄的上将伞柄分为上部伞柄和下部 伞柄，所述的控制器设置在伞柄旋转执行机构的上方，所述的伞柄旋转执行机构控制上部 伞柄自动旋转一个角度，使得上部伞柄和雨落下方向同向，从而伞面就和雨下降方向呈垂 直角度。2. 根据权利要求1所述的智能雨伞，其特征在于，所述的上部伞柄的长度小于下部伞柄 的长度。3. 根据权利要求1所述的智能雨伞，其特征在于，所述的风速风向传感器包括但不限于 超声波涡旋式风速传感器、螺旋桨风速传感器、热线式风速传感器和热膜式风速传感器。4. 根据权利要求1所述的智能雨伞，其特征在于，所述的智能雨伞还包括雨速档位选择 装置和信号线，所述的雨速档位选择装置设置在下部伞柄上，所述的风速风向传感器，控制 器、伞柄旋转执行机构和雨速档位选择装置通过信号线相连接。5. 根据权利要求1所述的智能雨伞，其特征在于，所述的智能雨伞能根据当前风速来确 定下雨天飘风雨的下落方向，并确定雨伞偏移遮挡飘风雨的方向和角度。6. 根据权利要求1所述的智能雨伞，其特征在于，所述的智能雨伞能根据飘风雨的大小 和方向进行伞面方向调整的机制。
【文档编号】A45B17/00GK105901857SQ201610340364
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】李长宁, 吴佳瑶, 朱学莉, 朱树先
【申请人】苏州科技学院