Светящийся диск фрисби
LUMINOUS FRISBEE DISK

Настоящее изобретение относится в спортивному инвентарю и касается, в частности, конструкции так называемых летающих дисков - дисков фрисби, выполненных с функцией подсветки поверхности корпуса.
Летающий диск - общее название спортивного снаряда, представляющего собой пластиковый диск с загнутыми краями диаметром 20-25 см. Диск сделан таким образом, чтобы при его полете создавалась подъемная сила, что позволяет бросать диски на значительные расстояния и с большой точностью. Большинство русскоязычных людей назовут подобный диск «летающей тарелочкой». Следующим по популярности вариантом будет «фрисби». Люди же, которые занимаются различными видами спорта, в которых используется летающий диск, называют его просто «диск» или «тарелка». «Фрисби» формально является не общим названием летающих дисков, а товарным знаком игрушечного подразделения корпорации Wham-O - компании Mattel. Подобно ситуации с наименованием любых копиров ксероксами, слово «фрисби» используют и для обозначения летающих дисков вообще.
Чтобы справиться с 4-мя физическими силами (тяги, тяжести, подъемной и сопротивления воздуха) диск должен держаться за счет вращения вокруг собственного центра. Для полета ему необходимо иметь выпуклую и вогнутую поверхности. Над выпуклой обтекающий поток воздуха будет ускоряться, под вогнутой замедляться. Более высокая скорость создаст более низкое давление и родится подъемная сила. Как правило, выпуклая поверхность по толщине выполняется тонкой, а загнутая кромка - толстой. Так как основная масса сосредоточится по краям, то полет и вращение будут устойчивее, чем у плоского изделия. Тарелка «с бортиками» больше сопротивляется воздуху, но зато и воздействия распределяются равномерно. Например, благодаря задней кромке увеличивается подъемная сила сзади и диск не опрокидывается.
Так, известен диск фрисби, содержащий пластиковый корпус, представляющий собой круглую в плане тонколистовую конструкцию, лицевая часть которой выполнена выпуклой и представляет собой фрагмент сферической поверхности, по краям которой выполнена кромка, загнутая в направлении, противоположном выпуклости, а на внутренней поверхности конструкции по ее центру выполнено гнездо с боковой стенкой, закрываемое крышкой и внутри которого расположен один светодиод, источник питания и кнопка включения/выключения узла освещения корпуса, в состав которого входит набор оптических волокон, отходящие по внутренней поверхности корпуса от боковой стенки гнезда через проемы в ней и доходящие до кромки корпуса ребра, при этом каждое оптическое волокно обращено с одного торца к светящейся части светодиода, закрепленного в центре диска в гнезде (US 2005090177, А63Н 33/18, А63Н 33/22, опубл. 28.04.2005).
Это решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.
В известном решении оптические волокна используются для распространения светового излучения от светодиода по всей поверхности корпуса. Это дает возможность видеть освещенный диск во время его полета и заметить примерное место его падения и потом найти его на земле. Это статическое освещение диска используется для видимого контроля за летящим диском и местом его падения и не несет иной функциональной нагрузки.
На диске освещение оптическим волокнами носит стационарный характер и при вращении диска в полете картинка освещения так же вращается в синхронном режиме с вращением диска. Играть с диском фрисби можно как индивидуально, так и в групповых сеансах или в команде на площадках. При командной игре или при проведении соревновательных состязания в воздухе могут находиться достаточно много дисков, летящих по разным траекториям в одном или в разных направлениях. В этом случае становится затруднительным следить именно за своим диском среди одновременно летящих дисков с положим освещением корпусов. Независимо от степени и типа раскраски (от освещения) корпуса при вращении цветовая гамма становится однородной и все диски представляются одинаково раскрашенными - освещенными в одинаковой цветовой палитре. Это обусловлено инерционностью зрения человека (на ант. эффект называется POV - persistence of vision). Зрение человека не успевает отслеживать скорость смены картинки, что приводит к слиянию меняющихся картинок в общую массу цветовых эффектов. Если на диске высвечивается порядковый номер игрока, например, цифра «5», то при вращении диска в его полете нарушается четкость изображения, которая начинает выглядеть как смешанная палитра нескольких цветов.
Недостаток этого решения заключается в недостаточной эксплуатационной и длительной надежности диска, заключающейся в недостаточно конструктивной прочности, приводящей к разрушению конструкции. Это объясняется тем, что диск фрисби используется в качестве игрового снаряда, который бросают по правилам игры или в рамках развлечения. При таких играх диск подвергается ударным нагрузкам (в случае падения или удара о стену, если игра проводится вы закрытом помещении). В связи с этим корпус современных дисков фрисби изготавливается из полипропилена, обладающего высокими упругодеформационным сопротивлением динамическим нагрузкам. Но выполнение корпуса из современного материала не дает высокой надежности по прочности конструкции в целом. Например, в известном решении оптические волокна плотно уложены в открытые канавки в ребрах и удерживаются в них за счет трения материала. При ударе происходит колебательный процесс, который выдавливает эти волокна из канавок из-за того, что материал корпуса и соответственно ребер отличается по структуре и упругим свойствам от материала оболочки оптического волокна.
Ударное воздействие так же передается на электронные компоненты, отвечающие за подсветку корпуса диска. Слабая эксплуатационная надежность диска так же определена тем, что само гнездо для электронных компонентов выполнено в виде отдельной детали и закреплено в центре диска. Таким образом, в местах прикрепления образуется структура материала, которая отличается от структуры материала соединяемых деталей. Прочность любого диска определена тем, что он способен принимать пиковую внешнюю нагрузку в отдельном локальном месте. В момент нагружения в структуре материала возникает колебательный процесс, распространяющийся в направлении от точки приложения пиковой локальной нагрузки. За счет межмолекулярных связей происходит распространение этого процесса по структуре и гашение частоты и амплитуды колебаний по мере их удаления от точки приложения нагрузки. За счет этого происходит внутреннее гашение энергии удара в пределах упругих связей молекул материала.
Если на пути распространении колебательной волны возникает отличная структура с иным расположением молекул и связей между ними, то происходит удар волны об эту структуру без гашения энергии. Места приклейки или приварки гнезда и ребер являются такими структурами. То есть энергия удара переносится на другие детали. Это и приводит к разрушению конструкции диска и зоны размещения электронных компонентов.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении распознавательной способности летящего диска фрисби за счет формирования на поверхности летящего и вращающегося диска стационарной и невращающейся вместе с диском световой картинки на всей поверхности корпусе.
Указанный технический результат достигается тем, что в светящемся диск фрисби, содержащем корпус в виде круглой в плане тонколистовой транспарантной конструкции с выпуклой лицевой поверхностью, на внутренней поверхности конструкции по ее центру выполнено гнездо, внутри которого расположен узел включения/выключения и электронные компоненты узла освещения лицевой стороны корпуса, включающие в себя радиально расположенные на одинаковом угловом смещении от гнезда на тыльной стороне корпуса и доходящие до кромки корпуса оптические элементы узла освещения лицевой стороны корпуса, оптические элементы узла освещения лицевой стороны корпуса выполнены в виде светодиодных лент с обращением оптической части по крайней мере части из светодиодов к поверхности тыльной стороны корпуса, электронные компоненты освещения лицевой стороны корпуса включают в себя осевой датчик движения с гироскопом, блок памяти, содержащий в цифровой форме изображения статических изображений, и связанный с блоком памяти микропроцессор, связанный с микроконтроллером, к выходам которого подключены проводники светодиодов на светодиодных лентах, или микропроцессор, связанный с микроконтроллерами, к выходу каждого из которых подключены проводники светодиодов на одной светодиодной ленте, или микроконтроллер на базе микропроцессора, к выходам которого подключены проводники светодиодов на светодиодных лентах, микропроцессор с микроконтроллером или микроконтроллер на базе микропроцессора или микропроцессор, связанный с микроконтроллерами, связаны с осевым датчиком движения с гироскопом и выполнены с возможностью извлечения из блока памяти данных о картинке и выдачи сигналов для включения свечения светодиодов на каждой светодиодной ленте для представления картинки в виде фрагмента картинки в пиксельной форме в каждой ленте, где свечение одного светодиода считается одним пикселем, и выполнены и функцией переноса свечения линии светодиодов, относящейся к фрагменту картинки, на каждой светодиодной ленте в направлении против вращения корпуса диска в момент его полета на угол, равный или менее угла между смежно радиально расположенными светодиодными лентами, при получении от осевого датчика движения с гироскопом данных о наличии углового смещения диска в направлении его вращения, равного углу или менее между смежно и радиально расположенными светодиодными лентами.
При этом микропроцессор с микроконтроллером или микроконтроллер на базе микропроцессора или микропроцессор, связанный с микроконтроллерами, связаны каждым выходом с каждым отдельным светодиодом на светодиодных лентах.
Диск может быть снабжен блоком Bluetooth или блоком WiFi для удаленного управления и передачи данных микропроцессору или микроконтроллеру или загрузки блока памяти. А на лицевой стороне корпуса диске в центре или на тыльной стороне корпуса в центре выполнено гнездо USB-разъем. А кнопка узла включения/выключения освещения корпуса выведена на тыльную сторону корпуса.
В диске все оптические части всех светодиодов могут быть обращены к поверхности тыльной стороны корпуса или в противоположном направлении от этой поверхности или оптические части одних светодиодов обращены к поверхности тыльной стороны корпуса, а оптические части других светодиодов обращены в противоположном направлении от этой поверхности.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид диска фрисби с демонстрацией расположения светодиодных лент;
на фиг. 2 - показано размещение платы в гнезде и светодиодной ленты по отношению к гнезду;
на фиг. 3 - вид на плату с одной ее стороны;
на фиг. 4 - вид на плату с другой ее стороны.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция диска фрисби, используемого в качестве светящегося спортивного снаряда, способного лететь на большие расстояния без переворачивания. Особенностью заявленного диска является его повышенная конструктивная особенность, определяющая его возможность реализации функции демонстрации светящихся рисунков на поверхности корпуса с сохранением композиционной целостности этих рисунков при вращении диска во время полета. Так же особенностью длительной работы электронной части диска является то, что гнездо для этих компонентов выполнено заодно с самим корпусом методом 3D-печати с тем, чтобы исключить участки концентрации напряжений.
В общем случае, диск фрисби содержит корпус из полимерного материала, представляющий собой круглую в плане тонколистовую конструкцию, лицевая поверхность которой выполнена выпуклой и представляет собой фрагмент сферической поверхности, а по краям которой выполнена кромка, загнутая в направлении, противоположном выпуклости лицевой части. Таким образом, корпус диска выполнен с аэродинамической поверхностью, обеспечивающей диску стабильность полета в воздухе на определенное расстояние и возможность во время полета вращаться вокруг своей оси.
На внутренней поверхности конструкции по ее центру выполнено гнездо с боковой стенкой с отверстиями, закрываемое крышкой и внутри которого расположены электронные компоненты узла освещения корпуса и управления свечением светодиодов.
На тыльной поверхности конструкции сформированы радиально отходящие от боковой стенки гнезда для размещения оптических элементов формирования картинки на поверхности транспарантного корпуса. Оптические элементы узла освещения лицевой стороны корпуса выполнены в виде светодиодных лент с обращением оптической части по крайней мере части из светодиодов к поверхности тыльной стороны корпуса.
Как вариант исполнения, все оптические части всех светодиодов могут обращены к поверхности тыльной стороны корпуса или в противоположном направлении от этой поверхности. Или, как вариант, оптические части одних светодиодов обращены к поверхности тыльной стороны корпуса, а оптические части других светодиодов обращены в противоположном направлении от этой поверхности. В зависимости от направления оптических частей светодиодов можно получить подсветку только наружной лицевой поверхности корпуса или подсветку с тыльной стороны с проекцией на лицевую через транспаратные стенки корпуса или корпус с двухсторонней подсветкой в виде статической картинки.
Особенностью является то, что корпус, гнезда для оптических элементов и гнездо с боковой стенкой для электронных компонентов выполнены в виде одной детали методом 3D-печати. Корпус может быть выполнен из полипропилена, который очень устойчив к различным механическим воздействиям, не боится воды и высоких температур. При этом этот материал обладает упругодеформированностью структуры и способностью восстанавливать форму.
Электронные компоненты освещения лицевой стороны корпуса включают в себя осевой датчик движения с гироскопом, блок памяти, содержащий в цифровой форме изображения статических изображений, и связанный с блоком памяти микропроцессор, связанный с микроконтроллером, к выходам которого подключены проводники светодиодов на светодиодных лентах, или микропроцессор, связанный с микроконтроллерами, к выходу каждого из которых подключены проводники светодиодов на одной светодиодной ленте, или микроконтроллер на базе микропроцессора, к выходам которого подключены проводники светодиодов на светодиодных лентах,
Микропроцессор с микроконтроллером или микроконтроллер на базе микропроцессора или микропроцессор, связанный с микроконтроллерами, связаны с осевым датчиком движения с гироскопом и выполнены с возможностью извлечения из блока памяти данных о картинке и выдачи сигналов для включения свечения светодиодов на каждой светодиодной ленте для представления картинки в виде фрагмента картинки в пиксельной форме в каждой ленте, где свечение одного светодиода считается одним пикселем, и выполнены и функцией переноса свечения линии светодиодов, относящейся к фрагменту картинки, на каждой светодиодной ленте в направлении против вращения корпуса диска в момент его полета на угол, равный или менее угла между смежно радиально расположенными светодиодными лентами, при получении от осевого датчика движения с гироскопом данных о наличии углового смещения диска в направлении его вращения, равного углу или менее угла между смежно и радиально расположенными светодиодными лентами.
Ниже приводится пример конкретного исполнения диска фрисби (фиг. 1-4).
Базовым элементом диска фрисби, определяющим его эксплуатационные качества, является полимерный упругодеформируемый корпус 1 с наружной аэродинамической поверхностью (фиг. 1), обеспечивающей возможность диску лететь с одновременным вращением (или без вращения) на заданное расстояние. Поэтому корпус 1 из полимерного материала представляет собой круглую в плане тонколистовую конструкцию, лицевая поверхность (лицевая сторона) которой выполнена выпуклой и представляет собой фрагмент сферической поверхности. По краям конструкции выполнена кромка, загнутая в направлении, противоположном выпуклости лицевой части (для формирования подъемной силы). На внутренней поверхности конструкции (на тыльной стороне) по ее центру выполнено гнездо 2 с боковой стенкой 3 с отверстиями в ней. Гнездо закрывается отдельной крышкой 4.
На тыльной поверхности конструкции корпуса сформированы радиально отходящие от боковой стенки 3 гнезда 2 и доходящие до кромки 3 корпуса посадочные места для размещения оптических элементов узла освещения корпуса. Эти места 4 выполнены полыми с расположением их полостей напротив отверстий в боковой стенке 3 гнезда. Корпус 1, места 4 и гнездо 2 с боковой стенкой выполнены в виде одной детали методом 3D печати. При использовании этого метода изготовления корпуса в материале всех его составляющих элементов формируется однородная структура без концентраторов напряжения, как в теле корпуса, так и в местах перехода одной поверхности в другую. То есть создаются условия работы корпуса исключительно в режиме упругой деформации.
При ударе о препятствие (например, дерево или стена) на корпусе в месте ударного контакта формируется смятие, приводящее в образованию колебательной волны внутри структуры материала корпуса. При однородной структуре материала волна проходит в направлении удара и оказывает давление на молекулы, которые увеличивают собственную частоту и амплитуду колебания в диапазоне упругих связей с другими молекулами. Это увеличение приводит к потере энергии удара и рассеиванию этой энергии, которая выражается в потере частоты и амплитуды колебательного процесса от удара. Дойдя до противоположного края, волна возвращается с меньшей энергией и полностью ее теряет в точке нанесения ударного воздействия. Этот процесс проходит в диапазоне упругой характеристики материала корпуса. Такие деформации для однородной структуры полимерного материала являются естественными и выражаются в тысячных циклах до момента старения материала и потери им упругих свойств. При ударе корпус испытывает деформацию формы, которая отражается на форме мест 4 в зоне линии направления удара. Но эта форма восстанавливается. Эта особенность тела с однородной структурой материала позволяет использовать более сложные электронные системы для освещения корпуса диска, так как ударная нагрузка на них не передается. При ударе волна колебаний двигается вдоль линии удара и отражается от боковой стенки 3 гнезда 2, возвращаясь в обратном направлении. В связи с этим стало возможным разместить в гнезде не только источник питания (аккумулятор или батарейку) и кнопку включения/выключения узла освещения корпуса, но и электронные компоненты управления свечением оптических элементов.
Каждый оптический элемент узла освещения корпуса выполнен в виде светодиодной ленты 5, пропущенной через соответствующее отверстие в боковой стенке 3 гнезда 2 и подключенной к размещенной в гнезде плате 6 с электронными компонентами управления свечением светодиодов (фиг. 3 и 4).
Особенностью применения светодиодных лет является то, что все деформации, приходящие на этот элемент, воспринимаются самой лентой, то есть основой, на которой закреплены светодиоды. Сами светодиоды, чувствительные к механическим нагрузкам, не подвергаются этим нагрузкам, а претерпевают смещение своего положения по месту установки. То есть, при ударе корпуса о препятствие происходит деформация формы корпуса, а внутри корпуса деформируется сама лента, как носитель светодиодов, не передавая деформационную нагрузку оптическим элементам. Это важное свойство и то, что деформационная нагрузка от удара не переходит границу боковой стенки гнезда, позволило в гнезде смонтировать плату 6 с электронными компонентами управления свечением светодиодов.
При монтаже оператор пропускает светодиодную ленту через отверстие в боковой стенке гнезда до упора в торец и прикрепляет ее токопроводящие выводы к плате. Ленты находятся в полости ребер свободно расположенными в местах их расположения. В данном конкретном примере исполнения каждое место под светодиодную ленту выполнено в виде полого радиального ребра, в полости которого и расположена лента.
Электронные компоненты управления свечением (фиг. 3 и 4) светодиодов включают в себя микропроцессорный элемент 7, 2-6 или 9-осевой датчик движения 8 и блок 9 Bluetooth или блок WiFi (для управления в удаленном режиме - для удаленного управления и передачи данных микропроцессору или микроконтроллеру или загрузки блока памяти). При таком составе становится возможным не только подсвечивать диск для видимости его траектории перемещения, но и формировать на поверхности корпуса динамические или статические картинки (через Flash-память 10, на которой хранятся картинки, отображаемые при вращении диска). В целях малогабаритности, монтаж компонентов проводится на обеих сторонах платы 6 (фиг. 3 и 4). Так на фиг. 2 показано, что источник питания 11 размещается на дне гнезда. На одной стороне платы (фиг. 3) закреплены микропроцессорный элемент, датчик движения и блок Bluetooth. А на оборотной стороне платы (фиг. 4) закреплены узел 12 включения/выключения питания с кнопкой, USB-разъем 13 и Flash-память 10, на которой хранятся картинки, отображаемые при вращении диска. В данном примере исполнения кнопка узла включения/выключения освещения корпуса выведена на тыльную сторону корпуса.
При этом в гнезде плата 6 находится в точке, где отсутствует путь прохождения процесса колебания молекул, вызванный ударным воздействием. Такое стало возможным за счет выполнения боковой стенки гнезда заодно с корпусом.
Для обеспечения подключения диска к компьютеру на лицевой стороне корпуса в центре выполнено гнездо 14 USB-разъема (фиг. 1). Ничто не ограничивает возможность размещения этого разъема на тыльной стороне корпуса.
А для удобства пользования кнопка включения/выключения узла освещения корпуса выведена на тыльную сторону корпуса.
Под выражением «микропроцессорный элемент 7» понимается одно из современных решений: либо микропроцессор, связанный с микроконтроллером, к выходам которого подключены проводники светодиодов на светодиодных лентах, либо микропроцессор, связанный с микроконтроллерами, к выходу каждого из которых подключены проводники светодиодов на одной светодиодной ленте, либо микроконтроллер на базе микропроцессора, к выходам которого подключены проводники светодиодов на светодиодных лентах. Независимо от исполнения (микропроцессор с микроконтроллером или микроконтроллер на базе микропроцессора или микропроцессор, связанный с микроконтроллерами), микропроцессорный элемент 7 связан каждым выходом с каждым отдельным светодиодом на светодиодных лентах, что позволяет ему программно выдавать сигнал на каждый светодиод отдельно. Именно это и позволяет формировать не цветовую смесь, а изображение смыслового или тематического плана.
В составе электронных компонентов освещения лицевой или тыльной стороны корпуса блок памяти, функцию которого выполняет связанный с микропроцессорным элементом 7 Flash-память 10, содержит в цифровой форме изображения статических изображений. Микропроцессорный элемент 7 выполнен с возможностью извлечения из блока памяти данных о картинке и выдачи сигналов для включения свечения светодиодов на каждой светодиодной ленте для представления картинки в виде фрагмента картинки в пиксельной форме в каждой ленте, где свечение одного светодиода считается одним пикселем. При этом микропроцессорный элемент 7 связан с осевым датчиком движения 8 с гироскопом и выполнен и функцией переноса свечения линии светодиодов, относящейся к фрагменту картинки, на каждой светодиодной ленте в направлении против вращения корпуса диска в момент его полета на угол, равный или менее угла между смежно радиально расположенными светодиодными лентами, при получении от осевого датчика движения с гироскопом данных о наличии углового смещения диска в направлении его вращения, равного или менее угла между смежно и радиально расположенными светодиодными лентами.
По сути, пиксельные элементы стационарной картинки, образованные светодиодами на каждой светодиодной ленте, переносятся при повороте диска фрисби на светодиоды той смежно расположенной светодиодной ленты, которая расположена первой в направлении против вращения корпуса диска. В реальности при угле равном, например, 1-5°, дискретность переноса человеческому глазу не видна вследствие инерционности самого зрения. Угол, по сути, является угловым разрешением картинки, он задается в прошивке и зависит от шага светодиодов на лентах и количества светодиодов на лентах. Под переносом линейки пиксельных элементов на каждой светодиодной ленте понимается выключение свечения светодиодов и их последующее выключение в том алгоритме пиксельной раскладки, в которой было свечение светодиодов на смежно расположенной светодиодной ленте. Управляющий сигнал на переключение алгоритмов свечения светодиодов на лентах исходит от 2-6 или 9-осевого датчика движения 8.
Как это реализовано:
- вдоль радиусов диска расположены гибкие ленты из адресуемых светодиодов, управление каждым из которых происходит независимо. Таких лент может быть три и более;
- в диск встроен датчик движения с гироскопом, который измеряет угловую скорость и угловое положение диска;
- управляющая схема получает информацию о картинках, которые нужно отобразить, из FLASH-памяти, в которую картинки предварительно загружены. В общем случае картинки могут передаваться в реальном времени по WiFi, Bluetooth или другому радиоканалу;
- алгоритм управляющей схемы считывает данные о текущей картинке и из нее формирует набор пикселей, который нужно отобразить на светодиодах при их пространственном положении в данный момент времени:
- вместе с этим по мере вращения диска алгоритм считывает данные с гироскопа и при достижении необходимого углового смещения отображает очередной сформированный столбец пикселей на светодиодах каждой ленты;
Предыдущие два пункта повторяются через заданные равные угловые смещения. Например, через каждый градус поворота диска формируется и отображается на светодиодах новый набор пикселей, соответствующий цветам картинки при данном пространственном расположении светодиодов.
Когда совершен полный оборот диска, контроллер начинает отрисовку картинки заново.
Если же отображается не постоянная картинка, а видеоряд, то при каждом следующем обороте отображается следующая картинка видеоряда. Таким образом, формируется последовательность картинок, которая выглядит на вращающемся диске как стационарное изображение.
Настоящее изобретение промышленно применимо и реализовано в рамках мелкосерийного выпуска. Эксперименты на ударные нагрузки показывают стабильность и непрерывность работы электронной части диска, сохранение картинки на поверхности без искажения и разрывов. Изобретение позволяет сформировать на вращающемся диске неизменяемую вращением диска картинку, которая обеспечивает визуальный контроль за перемещением диска в воздухе и местом его падения.