参赛作品说明书

1、参赛作品说明书作品简介作品名称OceanLight-基于海洋景观的水下投影系统主要功能1. 严防疫情反弹疫情重创世界经济，而新冠病毒将和人类长期共存，电影工业的市场需要消费群体。影院人群聚集，病毒在人的呼吸带传播，随时都有疫情爆发的风险，这样一种防新冠病毒的露天室外的海湾电影院应运而生。2. 带动地方经济后疫情时期，可作为一种地标性的海洋景观，播送公益广告，地方文化创意以及吸引游客振兴经济。3. 该项目已获得国家发明专利（于2021年5月18日授权）。创新点1.菲涅尔投影幕既能像普通凸透镜一样汇聚光线，获得高亮度的视觉效果；同时通过将普通凸透镜连续表面部分“坍塌”到一个平面上避免了普通凸透镜的

2、球形相差，且镜体可以做的很薄。2.张力腿定位器当投影幕随潮汐涨落而升降时，同时约束大幕在海面水平方向上的自由度，该信号同时控制水下投影潜器同步升降，以保持投影焦距不变。3.水下投影潜器海流使投影轴竖直方向偏离，使用电子陀螺MPU6050测角，高压水泵喷嘴复位，使投影方向保持稳定，保证了清晰的投影效果。国内外水平对比1.国外以色列，意大利，法国，首尔等地均存在城市水上电影院，幕在岸上，人在船中，不符合中国国情。2.国内出现较多的是水雾和水帘幕投影，但分辨率低，且不稳定。应用前景本项目在后疫情期可以作为一种地标性的海洋景观（OceanScape)，吸引广大游客，振兴当地旅游业。它既可以播送当地的公

3、益广告，也可以供媒体作为振兴经济、传播文化创意的平台，它所展示的形象将形成一种崭新的大众传播媒介。OceanLight-基于海洋景观的水下投影系统目录绪论 背景6第一章 项目创新点81.1理念创新81.2结构创新8第二章 系统设计92.1总体架构92.2机械结构92.2.1菲涅尔投影幕92.2.2张力腿定位器112.2.3水下投影潜器112.3控制系统122.3.1控制系统总流程122.3.2传感器单元122.3.3运动控制单元132.4通信系统142.4.1通信方式142.4.2 IIC协议14第三章 系统工作流程153.1工作流程图153.2投影幕三维定位约束163.3投影轴的偏离与复位1

4、63.4投影潜器的调焦173.5海湾电影院现场放映效果17第四章 理论支撑17第五章 应用前景19第六章 附图21第七章 参考文献.24绪论 背景21世纪初，人类社会突然发生了新型冠状病毒大流行，人们不得不仓促应战，和新型冠状病毒短兵相接，该病毒的狡猾与顽固，在人类抗病毒历史上前所未有。人类终于认识到，新型冠状病毒不会轻易消失，它将和人类长期共存，这样人们不得不转换许多生活观念。新冠严重冲击了全世界的经济（图1），损失达上万亿元，电影工业更需要其消费群体，在复工复产中，既要保持票房价值，又要认识到电影消费的特殊规律处处和防疫手册要求相悖，故此环节严防疫情反弹。图1 新冠疫情严重冲击全球经济目前

5、运营的传统电影院，就首当其冲。因为放映时人员密集，环境封闭，不通风，这些特点十分适合病毒传播。若电影院复工，它会成为一个病毒传播的爆发点。中国有1.8万公里的海岸线，大小海湾星罗棋布，根据分形几何的研究结果，沿海岸线会分布一些知名的大型海湾，如胶州湾，在大型海湾内又嵌入了分形维数相似的中海湾，中海湾内又嵌入了无数的小海湾，形成大小海湾星罗棋布的格局。在胶州湾旁嵌入了团岛湾、前海湾、汇泉湾、浮山湾、麦岛湾、石老人湾等等知名的海湾，选择符合影院要求、避风避浪的天然海湾改造成露天影院，将风平浪静的海面打造成宽银幕，周围环礁打造成立体声音箱，大自然空气流通，人可相隔，病毒小飞沫（1微米）在呼吸带中迅速

6、向四周扩散，吸入浓度显著降低，可有效控制疫情爆发，既保护了人的健康，也实现了人与自然的和谐相处，同时充分利用海洋空间，节约宝贵的城市土地资源。目前的涉水投影技术，主要有三种。水雾投影，水帘幕投影清晰度较低，只能投影简单图像，且稳定性较低，极易受天气等条件影响；池底投影是指将投影机悬挂在屋顶梁上，从上向下投影的技术，简单可行，清晰度高，但必须在室内，依靠屋顶结构梁，天然环境不行。由此，一种在复工复产中防新冠病毒的海湾电影院应运而生，并迅速获得国家发明专利，专利号CN.X。图2 海湾电影院授予发明专利权通知书及发明专利证书第一章 项目创新点1.1 理念创新（1）传统的电影院人员密集不通风，该项目打

7、破传统思维，将银幕置于海面，人在岸上相隔观影，空气流通，可有效控制疫情再次爆发。（2）现存的水上电影院，如以色列，意大利，法国，韩国等地的水上电影院，均采用幕在岸上，人在船中观影的方式，不符合中国国情，该项目打破传统的水上电影院“幕在岸上，人在船中”的的观影方式，将银幕置于海面，人在岸上相隔观影，既节约了土地资源，又有效利用了我国丰富的海洋资源。1.2 结构创新（1）菲涅尔投影幕该结构使得投影幕既能像普通凸透镜一样汇聚光线，获得高亮度的视觉效果；同时通过将普通凸透镜连续表面部分“坍塌”到一个平面上避免了普通凸透镜的球形相差，且镜体可以做的很薄。（2）张力腿定位器使投影幕随潮汐涨落而升降，并约束

8、了大幕在海面水平方向上的自由度，该信号同时控制水下投影潜器同步升降，以保持投影焦距不变。（3）水下投影潜器海流使投影轴竖直方向偏离，使用电子陀螺MPU6050测角，高压水泵喷嘴向相反方向喷射高压水流进行复位，使投影方向保持稳定，保证了清晰的投影效果。第二章 系统设计2.1 总体架构图3 系统总体架构2.2 机械结构海湾电影院投影系统设备总成结构由菲涅尔投影幕、水下投影潜器和张力腿定位器组成，如图4所示。图4 海湾电影院投影系统设备总成结构菲涅尔投影幕 水下投影潜器 张力腿定位器2.2.1 菲涅尔投影幕该幕是用高强度、低密度、高透明度的厚1.5的聚丙烯膜做基片，在该基片上，用压膜机压出圆环状锯齿

9、纹，这就是菲涅尔透镜环（见图5）。 图5 菲涅尔透镜环示意图这样一组靶环的阵列对应图像的一组像素。大幕由多个子幕组成，每个子幕的尺寸，可由投影图像亮度、清晰度综合考虑确定。该大幕四周，以306不锈钢管焊框。子幕连接处采用透明的丙烯管焊接。为叙述方便，不失一般性取两排三列共六块字幕，则大幕为32m x16.8m。当物光场的平行光经过该点后，会透射汇聚在屏后一点，形成可见光的实像。如图6所示，物在无限远，成像在焦点，如此便形成水面菲涅尔投影幕的图像。图6 菲涅尔投影幕局部放大图图7是在水下潜器投影机的投影过程中，在投影幕上表面附近形成的像光场代表点示意图，实际的投影过程为观众在远处可看见海面巨大的

10、投影图像。图7 菲涅尔投影幕像光场代表点示意图2.2.2 张力腿定位器该定位器是由固定在大幕边框四角的内浮力圆盘和可随潮汐升降的外套筒组成，该圆盘上有汝铁硼强力磁铁，外套筒与磁铁对应位置固定有上下位磁敏传感器，该传感器模块使用A3144磁敏传感器。浮力圆盘上还有水密绕线电机，该电机的绕线滚筒上缠有钢丝绳，钢丝绳的另一端与水下锚固块的定滑轮相连接，组成张力腿（见图8）。图8 张力腿定位器外观和剖面结构示意图EVA外筒 水密绕线电机 上位磁敏传感器 汝铁硼 下位磁敏传感器 上张力腿 下张力腿 定滑轮 锚固块2.2.3 水下投影潜器水下投影潜器的结构（见图9） 由上、中、下三部分组成，上下层均为水密

11、舱，中间为水舱。上水密舱内置工程投影机，底部装有电子陀螺测角器，该测角器使用MPU-6050电子陀螺芯片。中层水舱装有多喷嘴高压水泵，水泵有四个相互垂直的喷口。下水密舱内置高压水泵电机、绕线电机和配重盘。图9 水下投影潜器外观和结构示意图工程投影机 上水密舱 电子陀螺测角器 水舱 电磁阀 多喷嘴高压水泵 高压水泵电机 下水密舱 绕线电机 配重盘 水密端2.3 控制系统2.3.1 控制系统总流程图10 控制流程 控制系统基于stm32c8t6最小系统，磁敏传感器采用A3144霍尔元件，电子陀螺仪采用MPU6050模块，与单片机进行IIC通信，单片机根据前段传感器的信号进一步控制绕线电机收放绳索与

12、高压水泵电机喷嘴。2.3.2 传感器单元（1）A3144霍尔传感器模块该模块（图11）采用A3144霍尔元件，其输入为磁感应强度，输出为数字电压信号，为单极开关型霍尔传感器，只感应南极磁场。传感器感应到无磁场或北极磁场时，信号端为高电平；感应到南极磁场时，信号端为低电平，当感应磁场越强，感应距离越长。图11 霍尔传感器模块（2）MPU6050模块MPU6050是InvenSence公司推出的全球首款整合性六轴运动传感器。相比于其他多组件方案, 免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题, 降低设定给予的影响与感测器的漂移。高达400kHz快速模式的IIC串行主机接口，以数字形式输出六轴的旋转矩阵

13、、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。图12 MPU60502.3.3 运动控制单元第一水密绕线电机置于四个张力腿定位器中，第二水密绕线电机置于六个水下投影潜器中，第一水密绕线电机与第二水密绕线电机配合，共同完成屏幕升降和调焦过程；高压水泵电机置于六个水下投影潜器中，用于使偏转的潜器复位，从而达到稳定的投影效果。2.4 通信系统2.4.1 通信方式本系统中STM32c8t6和传感器单元采用IIC总线通信。2.4.2 IIC协议IIC通信过程由开始、结束、发送、响应、接收五个部分构成。(1) 开始信号和结束信号开始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变；停止信号：当SCL为高期间，SDA由低

14、到高的跳变； 图13(2) 数据传输SDA的数据在SCL高电平期间被写入从机。所以SDA的数据变化要发生在SCL低电平期间。(3) 应答信号一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位(ACK)， 此时才认为一个字节真正的被传输完成。并不是所有的字节传输都必须有一个应答位，比如：当从设备不能再接收主设备发送的数据时，从设备将回传一个否定应答位(UACK)。图14(4) 设备地址选取I2C总线上的每一个设备都对应一个唯一的地址,主设备在传输有效数据之前要先指定从设备的地址，地址指定的过程和上面数据传输的过程一样，只不过大多数从设备的地址是7位的，

15、然后协议规定再给地址添加一个最低位用来表示接下来数据传输的方向，0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据,每一小包数据由9位bit组成。图15第三章 系统工作流程3.1 工作流程图 图16 系统工作流程3.2 投影幕三维定位约束张力腿定位器进行投影幕的三维定位约束。当潮汐发生涨落时，浮筒的上位或下位磁敏传感器会与圆盘上的磁铁发生感应，磁信号使单片机发出使能信号，缠绕电机收、放钢丝绳，使磁铁始终保持在两磁敏传感器的中部，从而完成了大幕随潮汐涨落的升降，而张力腿则约束了大幕在海面水平方向上的自由度，从而完成了投影幕在海面的三维定位约束。3.3 投影轴的偏离与复位水下投影潜器在投影工作

16、时，由于底部被系留锚固在海底，遇到海流的水平推力作用时，会改变其投影指向，对竖直轴产生一个偏角。电子陀螺测角器对该角度进行测量，当偏角大于5度时，单片机启动高压水泵的一个或两个喷口，喷口产生的水平矢量推力可抵消海流冲力，使偏角复位，消涂了投影的梯形畸变。3.4 投影潜器的调焦当海面投影幕随潮汐的涨落而升降时，会改变潜器与投影幕的距离，因此，张力腿定位器的升降使能信号也同时传送到水下投影潜器的绕线电机，使绕线电机收放线，从而保持投影机和幕的距离不变，完成调焦过程。3.5 海湾影院现场放映效果 图17 海湾电影院现场放映效果图第四章 理论支撑4.1 菲涅尔投影幕像素我们选取两排三列共六块菲涅尔子幕

17、，则大幕尺寸为32m x16.8m。水平像素数量为：32 16×103=2000线垂直像素数量为：16.816×103=1050线投影幕像素为：2000px *1050px中华人民共和国广播电影电视行业标准GYT 292.1-2015 数字电影发行母版中关于图像像素有如下规定：该项目中菲涅尔投影幕水平像素数量2000线，垂直像素数量1050线，符合中华人民共和国广播电影电视行业标准GYT 292.1-2015 数字电影发行母版的相关规定。4.2 高压水泵电机喷口出水速度我们选择在避风避浪的海湾建设海湾电影院，海流平稳流速为2-4节，高压水泵额定功率为80%。由动量定理知海流

18、对投影潜器截面冲击力： （1）在dt时间内，海流流速v恒定，则： （2）由二力平衡知： （3）式中，分别为水下投影潜器及高压水泵喷嘴截面积；，分别为海流流速及高压水泵喷嘴出水速度。高压水泵功率： （4）由上述公式（3）可以计算出高压水泵喷嘴出口速度，由（2）（4）可以计算出高压水泵功率，结果如下：2348.1212.1816.241.052.738.444.3 绕线电机功率我们选择的绕线电机效率为80%，转速n=240r/min。浮力圆盘受力情况： （1）浮力圆盘所受浮力： （2）绕线电机功率： （3）式中n为绕线电机转速，R为滑轮的半径。经计算，绕线电机功率P=1.14kw。第五章 应用前景

19、5.1 为防疫工作做出贡献世界卫生组织和美国疾病控制与预防中心皆表示，通风不良会增加冠状病毒传播的风险。与传统电影院相比，海湾电影院空气流通，可保证观众获得足够多的新鲜空气，满足人们日常娱乐观影需求的同时有效降低新冠病毒传播的风险，在常态化防疫工作中发挥作用。5.2 产生经济效应本项目在后疫情期可以作为一种地标性的海洋景观（OceanScape)，吸引广大游客，振兴当地旅游业。它既可以播送当地的广告，也可以供媒体作为振兴经济、传播文化创意的平台，它所展示的形象将形成一种崭新的大众传播媒介。5.3 践行国家“建设人与自然和谐共生的美丽中国”的理念正如古希腊人建设露天剧场，奥运会某些主办国将滑冰馆

20、建在山洞一般 ，我们道法自然，将风平浪静的海面打造成宽银幕，周围环礁打造成立体声音箱，以顺应自然，尊重自然的姿态与其形成统一整体 ，让每一位观影者都感受到人与自然可以和谐相处。第六章 附图图19 中国海岸线示意图第六章 附图6.1 单片机控制电路图图21 底板图22 主控电路第七章 参考文献1陈志明. 菲涅尔透镜聚光性能研究D.中国计量学院,2013.2王初龙. 三角形多功能张力腿平台结构设计及强度分析D.哈尔滨工程大学,2013.3姚彦龙. 三角形张力腿平台运动性能研究D.哈尔滨工程大学,2013.4刘永强. 均匀聚光菲涅尔透镜设计及性能研究D.哈尔滨

21、工业大学,2012.5吴家鸣. 不同类型张力腿平台的主要结构特征与技术特点J.海洋科学,2014,38(04):101-108.6杨光辉,卫明,陈丙振,郭丽敏,沈度,王智勇. 平板菲涅尔透镜设计及组合优化方法J. 北京工业大学学报,2014,40(10):1465-1471.7海大鹏. 菲涅尔透镜的加工工艺研究D.哈尔滨工业大学,2007.8任顺利. 张力腿平台动力响应研究D.中国石油大学,2008.9周海波. 多焦点菲涅尔透镜阵列的设计与性能分析D.浙江工业大学,2015.10WANG Lu,YUAN Zhongxian,ZHAO Yan,GUO Zhanquan. Review on Development of Small Point-Focusing Solar ConcentratorsJ. Journal of Thermal Science,2019,28(05):929-947.