專利名稱：一種飛行汽車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種交通工具，尤其涉及一種飛行汽車。
背景技術：
目前的地面汽車都是由發(fā)動機通過傳動機構帶動汽車輪子，在地面上行駛。飛機和直升機可以在空中飛行，但成本昂貴，耗油量大，高碳消耗，駕駛技術復雜，其中飛機還需要機場跑道，其作為普通交通工具尚不合適。汽車是成熟的技術，但是作為必須沿公路行駛的“一維”交通工具，在現(xiàn)代交通汽車日益增多情況下，交通堵塞已是公路交通最頭痛的問題，現(xiàn)有汽車技術難以解決這個問題。為此，近年來國內(nèi)外均有人提出結合現(xiàn)有的汽車技術和航空技術，研制能夠空陸兩用的 “飛行汽車”，目前提出的這些飛行汽車大都采用在現(xiàn)有汽車基礎上加裝機翼，以提供汽車升空所需的升力。例如美國Terrafugia公司最近推出計劃明年上市的一種“飛行轎車”，其結構為常規(guī)轎車的兩側裝有機翼，在后部裝有兩個垂尾和一個升降舵，與常規(guī)飛機形狀相近。這種飛行轎車雖然機翼可折疊以減小在公路上所占的寬度和面積，但是在公路上滑跑起飛(最小滑行距離為450米)和滑跑著陸時，機翼展開長度約是汽車的5-7倍寬度，因此在較繁忙的公路上起落幾乎不可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有飛行汽車無法在繁忙公路上起落的缺陷，提供一種能夠在不增加汽車面積的情況下在公路上起飛和降落，且能夠在空中像直升機一樣飛行的飛行汽車。本發(fā)明采用以下技術方案解決上述技術問題
一種飛行汽車，包括車體結構、動力組及綜合控制系統(tǒng)，所述車體結構包括車身、底盤、 被動驅(qū)動車輪，其特征在于，所述動力組包括電源以及四個獨立的動力裝置、四個電子調(diào)速器和四個舵機；四個獨立的動力裝置分別安裝于車身前后兩側，每個動力裝置包含一個涵道螺旋槳和一個驅(qū)動其運轉的電動機；所述四個電子調(diào)速器的輸入端均與所述綜合控制系統(tǒng)連接，每個電子調(diào)速器的輸出端與一個電動機連接以控制該電動機的轉速；所述四個舵機的輸入端均與所述綜合控制系統(tǒng)連接，每個舵機通過與一個涵道螺旋槳的涵道固定連接的轉軸控制該涵道螺旋槳的角度。涵道螺旋槳又稱為涵道風扇螺旋槳，是指在自由螺旋槳的外圍設置涵道的一種推進裝置。其原理同飛機機翼類似，螺旋槳的運動分解為水平運動和旋轉運動，螺旋槳運動時主要存在的阻力有空氣摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力和干擾阻力等，槳葉因高速圓周運動使葉尖處速度最高，誘導阻力較大，對外界氣流產(chǎn)生沖擊造成極大的噪聲，這是自由螺旋槳動力效率低的主要原因。而加裝了涵道后，由于葉尖處受涵道限制，沖擊噪聲較小，誘導阻力減小，效率大幅提高。在同樣功率消耗下，涵道螺旋槳較同樣直徑的自由螺旋槳，能夠產(chǎn)生更大的推力；同時由于涵道的環(huán)括作用，使其具有結構緊湊、氣動噪聲低、使用安全性好的優(yōu)點，已越來越多地被用于飛行器設計中。進一步地，本發(fā)明的飛行汽車還包括圖像識別自動越障控制系統(tǒng)，所述圖像識別自動越障控制系統(tǒng)包括安裝在汽車頭部的前視攝像機、下視攝像機、激光掃描雷達和圖像識別模塊；所述圖像識別模塊包括視頻解碼單元和微處理器，所述視頻解碼單元將視頻圖像模擬信號解碼為數(shù)字信號并傳輸給所述微處理器，微處理器對視頻圖像數(shù)字信號和激光測距信息進行分析，并將分析得到的路況信息向綜合控制系統(tǒng)發(fā)送。通過上述圖像識別自動越障控制系統(tǒng)，本發(fā)明的飛行汽車可以精確識別路面環(huán)境、障礙物特征、障礙物距離等路況信息，從而在道路特殊受阻或中斷情況(如車輛堵塞，塌方阻路，洪水阻路；橋梁斷裂等) 下，控制飛行汽車自動飛越障礙物。更進一步地，所述綜合控制系統(tǒng)包括人工駕駛機構和自動控制機構；所述人工駕駛機構包括人工駕駛盤及與人工駕駛盤連接的車輪轉向機構、人工指令鍵盤及顯示屏；所述自動控制機構包括微處理器以及分別與該微處理器信號連接的三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計、氣壓高度計、GPS/北斗衛(wèi)星接收機；自動控制機構輸入端與所述圖像識別模塊及激光掃描雷達連接，接收圖像識別數(shù)據(jù)和激光測距數(shù)據(jù)；自動控制機構輸出端與所述動力組中四個電子調(diào)速器和四個舵機連接，向動力組發(fā)出控制指令。采用上述技術方案， 地面行駛可以人工駕駛為主，動力組中的后兩個涵道螺旋槳軸向轉為水平方向，產(chǎn)生向前推力；人工駕駛盤可控制車輪轉向機構改變方向；為節(jié)約用電，地面行駛時，前兩個涵道螺旋槳可以不工作。空中飛行以自動控制為主、人工駕駛為輔；自動控制機構由三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計、氣壓高度計、微計算機處理器及其電路所組成，自動控制機構通過多種傳感器信號和動力組來控制轎車飛行時的姿態(tài)、位置、速度和航向。本發(fā)明的飛行汽車，利用包括涵道螺旋槳和電動機的動力裝置提供汽車路面行駛及升空飛行所需的動力，在實現(xiàn)空陸兩用的同時，解決了現(xiàn)有技術存在的無法在繁忙公路上起落的缺陷；本發(fā)明進一步通過包括人工駕駛機構、自動控制機構以及圖像識別自動越障控制系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動控制駕駛及人工控制駕駛結合的控制方式，并能夠自動識別和判斷路況，從而實現(xiàn)自動越過障礙物。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
一、可以像常規(guī)汽車一樣在公路地面上行駛；
二、在不增加汽車面積情況下可以從地面起飛和著陸；
三、能夠像直升機一樣在空中飛行；
四、能夠自動識別車前障礙升空前飛越過障礙，再著陸行駛。


圖1為本發(fā)明的飛行汽車的總體組成框圖2為本發(fā)明的飛行汽車的總體布局示意圖，其中圖(a)為主視圖，圖(b)為俯視
透視圖3為本發(fā)明的飛行汽車行駛受力示意圖，其中圖(a)為陸地行駛時的受力示意圖， 圖(b)為飛行時的受力示意圖4為本發(fā)明的飛行汽車的動力裝置結構示意圖，其中圖(a)為主視圖，圖(b)為右視圖，圖(c)為右視透視圖5為本發(fā)明的飛行汽車的動力組的控制框4圖6為本發(fā)明的飛行汽車的綜合控制系統(tǒng)組成框圖； 圖7為本發(fā)明的飛行汽車的圖像識別自動越障控制系統(tǒng)組成框圖； 圖8為本發(fā)明的圖像識別自動越障控制系統(tǒng)中圖像識別障礙原理與透視計算示意圖， 其中圖(a)為透視圖，圖(b)為透視原理幾何關系圖； 圖9為本發(fā)明的飛行汽車自動越障的控制原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明
本發(fā)明的飛行汽車的總體組成如附圖1所示，包括車體構架、動力組、綜合控制系統(tǒng)和圖像識別自動越障控制系統(tǒng)。其中車體構架包括車身、底盤和被動驅(qū)動車輪；動力組包括電源以及四個獨立的動力裝置、四個電子調(diào)速器和四個舵機；四個獨立的動力裝置分別安裝于車身前后兩側，每個動力裝置包含一個涵道螺旋槳和一個驅(qū)動其運轉的電動機，其結構如附圖4所示。四個電子調(diào)速器的輸入端均與綜合控制系統(tǒng)連接，每個電子調(diào)速器的輸出端與一個電動機連接以控制該電動機的轉速；四個舵機的輸入端均與綜合控制系統(tǒng)連接， 每個舵機通過與一個涵道螺旋槳的涵道固定連接的轉軸控制該涵道螺旋槳的角度。動力組的控制框圖如附圖5所示。本發(fā)明的飛行汽車的動力裝置中的電動機優(yōu)選無刷電動機，可提高功率輸出的效率并減小噪聲，相應地電子調(diào)速器采用無刷電子調(diào)速器。電源采用目前較成熟的鋰電池，在保證較大的儲能的同時，可降低整車成本，并提高設備的通用性。如圖6所示，本發(fā)明的綜合控制系統(tǒng)由人工駕駛機構和自動控制機構所組成，其輸出分兩路，一路與4個舵機連接以控制各涵道螺旋槳角度，一路分別與4個電調(diào)連接以控制電動機轉速來控制涵道螺旋槳拉力，輸入端與圖像識別模塊連接，接收圖像識別指令(見圖5、圖6)；自動控制機構包括微處理器以及分別與該微處理器信號連接的三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計、氣壓高度計、GPS/北斗衛(wèi)星接收機，為了抗振動和減輕重量，其中三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計等采用微機電系統(tǒng)(MEMS)芯片。飛行汽車在空中的姿態(tài)由三軸陀螺和三軸加速度計自動控制；飛行汽車在空中的航向由三軸磁力計和衛(wèi)星接收機信號分析控制；飛行汽車在空中的飛行軌跡和位置由氣壓高度計、GPS/北斗衛(wèi)星接收機信號綜合來控制。自動控制機構由微計算機處理器綜合計算，通過多種傳感器信號融合(采用卡曼濾波)和動力裝置控制來實現(xiàn)汽車飛行時的姿態(tài)、位置、速度和航向等控制。人工駕駛機構主要由人工駕駛盤和車輪轉向機構，其組成與常規(guī)汽車原理相同，但為了減輕整車重量，采用輕質(zhì)量的復合材料結構；人工駕駛盤可控制車輪轉向機構改變飛行汽車在地面行駛的方向；本發(fā)明的人工駕駛機構還包括與所述自動控制機構關聯(lián)的人工指令鍵盤及顯示屏，人工指令鍵盤主要控制行駛速度和飛行速度，以及需要人工干預的起飛、著落指令；顯示屏起著告知駕駛員有關飛行汽車的運行信息(如速度、高度、電源消耗、姿態(tài)、兩個攝像機的實時視頻圖像、導航地圖和行駛軌跡等)。本發(fā)明的圖像識別自動越障控制系統(tǒng)，如圖7所示，包括安裝在汽車頭部的前視攝像機、下視攝像機、激光掃描雷達和圖像識別模塊；所述圖像識別模塊包括視頻解碼單元和微處理器，所述視頻解碼單元將視頻圖像模擬信號解碼為數(shù)字信號并傳輸給所述微處理器，微處理器對視頻圖像數(shù)字信號和激光測距信息進行分析，并將分析得到的路況信息向綜合控制系統(tǒng)發(fā)送，圖像識別模塊利用圖像特征提取、透視幾何等方法分析判斷障礙物特征、距離及速度等，得到路況信息并發(fā)送給綜合控制系統(tǒng)。由于要實現(xiàn)空中飛行，飛行汽車的結構重量應盡可能輕，因此本發(fā)明的飛行汽車，其車身的蒙皮采用外纖維層、泡沫塑料夾芯的復合材料；所述底盤采用玻璃纖維
環(huán)氧樹脂面板、聚氨脂夾芯的復合材料；所述被動驅(qū)動車輪的輪軸采用玻璃纖維纏繞結構增強管狀復合材料。本發(fā)明的總體布局如附圖2所示，兩個涵道螺旋槳對稱地布置在車身前部的兩側，另外兩個涵道螺旋槳對稱布置在車身后部兩側；車身形狀設計便于4個涵道螺旋槳的安裝與控制；前后車輪沒有發(fā)動機與驅(qū)動器，在涵道螺旋槳拉力作用下被動相對地面滾轉； 前視攝像機、下視攝像機、激光掃描雷達安裝在汽車頭部，前視攝像機和下視攝像機實時捕捉視頻圖像傳給圖像識別模塊，并同時在顯示屏上顯示，激光掃描雷達獲得的信息直接發(fā)送給微處理器進行處理。本發(fā)明的動力裝置，既是地面行駛的動力源，也是空中飛行的動力源。飛行汽車地面行駛時，如圖3 (a)所示，將后置的兩個涵道螺旋槳轉為水平方向，產(chǎn)生向前推力，車輪僅被動滾轉行駛；而前置的兩個涵道螺旋槳處于軸向垂直狀態(tài)，可以不發(fā)動，以減少能源消耗。汽車行駛速度改變，可由駕駛員用“油門撥桿”通過自動控制機構控制電調(diào)和電動機轉速來實現(xiàn)。飛行汽車作空中飛行時，如圖3 (b)所示，將后置的兩個涵道螺旋槳轉為垂直偏前的方向，產(chǎn)生升力和向前推力，前置的兩個涵道螺旋槳同時啟動，產(chǎn)生升力，也可調(diào)節(jié)角度略偏前，通常比后置涵道螺旋槳偏前的角度要小。所設計的4個涵道螺旋槳的拉力應足以使飛行轎車從地面升空?？罩酗w行時，4個涵道螺旋槳的調(diào)節(jié)應保證拉力的垂直分力與重力平衡；飛行速度大小，靠調(diào)節(jié)4個涵道螺旋槳的轉速和偏前角度來控制。本發(fā)明的圖像識別模塊的在對獲得的實時圖像進行處理時，包括圖像特征提取、 透視幾何分析和判斷障礙物特征、距離及速度等步驟。首先，根據(jù)顏色特征，連通域處理和形態(tài)拓撲學，處理分析路面環(huán)境和“障礙物”特征；再對圖像進行高斯濾波，然后將圖像轉化到HSI顏色空間處理，并在HIS空間提取直方圖；提出兩個準則1、設定一個H分量級閾值 h，當圖像上某一像素的H分量在參考直方圖上的H分量級的值小于h ；2、設定一個I分量級閾值i，當圖像上某一像素的I分量在參考直方圖上的I分量級的值小于i ；對每幀圖像提取參考直方圖，對各個參考直方圖進行簡單或運算，得到組合后的H和I參考直方圖，并根據(jù)這兩個組合參考直方圖和兩個分類準則，進行二值化處理，則可獲得圖像中的路面環(huán)境特征和障礙物特征。進一步進行定量分析。首先由公路線跡進行圖像透視分析如圖8 (b)的透視原理幾何關系圖所示，P為圖像，D為視軸物距線，d為圖像視距線，由透視圖像原理可以推導出
已知前攝像機離地面高h，前攝像機向下偏角為α，圖像上物B’(對應于實際物體B) 到視心0’ (對應于實際路面的視軸交點0)距離為H1，A’ (對于實際物體Α)到視心0’距離為H2,
則夾角 = tan -1 (H1 / d) ， θ2 = tan一1 (H2 / d) 于是可以得到路面實際距離+
CK ( tall
ΛΙ-=
T-T3LI
.4
式中，J/7為實物A與本車的路面距離，BF為實物B與本車的路面距離。這樣就可以得到獲取圖像當時各物體離飛行轎車的水平距離。通過可知時間段的圖像分析，就可以由差分計算出路面物體相對于飛行汽車的水平速度，當速度為正則離汽車越遠，當速度為負則離汽車越近。當計算出的物體離汽車距離和變近速率都達到“警戒值”時，汽車自動起飛。本發(fā)明的飛行汽車的自動越障控制原理如圖9所示，飛行汽車通過圖像分析和激光測距計算出前方障礙物特征的距離與速率，可以判斷自動升起飛行。飛行汽車自動起飛后，將按照預先給定的合力速度在空中向前飛行。下視攝像機監(jiān)控飛行汽車下方路面物體情況，前視攝像機監(jiān)控飛行汽車前方路面情況。飛行汽車可以根據(jù)路面情況是否“干凈”，自動著陸；或者從空中繞道其他道路著陸行駛。也可以由駕駛員監(jiān)視顯示屏，人工指令著陸， 繼續(xù)在路面行駛。本發(fā)明飛行汽車模型試驗機(縮小型)已完成，并成功地進行了自動識別越障飛行試驗和地面行駛試驗。
權利要求
1.一種飛行汽車，包括車體結構、動力組及綜合控制系統(tǒng)，所述車體結構包括車身、底盤、被動驅(qū)動車輪，其特征在于，所述動力組包括電源以及四個獨立的動力裝置、四個電子調(diào)速器和四個舵機；四個獨立的動力裝置分別安裝于車身前后兩側，每個動力裝置包含一個涵道螺旋槳和一個驅(qū)動其運轉的電動機；所述四個電子調(diào)速器的輸入端均與所述綜合控制系統(tǒng)連接，每個電子調(diào)速器的輸出端與一個電動機連接以控制該電動機的轉速；所述四個舵機的輸入端均與所述綜合控制系統(tǒng)連接，每個舵機通過與一個涵道螺旋槳的涵道固定連接的轉軸控制該涵道螺旋槳的角度。
2.如權利要求1所述飛行汽車，其特征在于，還包括圖像識別自動越障控制系統(tǒng)，所述圖像識別自動越障控制系統(tǒng)包括安裝在汽車頭部的前視攝像機、下視攝像機、激光掃描雷達和圖像識別模塊；所述圖像識別模塊包括視頻解碼單元和微處理器，所述視頻解碼單元將視頻圖像模擬信號解碼為數(shù)字信號并傳輸給所述微處理器，微處理器對視頻圖像數(shù)字信號和激光測距信息進行分析，并將分析得到的路況信息向綜合控制系統(tǒng)發(fā)送。
3.如權利要求2所述飛行汽車，其特征在于，所述綜合控制系統(tǒng)包括人工駕駛機構和自動控制機構；所述人工駕駛機構包括人工駕駛盤及與人工駕駛盤連接的車輪轉向機構、 人工指令鍵盤及顯示屏；所述自動控制機構包括微處理器以及分別與該微處理器信號連接的三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁力計、氣壓高度計、GPS/北斗衛(wèi)星接收機；自動控制機構輸入端與所述圖像識別模塊及激光掃描雷達連接，接收圖像識別數(shù)據(jù)和激光測距數(shù)據(jù)； 自動控制機構輸出端與所述動力組中四個電子調(diào)速器和四個舵機連接，向動力組發(fā)出控制指令。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種飛行汽車。本發(fā)明包括車體結構、動力組及綜合控制系統(tǒng)，車體結構包括車身、底盤、被動驅(qū)動車輪，動力組包括電源以及四個獨立的動力裝置、四個電子調(diào)速器和四個舵機；每個動力裝置包含一個涵道螺旋槳和一個驅(qū)動其運轉的電動機；四個電子調(diào)速器的輸入端均與所述綜合控制系統(tǒng)連接，每個電子調(diào)速器的輸出端與一個電動機連接以控制該電動機的轉速；所述四個舵機的輸入端均與所述綜合控制系統(tǒng)連接，每個舵機通過與一個涵道螺旋槳的涵道固定連接的轉軸控制該涵道螺旋槳的角度。本發(fā)明還可包括圖像識別自動越障控制系統(tǒng)。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有空陸兩用，不用車輪驅(qū)動發(fā)動機，自動識別從空中越障，不增加面積起飛和著陸等優(yōu)點。
文檔編號B60F5/02GK102166930SQ20111007636
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權日2011年3月29日
發(fā)明者昂海松, 洪磊, 郭力, 高月山 申請人:南京航空航天大學