CN102166930A

CN102166930A - 一种飞行汽车

Info

Publication number: CN102166930A
Application number: CN2011100763644A
Authority: CN
Inventors: 昂海松; 洪磊; 郭力; 高月山
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明公开了一种飞行汽车。本发明包括车体结构、动力组及综合控制***，车体结构包括车身、底盘、被动驱动车轮，动力组包括电源以及四个独立的动力装置、四个电子调速器和四个舵机；每个动力装置包含一个涵道螺旋桨和一个驱动其运转的电动机；四个电子调速器的输入端均与所述综合控制***连接，每个电子调速器的输出端与一个电动机连接以控制该电动机的转速；所述四个舵机的输入端均与所述综合控制***连接，每个舵机通过与一个涵道螺旋桨的涵道固定连接的转轴控制该涵道螺旋桨的角度。本发明还可包括图像识别自动越障控制***。相比现有技术，本发明具有空陆两用，不用车轮驱动发动机，自动识别从空中越障，不增加面积起飞和着陆等优点。

Description

一种飞行汽车

技术领域

本发明涉及一种交通工具，尤其涉及一种飞行汽车。

背景技术

目前的地面汽车都是由发动机通过传动机构带动汽车轮子，在地面上行驶。飞机和直升机可以在空中飞行，但成本昂贵，耗油量大，高碳消耗，驾驶技术复杂，其中飞机还需要机场跑道，其作为普通交通工具尚不合适。

汽车是成熟的技术，但是作为必须沿公路行驶的“一维”交通工具，在现代交通汽车日益增多情况下，交通堵塞已是公路交通最头痛的问题，现有汽车技术难以解决这个问题。为此，近年来国内外均有人提出结合现有的汽车技术和航空技术，研制能够空陆两用的“飞行汽车”，目前提出的这些飞行汽车大都采用在现有汽车基础上加装机翼，以提供汽车升空所需的升力。例如美国Terrafugia公司最近推出计划明年上市的一种“飞行轿车”，其结构为常规轿车的两侧装有机翼，在后部装有两个垂尾和一个升降舵，与常规飞机形状相近。这种飞行轿车虽然机翼可折叠以减小在公路上所占的宽度和面积，但是在公路上滑跑起飞（最小滑行距离为450米）和滑跑着陆时，机翼展开长度约是汽车的5-7倍宽度，因此在较繁忙的公路上起落几乎不可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有飞行汽车无法在繁忙公路上起落的缺陷，提供一种能够在不增加汽车面积的情况下在公路上起飞和降落，且能够在空中像直升机一样飞行的飞行汽车。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种飞行汽车，包括车体结构、动力组及综合控制***，所述车体结构包括车身、底盘、被动驱动车轮，其特征在于，所述动力组包括电源以及四个独立的动力装置、四个电子调速器和四个舵机；四个独立的动力装置分别安装于车身前后两侧，每个动力装置包含一个涵道螺旋桨和一个驱动其运转的电动机；所述四个电子调速器的输入端均与所述综合控制***连接，每个电子调速器的输出端与一个电动机连接以控制该电动机的转速；所述四个舵机的输入端均与所述综合控制***连接，每个舵机通过与一个涵道螺旋桨的涵道固定连接的转轴控制该涵道螺旋桨的角度。

涵道螺旋桨又称为涵道风扇螺旋桨，是指在自由螺旋桨的***设置涵道的一种推进装置。其原理同飞机机翼类似，螺旋桨的运动分解为水平运动和旋转运动，螺旋桨运动时主要存在的阻力有空气摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和干扰阻力等，桨叶因高速圆周运动使叶尖处速度最高，诱导阻力较大，对外界气流产生冲击造成极大的噪声，这是自由螺旋桨动力效率低的主要原因。而加装了涵道后，由于叶尖处受涵道限制，冲击噪声较小，诱导阻力减小，效率大幅提高。在同样功率消耗下，涵道螺旋桨较同样直径的自由螺旋桨，能够产生更大的推力；同时由于涵道的环括作用，使其具有结构紧凑、气动噪声低、使用安全性好的优点，已越来越多地被用于飞行器设计中。

进一步地，本发明的飞行汽车还包括图像识别自动越障控制***，所述图像识别自动越障控制***包括安装在汽车头部的前视摄像机、下视摄像机、激光扫描雷达和图像识别模块；所述图像识别模块包括视频解码单元和微处理器，所述视频解码单元将视频图像模拟信号解码为数字信号并传输给所述微处理器，微处理器对视频图像数字信号和激光测距信息进行分析，并将分析得到的路况信息向综合控制***发送。通过上述图像识别自动越障控制***，本发明的飞行汽车可以精确识别路面环境、障碍物特征、障碍物距离等路况信息，从而在道路特殊受阻或中断情况（如车辆堵塞，塌方阻路，洪水阻路；桥梁断裂等）下，控制飞行汽车自动飞越障碍物。

更进一步地，所述综合控制***包括人工驾驶机构和自动控制机构；所述人工驾驶机构包括人工驾驶盘及与人工驾驶盘连接的车轮转向机构、人工指令键盘及显示屏；所述自动控制机构包括微处理器以及分别与该微处理器信号连接的三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/北斗卫星接收机；自动控制机构输入端与所述图像识别模块及激光扫描雷达连接，接收图像识别数据和激光测距数据；自动控制机构输出端与所述动力组中四个电子调速器和四个舵机连接，向动力组发出控制指令。采用上述技术方案，地面行驶可以人工驾驶为主，动力组中的后两个涵道螺旋桨轴向转为水平方向，产生向前推力；人工驾驶盘可控制车轮转向机构改变方向；为节约用电，地面行驶时，前两个涵道螺旋桨可以不工作。空中飞行以自动控制为主、人工驾驶为辅；自动控制机构由三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、微计算机处理器及其电路所组成，自动控制机构通过多种传感器信号和动力组来控制轿车飞行时的姿态、位置、速度和航向。

本发明的飞行汽车，利用包括涵道螺旋桨和电动机的动力装置提供汽车路面行驶及升空飞行所需的动力，在实现空陆两用的同时，解决了现有技术存在的无法在繁忙公路上起落的缺陷；本发明进一步通过包括人工驾驶机构、自动控制机构以及图像识别自动越障控制***的综合控制***实现了自动控制驾驶及人工控制驾驶结合的控制方式，并能够自动识别和判断路况，从而实现自动越过障碍物。相比现有技术，本发明具有以下优点：

一、可以像常规汽车一样在公路地面上行驶；

二、在不增加汽车面积情况下可以从地面起飞和着陆；

三、能够像直升机一样在空中飞行；

四、能够自动识别车前障碍升空前飞越过障碍，再着陆行驶。

附图说明

图1为本发明的飞行汽车的总体组成框图；

图2为本发明的飞行汽车的总体布局示意图，其中图（a）为主视图，图（b）为俯视透视图；

图3为本发明的飞行汽车行驶受力示意图，其中图（a）为陆地行驶时的受力示意图，图（b）为飞行时的受力示意图；

图4为本发明的飞行汽车的动力装置结构示意图，其中图（a）为主视图，图（b）为右视图，图（c）为右视透视图；

图5为本发明的飞行汽车的动力组的控制框图；

图6为本发明的飞行汽车的综合控制***组成框图；

图7为本发明的飞行汽车的图像识别自动越障控制***组成框图；

图8为本发明的图像识别自动越障控制***中图像识别障碍原理与透视计算示意图，其中图（a）为透视图，图（b）为透视原理几何关系图；

图9为本发明的飞行汽车自动越障的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的飞行汽车的总体组成如附图1所示，包括车体构架、动力组、综合控制***和图像识别自动越障控制***。其中车体构架包括车身、底盘和被动驱动车轮；动力组包括电源以及四个独立的动力装置、四个电子调速器和四个舵机；四个独立的动力装置分别安装于车身前后两侧，每个动力装置包含一个涵道螺旋桨和一个驱动其运转的电动机，其结构如附图4所示。四个电子调速器的输入端均与综合控制***连接，每个电子调速器的输出端与一个电动机连接以控制该电动机的转速；四个舵机的输入端均与综合控制***连接，每个舵机通过与一个涵道螺旋桨的涵道固定连接的转轴控制该涵道螺旋桨的角度。动力组的控制框图如附图5所示。本发明的飞行汽车的动力装置中的电动机优选无刷电动机，可提高功率输出的效率并减小噪声，相应地电子调速器采用无刷电子调速器。电源采用目前较成熟的锂电池，在保证较大的储能的同时，可降低整车成本，并提高设备的通用性。

如图6所示，本发明的综合控制***由人工驾驶机构和自动控制机构所组成，其输出分两路，一路与4个舵机连接以控制各涵道螺旋桨角度，一路分别与4个电调连接以控制电动机转速来控制涵道螺旋桨拉力，输入端与图像识别模块连接，接收图像识别指令（见图5、图6）；自动控制机构包括微处理器以及分别与该微处理器信号连接的三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/北斗卫星接收机，为了抗振动和减轻重量，其中三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计等采用微机电***（MEMS）芯片。飞行汽车在空中的姿态由三轴陀螺和三轴加速度计自动控制；飞行汽车在空中的航向由三轴磁力计和卫星接收机信号分析控制；飞行汽车在空中的飞行轨迹和位置由气压高度计、GPS/北斗卫星接收机信号综合来控制。自动控制机构由微计算机处理器综合计算，通过多种传感器信号融合（采用卡曼滤波）和动力装置控制来实现汽车飞行时的姿态、位置、速度和航向等控制。人工驾驶机构主要由人工驾驶盘和车轮转向机构，其组成与常规汽车原理相同，但为了减轻整车重量，采用轻质量的复合材料结构；人工驾驶盘可控制车轮转向机构改变飞行汽车在地面行驶的方向；本发明的人工驾驶机构还包括与所述自动控制机构关联的人工指令键盘及显示屏，人工指令键盘主要控制行驶速度和飞行速度，以及需要人工干预的起飞、着落指令；显示屏起着告知驾驶员有关飞行汽车的运行信息（如速度、高度、电源消耗、姿态、两个摄像机的实时视频图像、导航地图和行驶轨迹等）。

本发明的图像识别自动越障控制***，如图7所示，包括安装在汽车头部的前视摄像机、下视摄像机、激光扫描雷达和图像识别模块；所述图像识别模块包括视频解码单元和微处理器，所述视频解码单元将视频图像模拟信号解码为数字信号并传输给所述微处理器，微处理器对视频图像数字信号和激光测距信息进行分析，并将分析得到的路况信息向综合控制***发送，图像识别模块利用图像特征提取、透视几何等方法分析判断障碍物特征、距离及速度等，得到路况信息并发送给综合控制***。

由于要实现空中飞行，飞行汽车的结构重量应尽可能轻，因此本发明的飞行

汽车，其车身的蒙皮采用外纤维层、泡沫塑料夹芯的复合材料；所述底盘采用玻璃纤维环氧树脂面板、聚氨脂夹芯的复合材料；所述被动驱动车轮的轮轴采用玻璃纤维缠绕结构增强管状复合材料。

本发明的总体布局如附图2所示，两个涵道螺旋桨对称地布置在车身前部的两侧，另外两个涵道螺旋桨对称布置在车身后部两侧；车身形状设计便于4个涵道螺旋桨的安装与控制；前后车轮没有发动机与驱动器，在涵道螺旋桨拉力作用下被动相对地面滚转；前视摄像机、下视摄像机、激光扫描雷达安装在汽车头部，前视摄像机和下视摄像机实时捕捉视频图像传给图像识别模块，并同时在显示屏上显示，激光扫描雷达获得的信息直接发送给微处理器进行处理。

本发明的动力装置，既是地面行驶的动力源，也是空中飞行的动力源。飞行汽车地面行驶时，如图3（a）所示，将后置的两个涵道螺旋桨转为水平方向，产生向前推力，车轮仅被动滚转行驶；而前置的两个涵道螺旋桨处于轴向垂直状态，可以不发动，以减少能源消耗。汽车行驶速度改变，可由驾驶员用“油门拨杆”通过自动控制机构控制电调和电动机转速来实现。

飞行汽车作空中飞行时，如图3（b）所示，将后置的两个涵道螺旋桨转为垂直偏前的方向，产生升力和向前推力，前置的两个涵道螺旋桨同时启动，产生升力，也可调节角度略偏前，通常比后置涵道螺旋桨偏前的角度要小。所设计的4个涵道螺旋桨的拉力应足以使飞行轿车从地面升空。空中飞行时，4个涵道螺旋桨的调节应保证拉力的垂直分力与重力平衡；飞行速度大小，靠调节4个涵道螺旋桨的转速和偏前角度来控制。

本发明的图像识别模块的在对获得的实时图像进行处理时，包括图像特征提取、透视几何分析和判断障碍物特征、距离及速度等步骤。首先，根据颜色特征，连通域处理和形态拓扑学，处理分析路面环境和“障碍物”特征；再对图像进行高斯滤波，然后将图像转化到HSI颜色空间处理，并在HIS空间提取直方图；提出两个准则：1、设定一个H分量级阈值h，当图像上某一像素的H分量在参考直方图上的H分量级的值小于h；2、设定一个I分量级阈值i，当图像上某一像素的I分量在参考直方图上的I分量级的值小于i；对每帧图像提取参考直方图，对各个参考直方图进行简单或运算，得到组合后的H和I参考直方图，并根据这两个组合参考直方图和两个分类准则，进行二值化处理，则可获得图像中的路面环境特征和障碍物特征。

进一步进行定量分析。首先由公路线迹进行图像透视分析：如图8（b）的透视原理几何关系图所示，P为图像，D为视轴物距线，d为图像视距线，由透视图像原理可以推导出：

已知前摄像机离地面高h，前摄像机向下偏角为α，图像上物B^’(对应于实际物体B)到视心O^’(对应于实际路面的视轴交点O)距离为H₁，A^’(对于实际物体A)到视心O^’距离为H_2,

则夹角

,

于是可以得到路面实际距离：

式中，AF为实物A与本车的路面距离，BF为实物B与本车的路面距离。这样就可以得到获取图像当时各物体离飞行轿车的水平距离。

通过可知时间段的图像分析，就可以由差分计算出路面物体相对于飞行汽车的水平速度，当速度为正则离汽车越远，当速度为负则离汽车越近。当计算出的物体离汽车距离和变近速率都达到“警戒值”时，汽车自动起飞。

本发明的飞行汽车的自动越障控制原理如图9所示，飞行汽车通过图像分析和激光测距计算出前方障碍物特征的距离与速率，可以判断自动升起飞行。飞行汽车自动起飞后，将按照预先给定的合力速度在空中向前飞行。下视摄像机监控飞行汽车下方路面物体情况，前视摄像机监控飞行汽车前方路面情况。飞行汽车可以根据路面情况是否“干净”，自动着陆；或者从空中绕道其他道路着陆行驶。也可以由驾驶员监视显示屏，人工指令着陆，继续在路面行驶。

本发明飞行汽车模型试验机（缩小型）已完成，并成功地进行了自动识别越障飞行试验和地面行驶试验。

Claims

1.一种飞行汽车，包括车体结构、动力组及综合控制***，所述车体结构包括车身、底盘、被动驱动车轮，其特征在于，所述动力组包括电源以及四个独立的动力装置、四个电子调速器和四个舵机；四个独立的动力装置分别安装于车身前后两侧，每个动力装置包含一个涵道螺旋桨和一个驱动其运转的电动机；所述四个电子调速器的输入端均与所述综合控制***连接，每个电子调速器的输出端与一个电动机连接以控制该电动机的转速；所述四个舵机的输入端均与所述综合控制***连接，每个舵机通过与一个涵道螺旋桨的涵道固定连接的转轴控制该涵道螺旋桨的角度。

2.如权利要求1所述飞行汽车，其特征在于，还包括图像识别自动越障控制***，所述图像识别自动越障控制***包括安装在汽车头部的前视摄像机、下视摄像机、激光扫描雷达和图像识别模块；所述图像识别模块包括视频解码单元和微处理器，所述视频解码单元将视频图像模拟信号解码为数字信号并传输给所述微处理器，微处理器对视频图像数字信号和激光测距信息进行分析，并将分析得到的路况信息向综合控制***发送。

3.如权利要求2所述飞行汽车，其特征在于，所述综合控制***包括人工驾驶机构和自动控制机构；所述人工驾驶机构包括人工驾驶盘及与人工驾驶盘连接的车轮转向机构、人工指令键盘及显示屏；所述自动控制机构包括微处理器以及分别与该微处理器信号连接的三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/北斗卫星接收机；自动控制机构输入端与所述图像识别模块及激光扫描雷达连接，接收图像识别数据和激光测距数据；自动控制机构输出端与所述动力组中四个电子调速器和四个舵机连接，向动力组发出控制指令。