基本信息
- 项目名称：
- 自动越障飞行汽车
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 飞行汽车是一种新型陆空两用的交通工具。由于其具有直升机机动灵活和汽车的地面快速行驶的特点，已经成为各国研究热点。本作品是一款通过涵道螺旋桨倾转改变运行模式，并实现自动越障和自动驾驶功能的飞行汽车验证机。本作品包含以图像为基础的越障识别系统和具有自动驾驶功能的智能控制系统，实现汽车越障飞行。本作品方案将为汽车升空越障飞行，解决道路阻碍等特殊问题和开辟空中交通提供可行性的微型样机。
- 详细介绍：
- 新型结构布局“飞行汽车” 本作品不同于现有的美国“飞行汽车”（如最近公布的首架将推向市场的），这类汽车结构和地面行驶方式与传统的汽车相同，另加一对展长7-12米的机翼，地面行驶时收入内部，空中飞行伸出展开如一架飞机。由于机翼展开，这种飞行汽车不能在有并列汽车行驶的公路上运行，起降条件比较严格。 本作品设计飞行部件为4个在汽车内部安装的涵道螺旋桨，不增加汽车宽度，能够与其他并列汽车同时行驶。 外形和结构设计 飞行汽车采用四个涵道螺旋桨，涵道螺旋桨可在纵向一定角度倾转，以控制飞行汽车的起飞和前进，其任意方向的“前飞”能力提高了运动灵活性，垂直起降功能则拓宽了使用空间，并且涵道螺旋桨动力环境适应能力强。同时涵道螺旋桨相比于裸露螺旋桨提高了使用安全性。流场和结构强度分析验证了本作品外形和结构方案的可行性。 越障识别系统 为了使飞行汽车更加智能化，降低人工操作的难度，在该系统中增加了越障识别系统，该系统由前视摄像机、下视摄像机、微型激光扫描雷达以及越障识别处理模块组成。其中前视摄像机识别道路前方的障碍物并给出单目视觉测距信息，下视摄像机主要在飞行汽车空中越障状态下启用，用于判别飞行汽车降落条件。激光扫描雷达辅助测量障碍物距离，提高系统可靠性。越障识别硬件模块用于图像识别、测距传感器的数据处理，算法实现以及与自动控制模块通信。 图像识别处理模块首先对原始图像进行预处理，提取图像特征，获得行车道线的线特征和前方障碍物的边缘特征，并在图像的HSV空间对图像目标进行分类。再由单目视觉透视原理获得障碍物的距离范围，结合激光扫描雷达数据提高系统整体可靠性。 进一步进行定量分析。设计出的单目视觉测距算法可以获取图像当时各物体离飞行汽车的水平距离。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本汽车的水平速度，当速度为正则离本汽车越远，当速度为负则离本汽车越近。结合激光扫描雷达辅助测定的距离，提供给飞行控制模块达到越障的目的。 自动飞行控制系统 飞行汽车的自动控制系统主要包括： 姿态控制：纵向、横侧向稳定性控制； 轨迹控制：航向、高度、航迹控制； 动力控制：油门、速度控制； 管理控制：性能、电子仪表、越障任务执行等控制。 飞行汽车自动控制系统通过将各分模块和传感器数据进行综合处理，完成飞行汽车的向前行驶和越障任务。 自动控制模块由三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/北斗卫星接收机、微计算机处理器及其电路所组成。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系统（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）和动力组控制来实现汽车飞行时的姿态、位置、速度和航向等控制。 研制开发的车载软件系统用于设定航迹、监控飞行汽车各模块运行情况。在飞行汽车运行之前，可以人为在车载软件系统内调入飞行汽车当前所在区域的卫星地图，然后根据需要设定好路径和目的地以及飞行汽车运行时的各参数如地面行驶速度、空中飞行速度等。设置完毕后飞行汽车就可以按设定好路线自动行驶或者飞行。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 制作目的：汽车受道路限制，受灾或者战时公路断裂、桥梁倒塌都会成为其前进的阻碍。同时，交通堵塞已成为最头疼的交通问题。为解决以上问题，本作品设计和研制一种比例缩小的新型飞行汽车，从原理、方法和飞行试验中验证自动越障飞行汽车可行性。 基本思路：把汽车行驶原理和涵道螺旋桨飞行器原理相结合，利用图像识别、激光测距和无人驾驶飞行器自动控制等技术综合，研制一种能自动越障飞行的陆空两用微型飞行汽车。首先进行飞行汽车的布局和结构设计；越障识别系统软硬件设计，自动控制系统软硬件设计；然后进行车体结构制作，各子系统制作与调试；最后全系统联合调试，陆空行驶试验。 创新点：本作品运用4个电动涵道螺旋桨，具有垂直起飞和着陆的功能，可以实现任意方向的“前飞”运动。运用偏转涵道螺旋桨产生前进推力。本作品设计了一种集微型摄像机、激光雷达和图像识别模块的越障识别系统，可以判别障碍物，识别距离变化，给出起降条件。本作品设计了一种集三轴陀螺、三轴加速度计、磁力计、高度计、GPS和DSP处理芯片的自动控制系统，设计各模式运行下的自动控制算法。 作品技术关键：多模式运行的空气动力学特性；空中飞行稳定性控制技术；障碍图像自动识别和测距技术；越障飞行自动控制技术。 技术指标：动力装置:电动机，四涵道螺旋桨；全车尺寸:700Χ500Χ300 mm；最大地面行驶速度:60km/h ；最大空中飞行速度:36km/h ；障碍物最短测距距离:1m；可越障最大高度:3m；功能指标:具自动越障和自动驾驶。
科学性、先进性
- 自动越障飞行汽车具有越障识别功能，能够识别汽车前进方向的障碍物，并提供越障飞行时所需的障碍物距离数据；通过四个涵道螺旋桨能够实现垂直起降，并通过倾转螺旋桨切换飞行状态，运动更加灵活；涵道螺旋桨保证了使用安全性；地面行驶阶段，通过涵道螺旋桨提供向前的推力，比普通汽车获得更快的行驶速度；安装有自动控制系统，能够实现稳定的飞行状态，降低了操作员的负担，提高了飞行安全性能。
获奖情况及鉴定结果
- “自动越障飞行汽车”在本校第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内选拔赛中荣获特等奖。
作品所处阶段
- 本作品处于中试阶段。原理样机研制成功，完成飞行试验。下一步完善飞行汽车外观，进一步调试系统性能。
技术转让方式
- 同意技术转让和输出
作品可展示的形式
- 本作品可提供原理样机实物，实际越障飞行视频，并可进行现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.紧急救援方面。当地震、泥石流等灾害发生时，道路断裂，桥梁垮塌，严重阻碍着救援车队的前进。自动越障飞行汽车为该难题提供了一个良好的解决方案。救护车无需担心因堵车延误了对病人的救治；抓捕罪犯时，警车无需再担心因路途过远，交通拥挤导致罪犯逃脱。 2.军事方面。自动越障飞行汽车超低空飞行能力可以避开敌方雷达的跟踪。自动控制系统能够使驾驶员有更多的精力收集情报和武器准备。越障飞行能力能够使装甲车顺利通过敌方的路障，遇到炸毁的公路、桥梁也能顺利前进。 3.野外勘探方面。在某些较恶劣的环境下使用自动越障飞行汽车会使勘探任务变得更加容易。当野外勘察时前方没有行驶道路可以转为空中飞行状态，遇到合适的道路状况后重新回到地面行驶。 4.扩展了交通的可利用空间，将汽车行驶的维度由以前的二维发展到三维，缓解了日益严重的交通压力。当公路上拥堵严重时，不必再担心长长的堵车队伍，越过前方障碍，降落到畅通无阻的公路上是一个良好的选择。 除此之外，自动越障飞行汽车还能运用到邮件传递，旅游，运输等方面。
同类课题研究水平概述
- 20世纪40年代，福特汽车公司创办人享利福特大胆地发出“飞行汽车迟早会出现”的科学预言。到了50年代，人们便开始了研究现代飞行汽车的实际行动。1986年，美国人莫尔泰勒终于设计制作出第一款飞行汽车，并获得政府有关部门签发的飞行许可证。泰勒从此也被人们誉为现代飞行汽车的先驱。进人90年代之后，为使飞行汽车真正实现实用化，一些专家冲破泰勒的设计模式，致力于折叠式飞行汽车的研制。首创这一技术的是美国加里福利亚空中客车技术，设计和发展公司的工程师肯尼思韦尼克，他研制出车翼螺旋桨叶可折叠的飞行汽车。涵道技术的引入最早是在意大利人拉菲约耶里的设计X-Hawk中出现的。以上飞行汽车的智能化程度较低，操作难度也较高，不仅需要驾驶员会驾驶汽车也要会驾驶飞机，使用门槛较高。自动越障的飞行汽车在国外目前也未见报道。 三用飞行汽车有车本体、发动机、经伞齿轮传至主旋翼，与尾座构成单用直升机，两侧有油压调斜度可转角度的机翼与双推进螺旋桨作高速推进，构成有翼飞行器；双推进转向组，有四支油压缸轴、拉动拉杆柱、外拉杆、四杆座、四组油压缸相互控制尾座，其尾座有中空油压缸、轴拉杆、至直推齿、推动攻角堆齿，使叶片前进与倒退；前驾驶舱，后有弧形轮组与车身弧形滑轨，车架弹簧构成安全防撞驾驶座舱；车架有电动机、电瓶、发动机与车轮支架构成移动式车轮组，有油压缸控制车架升降，其与车体组配构成路空两用车，与专用座轮组配构成陆行单用车；水上浮筒有电动机、电瓶、螺旋桨、方向舵、与车本体构成水上直升机，与专用座舱，构成水上浮艇。 国人还发明了一种飞行汽车，包括汽车，汽车上安装有两支对称的机翼和水平尾翼、垂直尾翼连接在车身的尾部，其特征在于机翼端部通过转动机构与汽车活动连接，在汽车车身上部安装有“吹”、“吸”翼机构，在汽车尾部安装有可提供正、反两种推力的辅助推进器，本飞行汽车性能在地面上与普通汽车性能无异，而在飞行状态又相当于小型固定翼飞机，而且能够短距起飞垂直降落，不需要机场，在天空中也能快慢自如，方便了人们出行的需要。 而带自动越障功能和自动控制系统的四涵道飞行汽车在国内尚未见报道。
