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基本信息
- 項目名稱：
- 自動越障飛行汽車
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 飛行汽車是一種新型陸空兩用的交通工具。由于其具有直升機機動靈活和汽車的地面快速行駛的特點，已經(jīng)成為各國研究熱點。本作品是一款通過涵道螺旋槳傾轉(zhuǎn)改變運行模式，并實現(xiàn)自動越障和自動駕駛功能的飛行汽車驗證機。本作品包含以圖像為基礎(chǔ)的越障識別系統(tǒng)和具有自動駕駛功能的智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車越障飛行。本作品方案將為汽車升空越障飛行，解決道路阻礙等特殊問題和開辟空中交通提供可行性的微型樣機。
- 詳細(xì)介紹：
- 新型結(jié)構(gòu)布局“飛行汽車” 本作品不同于現(xiàn)有的美國“飛行汽車”（如最近公布的首架將推向市場的），這類汽車結(jié)構(gòu)和地面行駛方式與傳統(tǒng)的汽車相同，另加一對展長7-12米的機翼，地面行駛時收入內(nèi)部，空中飛行伸出展開如一架飛機。由于機翼展開，這種飛行汽車不能在有并列汽車行駛的公路上運行，起降條件比較嚴(yán)格。 本作品設(shè)計飛行部件為4個在汽車內(nèi)部安裝的涵道螺旋槳，不增加汽車寬度，能夠與其他并列汽車同時行駛。 外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計 飛行汽車采用四個涵道螺旋槳，涵道螺旋槳可在縱向一定角度傾轉(zhuǎn)，以控制飛行汽車的起飛和前進(jìn)，其任意方向的“前飛”能力提高了運動靈活性，垂直起降功能則拓寬了使用空間，并且涵道螺旋槳動力環(huán)境適應(yīng)能力強。同時涵道螺旋槳相比于裸露螺旋槳提高了使用安全性。流場和結(jié)構(gòu)強度分析驗證了本作品外形和結(jié)構(gòu)方案的可行性。 越障識別系統(tǒng) 為了使飛行汽車更加智能化，降低人工操作的難度，在該系統(tǒng)中增加了越障識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)由前視攝像機、下視攝像機、微型激光掃描雷達(dá)以及越障識別處理模塊組成。其中前視攝像機識別道路前方的障礙物并給出單目視覺測距信息，下視攝像機主要在飛行汽車空中越障狀態(tài)下啟用，用于判別飛行汽車降落條件。激光掃描雷達(dá)輔助測量障礙物距離，提高系統(tǒng)可靠性。越障識別硬件模塊用于圖像識別、測距傳感器的數(shù)據(jù)處理，算法實現(xiàn)以及與自動控制模塊通信。 圖像識別處理模塊首先對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取圖像特征，獲得行車道線的線特征和前方障礙物的邊緣特征，并在圖像的HSV空間對圖像目標(biāo)進(jìn)行分類。再由單目視覺透視原理獲得障礙物的距離范圍，結(jié)合激光掃描雷達(dá)數(shù)據(jù)提高系統(tǒng)整體可靠性。 進(jìn)一步進(jìn)行定量分析。設(shè)計出的單目視覺測距算法可以獲取圖像當(dāng)時各物體離飛行汽車的水平距離。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本汽車的水平速度，當(dāng)速度為正則離本汽車越遠(yuǎn)，當(dāng)速度為負(fù)則離本汽車越近。結(jié)合激光掃描雷達(dá)輔助測定的距離，提供給飛行控制模塊達(dá)到越障的目的。 自動飛行控制系統(tǒng) 飛行汽車的自動控制系統(tǒng)主要包括： 姿態(tài)控制：縱向、橫側(cè)向穩(wěn)定性控制； 軌跡控制：航向、高度、航跡控制； 動力控制：油門、速度控制； 管理控制：性能、電子儀表、越障任務(wù)執(zhí)行等控制。 飛行汽車自動控制系統(tǒng)通過將各分模塊和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，完成飛行汽車的向前行駛和越障任務(wù)。 自動控制模塊由三軸陀螺、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、微計算機處理器及其電路所組成。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(gòu)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）和動力組控制來實現(xiàn)汽車飛行時的姿態(tài)、位置、速度和航向等控制。 研制開發(fā)的車載軟件系統(tǒng)用于設(shè)定航跡、監(jiān)控飛行汽車各模塊運行情況。在飛行汽車運行之前，可以人為在車載軟件系統(tǒng)內(nèi)調(diào)入飛行汽車當(dāng)前所在區(qū)域的衛(wèi)星地圖，然后根據(jù)需要設(shè)定好路徑和目的地以及飛行汽車運行時的各參數(shù)如地面行駛速度、空中飛行速度等。設(shè)置完畢后飛行汽車就可以按設(shè)定好路線自動行駛或者飛行。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 制作目的：汽車受道路限制，受災(zāi)或者戰(zhàn)時公路斷裂、橋梁倒塌都會成為其前進(jìn)的阻礙。同時，交通堵塞已成為最頭疼的交通問題。為解決以上問題，本作品設(shè)計和研制一種比例縮小的新型飛行汽車，從原理、方法和飛行試驗中驗證自動越障飛行汽車可行性。 基本思路：把汽車行駛原理和涵道螺旋槳飛行器原理相結(jié)合，利用圖像識別、激光測距和無人駕駛飛行器自動控制等技術(shù)綜合，研制一種能自動越障飛行的陸空兩用微型飛行汽車。首先進(jìn)行飛行汽車的布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計；越障識別系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，自動控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計；然后進(jìn)行車體結(jié)構(gòu)制作，各子系統(tǒng)制作與調(diào)試；最后全系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，陸空行駛試驗。 創(chuàng)新點：本作品運用4個電動涵道螺旋槳，具有垂直起飛和著陸的功能，可以實現(xiàn)任意方向的“前飛”運動。運用偏轉(zhuǎn)涵道螺旋槳產(chǎn)生前進(jìn)推力。本作品設(shè)計了一種集微型攝像機、激光雷達(dá)和圖像識別模塊的越障識別系統(tǒng)，可以判別障礙物，識別距離變化，給出起降條件。本作品設(shè)計了一種集三軸陀螺、三軸加速度計、磁力計、高度計、GPS和DSP處理芯片的自動控制系統(tǒng)，設(shè)計各模式運行下的自動控制算法。 作品技術(shù)關(guān)鍵：多模式運行的空氣動力學(xué)特性；空中飛行穩(wěn)定性控制技術(shù)；障礙圖像自動識別和測距技術(shù)；越障飛行自動控制技術(shù)。 技術(shù)指標(biāo)：動力裝置:電動機，四涵道螺旋槳；全車尺寸:700Χ500Χ300 mm；最大地面行駛速度:60km/h ；最大空中飛行速度:36km/h ；障礙物最短測距距離:1m；可越障最大高度:3m；功能指標(biāo):具自動越障和自動駕駛。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 自動越障飛行汽車具有越障識別功能，能夠識別汽車前進(jìn)方向的障礙物，并提供越障飛行時所需的障礙物距離數(shù)據(jù)；通過四個涵道螺旋槳能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降，并通過傾轉(zhuǎn)螺旋槳切換飛行狀態(tài)，運動更加靈活；涵道螺旋槳保證了使用安全性；地面行駛階段，通過涵道螺旋槳提供向前的推力，比普通汽車獲得更快的行駛速度；安裝有自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，降低了操作員的負(fù)擔(dān)，提高了飛行安全性能。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- “自動越障飛行汽車”在本校第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽校內(nèi)選拔賽中榮獲特等獎。
作品所處階段
- 本作品處于中試階段。原理樣機研制成功，完成飛行試驗。下一步完善飛行汽車外觀，進(jìn)一步調(diào)試系統(tǒng)性能。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 同意技術(shù)轉(zhuǎn)讓和輸出
作品可展示的形式
- 本作品可提供原理樣機實物，實際越障飛行視頻，并可進(jìn)行現(xiàn)場演示。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 1.緊急救援方面。當(dāng)?shù)卣?、泥石流等?zāi)害發(fā)生時，道路斷裂，橋梁垮塌，嚴(yán)重阻礙著救援車隊的前進(jìn)。自動越障飛行汽車為該難題提供了一個良好的解決方案。救護(hù)車無需擔(dān)心因堵車延誤了對病人的救治；抓捕罪犯時，警車無需再擔(dān)心因路途過遠(yuǎn)，交通擁擠導(dǎo)致罪犯逃脫。 2.軍事方面。自動越障飛行汽車超低空飛行能力可以避開敵方雷達(dá)的跟蹤。自動控制系統(tǒng)能夠使駕駛員有更多的精力收集情報和武器準(zhǔn)備。越障飛行能力能夠使裝甲車順利通過敵方的路障，遇到炸毀的公路、橋梁也能順利前進(jìn)。 3.野外勘探方面。在某些較惡劣的環(huán)境下使用自動越障飛行汽車會使勘探任務(wù)變得更加容易。當(dāng)野外勘察時前方?jīng)]有行駛道路可以轉(zhuǎn)為空中飛行狀態(tài)，遇到合適的道路狀況后重新回到地面行駛。 4.擴(kuò)展了交通的可利用空間，將汽車行駛的維度由以前的二維發(fā)展到三維，緩解了日益嚴(yán)重的交通壓力。當(dāng)公路上擁堵嚴(yán)重時，不必再擔(dān)心長長的堵車隊伍，越過前方障礙，降落到暢通無阻的公路上是一個良好的選擇。 除此之外，自動越障飛行汽車還能運用到郵件傳遞，旅游，運輸?shù)确矫妗?
同類課題研究水平概述
- 20世紀(jì)40年代，福特汽車公司創(chuàng)辦人享利福特大膽地發(fā)出“飛行汽車遲早會出現(xiàn)”的科學(xué)預(yù)言。到了50年代，人們便開始了研究現(xiàn)代飛行汽車的實際行動。1986年，美國人莫爾泰勒終于設(shè)計制作出第一款飛行汽車，并獲得政府有關(guān)部門簽發(fā)的飛行許可證。泰勒從此也被人們譽為現(xiàn)代飛行汽車的先驅(qū)。進(jìn)人90年代之后，為使飛行汽車真正實現(xiàn)實用化，一些專家沖破泰勒的設(shè)計模式，致力于折疊式飛行汽車的研制。首創(chuàng)這一技術(shù)的是美國加里福利亞空中客車技術(shù)，設(shè)計和發(fā)展公司的工程師肯尼思韋尼克，他研制出車翼螺旋槳葉可折疊的飛行汽車。涵道技術(shù)的引入最早是在意大利人拉菲約耶里的設(shè)計X-Hawk中出現(xiàn)的。以上飛行汽車的智能化程度較低，操作難度也較高，不僅需要駕駛員會駕駛汽車也要會駕駛飛機，使用門檻較高。自動越障的飛行汽車在國外目前也未見報道。 三用飛行汽車有車本體、發(fā)動機、經(jīng)傘齒輪傳至主旋翼，與尾座構(gòu)成單用直升機，兩側(cè)有油壓調(diào)斜度可轉(zhuǎn)角度的機翼與雙推進(jìn)螺旋槳作高速推進(jìn)，構(gòu)成有翼飛行器；雙推進(jìn)轉(zhuǎn)向組，有四支油壓缸軸、拉動拉桿柱、外拉桿、四桿座、四組油壓缸相互控制尾座，其尾座有中空油壓缸、軸拉桿、至直推齒、推動攻角堆齒，使葉片前進(jìn)與倒退；前駕駛艙，后有弧形輪組與車身弧形滑軌，車架彈簧構(gòu)成安全防撞駕駛座艙；車架有電動機、電瓶、發(fā)動機與車輪支架構(gòu)成移動式車輪組，有油壓缸控制車架升降，其與車體組配構(gòu)成路空兩用車，與專用座輪組配構(gòu)成陸行單用車；水上浮筒有電動機、電瓶、螺旋槳、方向舵、與車本體構(gòu)成水上直升機，與專用座艙，構(gòu)成水上浮艇。 國人還發(fā)明了一種飛行汽車，包括汽車，汽車上安裝有兩支對稱的機翼和水平尾翼、垂直尾翼連接在車身的尾部，其特征在于機翼端部通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)與汽車活動連接，在汽車車身上部安裝有“吹”、“吸”翼機構(gòu)，在汽車尾部安裝有可提供正、反兩種推力的輔助推進(jìn)器，本飛行汽車性能在地面上與普通汽車性能無異，而在飛行狀態(tài)又相當(dāng)于小型固定翼飛機，而且能夠短距起飛垂直降落，不需要機場，在天空中也能快慢自如，方便了人們出行的需要。 而帶自動越障功能和自動控制系統(tǒng)的四涵道飛行汽車在國內(nèi)尚未見報道。
