一种用于飞行汽车降落的姿态及位置调整装置与方法

技术领域

本发明属于飞行汽车设备技术领域，涉及一种用于飞行汽车降落的姿态及位置调整装置与方法，尤其涉及一种分体式飞行汽车飞行功能模块与汽车功能模块对接切换时飞行功能模块姿态及位置调整的装置与方法。

背景技术

飞行汽车是垂直起降航空器与汽车的跨界融合产品，被认为是面向城市立体交通和未来出行的新型交通工具，有望成为解决城市发展面临的交通拥堵和环境污染问题的有效路径。分体式飞行汽车是飞行汽车发展的技术路线之一，能实现汽车和飞机两种功能的自由对接切换，这种分体可重构的能力非常适合发展智能化、网联化的交通调度系统，相比一体式飞行汽车方案更加灵活，能够解决一体式飞行汽车重量过重、能耗过高、风阻系数过大等难题，提升飞行的安全性、可靠性和舒适性。

不考虑乘员舱的具体位置，分体式飞行汽车可以简单抽象为飞行功能模块和汽车功能模块。飞行功能模块与汽车功能模块的对接是分体式飞行汽车需要解决的关键技术问题之一。对接本身可以由各种已有的子母对接机构来完成，而保证对接之前飞行功能模块相对于汽车功能模块能到达一个理想的姿态位置是顺利对接的重要前提。现有的分体式飞行汽车主要是空中对接的思路，即对接是在降落过程中同步实现的，非常依赖精确定位与精准的姿态位置控制，考虑到安全冗余性往往需要航天航空级别的高精度对接技术，技术难度高、设备成本大、对接耗时长、抗环境干扰的鲁棒性差，不利于分体式飞行汽车的实用化。

发明内容

鉴于以上技术背景，本发明的主要目标是降低分体式飞行汽车两大功能模块对接的难度和成本。为此，本发明提出了一种用于分体式飞行汽车飞行功能模块降落并与汽车功能模块耦合对接时的姿态及位置调整装置，采用先降落后对接的方法，降低了降落过程的精度要求，显著提高降落对接的效率和可靠性。此外，该装置结构简单，控制方便，鲁棒性强，可根据实际情况部署多种优化方案，适用性广，优于现有的高精度对接方案。

为了实现上述目标，本发明提出的技术方案为：

一种用于飞行汽车降落的姿态及位置调整装置，该装置整体安装在汽车功能模块顶部，由第一平台和第二平台两种平台配合工作。当需要飞行功能模块在一定的目标姿态和位置下与汽车功能模块完成对接时，飞行功能模块可先降落在本发明提供的装置上，然后由本装置将其调整到目标姿态和位置上，最后再由已有的子母对接机构完成对接。

为了方便描述，接下来对飞行功能模块降落后到调整姿态位置结束之间的几个状态进行说明性定义。首先，称飞行功能模块刚降落到本装置后还没有调整之前的状态为初始状态；其次，称飞行功能模块由第二平台的可动平台主导调整姿态和位置的状态为调整工作状态；再有，飞行功能模块调整工作不是一次性完成的，称两次调整工作状态之间的间歇状态为中间状态；最后，称飞行功能模块完全调整好姿态和位置的状态为终了状态。

本装置具体的结构和功能逻辑描述如下：

1)第一平台由底板和底板上固定的多个块状结构构成。本装置通过第一平台的底板与汽车功能模块相连接，并且第一平台的底板也可以作为第二平台及相应的传感规划与驱动控制模块的安装板。第一平台底板上的多个块状结构彼此之间存在间隙，这些间隙用于安装第二平台并限制第二平台的可动范围。当需要时，所述第一平台底板上可以安装驱动控制模块，用于调整底板上块状结构的垂向高度。底板上还可以视情况安装传感与规划模块，如安装在四角等。此外，第一平台的重要结构特征在于，其底板上的块状结构布置可以找到至少一个对称中轴线，或者说这些块状结构关于垂直于底板所在平面的某个平面对称，例如众块状结构呈左右对称排列或呈圆形排列。所述第一平台用于在初始状态、中间状态及终状态下承载其上方的飞行功能模块，只有中间状态下第一平台必须独自承载飞行功能模块。综上所述，第一平台的一种典型结构例如，其可以是鱼骨状结构或两柄梳子背靠背的类似结构，其梳齿或骨架之间的间隙可以供第二平台安装以及实现一定范围内的运动。

2)本装置的第二平台为两个或两个以上的可动平台，均嵌入安装到第一平台块状结构之间的间隙中，与第一平台一起能够组成一个相对完整的平面。第二平台各可动平台底部另安装有驱动控制模块，用于实现可动平台多个自由度的运动。每个可动平台的结构特征在于：其也有多个且彼此之间有一定间隙的块状结构，与第一平台的部分结构匹配呼应，且可动平台的可动范围受到所嵌入的第一平台间隙的空间限制。此外，第二平台中若干可动平台的布置方案根据可动平台数量有多种形式，如两个平台可以对称布置，三个平台可以呈三角形状布置等。这些可动平台的布置亦能找到至少一个对称轴线。与前述第一平台典型例相匹配的一种第二平台的典型结构例如，可动平台可以是单柄梳状结构，两个可动平台的梳齿恰好可以对称地嵌入到前述鱼骨状第一平台两边骨架或梳齿之间的间隙中，如此可动平台的梳齿运动范围正好受第一平台骨架或梳齿之间间隙范围的限制。

3)第一平台主要负责在初始状态、中间状态以及终了状态下承载其上方的飞行功能模块。其中，只有中间状态下第一平台必须独自承载飞行功能模块。第二平台主要负责在调整工作状态下独立承载飞行功能模块并通过若干可动平台的运动配合改变飞行功能模块的姿态和位置。

第一平台和第二平台两种平台是否独立承载飞行功能模块主要受这两种平台的高度差情况影响。第一平台可以是没有任何自由度的固定平台，也可以是只有垂直方向自由度的升降平台，其垂直方向自由度升降的特征可由已有的驱动控制模块实现。第二平台的每个可动平台的特征在于，其至少可以实现平面两个自由度的运动，至多可以实现平面加上垂直方向升降共三个自由度，这些自由度也由已有的两自由度或三自由驱动控制模块实现。即：当第一平台底部安装驱动控制模块时，第二平台安装的驱动控制模块能够使第二平台的各可动平台具备两自由度运动能力；当第一平台底部未安装驱动控制模块时，第二平台安装的驱动控制模块能够使第二平台的各可动平台具备三自由度运动能力。

4)如上文所述，本装置的工作逻辑在于，通过调节第一、第二两种平台之间的高度差来调整第二平台运动对其上方飞行功能模块姿态和位置的影响状态；在第二平台运动可以影响其上方飞行功能模块的姿态和位置时，又通过第二平台多次的、成序列的运动来改变降落在本装置上方飞行功能模块的姿态和位置。

具体地，当两种平台之间没有高度差时，二者可以一起承载其上方的飞行功能模块；而当第一平台高度高于第二平台时，第二平台运动无法影响飞行功能模块的姿态和位置；反之当第一平台高度低于第二平台时，飞行功能模块由第二平台单独承载，第二平台运动将会使飞行功能模块的姿态或位置发生变化。

本装置可能无法一次性将飞行功能模块调整到合适的姿态和位置(下称目标姿态和位置)，需要多次进行。所述第二平台的运动可以是其不同可动平台各自独立沿不同的方向完成相同或不同运动量，也可以是沿同一方向完成相同或不同的运动量。第二平台中不同可动平台每次运动的方向和大小会对飞行功能模块的姿态和位置产生不同影响，因此按一定的顺序分次安排不同可动平台运动才能使飞行功能模块调整到目标姿态和位置上，这就是所述第二平台成序列的运动。

进一步地：

若第一平台是没有自由度的固定平台，那么可动平台需要平面加上垂直升降共三个自由度，调节第一平台与第二平台之间的高度差只能由第二平台的三自由度可动平台升降来实现。这时假如第二平台是两个对称布置的可动平台甲、乙，则在调整工作状态下，可动平台甲、乙在其运动平面上同向运动相同量可以改变飞行功能模块的位置，在其运动平面上异向运动可以改变飞行功能模块的姿态。

若第一平台有一个升降自由度，则可动平台只需要实现平面运动的两个自由度即可，调节第一平台与第二平台之间的高度差可由第一平台升降来实现。第二平台改变飞行功能模块的姿态和位置的逻辑同上所述。

5)除两种平台外，传感与规划模块也是本装置完成规定任务的重要依赖部分。传感与规划模块的安装位置可以视具体情况放在第一平台或第二平台上。当然，传感与规划模块的部分或全部能力也可以由飞行功能模块或汽车功能模块提供。传感与规划模块的功能逻辑在于，本装置需要有传感模块帮助获取飞行功能模块降落后及之后调整时的实时姿态位置，也需要规划模块根据这些实时姿态位置规划出将飞行功能模块调整到目标姿态与位置上所需要第二平台完成的动作序列，并将这些动作序列传递给相关的驱动控制模块去实现。

综上所述，与本装置相对应的用于飞行汽车降落的姿态和位置调整方法可以总结为：

1)飞行功能模块平稳降落在本装置上后，初始状态下首先由传感规划模块的相关传感器获取飞行功能模块当前的实时位置姿态，并将其传递至传感规划模块的规划模块中；规划模块中有计划好的飞行功能模块用于对接的目标姿态位置信息，接下来由规划模块参照获得的实时姿态位置计算到从该姿态位置调整到目标姿态位置所需第二平台做出的动作序列，并将规划信息传递至第一平台和第二平台对应的驱动控制模块中。接着剩下的工作就是让相关驱动控制模块驱动第一或第二平台完成相应的动作序列即可。如前文所述，动作序列主要指第二平台各可动平台的运动顺序及每次运动的方向、运动量，另外改变第一平台与第二平台之间的高度差从而在调整工作状态和其他状态之间转换的运动也在规划和驱动控制的运动序列之列。

2)接着第一平台及第二平台的各可动平台按照传感规划模块规划好的动作序列依次进行动作调整，装置会在调整工作状态和中间状态之间反复几次。对于前文所述的梳齿状第一平台和第二平台，一个典型的动作序列例如：

①首先，通过升降第一平台或第二平台使第一平台低于第二平台一定高度，此时飞行功能模块由第二平台单独承载，装置进入调整工作状态。使第二平台对称的两个可动平台在其运动平面同时异向运动同样的运动量，第二平台上的飞行功能模块将会顺时针或逆时针旋转一定角度，完成该动作后本次调整工作状态结束；

②然后，本装置进入中间状态，再次升降第一平台或第二平台使第一平台略高于第二平台一定高度，飞行功能模块由第一平台单独承载；接着传感模块会再次获取当前的飞行功能模块实时姿态位置并将其传回规划模块，由规划模块根据这些实时姿态位置重新规划出将飞行功能模块调整到目标姿态与位置上需要第二平台完成的动作序列并传递到驱动控制模块中。按照新规划的动作序列要求，在第二平台各可动平台当前运动平面上，驱动控制模块可使第二平台的两个可动平台到达规划的下次运动起始位置上；

③接着，重新升降第一平台或第二平台使第一平台低于第二平台一定高度，装置再次进入调整工作状态。此次调整工作状态使第二平台对称的两个可动平台在其运动平面同时同向运动相同的运动量，第二平台上的飞行功能模块将会朝着该方向前进一定位置，完成该动作后本次调整工作状态结束；

④然后，本装置进入中间状态，再次升降第一平台或第二平台使第一平台略高于第二平台一定高度，飞行功能模块由第一平台单独承载；接着传感规划模块的传感器会再次获取当前的飞行功能模块实时姿态位置并将其传回规划模块，与规划模块中内置的目标姿态位置进行比对发现已到达目标姿态位置，满足停止调整的条件。

⑤在第二平台各可动平台当前运动平面上，通过驱动控制模块使第二平台的各可动平台回到初始状态前的位置，然后升降第一平台或第二平台使两种平台高度一致，装置进入终了状态。

3)如前所述，经过调整工作状态和中间状态的若干次转换后，传感规划模块识别到飞行功能模块已到达目标姿态位置，此时调整工作结束，本装置进入终了状态，第一平台和第二平台的相对位置回到和初始状态相同的情形。

另外，以上所述第一平台、第二平台的安装与使用不会妨碍飞行功能模块与汽车功能模块原本的子母对接机构工作。如有必要，在由本装置第二平台调整飞行功能模块的位置和姿态时，为了保证运行稳定，可通过电磁铁、加强摩擦以及专用的连接解锁结构等方案实现飞行功能模块的可靠搬运。

本发明的有益效果：

相较于目前分体式飞行汽车飞行功能模块降落时使用的降落过程中高精度对接方案，本发明提出的飞行功能模块先降落后对接的技术方案以及为实现上述方案所提出的姿态及位置调整装置具有以下优点：

(1)成本更低。本发明提出的装置结构简单，制造、使用以及维护的成本都比较低；

(2)效率更高。本发明提出的先降落后对接方案复杂度低，规避了降落时空中高精度对接的长耗时，并且受环境因素干扰的可能性更小，安全可靠性好，能更高效率地实现飞行汽车的对接切换与转运；

(3)难度更小。相比目前的高精度空中对接方案，本发明大大降低了降落的精度要求，既不依赖高精度定位导航，也不依赖飞行端做出十分精准的降落姿态和位置控制，实现难度更小，而且自由度高，在子母对接机构方案上有较多的设计空间和选择余地。

此外，本发明还具有适用性广的特点。即便是一体式飞行汽车，在需要实现机场、仓库自动化补能等场景化功能时，本发明亦能应用帮助一体式飞行汽车降落对接补能模块。

附图说明

图1为本发明所公开装置的一种实施例；

图2为本发明所公开实施例在汽车功能模块上的安装示意图；

图3为本实施例中第一平台的结构示意图；

图4为本实施例中第二平台的结构示意图；

图5为安装本实施例装置后，飞行功能模块降落至汽车功能模块上并准备与之对接的初始状态示意图；

图6为安装本实施例装置后，降落后的飞行功能模块利用本实施例装置调整姿态和位置的过程示意图。其中：

图6(a)为飞行功能模块降落至汽车功能模块上并准备与之对接的初始状态示意图；

图6(b)为驱动控制模块升起第二平台的两可动平台，飞行功能模块由两可动平台承载，本装置进入调整工作状态的示意图；

图6(c)为驱动控制模块驱动第二平台的两可动平台异向运动一定量从而改变飞行功能模块姿态的示意图；

图6(d)为驱动控制模块降低第二平台的两可动平台，飞行功能模块由第一平台承载，本装置进入中间状态的示意图；

图6(e)为驱动控制模块调整第二平台的两可动平台进入下次运动前的位置；

图6(f)为驱动控制模块升起第二平台的两可动平台，飞行功能模块由两可动平台承载，本装置再次进入调整工作状态的示意图；

图6(g)为驱动控制模块驱动第二平台的两可动平台同向运动一定量从而改变飞行功能模块位置的示意图；

图6(h)为驱动控制模块降低第二平台的两可动平台，飞行功能模块由第一平台承载，本装置再次进入中间状态的示意图；

图6(i)为驱动控制模块调整第二平台的两可动平台进入下次运动前的位置；

图6(j)为驱动控制模块升起第二平台的可动平台至与第一平台齐平，本装置进入终了状态。

图中：1飞行功能模块；2汽车功能模块；31第一平台；321可动平台甲；322可动平台乙；33传感与规划模块；34驱动控制模块。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，接下来根据附图对本发明的一些具体实施方式展开描述。

本实施例包括第一平台31、可动平台甲321、可动平台乙322以及安装于第一平台31上的传感与规划模块33、三自由度驱动控制模块34。为了描述方便，按右手坐标系习惯，规定汽车功能模块2的前进方向为X方向；Y方向与X方向同在汽车功能模块2的运动平面上，其垂直于X方向并指向X方向左侧；Z方向垂直于XY运动平面向上。另外，称飞行功能模块2刚降落到本装置后还没有调整姿态位置之前的状态为初始状态；称飞行功能模块2由第二平台的可动平台甲321、可动平台乙322主导调整姿态和位置时的状态为调整工作状态；称两次调整工作状态之间的间歇状态为中间状态；称飞行功能模块1完全调整好姿态和位置的状态为终了状态。

具体地：

1)第一平台31主体为鱼骨状或两柄梳子背靠背的类似结构，其梳齿或骨架有一定的高度和厚度，且彼此之间有一定间隙。第一平台31的鱼骨状主体安置在其一定厚度的矩形底板上，而底板可以与汽车功能模块2相连接固定。此外，第一平台31矩形底板的长边上安装有三自由度驱动控制模块34，且第一平台31在其骨架结构四角还安装有传感规划模块33。

2)第二平台包括两个对称布置的可动平台，即可动平台甲321和可动平台乙322，均为梳状结构，其梳齿有一定的高度与厚度，且彼此之间有一定间隙。其中可动平台甲在Y正方向一侧，可动平台乙在Y反方向一侧。可动平台甲321和可动平台乙322的长边底部可以与驱动控制模块34相配合。特别地，可动平台甲321和可动平台乙322的梳齿恰好可以与第一平台31的骨架或梳齿间隙相配合，并可以在该间隙限定的范围内由驱动控制模块34驱动做XYZ三自由度运动。

3)初始状态下第一平台31和第二平台的两个面高度是齐平的。当可动平台321、322均沿Z正方向升起一定距离，致第一平台31的高度低于可动平台321、322时，飞行功能模块1由可动平台321、322承载，此时可动平台321、322在其当前运动平面下的前后左右运动将影响飞行功能模块1的姿态和位置。反之，当可动平台321、322均沿Z反方向运动一定距离，致第一平台31的高度高于可动平台321、322时，飞行功能模块1由第一平台31承载，此时可动平台321、322在其当前运动平面下的前后左右运动不会影响飞行功能模块1的姿态和位置。

4)鉴于以上特性，本装置的工作逻辑在于，通过调节第一平台31、第二平台两种平台之间的高度差来调整第二平台运动对其上方飞行功能模块1姿态和位置的影响状态；在第二平台运动可以影响其上方飞行功能模块1的姿态和位置时，又通过第二平台多次的、成序列的运动来改变降落在本装置上方飞行功能模块1的姿态和位置。

5)本装置可能无法一次性将飞行功能模块1调整到合适的姿态和位置(下称目标姿态和位置)，需要多次进行。所述第二平台的运动可以是其可动平台321、322各自独立沿不同的方向完成相同或不同运动量，也可以是沿同一方向完成相同或不同的运动量。第二平台中不同可动平台每次运动的方向和大小会对飞行功能模块1的姿态和位置产生不同影响，因此按一定的顺序分次安排不同可动平台运动才能使飞行功能模块1调整到目标姿态和位置上，这就是所述第二平台成序列的运动。

6)传感与规划模块33的功能逻辑在于，本装置需要有感知模块帮助获取飞行功能模块1降落后及之后调整时的实时姿态位置，也需要规划模块根据这些实时姿态位置规划出将飞行功能模块1调整到目标姿态与位置上所需要第二平台完成的动作序列，并将这些动作序列传递给驱动控制模块34去实现。

综上所述，与本装置相对应的用于飞行汽车降落的姿态和位置调整方法可以总结为：

1)飞行功能模块1平稳降落在本装置上后，初始状态下首先由传感规划模块33的相关传感器获取飞行功能模块1当前的实时位置姿态，并将其传递至传感规划模块33的规划模块中；规划模块中有计划好的飞行功能模块1用于对接的目标姿态位置信息，接下来由规划模块参照获得的实时姿态位置计算到从该姿态位置调整到目标姿态位置所需第二平台做出的动作序列，并将规划信息传递至驱动控制模块34中。

2)接着第二平台的可动平台321、322按照传感规划模块33规划好的动作序列依次运动，装置会在调整工作状态和中间状态之间反复几次。如前文所述，动作序列主要指第二平台各可动平台的运动顺序及每次运动的方向、运动量。

一个典型的动作序列例如：

①首先，通过沿Z正方向升起两个可动平台321、322使第一平台31低于可动平台321、322一定高度，此时飞行功能模块1由第二平台的这两个可动平台单独承载，装置进入调整工作状态。使可动平台甲321沿X正方向运动一定距离，可动平台乙322沿X反方向运动一定距离，第二平台上的飞行功能模块1将会顺时针旋转一定角度，完成该动作后本次调整工作状态结束；

②然后，本装置进入中间状态，沿Z反方向驱动第二平台的可动平台321、322使第一平台31略高于可动平台321、322一定高度，飞行功能模块1由第一平台31单独承载；接着传感规划模块33中的传感模块会再次获取当前的飞行功能模块1实时姿态位置并将其传回传感规划模块33的规划模块，由规划模块根据这些实时姿态位置重新规划出将飞行功能模块1调整到目标姿态与位置上需要第二平台完成的动作序列，并传递到驱动控制模块34中。按照新规划的动作序列要求，在第二平台各可动平台当前运动平面上，驱动控制模块34可使第二平台的两个可动平台到达规划的下次运动起始位置上，例如回到初始状态下相似的平面位置点；

③接着，重新沿Z正方向升起两可动平台321、322使第一平台31低于第二平台的可动平台321、322一定高度，装置再次进入调整工作状态。此次调整工作状态使第二平台对称的两个可动平台321、322在其当前运动平面同时沿X反方向运动相同距离，第二平台上的飞行功能模块1将会朝着该方向前进一定位置，完成该动作后本次调整工作状态结束；

④然后，本装置进入中间状态，再次沿Z反方向驱动第二平台使第一平台31略高于第二平台一定高度，飞行功能模块1由第一平台31单独承载；接着传感规划模块33的传感器会再次获取当前的飞行功能模块1实时姿态位置并将其传回传感规划模块33的规划模块，与规划模块中内置的目标姿态位置进行比对发现已到达目标姿态位置，满足停止调整的条件，可以进入终了状态。

⑤在第二平台各可动平台当前运动平面上，通过驱动控制模块34使第二平台的各可动平台回到初始状态前的平面位置点，然后沿Z方向升降第二平台使两种平台高度一致，装置进入终了状态。

3)如前所述，经过调整工作状态和中间状态的若干次转换后，传感规划模块33识别到飞行功能模块1已到达目标姿态位置，此时调整工作结束，本装置进入终了状态，第一平台31和第二平台的相对位置回到和初始状态相同的情形。

为了保证可动平台321、322搬运飞行功能模块1的可靠性，可动平台321、322与飞行功能模块的起落架或其他接触方式具备强摩擦特性。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。