用于混合式空中和地面交通运载工具的方向控制系统和方法与流程

本发明总的涉及一种用于混合式空中和地面交通运载工具的方向控制系统和方法。

背景技术：

用于地面运输的运载工具(例如，汽车)和用于空中运输的运载工具(例如，飞机)已存在许多年。在近几年里，已投入了越来越多的努力来研发另一类别的交通运载工具，即，完全可以将空中使用与通常的地面使用合二为一的混合式运载工具。

一种这样的混合式运载工具为WO 2007/114877(“WO'877”)中记载的“特拉弗吉亚过渡(Terrafugia Transition)”。WO'877公报公开了一种既是汽车又是两座飞机的运载工具，其配备有四轮底盘和可折叠机翼。在地面上，发动机的动力传递到前桥，车轮由常规方向盘转向，而在空中，发动机使位于机身的后部的螺旋桨旋转。在飞行期间，运载工具由常规驾驶杆或操纵杆控制。

“飞行汽车”是WO 2013/032409(“WO'409”)中记载的另一种混合式运载工具。WO'409也公开了一种混合式运载工具，其中地面转向通过方向盘和控制器进行，而在空中通过驾驶杆或操纵杆进行。

具有分别用于地面和空中运行的控制系统(例如，方向盘和驾驶杆)由于各种原因而是不利的。例如，具有分开的控制系统会增加运载工具设计的复杂性并且使用过多的通常紧缺的舱内空间。此外，在起飞和着陆期间，运载工具的操作人员需要在运载工具在起飞期间升空离开地面或在着陆期间触地时从一个控制系统迅速过渡到另一个控制系统。从一个控制系统(例如，方向盘)迅速切换为另一个控制系统(例如，驾驶杆)由于各种原因可能会是困难的。例如，控制器之间的距离、控制器的取向和控制模式全都会使得操作人员更难以在系统之间切换。

这些问题的解决方案提供了一种系统，其中两个控制系统能够靠近地定位以允许操作人员在使用中轻松过渡。

技术实现要素：

在一方面，本发明针对于一种用于地面和空中运输的混合式交通运载工具的方向控制系统。该运载工具具有：用于地面操作的至少一个方向盘，该方向盘与转向机构连接；机翼，该机翼具有可移动的控制表面；以及尾翼，该尾翼具有至少一个可移动的控制表面。该方向控制系统包括：在一端具有第一控制输入部的第一轴，其中第一轴与所述转向机构连结；以及第二轴，该第二轴贯穿第一轴延伸并且可相对于第一轴独立地旋转和滑动。所述第二轴包括：在一端的第二控制输入部；第一联动装置，其构造成传递第二轴的旋转运动以控制机翼上的可移动控制表面；和第二联动装置，其构造成传递第二轴的轴向运动以控制尾翼上的可移动控制表面。第一控制输入部可以是方向盘，而第二控制输入部是方向盘或操纵杆(yoke)。第一轴还可包括附接在第一轴上的连接器。该连接器可包括从第一轴的外表面垂直地向外延伸的部件。第二轴可包括径向的第一联动装置、轴向的第二联动装置和约束装置(arrest device)。径向的第一联动装置可包括从第二轴的外表面垂直地向外延伸的部件。轴向的第二联动装置可包括附接在第二轴的下端的枢轴安装托架。副翼连接系统可包括多个互相连接的摆杆和角杆。升降舵连接系统可包括多个互相连接的摆杆和角杆。升降舵连接系统还可包括中间结构，该中间结构包括横轴和连接臂装置。

在另一方面中，本发明针对于一种控制用于地面和空中运行的混合式交通运载工具的方法，该运载工具具有如本文中描述的方向控制系统。该方法包括：在地面操作期间通过操纵第一控制输入部以使车轮转向来控制运载工具的转向，以及在飞行操作期间通过操纵第二控制输入部以移动机翼和尾翼上的控制表面来控制飞行动作。

附图说明

附图示出了控制系统和操作方法的实施例。

图1是配置成用于空中运行的混合式运载工具的一个实施例的侧面透视图。

图2是配置成用于地面运行的混合式运载工具的侧面透视图。

图3是用于混合式运载工具的控制系统的一个实施例的一部分。

图4是根据一个示例性实施例的用于混合式空中和地面交通运载工具的控制系统的一个实施例的一部分。

图5是用于混合式空中和地面交通运载工具的转向系统的一个实施例的一部分。

图6是用于混合式空中和地面交通运载工具的转向系统的一个实施例的一部分。

图7是用于混合式空中和地面交通运载工具的转向系统的一个实施例的一部分。

图8是用于混合式空中和地面交通运载工具的转向系统和联动装置连接系统的一个实施例的一部分。

图9是用于混合式空中和地面交通运载工具的转向系统和联动装置连接系统的一部分的一个实施例的放大视图。

现在将详细说明在附图中示出的非限制性的示例性实施例。只要有可能，所有附图中将使用相同的标号来表示相同或相似的部件。

具体实施方式

图1和2示出分别配置成用于空中运行和地面运行的根据一个示例性实施例的混合式运载工具100。运载工具100构造成用于至少在飞行、滑行、起飞和着陆期间的空中运行。运载工具100的构型可从空中运行转换为地面运行，或者在处于地面时进行相反的转换。运载工具100构造成用于在地面上行进例如沿道路行驶时的地面运行。

运载工具100包括体部110、舱室120、一组可伸缩机翼130、尾翼140、螺旋桨150和车轮，所述车轮包括一组前轮161和后轮162。运载工具100还具有底盘和容纳在体部110内的发动机170，发动机170构造成驱动螺旋桨150(在空中运行期间)，或者驱动前轮161或后轮162(在地面运行期间)。

如图1和2所示，可伸缩机翼130包括在每个机翼130上的副翼131。每个副翼131借助于铰链附接在相应机翼130的后缘上。副翼131用于以通常方式控制在飞行时运载工具100围绕其纵向轴线的横摇。尾翼140包括在尾翼140的每一侧的升降舵141。升降舵141借助于铰链附接在每个尾翼区段的后缘上。升降舵141用于以通常方式控制在飞行时运载工具100的俯仰。

图3-8示出构造成供运载工具100使用的控制系统200的一个示例性实施例。系统200构造成实现在空中和地面运行期间的运载工具100的方向控制。系统200包括第一轴201，第一轴201具有附接在第一轴201的上端的第一控制输入部，其在本实施例中为方向盘或操纵杆211。系统200还包括第二轴202，第二轴202具有附接在第二轴202的上端的第二控制输入部，其同样为方向盘或操纵杆212。第一轴201是轴承类型的轴，使得第二轴202共轴地延伸通过第一轴201的中心，第一轴201和第二轴202可独立地旋转并且第二轴202还可沿纵向轴线滑动。

如图3-8所示，第一方向盘211和第二方向盘212呈“U”形，然而，可以设想采用各种其它形状的方向盘，例如圆形、椭圆形、“W”形等。如图3-8所示的第一方向盘211比第二方向盘212大。然而，在其它实施例中，第一方向盘211可等于或小于第二方向盘212。

第一轴201还包括附接在第一轴201上的连接器220。连接器220包括从第一轴201的外表面垂直地向外延伸的部件，如图3-7所示。连接器220还包括附接在该部件的外端处的枢轴安装托架。如图3-8所示，连接器220可定位成使得当第一方向盘211被正常定心时，连接器220指向上方。

如图5所示，系统200构造成使得第一方向盘211的旋转导致第一轴201和连接器220围绕纵向轴线的相应旋转。连接器220构造成与用于使前轮161转向的机构(未示出)连接。因此，通过使第一轴201和连接器220旋转，第一方向盘211的旋转控制前轮161的方向，使得在地面上运行时运载工具100的操作人员可以通过转动第一方向盘211来控制前轮161的方向。第一轴201可用作支点卡瓦利轴(fulcrum caval shaft)。设想在另一实施例中，系统200可构造成使得第一方向盘211的旋转能够控制后轮162的方向。

根据另一实施例，如图9所示的连接器220’是缠绕在第一轴201的圆周上的齿轮、链轮或带轮。柔性联接器221缠绕在连接器220’周围并且围绕包括另一齿轮、链轮或带轮的第二连接器222延伸。第二连接器222与转向轴223连接，以使得第二连接器222的旋转引起转向轴223的旋转并由此控制前轮161的方向。柔性联接器221可以是链条、线缆、皮带等。连接器220’可具有与第二连接器222不同的(例如，更大的)直径，使得通过转动第一方向盘211引起的第一轴201的旋转会导致转向轴223的旋转度数以直径比进行调节。例如，如果连接器220’的直径为第二连接器222的直径的两倍，则第一方向盘211的半圈转动将引起第二连接器222旋转一整圈并且还引起转向轴223旋转一整圈。连接器220与第二连接器222的比率例如可被选择成使得在第一方向盘211旋转不超过一整圈的情况下，可以实现向各车轮施加的完整的转向范围。

如图3-8所示，第二轴202包括径向的第一联动装置230、轴向的第二联动装置240和约束装置250。如图6所示，系统200构造成使得第二方向盘212的旋转引起第二轴202、径向的第一联动装置230和轴向的第二联动装置240围绕纵向轴线的相应旋转。如图7所示，系统200构造成使得对第二方向盘212的下推和/或上拉引起第二轴202、径向的第一联动装置230和轴向的第二联动装置240沿纵向轴线的纵向移动。

径向的第一联动装置230包括从第二轴202的外表面垂直地向外延伸的部件，如图3-8所示。径向的第一联动装置230还包括在其外端处的枢轴安装托架。径向的第一联动装置230定位成使得当第二方向盘212被正常定心时，径向的第一联动装置230垂直于第二轴202的外表面指向下方。轴向的第二联动装置240包括附接在第二轴202的下端的枢轴安装托架，如图3-8所示。

径向的第一联动装置230与用于控制副翼131的机构连接，而轴向的第二联动装置240与用于控制升降舵141的机构连接。系统200构造成使得：通过使第二轴202和径向的第一联动装置230旋转，第二方向盘212的旋转将控制副翼131以使操作人员能够在飞行中将运载工具100横摇或侧倾。系统200构造成使得通过对第二方向盘212的下推和/或上拉以由此导致轴向的第二联动装置240沿纵向轴线的纵向移动，可以控制升降舵141以使得操作人员能够在飞行期间调节运载工具100的俯仰。

径向的第一联动装置230与用于控制副翼131的机构之间以及轴向的第二联动装置240与用于控制升降舵141的机构之间的连接构件包括各种联动构件。例如，连接构件可包括具有枢轴的叉状机构、线缆、杆件、摆杆、角杆等。

图8示出根据一个示例性实施例的副翼连接系统260和升降舵连接系统270。副翼连接系统260构造成将径向的第一联动装置230的旋转运动传递到用于控制副翼131的机构。副翼连接系统260包括多个互相连接的摆杆和角杆。升降舵连接系统270构造成将轴向的第二联动装置240的纵向运动传递到用于控制升降舵141的机构。升降舵连接系统270包括多个互相连接的摆杆和角杆。如图8和9所示，升降舵连接系统270还可包括中间结构271，该中间结构271包括横轴272和连接臂装置273。横轴272与运载工具100的纵向轴线大致成直角设置并且可围绕其纵向轴线旋转。连接臂装置273从横轴272的一端延伸到连接点274，该连接点274与横轴272间隔开并位于横轴272的端部之间。在图8和9所示的实施例中，连接臂装置超出连接点274延伸回到横轴272以形成三角形装置。第一轴201和第二轴202延伸通过该三角形，并且连结臂275在轴向的第二联动装置240与连接点274之间延伸。第二轴202的轴向移动被转换为横轴272的旋转运动。落臂(drop arm)276设置在横轴272的一端处并且与升降舵连接系统270连接。连接点274与横轴272的间距与落臂276的长度的比提供了围绕由横轴272限定的支点起作用的杠杆。这样，可从操作人员获得的力能以最适当的方式施加至升降舵141。通过使轴201、202延伸通过该三角形结构，此装置所占据的总长度被最小化并且在横轴272下方留出了空间(用于未示出的其它控制，诸如方向舵控制，或操作人员的脚或腿)。应理解，连接臂装置273可使用不同于三角形的形状，例如其它多边形、弯曲形状等。而且，连接臂装置273的两端也不必都与横轴272连接。开放式装置也是可以的。

图9示出系统200的另一示例性实施例，其中第二联动装置240’在第二轴202的端部处与径向的第一联动装置230相对地定位在第二轴202的圆周上。第二联动装置240’借助于如上所述的连结臂275与中间结构271连接。第二联动装置240’与中间结构271的连接可以是球接头式连接，以容许由于第二轴202的旋转引起的第二联动装置240’的旋转。径向的第一联动装置230和副翼连接系统260以与上述相同的方式操作。

根据一个示例性实施例的约束装置250是与第二轴202相关联的L形的托架和板，如图3-7所示。约束装置250构造成具有约束和非约束位置。图3示出处于非约束位置的约束装置250，而图4示出处于约束位置的约束装置250。如图3所示，在非约束位置，第二方向盘212可在第一方向盘211上方延伸(即，更靠近操作人员)且第二方向盘212可围绕第一轴201内的纵向轴线自由地旋转和沿纵向轴线滑动，从而实现对运载工具100的横摇和俯仰的控制。

如图4所示，在约束位置，第二方向盘212和第二轴202可下降以使得第一方向盘211和第二方向盘212处于大致相同的高度并且还可对齐。在该约束位置，约束装置250构造成阻止第二轴202在第一轴201内的轴向旋转和纵向移动，由此不能对运载工具100进行横摇和俯仰控制。在以地面模式运行时希望禁用运载工具100的横摇和俯仰控制，因为这种控制是不必要的并且在以地面模式运行时副翼131和升降舵141的移动可能会损坏运载工具100。当从空中模式过渡为地面模式时，操作人员可将约束装置250定位在约束位置。或者，运载工具100可构造成在从空中模式过渡为地面模式或从地面模式过渡为空中模式期间在约束位置与非约束位置之间自动转换。根据一个示例性实施例，约束装置250构造成通过将L形托架与穿过L形托架延伸到第二轴202中的孔内的销互锁来阻止第二轴202的轴向旋转和纵向移动。

根据另一示例性实施例，第二轴202可由两个或更多个区段形成，以使得与第二方向盘212连接的第二轴202的上部区段可从第一轴201移除。因此，在以驱动模式运行时，操作人员可以移除第二方向盘212和第二轴202的上部区段。系统200构造成使得在约束装置250处于约束位置时阻止第二方向盘212和第二轴202的上部区段的移除。或者，系统200构造成使得第二方向盘212和第二轴202的上部区段的移除履行与约束装置250相同的功能(例如，在以地面模式运行时阻止副翼131和升降舵141的操作)。

根据另一示例性实施例，当运载工具处于空中模式时，第一方向盘211可从第一轴201移除，或者它可通过其上部部分朝第一轴201向前倾侧。

系统200还可包括集成的控制装置。例如，位于第一方向盘211、第二方向盘212或两者上的一个或多个杠杆开关、按钮开关和可旋转圆柱形开关。例如，用于控制一个或多个提升襟翼的开关和用于改变机翼130的迎角的开关可位于第一方向盘211和/或第二方向盘212上。这些开关在第一方向盘211和/或第二方向盘212上的定位使得运载工具100的操作人员更容易对其接近。

设想在另一实施例中，第一方向盘211和第二方向盘212被调换，以使得第一方向盘211控制运载工具100的横摇和俯仰且第二方向盘212控制前轮161的方向。对于此实施例而言，用于使前轮161转向的连接器220与轴向的第二联动装置240和径向的第一联动装置230可被调换。

所公开的转向系统可应用于任何混合式空中和地面交通运载工具，还可独立地应用于汽车和飞机。通过使空中模式和地面模式的转向控制装置两者都位于操作人员的正前方，所公开的转向系统可简化运载工具100的操作。另外，这种简化可减小独立转向系统所使用的舱室120内的空间。

当操作人员以地面模式运行运载工具100时，操作人员可利用第一方向盘211来控制前轮161的方向，与驾驶员操作传统汽车中的方向盘以控制汽车的前轮的方式相似。当操作人员以空中模式运行运载工具100时，例如在飞行时，操作人员可利用第二方向盘212来控制运载工具100的横摇和俯仰。

在起飞前和触地之后，运载工具100可配置成用于空中模式，但是在地面上运行。考虑到这些情况，系统200可构造成使得当在地面上以空中模式运行时，第一方向盘211可用于控制前轮161的方向。例如，当运载工具100在地面上准备起飞时或在着陆之后，操作人员可利用第一方向盘211以使运载工具100转向。如果需要的话，操作人员也可利用第二方向盘212以使运载工具100转向，像传统飞机那样。

操作人员由于所联接的系统200的布置结构而快速将他们的手从第一方向盘211移动到第二方向盘212或反之的能力在运载工具100的升空和触地期间会是特别有利的。例如，系统200使得操作人员在起飞期间能够利用第一方向盘211来使运载工具100转向，直至运载工具100升离地面的时刻，由此防止经由前轮161进一步转向。但是，作为操作人员必须从方向盘过渡为杠杆控制的替代，系统200允许操作人员将他们的手从第一方向盘211瞬时地滑动回到第二方向盘212并且开始控制飞机的横摇和俯仰。一旦前轮161触地，系统200还在着陆期间通过运载工具100的操作人员实现类似的过渡，只是过渡是从第二方向盘212到第一方向盘211。还设想有时可有利地同时利用第一方向盘211和第二方向盘212，操作人员可通过在每个方向盘上放一只手而容易地实现这一点。

可以对本文中描述的控制系统和方法做出各种改型和变型。