本发明提供了一种基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的新型智能代步工具，包括框架、地面滑跑系统、风力悬浮系统、控制协调系统和电力驱动系统。地面滑跑系统安装于框架下端，风力悬浮系统和控制协调系统安装于框架内部，电力驱动系统为地面滑跑系统和风力悬浮系统提供动力。风力悬浮系统主要包括涵道风扇，涵道风扇配合固定安装在底座上。当滑板在地面滑跑时，涵道风扇不工作，控制模块感知操作者脚部压力，输出控制信号实现滑板的加速、减速以及转向。当滑板离地悬浮飞行时，控制模块控制涵道风扇调速器，实现滑板的风力悬浮推进。本发明兼具地面滑跑和空中悬浮推进两种功能，能帮助使用者在各种路况下安全舒适地驾驶。
1.一种基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的智能代步工具，其特征在于，包括框架、地面滑跑系统、风力悬浮系统、控制协调系统和电力驱动系统；风力悬浮系统和控制协调系统安装于框架内部，电力驱动系统为地面滑跑系统和风力悬浮系统提供动力；
所述的框架包括底座和外壳；底座包括底座面板、涵道风扇安装槽、涵道风扇出风口和电池箱安装槽；底座面板为椭圆状蜂窝结构的碳纤维复合材料，其上对称开设有涵道风扇出风口以流通气流；底座面板中部设电池箱安装槽以安置电力驱动系统；外壳包括外壳面板、四周隔框、中央隔框、涵道风扇保护罩和涵道风扇进风口；四周隔框和中央隔框将涵道风扇分成A、B、C、D四组，中央隔框与电池箱安装槽尺寸相同，四周隔框连接外壳面板与中央隔框；外壳面板上在风扇进气位置开涵道风扇进风口，并安装涵道风扇保护罩；
所述的地面滑跑系统包括前轮组件和后轮组件，分别通过前轮组件安装片和后轮组件安装片安装在所述的底座下表面；前轮组件上设置有前轮驱动电机；
所述的风力悬浮系统包括涵道风扇，涵道风扇与涵道风扇安装槽配合以固定在底座上；
所述的控制协调系统包括控制模块、涵道风扇调速器、压力传感器、右前轮电机调速器和左前轮电机调速器；控制模块包含陀螺仪、接收器、GPS模块和激光高度计；每一个涵道风扇都配置一个涵道风扇调速器；所述的压力传感器用于感知操纵者脚部压力，使得智能代步工具只在其上承载有人的情况下工作；当滑板在地面滑跑时，涵道风扇不工作，电力驱动系统为前轮驱动电机供电，控制模块通过压力传感器感知操作者脚部压力，输出控制信号到右前轮电机调速器和左前轮电机调速器，实现滑板的加速、减速以及转向；当滑板离地悬浮飞行时，前轮驱动电机不工作，电力驱动系统为A、B、C、D四组涵道风扇供电，控制模块根据陀螺仪和GPS模块、激光高度计传输的信号控制涵道风扇调速器，继而控制涵道风扇电机转速，涵道风扇电机带动涵道风扇叶片转动，实现滑板的风力悬浮推进。
2.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述的A、B、C、D四组涵道风扇，每组涵道风扇数目相同，且在滑板上对称均衡分布；A、B、C、D四组涵道风扇分别位于滑板的左端、后端、右端和前端，A、C组涵道风扇的旋转方向相同，B、D组涵道风扇的旋转方向相同且和A、C组涵道风扇的旋转方向相反。
3.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述的涵道风扇共有12个。
4.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述的风力悬浮系统实现滑板的上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动和前后运动，控制方式是：
(1)上下运动；同时增加所有涵道风扇电机的输出功率，涵道风扇叶片转速增加使得拉力增加，当总拉力大于滑板的重力时，滑板垂直上升；相反地，同时减小所有涵道风扇电机的输出功率，滑板垂直下降，直至平衡落地；不改变涵道风扇电机的输出功率，使得滑板在离地面某一高度悬停；
(2)俯仰运动；提高D组涵道风扇电机的输出功率，同时降低B组涵道风扇电机的输出功率，且D组和B组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变A组和C组涵道风扇电机的输出功率，则产生一个不平衡力矩使得滑板前端上倾；相反地，降低D组涵道风扇电机的输出功率，同时提高B组涵道风扇电机的输出功率，且D组和B组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变A组和C组涵道风扇电机的输出功率，则使得滑板后端上倾；
(3)滚转运动；提高A组涵道风扇电机的输出功率，同时降低C组涵道风扇电机的输出功率，且A组和C组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变D组和B组涵道风扇电机的输出功率，则产生一个不平衡力矩使得滑板绕X轴转动，滑板左端上倾；相反地，降低A组涵道风扇电机的输出功率，同时提高C组涵道风扇电机的输出功率，且A组和C组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变D组和B组涵道风扇电机的输出功率，则滑板右端上倾；
(4)偏航运动；当B组和D组涵道风扇的电机转速上升，A组和C组涵道风扇的电机转速下降时，B组和D组涵道风扇的旋翼对滑板的反扭矩大于A组和C组涵道风扇旋翼对滑板的反扭矩，滑板便在多余反扭矩的作用下实现偏航运动；
(5)前后运动；保持A组和C组涵道风扇电机功率以及转速不变，改变B组和D组涵道风扇的电机输出功率，实现前后运动；当减小D组涵道风扇电机的输出功率，增加B组涵道风扇电机的输出功率时，滑板向前运动；当增加D组涵道风扇电机的输出功率，减小B组涵道风扇电机的输出功率时，滑板向后运动。
5.根据权利要求1或4所述的智能代步工具，其特征在于，所述的代步工具，采用自稳控制和手机无线控制相结合，实现滑板的风力悬浮推进；所述的自稳控制包括高度控制和姿态控制；所述手机无线控制是指借助Wi-Fi或者蓝牙模块，通过手机端遥控代步工具；
所述的代步工具，还通过感知操纵者脚部压力操纵，当操作者从滑板上意外坠落时，压力传感器感受到压力变化，控制模块输出控制信号，减少涵道风扇电机转速或断开电源，当脚部前部与后部压力差值到达一定阈值时，控制模块输出信号，实现滑板的向前或者向后运动，当脚部左右两侧的压力差值到达一定阈值时，控制模块输出信号，实现滑板的偏转。
6.根据权利要求5所述的智能代步工具，其特征在于，所述的手机无线控制，在手机端设置的控制界面包括：在界面下方模拟实际遥控器设计了油门、副翼、升降舵、方向舵四个通道的操纵；在界面上方菜单栏设置4个按钮和两个显示标志，按钮1表示无线连接状态，分为“未连接”和“已连接”；按钮2表示微调，在停飞状态下按此键进行相关通道设置；按钮3表示控制模式选择，分两个控制模式：一是手动触摸操纵，表示在屏幕上操纵摇杆，二是手机重力感应控制；按钮4表示触摸灵敏度设置，用于调节控制力度；两个显示标志分别表示无线连接的信号强弱以及代步工具电池电量剩余水平。
7.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述的四周隔框和中央隔框上开有用于减重的均匀的圆孔；所述的电池箱安装槽所用材料为蜂窝结构的碳纤维复合材料，并与底座面板胶合，同时电池箱安装槽底部开有减重的圆孔。
8.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述的外壳还包括防滑垫和智能显示屏；防滑垫为橡胶材质，与外壳面板胶结贴合，表面采用滚花纹；智能显示屏显示滑板的运动参数，包括速度、高度和方向。
9.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述前轮组件包括右前轮、右前轮电机、左前轮、左前轮电机、前轮桥和前轮支架；左前轮和右前轮分别安装在前轮桥两端，前轮桥与前轮支架通过螺栓螺母固定连接，在螺栓上设置有减震垫片和减震弹簧；左前轮电机和右前轮电机分别固定在前轮桥两端的电机座上，在电力驱动系统供电下，左前轮电机和右前轮电机分别驱动两端的主动带轮，并通过传动带驱动从动带轮，使得通过螺栓连接在从动带轮上的左前轮、右前轮随之转动；
所述后轮组件包括右后轮、左后轮、后轮桥和后轮支架；右后轮与左后轮分别安装在后轮桥两端，后轮桥与后轮支架通过螺栓螺母固定连接，在螺栓上设置有减震垫片和减震弹簧。
10.根据权利要求1所述的智能代步工具，其特征在于，所述的电力驱动系统包括电池箱体、电池箱内部格栅、电池箱盖、电池箱安装环、电池箱充电插口以及锂电池模块；电池箱体通过电池箱内部格栅分为多个区域，每个区域由锂电池模块按一定方式排列填充；电池箱体放置于电池箱安装槽内，且电池箱体两侧设有安装环。
基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的智能代步工具
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的新型智能代步工具，属于交通工具技术领域。
背景技术
[0002] 滑板是一种青少年玩具，操作者一只脚站在车体底座上，用另一只脚蹬地来驱动车子的前进。现有的滑板包含无动力滑板和动力滑板，但都只能在地面上运行，无法给人提供悬浮飞行的快感。
[0003] 悬浮滑板是一种时尚与科技结合的新型智能代步工具。目前，美国Hendo公司发明的Hoverboard和LeXus公司发明的SLIDE Hoverboard，均是采用磁悬浮技术实现离地悬浮功能的新型滑板。磁悬浮滑板在技术理念上颇为超前，但价格昂贵，而且滑板使用起来有场地限制，目前都还只处于“原型机”阶段。
[0004] 随着无人机技术的飞速发展，在传统滑板基础上增加电力驱动装置以及涵道风扇升力装置，使滑板既能够在地面滑跑，也可以在离地面一定高度空中悬浮飞行，本发明就属于这种类型的智能滑板。随着未来低空空域的开放，这种新型悬浮推进滑板将打破人类传统出行方式，成为未来十分受欢迎的智能代步工具。
[0005] 公开号为103657063A的中国发明专利申请，在2014年3月26日公布了一种同性相斥磁悬浮滑板，主要结构包括上踏板，平面悬浮运动磁块、固定悬浮磁块及下固定板组成；平面悬浮运动磁块安装在踏板的下面；固定悬浮磁块安装在固定板的上面。但是采用磁悬浮技术的产品，是由常温下的超导磁体提供驱动力的。它只能在非铁的金属表面实现悬浮，所以实用性不高。
[0006] 公告号为205627020U的中国实用新型专利，在2016年3月15日公开了一种遥控的自带电源悬浮滑板，包括有相对底部中心对称的垂直涵道和位于滑板尾部的水平涵道；还包括有遥控手柄和电池模块，所述遥控手柄与滑板内部设有的控制模块通信，控制模块与垂直涵道和水平涵道通信从而控制其工作状态，所述电池模块位于滑板内部，为水平涵道和垂直涵道供电。此滑板并没有详细说明悬浮时的控制原理，而且只靠遥控器操纵会大大降低滑板使用者的操纵体验，另外涵道风扇耗电功率高，若滑板只能依靠自带电源飞行，则飞行时间短暂，实用性不高。
发明内容
[0007] 本发明目的是解决上述存在的实用性不高的问题，提供了一种基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的新型智能代步工具，该代步工具不仅能在地面上滑跑，而且能在离地面一定范围内悬浮飞行，通过人身体重心位置的变化、脚部压力操纵以及无线遥控操纵本装置实现起飞、前进、后退、悬浮、转弯、降落等动作，同时设计可快速更换的电池箱，使得该代步工具具有较长的工作时间，是一种操作体验良好的新型智能代步工具。
[0008] 为实现上述目的，本发明的基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的新型智能代步工具，包括框架、地面滑跑系统、风力悬浮系统、控制协调系统和电力驱动系统。
[0009] 其中：地面滑跑系统安装于框架下端，风力悬浮系统和控制协调系统安装于框架内部，电力驱动系统为地面滑跑系统和风力悬浮系统提供动力。
[0010] 所述的框架主要包括底座和外壳；所述的底座主要包括底座面板、涵道风扇安装槽、涵道风扇出风口和电池箱安装槽；底座面板为椭圆状蜂窝结构的碳纤维复合材料，对称开有12个涵道风扇出风口以流通气流；底座面板中部设电池箱安装槽以安置电力驱动系统；所述的外壳主要包括外壳面板、四周隔框、中央隔框、涵道风扇保护罩、智能显示屏以及涵道风扇进风口；外壳面板的尺寸与底座面板尺寸相同以方便两者安装；四周隔框和中央隔框将12个涵道风扇分成A、B、C、D四组共4个区域，中央隔框与电池箱安装槽尺寸相同，四周隔框连接外壳面板与中央隔框；外壳面板上在风扇进气位置开涵道风扇进风口，并安装涵道风扇保护罩。
[0011] 所述的地面滑跑系统主要包括前轮组件和后轮组件，分别通过前轮组件安装片和后轮组件安装片安装在本装置底座下表面。前轮组件上设置有前轮驱动电机。
[0012] 所述的风力悬浮系统主要包括涵道风扇，涵道风扇与涵道风扇安装槽配合实现在底座上的固定。
[0013] 所述的控制协调系统主要为控制模块、涵道风扇调速器、压力传感器、右前轮电机调速器和左前轮电机调速器，控制模块包含陀螺仪、接收器、GPS模块和激光高度计等。每一个涵道风扇都配置一个涵道风扇调速器。当滑板在地面滑跑时，涵道风扇不工作，电力驱动系统为前轮驱动电机供电，控制模块通过压力传感器感知操作者脚部压力，并对比左脚与右脚、脚前部与后跟压力，输出控制信号到右前轮电机调速器和左前轮电机调速器，实现滑板的加速、减速以及转向。当滑板离地悬浮飞行时，前轮驱动电机不工作，电力驱动系统为A、B、C、D四组涵道风扇供电，控制模块根据内部陀螺仪和外置GPS模块、激光高度计等传感器传输的信号控制涵道风扇调速器，继而控制涵道风扇电机转速，涵道风扇电机带动涵道风扇叶片转动，实现滑板的风力悬浮推进，保持滑板的平衡，以及实现滑板的各类运动。另外，无论滑板处于哪一种工作状态，压力传感器都能保证滑板在只有其上承载有人的情况下才能在操作，否则即使接通电源也不会在地面滑跑或离地悬浮飞行。
[0014] 所述的外壳还包括防滑垫和智能显示屏、LED灯。防滑垫为橡胶材质，与外壳面板胶结贴合，表面采用滚花纹；智能显示屏显示代步工具的运动参数，包括速度、高度和方向。所述的涵道风扇防护罩为不锈钢丝材质编织成的圆形网状结构。
[0015] 所述的电池箱安装槽底部开有减重的圆孔，最大限度地减少底座重量。所述的四周隔框和中央隔框开均匀圆孔，加强了结构强度、减少结构重量。
[0016] 所述前轮组件包括右前轮、右前轮电机、左前轮、左前轮电机、前轮桥和前轮支架。左前轮和右前轮均通过滚动轴承安装在前轮桥两端，前轮桥与前轮支架通过螺栓螺母固定连接，在螺栓上设置有前轮减震垫片和前轮减震弹簧。左前轮电机和右前轮电机分别固定在前轮桥两端的电机座上，在电力驱动系统供电下，左前轮电机和右前轮电机分别驱动两端的主动带轮，并通过传动带驱动从动带轮，使得通过螺栓连接在从动带轮上的左前轮、右前轮随之转动。
[0017] 所述后轮组件包括右后轮、左后轮、后轮桥、后轮支架。右后轮与左后轮分别安装在后轮桥两端，后轮桥与后轮支架通过通过螺栓螺母固定连接，在螺栓上设置有减震垫片和减震弹簧。
[0018] 所述的A、B、C、D四组涵道风扇，每组涵道风扇数目相同，且在滑板上对称均衡分布。设A、B、C、D四组涵道风扇分别位于滑板的左端、后端、右端和前端，A、C组涵道风扇的旋转方向相同，B、D组涵道风扇的旋转方向相同且和A、C组涵道风扇的旋转方向相反。
[0019] 所述的电力驱动系统包括电池箱体、电池箱内部格栅、电池箱盖、电池箱安装环、电池箱充电插口以及锂电池模块。电池箱体通过内部格栅分为多个区域，每个区域由锂电池模块按一定方式排列填充。电池箱体放置于电池箱安装槽内，并且电池箱两侧有安装环，方便使用者快速地从电池箱安装槽内取出电池箱进行充电、替换电池单元以及维修工作。
[0020] 本发明是通过控制协调系统的指令使用电力驱动系统驱动地面滑跑系统与风力悬浮系统，实现地面滑跑和风力悬浮推进两种功能的装置。A、B、C、D四组涵道风扇分别位于滑板的左端、后端、右端和前端；A、C组涵道风扇的旋转方向相同，B、D组涵道风扇的旋转方向相同且和A、C组涵道风扇的旋转方向相反。
[0021] 在地面滑跑时，涵道风扇不工作，电力驱动系统为前轮驱动供电，控制模块芯片读取陀螺仪、加速度传感器以及压力传感器数据，然后对所得数据进行综合计算，得出滑板的速度信息，同时感知操作者脚部操纵信号，输出控制信号到右前轮电机调速器和左前轮电机调速器。当左前轮电机和右前轮电机转速同时增加(减小)相同数值，滑板加速(减速)；当左前轮电机转速增加、右前轮电机转速减小或反转，滑板向右偏转；当右前轮电机转速增加、左前轮电机转速减小或反转，滑板向左偏转。
[0022] 在悬浮飞行时，前轮驱动电机不工作，A、B、C、D四组涵道风扇在电力驱动系统供电下开始工作。假定以本装置质心为坐标原点，纵向对称轴为X轴，横向对称轴为Y轴，Z轴为竖直向下，规定沿X轴正方向的运动为向前运动。实现滑板上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动的工作控制方式分别为：
[0023] (1)上下运动，沿Z轴运动；同时增加所有涵道风扇电机的输出功率，涵道风扇叶片转速增加使得拉力增加，当总拉力大于本装置重力时，滑板便可以垂直上升；相反地，同时减小所有涵道风扇电机的输出功率，滑板则垂直下降，直至平衡落地。不改变涵道风扇电机的输出功率，可以使得滑板在离地面某一高度悬停。
[0024] (2)俯仰运动，绕Y轴运动；提高D组涵道风扇电机的输出功率，同时降低B组涵道风扇电机的输出功率，且D组和B组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变A组和C组涵道风扇电机的输出功率，则产生一个不平衡力矩使得滑板绕Y轴转动，前端上倾。相反地，降低D组涵道风扇电机的输出功率，同时提高B组涵道风扇电机的输出功率，且D组和B组涵道风扇电机的输出功率的改变量对应相等，不改变A组和C组涵道风扇电机的输出功率，则使得滑板后端上倾。
[0025] (3)滚转运动，绕X轴运动；提高A组涵道风扇电机的输出功率，同时降低C组涵道风扇电机的输出功率，且A组和C组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变D组和B组涵道风扇电机的输出功率，则产生一个不平衡力矩使得滑板绕X轴转动，滑板左端上倾。相反地，降低A组涵道风扇电机的输出功率，同时提高C组涵道风扇电机的输出功率，且A组和C组涵道风扇电机的输出功率的改变量相等，不改变D组和B组涵道风扇电机的输出功率，则滑板右端上倾。
[0026] (4)偏航运动，绕Z轴运动；当所有涵道风扇电机转速相同时，涵道风扇叶片产生的反扭矩相互平衡，滑板不绕Z轴转动；当涵道风扇电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起滑板转动。当B组和D组涵道风扇的电机转速上升，A组和C组涵道风扇的电机转速下降时，B组和D组涵道风扇的旋翼对滑板的反扭矩大于A组和C组涵道风扇旋翼对滑板的反扭矩，滑板便在多余反扭矩的作用下绕Z轴转动，实现偏航运动。
[0027] (5)前后运动，沿X轴运动；保持A组和C组涵道风扇电机功率以及转速不变，改变B组和D组涵道风扇的电机输出功率，实现前后运动；当减小D组涵道风扇电机的输出功率，增加B组涵道风扇电机的输出功率时，使滑板在水平拉力的作用下向前运动；相反地，当增加D组涵道风扇电机的输出功率，减小B组涵道风扇电机的输出功率时，使滑板向后运动。
[0028] 作为优选的本发明控制方式，在悬浮飞行时，本装置采用自稳控制和遥控、手机无线控制手段相结合，稳定可靠地控制本装置在离地一定高度时的运动。
[0029] 所述的自稳控制包括高度控制和姿态控制，基于现有飞控的原理，其中姿态控制由控制模块通过IMU姿态解算后进行PID控制，实现自身最小化倾斜；高度控制通过激光高度计测得高度后，实现飞行器定高悬停。对高度控制设置高度阈值50cm，使本装置始终保持安全飞行高度。
[0030] 所述的无线控制是指使用遥控器或在控制模块中安装Wi-Fi或者蓝牙模块，通过手机端遥控本装置。设计了一个手机端控制界面，界面下方模拟实际遥控器设计了油门、副翼、升降舵、方向舵四个通道的操纵。上方菜单栏设置4个按钮和两个显示标志，按钮1表示无线连接状态，分为“未连接”和“已连接”；按钮2表示微调，在停飞状态下按此键进行相关通道设置；按钮3表示控制模式选择，分两个控制模式：一是手动触摸操纵，即在屏幕上操纵摇杆，二是手机重力感应控制；按钮3表示触摸灵敏度设置，可以调节控制力度；最右边两个显示标志分别表示无线连接的信号强弱以及本装置电池电量剩余水平。
[0031] 本发明实现了一种基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的新型智能代步工具，兼具地面滑跑和空中悬浮推进两种功能，突破地面限制，能帮助使用者在各种路况下安全舒适地驾驶本代步工具。本发明采用多种控制方式相结合，既可以选择自稳模式，也可以选择遥控器、脚部压力控制甚至手机控制等较灵活的方式，提高可操纵性。本发明自带可重复使用电力驱动系统，有充足的电量储备，同时设计了电池快速更换装置使得地面滑跑系统和风力悬浮系统有较长的工作时间。本发明作为一种新型智能代步工具，能节省人们的出行时间、缓解交通拥堵、带给使用者全新的操纵体验，并具有广阔的市场前景。
附图说明
[0032] 图1为本发明的代步工具的爆炸结构示意图；
[0033] 图2为本发明的左视结构示意图；
[0034] 图3为本发明的俯视结构示意图；
[0035] 图4中，(a)为图3中的A-A剖视图，(b)为后轮组件示意图，(c)为前轮组件示意图；
[0036] 图5为图2中的B-B剖视图；
[0037] 图6为图2中的C-C剖视图；
[0038] 图7为本发明的运动分析示意图；
[0039] 图8为本发明的控制原理示意图；
[0040] 图9为本发明的手机端控制界面示意图；
[0041] 图中：
[0042] 1-底座面板、2-涵道风扇安装槽、3-涵道风扇出风口、4-电池箱安装槽、5-涵道风扇、6-涵道风扇调速器、7-电池箱体、8-电池箱内部格栅、9-电池箱盖、10-外壳面板、11-防滑垫、12-压力传感器、13-涵道风扇防护罩、14-智能显示屏、15-涵道风扇进风口、16-LED灯、17-电池箱安装环、18-电池箱充电插口、19-控制模块、20-右前轮电机调速器、21-左前轮电机调速器、22-右前轮、23-轴承套、24-滚动轴承、25-右前轮电机、26-前轮组件安装片、27-前轮轴端螺母、28-前轮桥、29-左前轮电机、30-卡盘、31-电机座、32-主动带轮、33-传动带、34-从动带轮、35-左前轮、36-右后轮、37-左后轮、38-后轮轴端螺母、39-后轮桥、40-后轮组件安装片、41-后轮中心螺母、42-后轮减震垫片、43-后轮中心螺栓、44-后轮减震弹簧、
45-前轮中心螺栓、46-前轮减震弹簧、47-前轮减震垫片、48-前轮中心螺母、49-中央隔框、
50-四周隔框、51-后轮支架、52-前轮支架。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
[0044] 本发明提供的一种基于风力悬浮推进和地面滑跑两用的新型智能代步工具，主要包括框架、地面滑跑系统、风力悬浮系统、控制协调系统和电力驱动系统。地面滑跑系统安装于框架下端，风力悬浮系统和控制协调系统安装于框架内部，电力驱动系统为地面滑跑系统和风力悬浮系统提供动力。
[0045] 如图1、图2、图3和图5所示，所述的框架主要包括底座和外壳，底座和外壳通过螺栓螺母方式连接；
[0046] 所述的底座主要包括底座面板1、涵道风扇安装槽2、涵道风扇出风口3和电池箱安装槽4；底座面板1外形为椭圆状，所用材料为蜂窝结构的碳纤维复合材料，沿着底座面板1一周开12个分别关于底座面板1长短轴对称的涵道风扇出风口3，以流通气流，涵道风扇出风口3的直径与涵道风扇5外壳直径相同，使得涵道风扇与滑板底座之间不留空隙，防止风扇气流吹起地面沙尘进入滑板内部；底座面板1中部设下凸的椭圆状电池箱安装槽4以安置电力驱动系统，电池箱安装槽4所用材料同为蜂窝结构的碳纤维复合材料，并与底座面板1胶合，同时电池箱安装槽4底部开有若干整齐排列的小圆孔，最大限度地减少本装置底座的重量。
[0047] 所述的外壳主要包括外壳面板10、四周隔框50、中央隔框49、防滑垫11、涵道风扇保护罩13、智能显示屏14、涵道风扇进风口15以及LED灯16；外壳面板10采用蜂窝结构复合材料，具有一定厚度，与底座面板1通过螺栓连接；四周隔框50和中央隔框49一方面起到了加强筋的作用，加强了本装置结构强度，另一方面将12个涵道风扇分成A、B、C、D四个区域；中央隔框49与电池箱安装槽4尺寸相同，二者上下贴合将电池箱装入其间，四周隔框50通过环氧树脂胶粘方式连接外壳面板10与中央隔框49，四周隔框50和中央隔框49均开若干减重圆孔；防滑垫11为橡胶材质，与外壳面板10胶粘贴合，表面采用滚花纹路，滑板操作者双脚置于其上，可以提高防滑效果。压力传感器位于防滑垫之下，用于感受操作者脚部压力变化，并传输至控制模块19。智能显示屏14为液晶控制显示器，显示本装置行驶速度、飞行速度、飞行高度、飞行方向、电池剩余电量等参数；外壳面板10上在风扇进气位置开涵道风扇进风口15，并安装涵道风扇防护罩13，涵道风扇防护罩13为不锈钢丝材质编织成的圆形网状结构，其尺寸略大于涵道风扇进风口15的尺寸。LED灯16为设置的指示灯，用于提示代步工具的启动状态和工作状态等。
[0048] 结合图1、图4、图5、图6所示，所述的地面滑跑系统主要包括前轮组件和后轮组件，分别通过前轮组件安装片26和后轮组件安装片40以螺栓连接的方式安装在本装置底座下表面。所述前轮组件主要包括右前轮22、右前轮电机25、前轮轴端螺母27、前轮桥28、左前轮电机29、左前轮35、前轮中心螺栓45、前轮中心螺母48和前轮支架52。左前轮35和右前轮22均通过轴承套23和滚动轴承24分别安装在前轮桥28两端，前轮桥28与前轮支架52通过前轮中心螺栓45和前轮中心螺母48连接。左前轮电机29和右前轮电机25分别固定在前轮桥28两端的电机座31上，电机座31通过螺栓与卡盘30连接，而卡盘30具有卡口与前轮桥28配合，从而实现了电机的固定。在电力驱动系统供电下，左前轮电机29和右前轮电机25分别驱动两端的主动带轮32，并通过传动带33驱动从动带轮34，使得通过螺栓连接在从动带轮34上的左前轮35、右前轮22随之转动。由于本装置质量较大，为了减轻降落时候对地的冲击作用，在前轮中心螺栓45上采用前轮减震弹簧46和前轮减震垫片47共同作用，实现缓冲减震。整个前轮组件的主要作用是支撑滑板和驱动滑板，当使用者在地面滑跑时，可以依靠身体重心的偏移以及脚部施加压力的不同实现滑板的转向。所述后轮组件包括右后轮36、左后轮37、后轮桥39、后轮中心螺母41、后轮中心螺栓43、后轮支架51和后轮轴端螺母38。右后轮36与左后轮37分别通过轴承套23和滚动轴承24安装在后轮桥39两端，并各自通过一个后轮轴端螺母38固定。后轮桥39与后轮支架51通过后轮中心螺母41和后轮中心螺栓43连接。后轮组件与前轮组件相比，没有电机驱动装置，其余组件相同。在后轮中心螺栓43上设置有后轮减震垫片42和后轮减震弹簧44，以减轻降落时候对地的冲击作用。
[0049] 结合图1、图3、图7所示，所述的风力悬浮系统主要为涵道风扇5。本发明实施例中涵道风扇的数量为12个，12个涵道风扇可以提供足够推力而使整个滑板体积最小。涵道风扇5分为A/B/C/D四组，每组3个；涵道风扇5与风扇安装槽2通过螺栓连接，实现涵道风扇在底座上的固定。所述的风力悬浮系统包括左端涵道风扇组A(包括A1、A2、A3)、后端涵道风扇组B(包括B1、B2、B3)、右端涵道风扇组C(包括C1、C2、C3)和前端涵道风扇组D(包括D1、D2、D3)。A、C组涵道风扇的旋转方向相同，B、D组涵道风扇的旋转方向相同且和A、C组涵道风扇的旋转方向相反。本发明实施例中设定A、C组涵道风扇逆时针旋转，B、D组涵道风扇顺时针旋转，当本装置平衡时，涵道风扇扇叶旋转造成的陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。改变各组风扇转速大小，可使得滑板产生相应的动作。
[0050] 结合图1、图6所示，所述的电力驱动系统包括电池箱体7、电池箱内部格栅8、电池箱盖9、电池箱安装环17、电池箱充电插口18以及锂电池单元。电池箱体7通过内部格栅8分为多个区域，每个区域由锂电池单元按一定方式排列填充。电池箱体7放置于电池箱安装槽4内，避免电池箱的晃动引起本装置重心移动。电池箱两侧有安装环17，可以方便使用者快速地从电池箱安装槽4内取出电池箱进行充电、替换电池单元以及维修工作。所述锂电池单元可以是锂离子电芯或者锂聚合物电芯组成的。所述电力驱动系统为整个悬浮本装置的所有电机提供电能。
[0051] 所述的控制协调系统主要包括控制模块19、涵道风扇调速器6、压力传感器12、右前轮电机调速器20和左前轮电机调速器21。控制模块19包含主控芯片、陀螺仪、加速度传感器、接收器、GPS模块、激光高度计等；每一个涵道风扇都配置一个涵道风扇调速器6。
[0052] 本发明的代步工具，是通过控制协调系统的指令使用电力驱动系统驱动地面滑跑系统与风力悬浮系统，实现地面滑跑和风力悬浮推进两种功能。当滑板在地面滑跑时，涵道风扇不工作，电力驱动系统为前轮驱动供电，主控芯片读取陀螺仪、加速度传感器以及压力传感器数据，然后对所得数据进行综合计算，得出滑板的速度信息，结合操作者脚部操纵信号，输出控制信号到右前轮电机调速器20和左前轮电机调速器21。当左前轮电机29和右前轮电机25转速同时增加或减小相同数值时，滑板加速或减速。当左前轮电机29转速增加、右前轮电机25转速减小或反转，滑板向右偏转；当右前轮电机25转速增加、左前轮电机29转速减小或反转，滑板向左偏转。当滑板离地悬浮飞行时，主控芯片读取陀螺仪、加速度传感器激光高度计以及压力传感器数据，然后对所得数据进行综合计算，得出滑板的速度、姿态、高度信息，结合操作者遥控信号和脚部操纵信号，输出控制信号到涵道风扇调速器6从而改变涵道风扇电机转速，保持本装置的平衡，以及实现本装置的上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动和前后运动等。在悬浮飞行时，前轮驱动电机不工作，A、B、C、D四组共12个涵道风扇在电力驱动系统供电下开始工作，实现上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动。
[0053] 结合图7所示，作为优选的本发明控制方式，采用自稳控制和手机无线控制手段相结合，稳定可靠地控制本装置在离地一定高度时的运动。如图7所示，假定以本装置质心为坐标原点O，纵向对称轴为X轴，横向对称轴为Y轴，Z轴为竖直向下，其中X轴正方向运动为向前运动。下面说明实现上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动和前后运动等单个运动的控制方式。
[0054] 1)上下运动，表现为沿Z轴运动。通过各涵道风扇调速器6调节12个涵道风扇电机的输出功率。同时增加12个涵道风扇电机的输出功率，涵道风扇扇叶转速增加使得拉力增加，当总拉力大于本装置重力时，本装置便可以垂直上升；相反地，同时减小12个涵道风扇电机的输出功率，本装置则垂直下降，直至平衡落地；不改变电机的输出功率，可以使得本装置在离地面某一高度悬停。由于不存在完全对称的结构，也没有完全一样的电机和涵道风扇扇叶，所以需要控制模块20进行实时转速调节，这样才能飞起来。
[0055] 2)俯仰运动，表现为绕Y轴运动。提高D组涵道风扇D1、D2、D3电机的输出功率，同时降低B组涵道风扇B1、B2、B3电机的输出功率，D组和B组涵道风扇电机的输出功率的改变量对应相等，使得D组三个涵道风扇的升力LD1、LD2、LD3增加，B组三个涵道风扇的升力LB1、LB2、LB3减少。其余涵道风扇输出功率不改变，则产生一个不平衡力矩M1使得本装置绕Y轴转动，本装置抬头。相反地，如果降低D组涵道风扇D1、D2、D3电机的输出功率，同时提高B组涵道风扇B1、B2、B3电机的输出功率，D组和B组涵道风扇电机的输出功率的改变量对应相等，其余涵道风扇输出功率不改变，本装置产生低头运动。
[0056] 3)滚转运动，表现为绕X轴运动。提高A组涵道风扇A1、A2、A3电机的输出功率，同时降低C组涵道风扇C1、C2、C3电机的输出功率，A组和C组涵道风扇电机的输出功率的改变量对应相等，使得A组三个涵道风扇的升力LA1、LA2、LA3增加，C组三个涵道风扇的升力LC1、LC2、LC3减少。其余涵道风扇输出功率不改变，则产生一个不平衡力矩M2使得本装置绕X轴转动，本装置左端上倾，向右倾斜。相反地，如果降低A组涵道风扇A1、A2、A3电机的输出功率，同时提高C组涵道风扇C1、C2、C3电机的输出功率，A组和C组涵道风扇电机的输出功率的改变量对应相等，其余涵道风扇输出功率不改变，则本装置向左倾斜。
[0057] 4)偏航运动，表现为绕Z轴运动。当12个涵道风扇电机转速相同时，涵道风扇叶片产生的反扭矩相互平衡，本装置不发生绕Z轴的转动；当涵道风扇电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起本装置转动。当B组和D组涵道风扇的电机转速上升，A组和C组涵道风扇的电机转速下降时，B组和D组涵道风扇的旋翼对本装置的反扭矩大于A组和C组涵道风扇旋翼对本装置的反扭矩，而总体升力大小不改变，本装置便在多余反扭矩的作用下绕Z轴转动，实现向左偏转。当B组和D组涵道风扇的电机转速下降，A组和C组涵道风扇的电机转速上升时，B组和D组涵道风扇的旋翼对本装置的反扭矩小于A组和C组涵道风扇旋翼对本装置的反扭矩，实现向右偏转。
[0058] 5)前后运动，表现为沿X轴运动。减少D组涵道风扇D1、D2、D3电机的输出功率，增加B组涵道风扇B1、B2、B3电机的输出功率，其余A组和C组的6个涵道风扇电机功率以及转速不变，则本装置发生一定程度的俯仰倾斜，通过控制模块自动调节达到某一个俯仰角度后保持平衡，从而使涵道风扇的升力产生了水平分量，使本装置在水平拉力的作用下向前运动；相反地，可以实现本装置后退运动。
[0059] 结合图8所示，所述的自稳控制包括高度控制和姿态控制。基于现有飞控系统的原理，姿态控制通过IMU(惯性测量单元)姿态解算后进行PID(比例-积分-微分)控制，实现自身最小化倾斜。高度控制通过激光高度计测得高度后，实现飞行器定高悬停。对高度控制设置高度阈值50cm，使本装置始终保持安全飞行高度。高度控制和姿态控制均是通过本装置上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动和前后运动的组合来实现的。本装置中控制模块即飞控，可采用如APM，pixhawk，大疆飞控等。
[0060] 结合图9所示，所述的手机无线控制是指在控制模块的主板中安装Wi-Fi或者蓝牙模块，通过手机端遥控本装置。设计了一个手机端控制界面，界面下方模拟固定翼飞机遥控器设计了油门、副翼、升降舵、方向舵四个通道的操纵。上方菜单栏从左到右依次设置4个按钮和两个显示标志，按钮1表示无线连接状态，分为“未连接”和“已连接”；按钮2表示微调，在停飞状态下按此键进行相关通道设置；按钮3表示控制模式选择，分两个控制模式：一是手动触摸操纵，即在屏幕上操纵摇杆，二是手机重力感应控制；按钮3表示触摸灵敏度设置，可以调节控制力度；最右边两个显示标志分别表示无线连接的信号强弱以及本装置电池电量剩余水平。
[0061] 所述的脚部压力操纵是指压力传感器感受操作者脚部压力实现滑板的上下以及左右运动。当操作者从滑板上意外坠落时，压力传感器感受到压力变化，控制模块输出控制信号，减少涵道风扇电机转速或断开电源，防止滑板快速上升。当脚部前部与后部压力差值到达一定阈值时，控制模块输出信号，实现滑板的向前或者向后运动。当脚部左部与右部压力差值达到一定阈值时，控制模块输出信号，实现滑板的向右或向左偏转。
[0062] 本装置的使用者立足于外壳面板10上的防滑垫11，在离地悬浮时，装置和人整体重心产生的偏移，通过所述的自稳控制保持整体的高度稳定和姿态稳定；通过遥控器或者所述的手机无线控制方式以及所述的脚部压力操纵实现整体的上下运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动和前后运动。
[0063] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
