自主飞行救护车的制作方法

发明领域

本申请大体上涉及自主飞行交通工具。具体地，本申请针对能够在包括城市环境在内的各种环境中运输人或其他有效载荷的自主飞行交通工具。

背景

在当今社会，较小型的个体航空运输交通工具系统正日益发挥着越来越大的作用。随着设计的快速改进以及尺寸和成本的降低，小型航空交通工具正被用于日常生活的更多领域。一些用途包括运输小包裹，以及在军事行动中提供后勤和战术支持。在某些情况下，航空运输交通工具增加了系统的自主性，以去除人为控制因素。然而，需要改进的系统和方法来快速且有成本效益地部署能够在各种环境中展开的航空运输机(airtransport)。

发明概述

根据本发明的许多实施例的系统和方法针对改进的运输系统，该运输系统可用于包括医疗航空运输领域在内的各种情况。

在许多实施例中，提供了自动化航空运输系统和控制方法，其提高了这种系统的可靠性和功能性。

许多实施例包括具有外表面的长形的主体，该主体具有顶部、底部、第一侧部和第二侧部以及前部和后部，使得外表面进一步限定内腔。主体还具有穿过第一侧部和第二侧部设置的开槽开口，并且在主体内位于主体的上部附近。开槽开口可被配置成接纳翼面(airfoil)，该翼面设置在开槽开口内，并被配置成在飞行期间产生升力。此外，许多实施例包括多个侧旋翼(siderotor)，每个侧旋翼具有旋翼壳体。每个旋翼沿着第一侧部和第二侧部中的每一个设置在主体的底部附近，使得主体的大部分设置在多个旋翼上方。每个旋翼连接到具有近端和远端的长形侧轴，其中该近端连接到主体且该远端连接到旋翼壳体。每个旋翼也可以连接到设置在内腔内的动力系统。根据许多实施例，该航空运输交通工具还具有第一后旋翼，该第一后旋翼具有旋翼壳体，并被设置在距主体的后部的预定距离处，并连接到长形支撑轴，该支撑轴具有第一端和第二端，其中第一端连接到主体，第二端连接到旋翼壳体。后旋翼还连接到动力系统。根据许多实施例，航空运输交通工具还包括控制器系统，该控制器系统设置在内腔内，并与多个侧旋翼和第一后旋翼电连通，并配置成协调旋翼中的每个的旋转力矩，从而产生相应的推力，使得运输机进一步包括竖直运动和水平运动。竖直运动可以由至少多个侧旋翼产生的竖直推力控制。水平运动可通过由第一后旋翼和协调旋转的多个侧旋翼组成的组产生的推力来控制，其中翼面在水平运动期间还产生升力。

在其他实施例中，翼面(airfoil)也可以由相对地设置在开槽开口内的第一翼面和第二翼面组成，并且其中第一翼面和第二翼面中的每一个可旋转地连接到其主体，并且还连接到机械驱动系统，该机械驱动系统被配置成接收来自控制器系统的控制输入，并且将控制输入转换成第一翼面和第二翼面中的每一个的协调旋转运动，使得翼面可以被设置成展开构型和存放构型。处于展开构型的翼面被定位成使得翼面的横截面在水平运动期间保持平衡以产生升力。处于存放构型的翼面被定位成使得其横截面不产生升力。

在还有其他实施例中，多个侧旋翼中的每一个可绕垂直于主体的纵向轴线延伸的固定轴线旋转，其中其旋转能够产生旋翼的推力矢量(thrustvectoring)。

在另外其他实施例中，第一后旋翼可绕垂直于支撑轴的轴线旋转，使得第一后旋翼可根据第一后旋翼的期望位置产生推力矢量，其中第一后旋翼的旋转由与控制系统连通的旋转马达控制，并且其中第一后旋翼的位置由控制系统控制。

在还有另外的其他实施例中，旋转马达设置在主体内，并在位于长形支撑轴的第二端的枢轴点处连接到第一后旋翼。

在其他实施例中，旋转马达设置在第二端，并封闭在旋翼壳体内。

在还有其他实施例中，内腔被配置成容纳人。

在另外其他实施例中，航空运输交通工具还包括入口门(accessdoor)，其中入口门设置在运输机的前部上，并通过从由铰链和滑动机构组成的组选择的装置连接到运输机的主体。

在还有另外的其他实施例中，航空运输交通工具还包括检修面板(accesspanel)，其中检修面板操作以允许接近运输机的内部部件。

在其他实施例中，检修面板设置在主体上从由底部和每个侧部组成的组中选择的位置。

在还有的其他实施例中，航空运输交通工具包括设置在多个侧旋翼和第一后旋翼中的每一个上的管道护罩，其中该管道护罩具有可变的横截面，使得旋翼末端处的推力的损失最小化并且旋翼的气流速度最大化。

在另外的其他实施例中，航空运输交通工具包括平行于第一后旋翼设置在主体的纵向轴线的相对侧的至少第二后旋翼。

在还有另外的其他实施例中，护罩形成为固定的单机翼(fixedsinglewing)，其被配置成产生升力。

在其他实施例中，第一后旋翼和第二后旋翼中的每一个可绕垂直于支撑轴的轴线旋转，使得该第一后旋翼和至少第二后旋翼可根据后旋翼的期望位置产生推力矢量，其中该第一后旋翼和至少第二后旋翼的旋转由与控制系统连通的旋转马达控制，并且其中后旋翼的位置由控制系统控制。

许多实施例包括用于控制包括多旋翼固定机翼运输交通工具的航空运输机的方法。许多实施例可包括获得根据本文所述的各种实施例的多旋翼固定机翼运输机。多旋翼固定机翼运输机的期望位置输入可以在飞行之前和/或飞行期间产生。也可以产生多旋翼固定机翼运输机的期望姿态。期望的位置可以被传送到位置控制器，其中位置控制器将位置输入转换成速度分量输入，以产生相应的力反馈输入。期望的姿态和所产生的力反馈可以组合在力分配模块中，并为姿态控制器产生姿态输入，其中姿态控制器产生输入到速率控制器中的期望的旋量输入(wrenchinput)；速率控制器将期望的旋量转换成力矩分配模块的力矩输入。此外，力矩输入和来自力分配模块的力反馈可以组合到控制分配模块中。随后，控制分配模块可以将适当的力产生电压(forcegenerationvoltages)分配给多个侧旋翼和后旋翼。

另外的实施例和特征部分地在下面的描述中阐述，并且在查阅说明书后部分地对于本领域技术人员将变得显而易见，或者可以通过本公开的实践来了解。通过参考构成本公开的一部分的说明书的其余部分和附图，可以实现对本公开的性质和优点的进一步理解。

附图简述

参考下面的附图将更充分理解本描述，这些附图作为本发明的示例性实施例被呈现，并且不应当被解释为本发明的范围的完整叙述，其中：

图1a示出了根据本发明的实施例的航空运输交通工具的空气动力学主体的俯视图。

图1b示出了根据许多实施例的空气动力学主体的侧视图。

图1c和图1d示出了根据本发明实施例的空气动力学主体的前视图和透视图。

图2a和图2b示出了根据本发明实施例的带有机翼的航空运输交通工具的侧视图和俯视图。

图2c和图2d示出了根据本发明实施例的带有机翼的航空运输交通工具的前视图和透视图。

图3a示出了根据本发明实施例的具有机翼和推进系统的航空运输交通工具的侧视图。

图3b示出了根据本发明实施例的具有机翼和推进系统的航空运输交通工具的俯视图。

图3c和图3d示出了根据本发明实施例的具有机翼和推进系统的航空运输交通工具的前视图和透视图。

图4a至图4c示出了根据一些实施例的推进系统的一部分的可变的位置。

图5a和图5b示出了根据许多实施例的后旋翼的基于安置的相应推动能力。

图6a至图6d示出了具有管道旋翼的本发明实施例的各种视图。

图7示出了根据许多实施例的相应升力能力。

图8示出了许多实施例相应的阻力特性。

图9示出了本发明实施例的俯视图。

图10a和图10b示出了根据各种实施例的在机翼展开的情况下的航空运输交通工具的俯视图和侧视图。

图11a和图11b示出了根据各种实施例的在机翼收回的情况下的航空运输交通工具的俯视图和侧视图。

图12示出了具有入口门的本发明实施例的透视图。

图13示出了具有各种内部部件的实施例的横截面视图。

图14a和图14b示出了关于航空运输交通工具主体的簇气流测试(tuftairflowtest)。

图15示出了根据本发明一些实施例的控制器架构(framework)。

图16示出了根据本发明的许多实施例的控制器架构。

图17是根据各种实施例的速度跟踪的图示。

图18是根据各种实施例的迎角以及由此产生的代表性升力和阻力的图示。

发明详述

现在转向附图，示出了根据本发明各种实施例的航空运输交通工具系统和控制自动化航空运输交通工具系统的方法。在几个实施例中，航空运输系统包括被配置成在竖直起飞情况下产生升力的多个侧旋翼。此外，在各种实施例中，侧旋翼可以操作以向前推进航空运输交通工具向前飞行。在许多实施例中，航空运输交通工具还包括后旋翼。在一些实施例中，后旋翼可以操作来提供向前的推力，或者也可以操作来为该交通工具提供升力。在一些实施例中，旋翼中的一个或多个可被配置成倾斜，从而产生推力矢量能力，以帮助竖直地和水平地推进航空运输交通工具。在许多实施例中，航空运输交通工具具有某种形式的固定机翼。固定机翼有助于航空运输交通工具利用翼面的升力性质，允许传统的固定机翼飞机有更长更有效的持续飞行。在许多实施例中，固定机翼部分可以被设计成在航空运输交通工具的主体的任一侧可缩回，从而允许减少交通工具的占地面积(footprint)，并允许航空运输交通工具进入各种情况。具有多个旋翼和可缩回固定机翼部分两者的航空运输交通工具可以消除对长跑道的需要，并允许交通工具进入传统飞机无法进入的一些区域。

在许多实施例中，航空运输交通工具的主体可以是仿生的，以减少阻力并提高航空运输交通工具的提升能力。例如，在一些实施例中，主体可以采取类似于箱鲀(boxfish)的形状，其中前部更具钝形(blunter)，尾部更具渐缩的形状。在许多实施例中，主体的轮廓可以类似于箱鲀的轮廓，该轮廓在许多方面可以表现出与翼面相似的升力特性。然而，内部形状的尺寸可以被适配成容纳各种有效载荷，包括但不限于人类。在交通工具主体内部承载有效载荷的能力允许主体的设计针对空气动力学功能进行优化，而与有效载荷无关。因此，许多实施例能够进行更长更有效的飞行，有效载荷对交通工具上的动力和控制系统增加很小的应变。此外，许多实施例可以将旋翼定位在交通工具的主体下方，从而改变重心，进一步改善整个航空运输交通工具的空气动力学性能。

在许多实施例中，控制系统与一个或多个动力系统和/或一个或多个传感器系统结合使用，以允许自主飞行能力。

在几个实施例中，航空运输交通工具系统被配置为医疗航空运输交通工具系统。通过在现场提供更高水平的护理以及快速接近创伤中心，医疗航空运输机在扩大急救医疗服务(ems)的紧急护理能力方面可以扮演重要的角色。许多因素影响调度员使用固定机翼飞机或医疗装备旋翼飞机(medicallyoutfittedhelicopter)的决定，其主要目的是提供适当的鉴伤分类级别，同时保护机组人员和病人。天气、空中交通模式、到最近的创伤中心的距离和/或到最近的创伤中心的实际路径(access)(即到附近简易机场或旋翼飞机停机坪的路径)都会影响派遣的可能性和类型。

主观协议和培训经常被用来尝试最好地确定空中ems的必要性，平衡快速护理的需要和结果的严重性、风险和成本，对机组人员和病人都是如此。在许多情况下，当基于地面的服务被认为不合适(如太慢、无法接近或两者兼有)的时候，就采用空中ems。由于基础设施的成本和要求，空中ems被认为是第二个、尽管有效的选择。一个空中救护班(airambulanceclass)有两个主要的选择:特殊装备的旋翼飞机(军事术语中的medevac)和医疗装备固定机翼飞机。旋翼飞机的航程有限，而固定机翼飞机可能需要特殊的基础设施(如简易机场)以进行起飞和降落。此外，大多数当前的空中救护交通工具都是人工操作的，这可能使它们面临人为错误、人的疲劳和/或需要额外的时间来进行简报和登机操作。

根据本发明的各种实施例，飞行自动救护车可以通过提供更客观的工具集来帮助支持现有的ems协议，即，在紧急情况之前很久就意识到其能力并且无需现场调度员和飞行员判断的医疗运输交通工具。这可以包括(但不限于)关于天气调整、地面和空中交通、最近适当创伤中心的位置以及往返创伤现场的最快和最安全航迹的自主“决策”。此外，各种实施例可包括使用冗余推进系统来增加飞行稳定性，这可有助于自动救护车或航空运输交通工具可用于的最终的部署和恢复任务。

此外，根据本发明的几个实施例的飞行自动救护车可以通过将旋翼飞机和固定机翼飞机的优点(分别是进入(access)和航程)结合在一个可行的交通工具中来帮助避免传统飞机的缺点。例如，固定机翼式飞机需要会占用大面积土地的地理占地面积。同样，旋翼飞机也有不能长时间持续飞行以及降低高度限制的缺点。然而，将两种系统的优势结合起来会有助于克服一些局限性。根据本发明的许多实施例，航空运输交通工具可以在现有的医疗旋翼飞机停机坪基础设施处起飞和降落，同时像固定机翼飞机一样，航空运输交通工具可以在速度和航程方面提供更大的潜力。根据本发明的许多实施例的航空运输交通工具可以有效地将固定机翼飞机和旋翼飞机的优点包装在单一的、装备良好的混合动力交通工具中，其互补的设计可以扩展空运ems的使用。变形的形状结合大量较小的旋翼，而不是一个较大的旋翼，可以有助于形成较小的占地面积，这可以允许该航空运输交通工具在以其他方式可能难以到达的区域运行。

现在转到附图，这里描述了针对各种航空运输交通工具的许多实施例，这些航空运输交通工具结合了固定机翼式飞机和螺旋机翼式飞机的优点及其改进，以扩展航空运输交通工具的潜在用途和能力。例如，图1a至图1d示出了航空运输交通工具100的依照空气动力学成形的主体。根据许多实施例，航空运输交通工具的主体可以具有仿生形状。例如，图1b所示的轮廓示出了具有前部120的主体，前部120可以是钝形的，顶部125可以是圆拱形的，具有渐缩后部140。这种轮廓可以类似于箱鲀或任何数量的生物相关物体的轮廓。该侧视图提供了插入部(insert)110或开口的视图，在航空运输交通工具飞行期间，机翼可以存放在该插入部或开口中，并随后从该插入部或开口展开。虽然图示的机翼被示出为可缩回的，但是根据本发明的许多实施例的航空运输交通工具可以根据给定应用需求包括永久式固定机翼或永久式展开机翼和/或无机翼。关于术语机翼，许多实施例指的是成形以充当翼面的主体。各种机翼构型的描述将在下面参考多个随后的附图进行讨论。

图1b还示出了各种安装件130，根据本发明的各种实施例，各种推进系统可以从该安装件130安装。根据许多实施例，针对主体100的相应尺寸，侧旋翼的数量可以少至4个，多至所需的数量。例如，在此示出的实施例示出了沿着航空运输交通工具的侧面设置的至少六个侧旋翼。根据许多实施例，各个旋翼的间隔也可以是模块化的。例如，安装件位置130不是均匀间隔的。最后面的位置与前面两个位置的间距不相等。根据各种实施例，旋翼安装的模块化可以允许旋翼安装成使得旋翼的功能不会干扰固定机翼的功能或升力。

主体100的形状可以提高在航空运输交通工具向前移动期间产生的升力。例如，航空运输交通工具主体100的俯冲轮廓可以类似于箱鱼的轮廓，或者甚至类似于翅膀的轮廓。更具钝形的前部120和渐缩的后部140可允许改善航空运输交通工具主体上方的空气动力流，同时为承载的有效载荷提供大量内部空间。这里将进一步说明，主体可以增加航空运输交通工具的总升力并减小阻力。本领域普通技术人员将会很好地理解，在任何航空交通工具上提高升力和降低阻力都会是任何设计的期望要素。

根据本发明的许多实施例的航空运输交通工具可以提供模块化。例如，图1b、图1d和图2a示出了沿着主体100的长度定位的各种安装件位置130。例如，安装件位置可用于安装推进系统，以便为航空运输交通工具的飞行提供升力和推力。根据本发明的多个实施例，可以由航空运输交通工具使用的各种推进系统将在下面进一步讨论。

现在转向图2，示出了根据本发明实施例的具有固定机翼部分210的航空运输交通工具。根据传统飞机的固定机翼是指在飞行过程中处于固定位置的机翼。机翼是这种固定机翼飞机的一部分，用于产生持续飞行的升力。固定机翼与螺旋机翼式飞机形成对比，螺旋机翼式飞机中机翼绕轴线旋转，产生飞行所需的升力；类似于旋翼飞机。图2a-图2d所示的实施例是依照空气动力学设计的主体100，具有能够产生升力的固定机翼210。根据许多实施例，机翼部分210可以绕轴线220旋转，使得机翼可以具有多种位置，其旋转可以由连接到动力系统(未示出)和控制系统(未示出)的马达(未示出)操作。例如，图2b示出了处于展开位置的机翼210，使得机翼210基本上垂直于航空运输交通工具的主体100的纵向轴线定位。根据各种实施例，机翼的展开位置可以有助于增加航空运输交通工具的提升能力，这可以有助于延长持续飞行。这些实施例可以提高各种应用的飞行效率。图2c和图2d示出了处于展开位置的机翼210的附加视图。

如同任何飞机一样，根据本发明的许多实施例的航空运输交通工具可以具有多个推进系统。例如，图3a至图3d示出了具有固定机翼和螺旋机翼式部件两者的航空运输交通工具的示例性实施例。在图3a中，可以示出航空运输交通工具的主体可以具有后部推进系统，该后部推进系统包括位于主体后部的后旋翼310、马达320和支撑轴340。此外，主体可以装备有竖直推进系统，该系统具有水平定向的侧旋翼330。沿着主体的长度可以定位有多个侧旋翼330。这种推进系统可被配置成与固定机翼部分210的提升效果相结合，以改善航空运输交通工具的总体飞行特性[ax1]。

图3b示出了根据本发明实施例的航空运输交通工具的侧旋翼的物理布局。可以看出，每个侧旋翼330可以沿着航空运输交通工具的主体长度定位在不同的位置。侧旋翼330的定位可以根据机翼210和主体100的整体设计而变化。例如，图3b所示的实施例显示了至少六个侧旋翼330，它们沿着主体的长度定位在不同的位置。前侧旋翼330a和后侧旋翼330b之间的距离可以变化，以适应展开的机翼。例如，侧旋翼的定位可以被配置成使得最后面的侧旋翼330b在飞行期间不会干扰机翼210的提升性质。如稍后将说明的，当处于重要操作时，侧旋翼可能会破坏机翼下方的气流模式，从而降低航空运输交通工具的整体提升能力。因此，侧旋翼330的模块化可以适应结合了螺旋机翼式部分的固定机翼部分的应用。

根据许多实施例，侧旋翼可以执行航空运输交通工具的两个关键功能。第一个功能是竖直起飞和着陆。侧旋翼的性能可类似于传统旋翼飞机上的单个旋翼，或四旋翼飞机上可见的多个旋翼。侧旋翼的旋转可以用于在准备水平飞行时产生升力并将航空运输交通工具竖直推进空中。此外，旋翼可被配置成独立地改变航空运输交通工具的俯仰、偏航和翻转。在许多实施例中，侧旋翼由控制单元(未示出)控制，以执行竖直起飞、水平飞行、飞行机动性和竖直着陆的功能。竖直推进系统的使用允许航空运输交通工具通过减少展开位置的占地面积来利用旋翼飞机的优势。根据许多实施例，一个或更多个侧旋翼330可被配置成绕平行于每个旋翼的支撑轴的轴线旋转，如图3a中的旋转箭头所示。尽管未示出，但航空运输交通工具可配置有额外的驱动机构来使侧旋翼330旋转，以改变航空运输交通工具的提升和推动能力，从而有助于更持续和稳定的飞行。

根据许多实施例，航空运输交通工具可以具有位于交通工具后部的附加的一组旋翼。如图3a和图3b所示，后旋翼310可以位于航空运输交通工具的后部。后旋翼的位置可能因航空运输交通工具的总推力要求而变化。如图3a和图3b所示，后旋翼可以定位成使得旋翼的旋转轴线平行于主体100的纵向轴线。这种定位将允许后旋翼提供向前推力或向后推力。如在图3a和图3b中所定位的，后旋翼可以被配置成辅助或替代侧旋翼用于水平飞行的功能。后旋翼310可被配置成提供足够的推力，使得在水平飞行期间一旦操作，就可减少或消除对侧旋翼的动力，从而充分利用固定机翼的提升性质。虽然仅示出了两个后旋翼，但是可以理解，可以使用任何数量的后旋翼来产生航空运输交通工具所需的力。尽管在图3a-图3d中示出了特定的旋翼构造，但是应当理解，旋翼的位置和它们的相对推力矢量可以根据期望的飞行特性进行调节。例如，在一些实施例中，旋翼转速的变化可以调节交通工具的俯仰、偏航和/或翻转，这可以允许从竖直飞行过渡到水平飞行。然而，在其他实施例中，一个或更多个旋翼相对于交通工具主体的纵向轴线的角度可以调节或旋转，以针对水平飞行提供额外水平推力，从而增加机翼和依照空气动力学成形的主体的升力。

根据许多实施例，后旋翼也可以是可调的。例如，图4a至图4c示出了后旋翼310可以采取的几个位置，以便提高航空运输交通工具的实施例的整体飞行能力。例如，图4a示出了处于竖直位置的后旋翼310，其保持平衡以便为航空运输交通工具产生水平推力。如前所述，这种构造可以在水平飞行过程中与侧旋翼一起使用，或者完全独立于侧旋翼使用。

图4b示出了可用于推力矢量的后旋翼310的过渡状态。推力矢量可用于在各种位置控制或操纵航空运输交通工具。在可以使用这种航空运输交通工具的各种环境中，这种推力矢量可以有助于提高飞行特性和飞行能力。例如，城市环境中可能有不断变化的地形，有其他移动的交通工具和人，还有固定的障碍物，这会需要通过使用推力矢量来提高飞行能力。在任何情况下，推力矢量也可用于简单地将航空运输交通工具减速至所需速度。

图4c示出了以与侧旋翼类似的水平位置定向的后旋翼。侧旋翼的水平位置在各种情况下可能是优选的，例如，在飞行期间旋翼发生故障的情况下。根据许多实施例，水平定位的后旋翼可用于为竖直起飞和着陆提供竖直推力。下面进一步描述对根据本发明的各种实施例的这种系统的控制。

回到附图，图5a和图5b示出了根据本发明的各种实施例，由航空运输交通工具的后旋翼可产生的相对推力。具有来自后旋翼310的改进的推力特性在任何情况下都会是期望的。因此，确定对这种旋翼的最佳安置可以在许多实施例中变化。例如，图5a和图5b中的数值代表后旋翼相对于靠近航空运输交通工具后部的物理位置的推动能力。图5a示出了处于“自由形式”构型或向前运动中的后旋翼的相应的标准化推力值。图5b示出了当航空运输交通工具处于“悬停(hover)”位置时的相应推力值。根据许多实施例，后旋翼310可以定位成更靠近航空运输交通工具的后部，而不是更远离，以提高航空运输交通工具的整体推力能力。航空运输交通工具的许多实施例可以具有位于主体尾部的后旋翼310，以增加旋翼的整体推动性能。

旋翼在主体尾部的安置根据压力原理和旋翼产生推力时产生的压差来操作。追踪通过控制容积的各个站的压力，表明已知区域的圆盘上的压差与它产生的推力直接相关，推力的大小取决于入口和尾部条件。旋翼的推力取决于旋翼本身的压差。根据许多实施例，主体的轮廓能够降低主体尾部中的压力，并且因此将后旋翼310置于尾部中可以允许旋翼上更大的压力差，从而增加其推动能力。容易理解的是，根据本发明的实施例，后旋翼在航空运输交通工具上的具体安置通常取决于指定应用的需求。

空气动力学在任何航空运输交通工具设计中充当关键因素，有助于提高飞行效率，从而延长飞行寿命。根据一些实施例，如图6a和图6b所示，航空运输交通工具的机翼可以以更后掠的构型(sweptbackconfiguration)620部署。虽然没有完全伸展，后掠设计也能够在航空运输交通工具展开期间产生持续向前飞行的升力，从而减少侧旋翼上的应变，并最终增加动力系统的寿命。

在其他实施例中，旋翼310和330可以配置有护罩610。护罩610可设计成有助于来自旋翼的定向气流(directionalflow)。换句话说，护罩有效地产生了管道旋翼构造，这可以降低噪音并增加旋翼的推动能力。例如，管道旋翼有助于减少暴露的旋翼尖端的推力损失。此外，许多实施例可以具有横截面变化的管道，以帮助提高旋翼上方气流的速度和压力，从而提高旋翼的推动能力。根据许多实施例，管道的变化的横截面也可以产生更符合空气动力学的设计，以帮助减少因为向旋翼增加管道而自然地可见的阻力。

图7和图8中所示的图表说明了根据航空运输交通工具的各种实施例的航空运输交通工具可以影响飞行期间经受的总升力和阻力。例如，图7示出了单独的主体可以被设计成产生一定的升力，该升力最终可有助于整体飞行能力。此外，增加护罩(sc-twds)不会对航空运输交通工具的提升能力产生不利影响。然而，相比之下，图8中的曲线图说明了包括护罩可以显著增加航空运输交通工具上的阻力的量。

根据一些实施例，护罩可以被封闭在第二机翼结构910中，如图9所示。根据许多实施例，辅助机翼910可被配置成遮蔽旋翼，从而提高旋翼的推力以及利用适当轮廓来产生升力，并减少来自遮蔽的旋翼的阻力影响。根据许多实施例，机翼910可以被配置成允许旋翼仍然相对于支撑轴旋转，以帮助航空运输交通工具向前飞行。根据一些实施例，辅助机翼910可以是交通工具的唯一机翼。换句话说，一些实施例可以包含固定机翼，该固定机翼被配置成产生竖直升力，同时容纳多个能够产生利用机翼的升力性质所需的竖直起飞和水平推力的旋翼。在一些实施例中，机翼可以被认为是交通工具主体的延伸。

为了进一步改善航空运输交通工具的空气动力特性以提高飞行能力，根据本发明的许多实施例的航空运输交通工具被配置有尾部机翼1030。根据一些实施例，如图10a-图11b所示的尾部机翼1030可以附接到主体的后部。在航空运输交通工具飞行期间，维持由航空运输交通工具的飞行自然地产生的旋量和力矩是很重要的。旋量是指平行的力矢量和力偶或扭矩矢量的组合，它们产生旋量空间。对旋量空间的控制最终是通过在飞行过程中维持航空运输交通工具的整体俯仰、偏航和翻转来管理的。根据许多实施例，利用尾部机翼可以更好地保持飞行特性，特别是航空运输交通工具的俯仰。增加尾部机翼可以改善俯仰力矩的阻尼和偏航稳定性，从而允许航空运输交通工具提高其速度能力。根据许多实施例，航空运输交通工具能够以25m/s的速度巡航。尽管示出了特定的尾部机翼构型，但是应当理解，可以使用任何将提供对航空运输交通工具的期望控制的构型。

根据许多实施例，航空运输交通工具的主体100可以配置有货舱区域1010。根据一些实施例的货舱区域可以被配置成空运人类主体(未示出)的交通工具。在其他实施例中，货舱区域可以被配置成容纳各种有效载荷，包括(但不限于)小型或中型包裹、机器人或其他机械部件、医疗用品、用于个人递送的个人物品，例如笔记本电脑，或者任何其他的适合于期望应用的包裹。

尽管没有明确示出，但是货舱区域可以延续航空运输交通工具主体的内部空间的长度。在一些实施例中，该空间可以配置有各种鉴伤分类组件，这些鉴伤分类组件可以用于为受伤的对象提供护理。根据许多实施例并且如图10至图12b所描绘的，货舱区域1010可以配置有入口门1020。在许多实施例中，入口门1020可位于航空运输交通工具的前部附近，并被配置成空气动力学轮廓以符合主体100的整体形状。在许多实施例中，入口门可以通过铰链或滑动机构连接到主体。这种铰链和/或滑动机构可用于允许入口门完全暴露货舱区域1010，以允许货物、人类或其他物品容易进入。根据许多实施例，货舱区域1010可以配置有约束系统，使得货物可以在航空运输交通工具飞行期间安全地定位在货舱区域内。

根据许多实施例，航空运输交通工具的主体100可以配置有如图12所示的检修面板1210，其可以允许接近航空运输交通工具的内部部件。这种检修面板1210对于允许维护航空运输交通工具会是重要的。在一些实施例中，检修面板1210可以位于主体的侧面，而在其他实施例中，检修面板可以位于主体的下侧。检修面板可以位于为用户提供足够接近的任何位置。

除了运载人类对象之外，航空运输交通工具的许多实施例将被配置成容纳某些必要的内部部件，例如动力系统、控制系统以及将动力系统和控制系统连接到各种外部部件(例如可展开的机翼、侧旋翼、后旋翼和/或尾翼)的机械和/或电气连接。图13示出了根据实施例的航空运输交通工具的横截面视图。根据许多实施例，航空运输交通工具的内部隔间可以容纳许多部件，包括但不限于主计算机1355以及电子速度控制器1325、飞行控制器1335、电池1345、电源管理模块以及各种其他飞行成像系统，以帮助航空运输交通工具的自主飞行控制。

由于使航空运输交通工具自主运行会是希望的，所以许多实施例可以包括gps单元1310。根据一些实施例，gps单元1310可以位于航空运输交通工具的主体内，或者可以位于允许gps单元1310起到为航空运输交通工具提供引导的作用的任意数量的位置。

除了gps单元1310之外，许多实施例可以包括各种成像系统和部件，它们可以与gps单元1310以及飞机上的其他控制系统一起工作。例如，一些实施例可以包括第一人称视角摄像机1315，其可以允许远程用户直观地看到在飞行中或者在交通工具使用中的任何时候的航空运输交通工具的路径视图。其他系统可以包括立体摄像机1320和/或lidar系统1340。立体摄像机1320可以操作来模拟人的双目视图。换句话说，立体摄像机可以帮助生成周围地形的三维图像，并将该图像与诸如主计算机1355和飞行控制器1335之类的其他控制组件进行协调，以调整航空运输交通工具的飞行路径。

lidar系统1340同样可以操作来生成指定目标的三维图像。例如，当在自主飞行中时，航空运输交通工具可以接收特定位置的特定人的目标指令。lidar系统1340可以与主计算机1355、立体摄像机1320、飞行控制器1335和其他控制器连通，以生成到目标的飞行路径，并正确识别用于运输的目标。根据许多实施例，目标可以是人或其他有效载荷，例如包裹。其他实施例可以包括单目摄像机1330，以帮助航空运输交通工具的自主飞行。

根据各种实施例，航空运输交通工具可以由电子电池1345供电，如图13中的实施例所示。电池可足以操作所有的电子控制系统以及飞行所需的各种旋翼。此外，电池可足以操作连接到航空运输交通工具的机翼210的机械控制系统，该机翼210可以如前所述从展开位置调节到非展开位置。

根据许多实施例，自主交通工具可能需要复杂的控制软件来充分管理交通工具在各种地形和环境中的飞行。因此，主计算机1355可操作以从包括但不限于gps单元1310和各种成像系统(1315、1320、1330和1340)的各种输入系统中的每一个接收输入，并将该输入转换成对旋翼的一组控制。例如，主计算机1355可以与飞行控制器1335连通，每个旋翼需要必要的动力和速度，以便通过调节航空运输交通工具的俯仰、翻转和偏航来维持稳定性。随后，动力控制模块1350和电子速度控制器1325可以将所需的输出传送和/或分配给旋翼，以根据需要调节飞行。航空运输交通工具还可以配备各种冷却系统(未示出)，以减少部件上的热应变并允许有效操作。

许多实施例可以实施多种控制方法来正确控制交通工具的飞行。在主计算机和其他控制系统中使用的控制方法和算法中的一些可以在这里进一步说明。

控制器的实施例

现在参考航空运输交通工具的空气动力性能和控制。根据许多实施例，航空运输交通工具可以被设计用于悬停和持续向前飞行操作两者，这增加了航空运输交通工具在各种情况下的功能和能力。保持航空运输交通工具的可控性会是航空运输交通工具的一个重要方面；尤其是当航空运输交通工具用于运输贵重货物时。

在许多实施例中，重要的是使空气动力性能最大化，从而增加持续飞行的能力。这些方面可有助于提高航空运输交通工具的航程和效率。例如，在许多实施例中，航空运输交通工具可以配置有多个侧旋翼330，如图1a至图6b所示。当处于持续向前飞行构型时，例如当机翼210处于展开构型时，侧旋翼的这种构型会导致气流特性的扰动。如图14a和图14b所示，机翼210下方的气流动态以及由此由机翼产生的升力会受到飞行期间侧旋翼的致动的负面影响。这可以通过图14a中的定向气流线1410来说明，机翼下的升力在侧旋翼静止时得到保持。然而，在图14b中，示出了当在向前飞行期间被致动时，定向气流线1410朝向旋翼的运动，从而潜在地减小了升力并增加了对航空运输交通工具的阻力。因此，在许多实施例中，在持续飞行和悬停飞行期间，对旋翼的充分控制是必要的。

用于工业中的典型无人驾驶交通工具或多旋翼交通工具在传统上是过度驱动的(overactuated)。这通常在旋翼故障情况下使交通工具的鲁棒性增加到一定程度。关键问题是交通工具在多大程度上保持可控。由于交通工具的可控性与设计有着内在的联系，因此设计能够保持控制的系统是很重要的。例如，控制系统可以利用俯仰和翻转而牺牲偏航，以允许在旋翼故障的情况下继续飞行。在传统飞行中发生旋翼故障时，利用对交通工具的俯仰和翻转的控制而牺牲偏航控制，以允许将交通工具带入静态悬停状态，以安全着陆。交通工具的静态悬停或零可控性对于增加安全紧急降落的可能性以及在旋翼故障的情况下重新获得对交通工具的完全控制的能力是期望的。

图15示出了根据本发明的实施例的用于多旋翼交通工具的控制系统。该系统可包含两个主要部件；外环位置控制器1515和内环姿态控制器1516，该内环姿态控制器运行速度比外环位置控制器快。在传统的多旋翼交通工具中，共线多旋翼交通工具的位置动态1560由姿态控制。在图15的控制系统下，位置控制器1510计算期望推力和姿态1520，且姿态控制器1530基于期望的姿态1520计算期望的力矩1540。最终，当单独考虑期望的力和力矩时，然后可以产生马达速度1560来控制交通工具动态1560。根据各种实施例的航空运输交通工具的总体设计可以利用图15中描述的控制系统，同时考虑作业空间内的旋量、力或力矩的期望特性或者由系统的任务需求限定的变化的界限。

根据许多实施例，航空运输交通工具的总体设计旨在优化和稳定交通工具的姿态动态。图15所示的控制方法的典型应用利用原始控制输入，这些原始控制输入是马达电压，该马达电压转换成旋转马达速度，因此每个马达产生的力矩与其旋转速度的平方成正比。尽管图15的控制系统将力矩视为控制输入，但是这种输入可以被映射到实际的马达速度，以能够控制交通工具的机动，因此该最终的控制是基于马达速度的物理边界，最终目标是确定最佳速度，以产生航空运输交通工具所需的旋量。在许多实施例中，图15中的控制系统的应用可用于在旋翼故障期间实现航空运输交通工具的可控性。当发生旋翼故障时，在竖直推力情况下接合后旋翼的能力可以解释当相同或相反旋转的两个旋翼故障时失去方向控制和稳定性的原因。

然而，在旋翼故障的情况下即使具有对各种旋翼的控制，也有必要考虑由固定翼面和多旋翼竖直推力系统产生升力的系统的空气动力性。本文描述的许多实施例是利用新颖的控制系统架构来产生高效的飞行能力的复杂系统。根据许多实施例，可以使用类似于图16所示的控制系统来解决这里描述的航空运输交通工具的复杂空气动力学问题。

图16示出了利用分离方法来控制最终交通工具动态的控制系统。例如，控制系统可以开始于使用净力和净力矩作为输入来设计位置/速度(1620和1630)和姿态/速率(1640和1650)。第二步，根据许多实施例的系统可以使用力1660、力矩1670和控制分配1680来产生期望旋量。根据许多实施例，航迹规划器1610可以生成航空运输交通工具的期望姿态1616和位置1615，并将这些输入分别引导到力分配模块和位置控制器中。随后，力分配模块1660可以从速度控制器1630接收期望的力输入。力分配控制器可以产生期望的力输出1665以及期望的参考姿态1668。力矩分配1670然后可以接收来自速率控制器1650的姿态输入，用于产生控制分配模块1680的输入。最终，根据许多实施例的图16的控制系统可以提供对旋翼推力方向的主动控制，这可以通过基于高级别控制器所提供的需求适应性地改变可获得的力和力矩的空间来帮助改善交通工具的飞行性能。在许多实施例中，交通工具可以避免旋翼过饱和，同时确保来自控制器的足够的力和力矩。

现在转到图17和图18，图15的对控制系统的使用可以通过显示各种飞行特性的图17和图18的图示来说明。例如，图17示出了根据本发明的一个实施例的航空运输交通工具的速度跟踪，其中航空运输交通工具首先接收纯上升飞行(pureascendingflight)的命令，并过渡到稳定水平的向前飞行。从图17的底部可以看出，当被给到向前飞行的命令时，航空运输交通工具的倾斜类似于多旋翼飞机的倾斜，然后当固定机翼开始产生升力时，过渡到平坦的航迹。根据许多实施例，过渡可以发生，并且允许侧旋翼减少动力消耗，并且将动力过渡到后旋翼，以结合机翼的升力特性提供水平推力，从而保持持续飞行。可以看出，机翼的升力很快就开始产生飞行所需的升力。

图18进一步示出了由侧旋翼而向前飞行直至从固定机翼产生升力的复杂过渡期间的行为过渡。例如，图18中的顶部图表说明了过渡期间迎角的变化。此外，中间的图表示出了当固定机翼开始为交通工具产生升力时升力的增加。可以看出，许多实施例可以实现参考的控制器系统来克服围绕多旋翼飞机和固定机翼式飞机的合力和力矩的复杂问题。此外，控制系统可以考虑飞行中的变化，并相应地调整力的分配，以保持期望的旋量，并允许安全和有效的飞行；即使在旋翼故障的情况下。

等同原则

本发明的描述是为了说明和描述的目的而呈现的。这并不旨在是穷举的或将本发明限制到所描述的精确形式，并且根据上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用。该描述将使本领域的其他技术人员能够以各种实施例最佳地利用和实践本发明，并且具有适合于特定用途的各种修改。本发明的范围由接着的权利要求限定。