第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
陆空两栖载物平台是指既具有陆地行驶能力，又具有飞行能力的载物运输工具。主要用于物资及设备装载，用于探测、侦察、救援等。其主要特点在于既能在陆地平稳行驶，又能通过模式切换调整为飞行状态，面对复杂多地形环境，可以平稳实现越障、通过沟壑与水面等。
早在 1986 年批示的“863”计划中，我国就已根据本身的经济实力，提出了以“有限目标，突出重点”的方针，集中力量，将主要的科学研究放在几个重要领域，能源技术领域就是其中之一。在能源技术领域，科研重点除对新能源技术的研究和发展以外，还包括对能源的探测、开发及高效利用。随着社会发展，资源需求持续增长，资源探测逐步从平原等开阔地带深入到山地、丘陵等相对崎岖的地带，这无疑给探测增加了难度。目前的探测手段主要有人力探测和高空机载探测两种方式。人力或车载探测可获得较高精度的数据，但需要投入大量的时间与人力成本，且无法深入戈壁、沼泽等复杂地形进行精准探测；高空机载探测虽然可以快速完成指定区域的探测工作，但其数据受高度影响而失真。随着科学技术的进步和装备制造水平的提高，探测手段也从机械化向智能化方向发展。
本研究通过结合地面测量的精确性与高空机载探测的快速性和广泛性，提出了陆空两栖载物平台研究的课题。本研究拟设计的陆空两栖载物平台，主要用于对野外戈壁、沼泽等复杂地形的探测。为保证探测所得的数据精度，载物平台所装载的探测设备需尽可能靠近地面，同时为降低能耗，延长续航里程，拟设计的陆空两栖载物平台以陆地行走模式为主。当载物平台遇到障碍或有严重失稳趋势时，通过模式切换使其进入飞行状态，从而实现平稳越障。可见，模式判决与切换策略的优劣关系到陆空两栖载物平台的安全性、稳定性与可靠性。因此，进行陆空两栖载物平台模式切换策略的研究，具有重要的现实意义。
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1.2 陆空两栖平台国内外研究现状
目前，国内外对于陆空两栖设备的研究主要在飞行汽车和具有陆地行驶功能的飞行器两个方向。 “飞行汽车”是通过改造汽车，使其具有一定的飞行能力[1]，其主要是为军方服务[2]。近年来，“飞行汽车”已经有样机诞生，不久后即将投放市场。而具有陆地行驶功能的飞行器则以无人机为主体，赋予无人机一定的陆地行走能力。该方向尚处于实验室研制阶段，由于缺乏具体的应用领域，因此要实现商业化还有一段距离。
兼具飞机、汽车优势的陆空两栖平台，越来越受到各个国家科技工作者的关注，在该领域的研究成果也在逐渐增多[3]。
1.2.1 国外研究现状
（1）AeroMobil
2017 年上市的 AeroMobil 是由斯洛伐克汽车公司研制的第一批量产并被推向市场的飞行汽车。该车全采用复合材料，在降低本身重量的同时又保证了结构强度。该车纯飞行状态可以行驶 430 英里（约 692 公里），纯汽车状态可以行驶续航 310 英里（约 500 公里），使用燃料为无铅汽油，并采用混合动力系统驱动。陆地行驶时，将机翼折叠在车身两侧，以汽车状态行驶；飞行驾驶时，将两侧机翼伸展为固定翼结构。机翼约 26 英尺（约 7.9 米）宽，19 英尺（约 5.8 米）长。该飞行汽车车身内有两个座位，通过坐在驾驶员的指令控制，可以在半分钟内实现从汽车到飞机的转换。
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第 2 章 陆空两栖载物平台设计
2.1 系统平台搭建
整体系统平台是基于上述的基本要求进行设计的，整体主要分为机械部分、控制部分和通讯部分三个大块，针对各模块进行分别的设计和搭建[9-12]。主要设计理念如图 2.1 所示。
陆空两栖载物平台机械部分，按照功能实现可以分为飞行模块、陆地行走模块、中间连接模块、压差传感器模块及其他五个小部分。
陆空两栖载物平台控制系统，根据被控对象分为飞行姿态控制系统、陆地行走控制系统以及模式切换判决系统。
整机材料选择，综合考虑结构性能、强度、质量等方面采用非金属和金属结合的方式，对于飞行模式基本采用碳纤维材料，以减重为主，对于陆地行走模式以铝合金为主，重点考虑耐久度和承重性能。
平台动力由直流无刷电动机提供，虽然有刷电机在质量、体积方面存在优势，但本文更看重无刷电机在抗干扰性、运行流畅度以及寿命等方面的优势。
软硬件部分的通讯实现，在数据通讯模块的基础上，利用单片机控制，实现与基站的实时通讯。
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3.1 飞行模式建模 ...................................... 21
3.2 地面效应分析 ................................ 24
第 4 章 模式切换策略设计及实验 ................................ 37
4.1 切换控制策略 ................................ 37
4.2 控制器设计 ................................... 38
第 5 章 总结与展望 .................................... 49
5.1 总结 ....................................... 49
5.2 展望 ................................ 49
第 4 章 模式切换策略设计及实验
4.1 切换控制策略
对于路况信息的获取[40-41]是模式切换的前提条件，只有基于明确的道路信息才能做到精确的调整载物平台的模式。在路况识别这方面，常见的策略有雷达波或者毫米波（利用特殊装置向地面射电磁波或超声波，通过对反射回来的波纹进行频谱分析，从而正确判断路面情况）、数字图像对比处理技术（实时采集路面信息数字图像，利用神经网络进行归类，从而对路面进行划分）、基于多传感器组合的路况识别系统、光电传感电路、图像采集与识别技术。
在本设计中，主要判断内容为前方是否有障碍、是否存在沟壑导致载物平台失稳、是否存在整体下陷、是否通过沟壑等情况。针对以上情况，主要采取的办法是利用车载声纳系统对前进方向范围内进行探测，从而判断是否存在障碍物；利用压差判决系统对四个履带承重轮的受力进行测量，从而判断载物平台是否失稳或者是否存在下陷，即是否需要进行模式切换；在飞行部件底端安装光电传感器，利用接收到的反射红外线判定是否通过障碍或沟壑区域。整体载物平台运行控制策略如图 4.1 所示。
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第 5 章 总结与展望
5.1 总结
本文中设计的模式切换过程与常见的模式切换的区别主要体现在：
（1）、无人控制，机体自身对模式切换进行判断；
（2）、无整体结构性变化，可以达到快速的切换需求，从而可以有效应对突发性问题。
本文具体内容如下：
（1）、通过对国内外陆空两栖载物平台的研究分析，得出模式切换的课题；
（2）、进行载物平台主要软硬件的设计、搭建和实现；
（3）、针对不同状态进行分别建模，分别考虑了飞行模式下的地面效应，以及陆地行走模式下的地面力学；
（4）、基于履带与承重轮的受力分析，设计了基于压差判决系统的模式切换策略，对不同失稳状态进行分类，并进行了相应的受力分析；
（5）、实验测量并确定了压差阈值区间，并通过实验验证了基于压差判决系统的模式切换策略的合理性与有效性；
（6）、针对模式切换后的状态，通过高度滑膜控制和姿态角滑膜控制策略，保证切换时整机的稳定性，并利用 MATLAB 仿真验证控制策略的有效性。
参考文献（略）