一种基于eVOTL飞机的飞行管理系统的设计方法与流程

一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法
技术领域
1.本发明涉及飞行管理技术领域，尤其涉及一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的高速发展，城市尤其是中大型城市的交通拥堵、环境污染问题，逐渐成为制约城市发展的重要问题之一。据公安部统计，2020年，我国机动车保有量达3.72亿辆，全国有70个城市的汽车保有量超过百万辆。国家信息中心大数据发展部联合多家机构共同发布的《2020第三季度中国主要城市交通分析报告》显示，在交通大数据监测的360个城市中，有将近60％的城市通勤高峰处于拥堵或缓行状态。高机动车保有量与严重的交通拥堵状况也造成了严重的环境污染问题，据生态环境部公布数据显示，2020年全国机动车四项污染物排放总量超过1593.0万吨。交通与环境问题都对我国发展绿色能源交通产业提出了更高更快的要求。
3.城市空中交通(uam,urbanairmobility)，也称为先进空中交通(aam,advancedairmobility)作为一个新兴的航空领域与解决方案，在这种环境和要求下应运而生,它主要是指通过无人/有人机在空中运送人员和货物的城市交通系统。该系统普遍采用新能源作为飞行器动力，通过设置不同的短距/垂直起降场实现”“端到端”的不同节点间的物流运输和客运飞行，既可以有效解决地面交通的拥堵问题，又符合绿色环保的要求。evtol(electricverticaltake-offandlanding)飞机被称为“电动垂直起降飞机”，可有效解决传统商用航空距离城市核心区远、无法覆盖城市交通、空间场地要求高、驾驶员水平要求高等问题，同时摆脱地面交通的拥堵与长距离绕行问题，将是城市空中交通的主要载体。
4.城市空中交通具有空间紧凑，人员、设施密集，安全要求高等特点，这些特点决定了以evtol为主的城市空中交通载体除了需要具备短距/垂直起降功能、简化的飞行控制方式、直观的人机交互界面等功能外，更加需要一套操作简单、高精度、智能化、安全高效的飞行管理系统。飞行管理系统应该根据当前城市地形环境，规划一条安全、高效的飞行路线用于协助驾驶员或作为自动驾驶输入源，进行飞机的安全驾驶，是实现空中交通管理，保障和提升飞行安全的重要环节。
5.传统通航飞机的飞行管理系统一般根据导航数据库中提供的机场、航路点等信息，完成飞行路线的规划，但由于导航数据库中的航路点是固定的，所以规划的飞行路线也较为固定，且航路点分布零散，相互之间距离较远，无法满足城市空中交通距离短、灵活性高的路线需求。且传统通航飞机的飞行管理系统一般由驾驶员通过控制显示单元进行控制操作，通过该控制显示单元可完成飞行计划的输入、修改，导航信息的显示等，但该控制显示单元普遍存在人机交互工程化，操作复杂，需要进行大量培训与训练等缺点，这不仅容易导致功能误解和错误输入，也不符合uam简化飞行操纵(simplifiedvehicleoperation，简称svo)的设计理念，无法满足城市空中交通灵活方便、操作简单的要求。再者，传统通航飞机的飞行管理系统造价昂贵，不可多机型复用，应用于城市空中交通的经济效益不佳。
6.现有uam飞行管理系统尚处于起步阶段，未经过复杂环境的有效验证，缺乏成熟的市场应用，多存在环境条件简单，机型单一，规划路线不灵活，缺少紧急情况处理等问题。本发明针对目前通航飞机飞行管理系统对城市空中交通的不适配和现有uam飞行管理系统的不足，并根据uam/aam运营环境和evtol飞机的技术特点，提出了一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法。
7.因此我们设计了一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法来解决以上问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法，其能够在复杂的城市环境中充分考虑地形、建筑、天气，管制等外在条件以及飞机重量、电量等内在条件，综合分析后规划出一条安全、高效的飞行路线，并具备飞行路线的实时监测、管理以及紧急状况下的自动处理功能。
9.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法，包括以下步骤：
11.s1，通过飞行条件综合分析模块对起降的位置进行选择，主要包括对于天气、地形和空域的分析以及对飞机性能的分析；
12.s2，通过飞行计划生成模块对s1中飞行条件综合分析模块选择起降的位置规划一条时间和能量成本最优的路线；
13.s3，通过飞行计划动态更新模块对s2中飞行计划生成模块规划的路线进行动态更新，以应对复杂多变的城市空中交通状况；
14.s4，通过飞行计划信息输出模块对对s2中飞行计划生成模块规划的路线生成飞行计划辅助信息，用于辅助驾驶员驾驶；
15.s5，通过紧急情况处理模块对s2中飞行计划生成模块规划的路线以及s3飞行计划动态更新模块中动态更新信息对可能的突发情况的进行紧急处理。
16.优选地，所述飞行条件综合分析模块的分析功能包括以下几点：
17.a1，简化的起降位置选择，飞行条件综合分析模块将传统通航飞机飞行计划起降机场的输入程序简化，飞行管理系统应根据当前使用的evtol机型，首先自动筛选出该机型可用的起飞场地，用户选择起飞场地后，系统自动根据当前所用机型的里程限制，初步筛选出可到达的目的地场地列表供用户选择，用户只需进行起降位置的简单选择，无需进行复杂的起降程序设置；
18.a2，地形与空域分析，飞行条件综合分析模块根据用户输入的起降位置信息，在地形数据库中检测两地间的地形信息，包括地上建筑物高度信息，以及当前发布的空域限制信息，结合当前所用机型飞机的性能限制，对当前飞机能否到达目的自作出初步判断，若不能到达，则提醒用户更换降落场地；若能到达，则生成该路线的临时导航数据库供飞行计划生成模块使用；
19.a3，天气分析，飞行条件综合分析模块根据用户输入的起降位置信息，检索两地间的天气状况，若存在影响到飞行安全的恶劣天气，则向用户提供该信息；
20.a4，飞机性能分析，飞行条件综合分析模块根据用户输入的起降位置信息，结合当
前所用机型飞机的性能限制和当前状态，如当前电量，当前总重，环境温度，飞行高度等，综合计算分析，对当前飞机能否到达所选目的地作出判断，若不能到达，则提醒用户更换降落场地；若能到达，则将飞行条件综合分析模块所采集到的所有数据提供给飞行计划生成模块，用于飞行计划的生成。
21.优选地，所述飞行计划生成模块的功能包括以下几点：
22.b1，初始飞行路径的生成；
23.b2，飞行路径点的平滑，获取evtol飞机相应机型飞机的性能参数和环境参数；
24.b3，飞行路径点的重采样。
25.优选地，所述飞行计划动态更新模块包含有以下功能：针对航迹偏离的飞行计划更新功能、针对目的地临时变更的飞行计划更新功能、针对动态添加、解除限制空域的飞行计划更新功能。
26.优选地，所述飞行计划信息输出模块主要包括以下功能：获得距目的地距离、预计到达时间eta、检查点信息。
27.优选地，所述紧急情况处理模块存在以下突发状况时的自动处理：电池故障的紧急情况处理、操纵系统故障的紧急情况处理、其他紧急情况的处理。
28.优选地，所述其他紧急情况的处理包括飞机飞行过程中遭遇突发雷暴、沙尘暴恶劣天气以及乘客不适。
29.优选地，所述飞行路径点的重采样在生成平滑的路径点后，存在路径点过于密集的问题，飞行路径点的重采样对以上路径点进行如下处理：
30.c1，设计采用多维特征值均匀算法，将上述不均匀的三维点集合进行均匀分布，得到均匀的三维曲线点集合；
31.c2，依据飞机性能参数对物理路径进行点的重采样，删除路径具备相似特征的无关点，保留最终生成全部特征点传递给飞控系统作为飞机自动飞行管理的控制点；
32.c3，根据飞机当前位置，计算飞机将要到达的下一点作为飞控系统自动飞行的控制点。
33.本发明的有益效果为：
34.本发明跳出传统通航固定航路点的束缚，基于多种地形空域的综合分析，将所有满足要求的空中区域均作为可用航路点，结合针对不同机型的进离场设计，可实现针对不同机型的高效率、高灵活、低成本的飞行路线规划与管理，该设计方法还充分考虑了城市空中交通的复杂环境，加入了动态飞行路径规划，自主避障，及紧急状况自动处理等功能，以满足城市空中交通复杂多变、灵活性高的运行要求，同时，该设计方法遵循“简化飞行操纵”的飞行控制设计理念，将飞行管理系统的操作进行简化，减轻了驾驶员负担，减少了因系统的复杂性而引起的误解与错误输入的可能性，以满足未来uam适航飞行条件的系统安全级别。
附图说明
35.图1为本发明提出的一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法的工作流程示意图；
36.图2为本发明提出的一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法中飞行阶段
定义示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
38.参照图1-2，一种基于evotl飞机的飞行管理系统的设计方法，包括以下步骤：
39.s1，通过飞行条件综合分析模块对起降的位置进行选择，主要包括对于天气、地形和空域的分析以及对飞机性能的分析；
40.s2，通过飞行计划生成模块对s1中飞行条件综合分析模块选择起降的位置规划一条时间和能量成本最优的路线；
41.s3，通过飞行计划动态更新模块对s2中飞行计划生成模块规划的路线进行动态更新，以应对复杂多变的城市空中交通状况；
42.s4，通过飞行计划信息输出模块对对s2中飞行计划生成模块规划的路线生成飞行计划辅助信息，用于辅助驾驶员驾驶；
43.s5，通过紧急情况处理模块对s2中飞行计划生成模块规划的路线以及s3飞行计划动态更新模块中动态更新信息对可能的突发情况的进行紧急处理。
44.对飞行条件综合分析模块具体的解释：所述飞行条件综合分析模块的分析功能包括以下几点：
45.a1，简化的起降位置选择，飞行条件综合分析模块将传统通航飞机飞行计划起降机场的输入程序简化，飞行管理系统应根据当前使用的evtol机型，首先自动筛选出该机型可用的起飞场地，用户选择起飞场地后，系统自动根据当前所用机型的里程限制，初步筛选出可到达的目的地场地列表供用户选择，用户只需进行起降位置的简单选择，无需进行复杂的起降程序设置；
46.a2，地形与空域分析，飞行条件综合分析模块根据用户输入的起降位置信息，在地形数据库中检测两地间的地形信息，包括地上建筑物高度信息，以及当前发布的空域限制信息，结合当前所用机型飞机的性能限制，对当前飞机能否到达目的自作出初步判断，若不能到达，则提醒用户更换降落场地；若能到达，则生成该路线的临时导航数据库供飞行计划生成模块使用；
47.a3，天气分析，飞行条件综合分析模块根据用户输入的起降位置信息，检索两地间的天气状况，若存在影响到飞行安全的恶劣天气，则向用户提供该信息；
48.a4，飞机性能分析，飞行条件综合分析模块根据用户输入的起降位置信息，结合当前所用机型飞机的性能限制和当前状态，如当前电量，当前总重，环境温度，飞行高度等，综合计算分析，对当前飞机能否到达所选目的地作出判断，若不能到达，则提醒用户更换降落场地；若能到达，则将飞行条件综合分析模块所采集到的所有数据提供给飞行计划生成模块，用于飞行计划的生成。
49.所述飞行计划生成模块是根据飞机的出发位置以及目的地规划一条时间和能量成本最优的路线；
50.所述飞行计划生成模块的功能包括以下几点：
51.b1，初始飞行路径的生成，具体为，根据evtol飞机飞行特性，将evtol飞机飞行阶
段定义如下，可参照图2：
52.阶段0；起飞位(一般定义为飞机出发位置)
53.阶段1；垂直爬升阶段
54.阶段2；爬升阶段
55.阶段3；巡航阶段
56.阶段4；下降阶段
57.阶段5；垂直下降阶段
58.阶段6；着陆(一般定义为到达目的地)；
59.飞行路径包含以下元素，这些元素用来表明飞机参照飞行路径飞行需要遵循的规则以及飞行限制：
60.1、出发位置(一般指飞机当前位置经度、纬度、海拔高度、朝向)；
61.2、目的地垂直起降机场(即飞机着陆点)；
62.3、飞行检查点；
63.4、导航数据库(包括地形高程数据，建筑物高度，机场位置信息以及空域限制)；
64.5、垂直爬升高度，巡航高度，垂直下降高度；
65.6、航点的高度限制；
66.7、航点的水平和垂直方向速度限制；
67.初始路径规划中采用“最低安全高度”概念和定义来确定任何evtol飞机飞行剖面的巡航高度，以确保巡航阶段的安全运行。巡航高度选择在“最低安全高度”以上，以确保留出足够的安全余量；
68.1)城市/拥挤地区上空：“最低安全高度”定义为水平距离小于2000英尺内最高障碍物上方1000英尺的高度；
69.2)无人区上空：“最低安全高度”定义为高于地平面500英尺的高度；
70.3)所有区域：“最低安全高度”定义为允许安全紧急着陆且不会对地面上的人员、财产造成过度危险的高度。
71.初始飞行路径需要根据飞机的出发位置以及目的地规划一条时间和能量成本最优的路线。设计一种基于导航数据库的寻路算法，寻路过程中检索导航数据库中每个点的地形数据，建筑物高度，空域限制，根据当前evtol飞机的性能参数(最大巡航高度，最大飞行速度，飞行时间)生成一条从出发位置到目的的飞行路径。飞行路径的每一个点包含经度，纬度，海拔高度，飞行阶段，飞行水平速度，飞行垂直速度信息。
72.该算法可确保各个飞行阶段(起飞，垂直爬升，爬升，巡航，下降，垂直下降和着陆)可避开障碍物，禁飞区，符合空域限制，保证此飞行路线无不利于安全飞行的危险因素存在；在初始飞行路径规划过程中，寻路算法严格按照“最低安全高度”规划路线，保证在爬升、巡航、降落阶段飞行安全；
73.b2，飞行路径点的平滑，获取evtol飞机相应机型飞机的性能参数和环境参数，具体为，本步骤通过获取evtol飞机相应机型飞机的性能参数(主要包括，最大爬升率，最高巡航高度，最大巡航速度，最大下降率，最大转弯速率等)和环境参数(地形，天气等)，进行了如下处理：
74.d1，以初始飞行计划的飞行阶段为基准，对整个飞行路径进行飞行阶段的划分,各
飞行阶段如图2所示；
75.d2，对于垂直爬升(阶段0至阶段1)/下降(阶段5至阶段6)阶段，采用固定高度悬停点的方法，依据飞机的垂直爬升/下降性能，采用固定高度间隔的方法，对该阶段的飞行路径点进行线性插值，得到满足飞机性能参数的控制点；
76.d3，在爬升(阶段2)，巡航(阶段3)和下降(阶段4)阶段，根据n阶bezier曲线插值算法，并综合考虑飞机的巡航高度，巡航速度，最大转弯速率等，对三维数据(经度、纬度和高度)进行n阶bezier插值平滑计算，最终生成符合飞机性能参数的平滑的物理飞行路径(三维曲线点集)。
77.d4，补全所有新插值点的特征值。
78.b3，飞行路径点的重采样，具体的解释，所述飞行路径点的重采样在生成平滑的路径点后，存在路径点过于密集的问题，飞行路径点的重采样对以上路径点进行如下处理：
79.c1，设计采用多维特征值均匀算法，将上述不均匀的三维点集合进行均匀分布，得到均匀的三维曲线点集合；
80.c2，依据飞机性能参数对物理路径进行点的重采样，删除路径具备相似特征的无关点，保留最终生成全部特征点传递给飞控系统作为飞机自动飞行管理的控制点；
81.c3，根据飞机当前位置，计算飞机将要到达的下一点作为飞控系统自动飞行的控制点。
82.所述飞行计划动态更新模块具备飞行计划的动态更新功能，以应对复杂多变的城市空中交通状况，所述飞行计划动态更新模块包含有以下功能：针对航迹偏离的飞行计划更新功能、针对目的地临时变更的飞行计划更新功能、针对动态添加、解除限制空域的飞行计划更新功能；具体的解释如下：
83.针对航迹偏离的飞行计划更新功能：evtol飞机在实际飞行过程中，针对由于天气、突发状况、人为操作等原因，可能会出现的偏离规划航线的情况，飞行管理系统会实时监测当前航迹与计划航线的偏离情况，当偏离大于设定阈值(50米)时，飞行计划动态更新模块会根据飞机当前状态，重新生成新的飞行计划；
84.针对目的地临时变更的飞行计划更新功能：evtol飞机在实际飞行过程中，针对由于天气、突发状况等原因，可能会出现的临时更换目的地的情况，飞行管理系统会根据所选机型和当前飞机状态，给出可用目的地机场列表，用户选择新的降落机场后，飞行计划动态更新模块会重新生成新的飞行计划；
85.针对动态添加、解除限制空域的飞行计划更新功能：evtol飞机在实际飞行过程中，针对可能会出现的限制空域动态更新的情况，飞行管理系统提供动态添加、删除限制空域的简便接口，用户根据发布的最新空域状态，将其输入到飞行管理系统，飞行计划动态更新模块会根据更新后的空域，重新生成新的飞行计划。
86.所述飞行计划信息输出模块是根据当前飞行计划，生成飞行计划辅助信息，用于辅助驾驶员驾驶，所述飞行计划信息输出模块主要包括以下功能：获得距目的地距离、预计到达时间eta、检查点信息，具体的解释如下：
87.距目的地距离：飞行计划信息输出模块根据飞机当前位置，结合当前飞行计划剩余部分，实时计算飞机距离目的地所剩距离，并直观输出显示，供驾驶员参考。
88.预计到达时间eta：飞行计划信息输出模块根据飞机当前位置，结合当前飞行计划
剩余部分，综合考虑飞机不同飞行阶段的飞行速度，实时计算飞机预计到达目的地的时间，并直观输出显示，供驾驶员参考。
89.检查点信息：飞行计划信息输出模块根据当前飞行计划，自动生成一组飞行检查点，检查点一般选择飞行状态(如高度、航向等)产生变化的点，并将这些检查点的相关信息直观输出显示，用于提醒、辅助驾驶员保持航线。
90.所述紧急情况处理模块是为保障evtol飞机的安全飞行，飞行管理系统需要提供针对可能的突发情况的紧急处理功能，所述紧急情况处理模块存在以下突发状况时的自动处理：电池故障的紧急情况处理、操纵系统故障的紧急情况处理、其他紧急情况的处理，其中，所述其他紧急情况的处理包括飞机飞行过程中遭遇突发雷暴、沙尘暴恶劣天气以及乘客不适等；
91.进一步解释，
92.电池故障的紧急情况处理：飞机飞行过程中遭遇电池故障、电池电量不足，无法到达预定目的地时，紧急情况处理模块会根据当前剩余电量，自动搜索可到达的最近着陆机场，并规划一条到该机场的飞行计划。若剩余电量不足以支撑飞机到达任何一个机场，紧急情况处理模块会进行当前区域地形检索，自动选择一个就近的平坦区域作为备降点，并规划航线，自动引导飞机降落。备降点的选择同样提供人工选择、修改接口，用于驾驶员的对照确认。
93.操纵系统故障的紧急情况处理：飞机飞行过程中遭遇操纵系统故障，无法有效控制飞机时，紧急情况处理模块会进行当前区域地形检索，自动选择一个就近的平坦区域作为备降点，并规划航线，自动引导飞机降落。备降点的选择同样提供人工选择、修改接口，用于驾驶员的对照确认。
94.其他紧急情况的处理：飞机飞行过程中遭遇其他紧急状况(如突发雷暴、沙尘暴等恶劣天气，乘客不适等)时，驾驶员可手动触发紧急情况处理模块开关，紧急情况处理模块会进行当前区域地形检索，自动选择一个就近的平坦区域作为备降点，并规划航线，自动引导飞机降落；备降点的选择同样提供人工选择、修改接口，用于驾驶员的对照确认。
95.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。