【摘" 要】作為未來(lái)引領(lǐng)低空經(jīng)濟(jì)的新型交通工具，飛行汽車具有廣闊的研究前景和發(fā)展空間。文章先回顧飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)飛行汽車相關(guān)類型進(jìn)行討論，進(jìn)一步提出和闡述飛行汽車系統(tǒng)的架構(gòu)。最后，圍繞運(yùn)動(dòng)控制、智能感知、流體減阻和清潔能源論述飛行汽車的關(guān)鍵技術(shù)，希望能為后續(xù)研發(fā)設(shè)計(jì)和工程落地提供參考方案。

【關(guān)鍵詞】飛行汽車;系統(tǒng)設(shè)計(jì);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U469.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）06-0024-02

Research on System Design and Key Technologies of Flying Car*

LI Zhenpeng，BIAN Jingwei

（Zhito（Shanghai）Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200082，China）

【Abstract】As a new type of vehicle leading the low-altitude economy in the future，flying car enjoy broad research prospects and development space. Firstly，this paper reviews the development of flying cars and explore classification of flying cars. Further，a flying car system architecture is proposed and elaborated. Finally，the key technologies of flying cars are analyzed and discussed in terms of motion control，intelligent perception，fluid drag reduction and clean energy，hoping to contribute to the subsequent research and development.

【Key words】flying car;system design;key technologies

作者簡(jiǎn)介

李振鵬（1989—），男，博士，智能駕駛總監(jiān)，工作方向?yàn)槠囅到y(tǒng)設(shè)計(jì)、智能駕駛算法和操作系統(tǒng);邊靖?jìng)ィ?992—），男，博士，工作方向?yàn)橹悄荞{駛算法和操作系統(tǒng)。

飛行汽車作為一種新型交通工具，打破了陸地道路與低空空間的阻礙，具備陸地與低空行駛兼具的能力，可有效緩解現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)的各種壓力和負(fù)擔(dān)，被認(rèn)為是未來(lái)綠色高效出行的主要交通方式，是以低空經(jīng)濟(jì)為代表的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的核心要素。針對(duì)飛行汽車，開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)研究具有重要的意義和價(jià)值。

1" 發(fā)展現(xiàn)狀

飛行汽車最早可追溯于1917年，Glen Curtiss在美國(guó)展示了人類歷史上第1輛飛行汽車[1]。隨后，眾多學(xué)者和工程界人士對(duì)飛行汽車展開(kāi)了廣泛和深入的探索，試圖找出實(shí)用可靠的工程方案。

國(guó)外飛行汽車的相關(guān)研發(fā)探索相對(duì)較早，已有不少相關(guān)成果。2009年，美國(guó)Terrafugia公司成功試飛Transition飛行汽車。該飛行汽車陸地最高速度可達(dá)112km/h，空中最高速度可達(dá)185km/h，但起飛和降落依然需要跑道支持[2]。2022年，Archer Aviation公司發(fā)布Midnight飛行汽車[3]，該汽車可以實(shí)現(xiàn)不依賴于跑道的垂直起降，意圖進(jìn)軍空中出租車業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)飛行汽車雖然起步較晚，但在政府政策和相關(guān)技術(shù)的強(qiáng)力推動(dòng)下，研發(fā)進(jìn)展迅速，已基本達(dá)到國(guó)際一流水平。億航智能作為國(guó)內(nèi)飛行汽車先驅(qū)者之一，于2019年發(fā)布“億航216”飛行汽車。2024年1月，小鵬匯天宣布旗下分體式飛行汽車“陸地航母”將于第四季度開(kāi)啟預(yù)訂，并預(yù)計(jì)2025年第四季度量產(chǎn)交付。該飛行汽車或?qū)⒊蔀槊嫦騻€(gè)人消費(fèi)用戶量產(chǎn)交付的全球首款分體式飛行汽車。

目前，除上述企業(yè)外，國(guó)外波音、空客等航空工業(yè)巨頭，奧迪、奔馳、保時(shí)捷等豪華汽車巨頭，谷歌、英特爾、Uber等科技巨頭，國(guó)內(nèi)吉利、廣汽、騰訊等行業(yè)巨頭，也已紛紛加入飛行汽車賽道。全球已有超過(guò)250家公司正在研制和開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品[4]。飛行汽車行業(yè)具有廣闊的發(fā)展空間和前景。

2" 飛行汽車類型

飛行汽車尚處于起步階段，相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)范。當(dāng)前根據(jù)動(dòng)力類型、起飛降落模式、操作模式，飛行汽車都有相關(guān)分類。如根據(jù)動(dòng)力類型，飛行汽車可分為電力、碳?xì)浠衔锶剂虾突旌蟿?dòng)力3大類[5]。

考慮到飛行原理更能反映不同種類飛行汽車的本質(zhì)特性，本文對(duì)飛行汽車進(jìn)行分類。根據(jù)不同的飛行原理，飛行汽車可分為無(wú)固定翼、有固定翼和矢量推進(jìn)3種類型，如圖1所示。

1）無(wú)固定翼飛行汽車一般采用旋翼飛行機(jī)制，具有多個(gè)旋翼裝置以實(shí)現(xiàn)多自由度飛行。該類型飛行汽車沒(méi)有固定翼裝置，整車質(zhì)量相對(duì)較低，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。此外，配置多個(gè)旋翼的無(wú)固定翼飛行汽車可以實(shí)現(xiàn)垂直上升和下降，不依賴于飛行跑道，從而具有駕駛靈活、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。如圖1a所示，億航智能所推出的飛行汽車是一種典型的無(wú)固定翼飛行汽車。

2）有固定翼飛行汽車配有固定翼裝置，通過(guò)固定翼產(chǎn)生升力以實(shí)現(xiàn)飛行。由于固定翼的存在，有固定翼飛行汽車具有較高的巡航效率，但該類型飛行汽車需要滑翔飛行，起飛時(shí)需要較大空間，具有較強(qiáng)的限制性。如圖1b所示，波音公司所推出的Aero Mobil飛行汽車是一種典型的有固定翼飛行汽車。

3）矢量推進(jìn)飛行汽車基于一套推進(jìn)系統(tǒng)裝置，通過(guò)改變推力方向?qū)崿F(xiàn)上升、巡航等多自由度運(yùn)動(dòng)。該類型飛行汽車可以定向推力方向，提供靈活的氣動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)高度靈活的空中運(yùn)動(dòng)，并具有較高的安全性。需要指出的是，矢量推進(jìn)技術(shù)是一種新型推進(jìn)技術(shù)，對(duì)設(shè)備機(jī)械性能和運(yùn)動(dòng)控制算法要求較高，有較強(qiáng)的技術(shù)復(fù)雜度。如圖1c所示，Lilium Aviation所推出的飛行汽車是一種典型的矢量推進(jìn)飛行汽車，其由多個(gè)可定向?qū)Ч苁诫婏L(fēng)扇進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛行汽車作為未來(lái)新型陸空雙棲交通工具，需要應(yīng)對(duì)陸地和低空多種復(fù)雜工況，對(duì)安全行駛的要求極高。在此情況下，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是研究和開(kāi)發(fā)飛行汽車的重要技術(shù)內(nèi)容。參考汽車行業(yè)新一代EE架構(gòu)，本文提出一種飛行汽車系統(tǒng)架構(gòu)，由車身模塊、動(dòng)力模塊、底盤(pán)模塊、座艙模塊和輔助駕駛模塊組成。

1）車身模塊主要實(shí)現(xiàn)與車身相關(guān)的所有功能以及飛行裝置的折疊和展開(kāi)。車身模塊除了支持常見(jiàn)的車燈控制、雨刷控制、車窗控制、智能鑰匙和智能天線等功能外，更需要支撐固定翼或者旋翼或者矢量推進(jìn)裝置的折疊與展開(kāi)，以便實(shí)現(xiàn)在常規(guī)地面道路的正常行駛。此外，與傳統(tǒng)汽車車身骨架結(jié)構(gòu)相比，飛行汽車車身骨架結(jié)構(gòu)還需考慮低空行駛的性能要求，對(duì)剛度、強(qiáng)度和品質(zhì)要求更高。

2）動(dòng)力模塊主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的集成以及控制與優(yōu)化，為飛行汽車陸地和低空行駛提供穩(wěn)定可靠的動(dòng)力支撐。動(dòng)力模塊一般需要支持內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變速器的相關(guān)控制及優(yōu)化計(jì)算，從而提供最佳的動(dòng)力分配方案。同時(shí)，動(dòng)力模塊還需考慮智能診斷、智能節(jié)能、智能通信等功能，以支持動(dòng)力系統(tǒng)安全穩(wěn)健運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)高負(fù)載、高續(xù)航長(zhǎng)時(shí)間行駛，高功率密度、高效率和低體積的陸空兩用的電動(dòng)機(jī)及其控制具有極高的研究和應(yīng)用價(jià)值。

3）底盤(pán)模塊主要實(shí)現(xiàn)起飛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、降落、驅(qū)動(dòng)和懸架等功能的集成，以滿足飛行汽車基本行駛性能需求。底盤(pán)模塊是飛行汽車運(yùn)動(dòng)控制最末端的執(zhí)行器，直接決定了汽車行駛的安全性和舒適性。線控技術(shù)在航空領(lǐng)域已取得普遍應(yīng)用，而在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域正處于向線控轉(zhuǎn)型的起步階段。兼容低空飛行和陸地行駛的線控底盤(pán)技術(shù)是急需突破的難點(diǎn)技術(shù)。底盤(pán)模塊作為汽車安全的最后屏障，決定了汽車安全的下限。如何綜合考慮電氣、機(jī)械和液壓設(shè)計(jì)方法和原則，從而構(gòu)建安全可靠的底盤(pán)模塊是值得深思的一個(gè)問(wèn)題。

4）座艙模塊主要實(shí)現(xiàn)飛行汽車座艙內(nèi)部的儀表顯示、信息娛樂(lè)以及人機(jī)交互等功能，為駕駛員和乘客提供汽車當(dāng)前狀態(tài)信息和休閑娛樂(lè)功能。座艙是最貼近駕駛員和乘客的場(chǎng)所，是駕駛員和乘客安全性和舒適性體驗(yàn)的第一場(chǎng)所。座艙模塊需要提供充分的飛行汽車自身和外部信息，以便供駕駛員進(jìn)行判斷決策，保證行駛安全。汽車逐漸成為第三生活空間，高級(jí)別的人機(jī)交互逐漸普及，從語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別到VR/AR、數(shù)字人，座艙功能日趨繁多。為滿足不同功能安全和效率需求，支持多種操作系統(tǒng)并行的虛擬化技術(shù)是未來(lái)極為重要的研究領(lǐng)域。

5）輔助駕駛模塊主要實(shí)現(xiàn)陸地和低空不同等級(jí)程度的輔助駕駛，以支撐飛行汽車在三維空間內(nèi)靈活舒適安全的六自由度運(yùn)動(dòng)。在民用航空領(lǐng)域，自動(dòng)駕駛技術(shù)較為成熟，普及較早。傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，L3級(jí)別自動(dòng)駕駛正處于量產(chǎn)前夜，相關(guān)技術(shù)仍在不斷迭代和進(jìn)步中。飛行汽車在地面行駛，常認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的平面運(yùn)動(dòng)，而在低空飛行時(shí)，是三維空間運(yùn)動(dòng)，自由度更高。同時(shí)適應(yīng)于上述兩種場(chǎng)景的自動(dòng)駕駛技術(shù)是急需研究的重點(diǎn)技術(shù)。與民航高空環(huán)境相比，低空環(huán)境更加復(fù)雜，飛行汽車所需的感知要求更高。與地面環(huán)境相比，低空環(huán)境視野更大，飛行汽車所需的感知目標(biāo)更多。720°全視野精準(zhǔn)感知是飛行汽車當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

4" 關(guān)鍵技術(shù)

飛行汽車歷經(jīng)100余年的發(fā)展，雖已取得不少進(jìn)展，但大規(guī)模商業(yè)落地應(yīng)用依然尚未實(shí)現(xiàn)。究其原因，飛行汽車涉及學(xué)科眾多，相關(guān)技術(shù)亟待突破。下文將圍繞運(yùn)動(dòng)控制、智能感知、流體減阻和清潔能源介紹飛行汽車關(guān)鍵技術(shù)，希望能給后續(xù)研究和工程探索提供參考和指引。

1）運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是保障飛行汽車安全可靠行駛的核心技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制方法主要分為兩大類別，即經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論[6]。經(jīng)典控制理論主要根據(jù)被控對(duì)象的時(shí)域響應(yīng)、頻率響應(yīng)和根軌跡設(shè)計(jì)相應(yīng)控制器，常用于簡(jiǎn)單的線性定常系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論主要根據(jù)狀態(tài)空間方程設(shè)計(jì)相應(yīng)控制器?；诂F(xiàn)代控制理論的控制器設(shè)計(jì)方法多樣，例如自適應(yīng)控制、魯棒控制、LQR控制、滑模控制、模型預(yù)測(cè)控制等。現(xiàn)代控制理論幾乎適用于全部類型的被控對(duì)象系統(tǒng)。飛行汽車是標(biāo)準(zhǔn)的三維空間運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，呈現(xiàn)高度非線性特性，與飛行汽車運(yùn)動(dòng)特性更加匹配。

2）智能感知技術(shù)是飛行汽車認(rèn)知和應(yīng)對(duì)復(fù)雜外部工況的前置技術(shù)。飛行汽車不僅需要感知地面和低空各種靜動(dòng)態(tài)目標(biāo)，更需要實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)外部復(fù)雜多變工況。在傳統(tǒng)汽車高級(jí)別自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，占用網(wǎng)格技術(shù)正逐漸得到量產(chǎn)驗(yàn)證。占用網(wǎng)格技術(shù)能精準(zhǔn)識(shí)別三維空間占用信息，有效檢測(cè)異型障礙物，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)汽車周邊環(huán)境，可能是未來(lái)智能感知核心技術(shù)之一。

3）流體減阻技術(shù)是支撐飛行汽車高續(xù)航、長(zhǎng)懸停的主要技術(shù)。流體減阻技術(shù)主要從兩方面著手。一方面，采用高強(qiáng)度、高硬度的輕質(zhì)材料，構(gòu)建飛行汽車骨架。其中，以碳纖維為代表的復(fù)合材料具有良好的比強(qiáng)度、比模量等機(jī)械性能，并且還具有耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[7]，是未來(lái)飛行汽車輕量化的重要途徑。另一方面，基于仿生學(xué)原理對(duì)飛行汽車外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以信天翁、雨燕為代表的鳥(niǎo)類一生可累計(jì)飛行數(shù)百萬(wàn)公里，能輕松應(yīng)對(duì)下雨、大風(fēng)等多種天氣，是飛行汽車外形設(shè)計(jì)的有效參照對(duì)象。

4）清潔能源技術(shù)是實(shí)現(xiàn)飛行汽車綠色發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。為應(yīng)對(duì)氣候變化和順應(yīng)綠色發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新能源汽車已成為行業(yè)共識(shí)。作為未來(lái)交通工具，飛行汽車從早期研發(fā)階段就已開(kāi)始把清潔能源作為汽車的主要能量來(lái)源。鋰離子動(dòng)力電池具有高比能量、高電壓容量、低自放電率、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛使用的清潔動(dòng)力能源。以氫氣為代表的燃料電池具有更高的比能量，且可實(shí)現(xiàn)快速充電，將是未來(lái)可能的主要清潔動(dòng)力能源。

5" 結(jié)束語(yǔ)

飛行汽車是新能源汽車、航空航天和信息技術(shù)的交匯產(chǎn)物，是代表新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革新的戰(zhàn)略方向，是國(guó)家和相關(guān)企業(yè)獲取未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵領(lǐng)域。本文回顧了飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了飛行汽車相關(guān)類型，并在后續(xù)闡述中提出和論述了一種飛行汽車系統(tǒng)架構(gòu)。最后，從運(yùn)動(dòng)控制、智能感知、流體減阻和清潔能源4個(gè)角度分析了飛行汽車關(guān)鍵技術(shù)，希望能為飛行汽車的研發(fā)設(shè)計(jì)和工程落地提供設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-03-05

*基金項(xiàng)目：上海市科技重大專項(xiàng)支持（No.021SHZDZX0103）。