结合气动与电机模型的空中出租车轨迹优化
最优化与控制
2025-04-08 v2
摘要
为了实现大规模城市空中交通的愿景，空中出租车概念必须针对其预期任务进行精心设计和优化。提出的空中出租车任务包含由非线性动力学主导的动态段。其中一个段是任务开始和结束时发生的悬停与巡航之间的过渡。由于该过渡涉及低空高功率飞行，分析过渡轨迹对于安全且经济的城市空中交通至关重要。过渡机动的优化需要一种最优控制方法，该方法描述系统状态随时间变化的轨迹。在本文中，我们在一个大规模设计优化框架内解决了空中出租车过渡的最优控制问题。该框架允许我们包含五个基于物理的模型，描述飞行动力学、旋翼气动、机翼气动、电机性能和声学，并据此创建了NASA的Lift-plus-Cruise空中出租车概念的低保真模型。我们使用该优化问题公式来计算最小时间或最小能量的过渡轨迹。我们的结果表明，Lift-plus-Cruise飞行器完成最小能量过渡需要80秒，能量消耗13.3MJ；最小时间过渡需要28秒，能量消耗16.4MJ。我们发现这些轨迹包含大的俯仰角和高声压级，这对于实际的城市空中交通都是不可取的。因此，我们探索了包含俯仰角和声学约束的轨迹，并发现最小时间轨迹受这些约束的影响显著大于最小能量轨迹。
引用
@article{arxiv.2404.15570,
title = {Air-taxi trajectory optimization with aerodynamic and motor models},
author = {Nicholas C. Orndorff and John T. Hwang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2404.15570},
year = {2025}
}