CN112947515B - 基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，包括步骤：获取飞行器运行航线上所途经的建筑物高度分布；根据建筑物高度分布，计算飞行器在运行过程中相对于建筑物的噪音衰减距离；同时根据相对于建筑物的噪音衰减距离，计算飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度；获取飞行器在不同飞行状态下电机所消耗的能耗；结合飞行器性能制作飞行器的飞行高度层计划，以降低飞行器在运行过程中所消耗的能耗。通过选择巡航高度层来控制前飞状态、起降状态、对建筑物的绕飞状态的能耗，克服因起飞高度过高或者过低对整体航路运行过程中产生的不必要能耗的影响，降低航路运行的成本，实现在城市上空进行高效节能的航行与运输。

Description

基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法

技术领域

本发明涉及控制飞行能耗技术领域，特别涉及选择最优巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法。

背景技术

飞行器在城市运行过程中会遇到不同高度的建筑物，当飞行器选择高于建筑物高度进行巡航时，若巡航高度层越高，那么飞行器在起降过程中所消耗的能量就会越多。但若在既定高度层巡航时，点到点的直飞路径上会遇到的建筑物的阻碍，飞行器在绕飞建筑物时也会消耗多的能量。因此，如何很好的折中选择高度层，使得飞行器在运行过程中所消耗的能耗尽可能低，这一问题是值得研究的。

发明内容

本发明的目的在于根据飞行器在运行过程中的能耗，制作出飞行器的飞行高度层计划，以控制飞行器按照该飞行计划飞行，使得飞行器在运行过程所消耗的能耗尽可能低，于是提供一种基于选择最优巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施案例提供了以下技术方案：

基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取飞行器运行航线上所途经的建筑物高度分布；

步骤S2：根据建筑物高度分布，计算飞行器在运行过程中相对于建筑物的噪音衰减距离；同时根据相对于建筑物的噪音衰减距离，计算飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度；

步骤S3：获取飞行器在不同的飞行状态下电机所消耗的能耗；所述飞行器的飞行状态包括前飞状态、起降状态、绕飞状态；

步骤S4：结合飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度，以及在不同的飞行状态下电机所消耗的能耗，制作飞行器的飞行高度层计划，以降低飞行器在运行过程中电机所消耗的能耗。

在上述方案中，结合飞行器运行过程中对建筑物产生的噪音，以及对建筑物的绕飞情况，指定飞行器的飞行高度层计划，使得飞行器在该计划高度层运行时，其电机所消耗的能耗最低化。通过选择巡航高度层来控制前飞状态、起降状态、对建筑物的绕飞状态的能耗，克服因起飞高度过高或者过低对整体航路运行过程中产生的不必要能耗的影响，降低航路运行的成本，实现在城市上空进行高效节能的航行与运输。

更进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S1-1：根据飞行器的起降站点位置获得飞行器的最短运行航线；

步骤S1-2：基于GIS系统获得该最短运行航线左右两侧一定距离范围内的建筑物高度分布；

步骤S1-3：将一定距离范围内的建筑物拟化为体积相等、高度相等的圆柱体建筑物，且圆柱体建筑物的半径为R。

更进一步地，所述步骤S2的具体步骤包括：

步骤S2-1：当飞行器在运行航线上绕飞途经的建筑物时，为避免飞行器的噪声对建筑物产生影响，利用点声源扩散衰减公式：

其中，ΔL为飞行器与建筑物的距离范围内间隔距离所产生的噪音衰减值，单位为dB，L₁为飞行器(即噪音产生位置)与建筑物外周最近受声点的距离；因此可根据城市噪音水平要求和已知飞行器点声源位置噪音大小计算得到传播过程中噪音衰减值ΔL，从而计算得到飞行器到建筑物外周所应保持的最小间隔距离为：

步骤S2-2：飞行器在绕飞途经的建筑物时，包括绕飞四分之一建筑物和绕飞二分之一建筑物，则在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的总长度：

其中，X为飞行器绕飞四分之一建筑物的次数，Y为飞行器绕飞二分之一建筑物的次数；

在不同运行高度下产生的绕飞和直飞情况不同，能耗上的不同体现在绕飞超高建筑物同从建筑物上方直飞通过时的能耗的差值。

已知，从绕飞四分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是(R+L₁)；从绕飞二分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是2(R+L₁)，则绕飞过程的能耗差值为：

那么可以求出飞行器分别在起、降状态的能耗值J1、J₂及绕飞状态的能耗差值J₃。

更进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S3-1：获取飞行器在前飞状态时的功率，根据飞行器在前飞状态时的功率计算飞行器在前飞状态时所消耗的能耗；

步骤S3-2：获取飞行器在起降状态时的功率，根据飞行器在起降状态时的功率计算飞行器在起降状态时所消耗的能耗；

步骤S3-3：根据飞行器在前飞状态时所消耗的能耗，以及飞行器所要绕飞建筑物的总长度，计算飞行器在绕飞状态时所消耗的能耗。

更进一步地，所述步骤S3-1的具体步骤包括：

所述飞行器(以亿航184为例)具有四个机轴臂，设飞行器一个机轴臂产生的拉力为T_arm；所述飞行器的一个机轴臂具有两个互相反向转动的转子，一个转子由一个电机启动，设某一机轴臂的一个转子的净推力为T_lower，另一转子的净推力为T_upper；

由于飞行器在运行过程中，一个机轴臂产生的拉力大小等于四分之一的飞行器重量，则飞行器的某一转子的净推力为

其中mg为飞行器的重量；

根据旋翼拉力公式

以及动量理论，可得飞行器悬停时的气体诱导速度V_hover：

其中A为转子的转盘面积，ρ为空气密度，根据飞行器悬停时的气体诱导速度V_hover，计算飞行器在前飞状态时一个转子的真空速V_in：

其中，V为飞行器的实际飞行速度，α为转子的迎角，即飞行器与水平方向的俯仰倾角；

设转子的净推力与垂直轴上的夹角为θ，飞行器与水平轴的飞行路线夹角为γ，则有α＝γ+θ的关系；

已知飞行器的一个转子的平均净推力为T_rotor，那么一个转子所消耗的诱导功率为：

P_induced＝T_rotor×(V sinα+V_in) (3-3)

得到飞行器在前飞状态时一个机轴臂所消耗的诱导功率：

P_arm＝2P_induced(1+τ) (3-4)

其中，P_induced为该机轴臂中一个转子所消耗的诱导功率，τ为该机轴臂中对转子的干扰因子，τ≤1；

则飞行器在前飞状态时的功率消耗为：

P_required＝4P_arm+P_parasite+P_climb+P_profile (3-5)

其中，P_parasite为飞行器的寄生功率，P_climb为飞行器的爬升功率，P_profile为飞行器的外形功率；由于飞行器的外形功率可以忽略不计，则：

P_required＝4P_arm+P_parasite+P_climb＝4P_arm+TV sinα (3-6)

其中，T为飞行器全部机轴臂的总净推力，即T＝8T_rotor，V为飞行器的实际飞行速度；

则飞行器在前飞状态时，电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，飞行的时间(t_f-t₀)等于飞行器在前飞状态下的飞行时间。

更进一步地，所述步骤S3-2的具体步骤包括：

飞行器在起降状态时，飞行器转子的迎角α和飞行器与水平轴的飞行路线夹角为γ的关系为：α＝γ＝90°，则飞行器在起降状态时，电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，飞行的时间(t`<sub>f</sub>-t`₀)等于飞行器高度的变化值除以上升或下降速度，即

更进一步地，所述步骤S3-3的具体步骤包括：

飞行器在绕飞状态时的高度与前飞状态时的高度相等，假设飞行器在绕飞状态时能耗水平与前飞状态时一致，则电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，

L为飞行器所要绕飞建筑物的总长度。

更进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：

当飞行器航线高度等于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

所述起降状态包括起飞状态、降落状态，其中，J₁为飞行器起飞状态的能耗，J₂为飞行器降落状态的能耗，J₃为飞行器绕飞状态的能耗，L_差飞行器在绕飞过程的距离差值，H_start为飞行器起飞高度，h为飞行器的航线高度，V为飞行器的实际飞行速度；令：

当飞行器航线高度高于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

当飞行器航线高度低于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

通过数值逼近法计算J_总最小时的h值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本方案从运行高度来控制起降状态、前进状态、对建筑物的绕飞状态的能耗，克服因起飞高度过高或者过低对整体航路运行过程中产生的不必要能耗的影响，降低航路运行的成本，实现在城市上空进行高效节能的航行与运输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明控制能耗的方法流程图；

图2为本发明实施例使用的亿航184飞行器结构示意图；

图3为本发明实施例飞行器在运行过程的受力分析图；

图4为本发明实施例飞行器需绕飞建筑物时的示意图；

图5为本发明实施例飞行器绕飞建筑物时的俯视图；

图6为本发明实施例飞行器绕飞建筑物时偏转角的示意图；

图7为本发明实施例模拟运行环境下，飞行器在不同航线高度下绕飞建筑物的分布示意图；

图8为本发明实施例模拟运行环境下，飞行器需要绕飞四分之一建筑物时的数目与航路高度之间的关系折线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本方案通过对eVTOL飞行器(以下简称飞行器)运行高度层进行规划调整来对运行过程中所消耗的能量影响进行控制，从运行高度来控制起降状态、前进状态、对建筑物的绕飞状态的能耗，克服因起飞高度过高或者过低对整体航路运行过程中产生的不必要能耗的影响，降低航路运行的成本，实现在城市上空进行高效节能的航行与运输。

请参见图7，若飞行器高于建筑物的距离越大，则起飞过程中所要上升的高度越高，所消耗的能耗越高；但若飞行器起飞过程中上升的高度越低，在航线上遇到的建筑物越多，需要绕飞的建筑物也越多，那么所消耗的能量也会增加。因此本方案通过结合运行航线上建筑物高度分布计算飞行器运行过程中所消耗的能耗，提出一种基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，请参见图1，包括以下步骤：

步骤S1：获取飞行器运行航线上所途经的建筑物高度分布。

制定飞行航线的起降站点，根据起降站点位置获得飞行器的最短运行航线，基于已有的GIS系统获得该最短运行航线左右两侧一定距离范围内的建筑物高度分布，请参见图7，如该最短运行航线左右两侧50m范围内的建筑物分布图，从起点A到降点B的航线上，柱形代表建筑物的高度分布。

由于飞行器在不同运行环境下建筑物的外形不同，种类较多，为方便计算，本方案对建筑物的外部构型进行统一的标准化处理，基于建筑物的体积和高度部不变，将所有的建筑物统一构型为标准的圆柱体建筑物，则圆柱体建筑物的半径为R，请参见图4、5。

需要说明的是，本方案中步骤S2和步骤S3的顺序可以互换。

步骤S2：根据建筑物高度分布，计算飞行器在运行过程中相对于建筑物的噪音衰减距离；同时根据相对于建筑物的噪音衰减距离，计算飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度。

当飞行器在绕飞建筑物时，噪声会对建筑物产生影响，在考虑相对于建筑物的噪音衰减时，声波在实际介质中传播，由于扩散、吸收和散射等原因，噪音会随着声源离开的距离增加而逐渐减弱，这种减弱与传播距离、声波频率和界面等因素有关，但本方案中飞行器的噪声对建筑物的水平方向上的影响为主要考虑。

为避免飞行器的噪声对建筑物产生影响，利用点声源扩散衰减公式：

其中ΔL为飞行器与建筑物的间隔距离所产生的噪音衰减值，单位为dB，L₁为飞行器(即噪音产生位置)与建筑物外周最近受声点距离；因此可根据城市噪音水平要求和已知飞行器点声源位置噪音大小计算得到传播过程中噪音衰减值ΔL，从而计算得到飞行器到建筑物外周所应保持的最小间隔距离：

请参见图5为飞行器绕飞建筑物时的俯视图，其中L₁为飞行器与建筑物外周的距离，R为建筑物的半径。根据《城市区域噪声标准》对城市环境噪声标准的规定，经计算，当L₁＝30m时即可符合城市区域噪声标准的要求。飞行器在运行过程中，当飞行高度超过相高50m时，地面噪声不超过70分贝，符合社会生活环境噪声排放标准限值，因此对地面垂直方向的噪声影响可忽略。

飞行器在航线上需要绕飞建筑物时，绕飞情况分为绕飞四分之一建筑物和绕飞二分之一建筑物。请参见图6，当绕飞偏转角(即以采取直飞穿越建筑物时的穿入点与穿出点同此高度面上的中心之间连线的夹角)小于等于45°时，记为绕飞四分之一建筑物的情况；当绕飞偏转角大于45°时，记为绕飞二分之一建筑物的情况。需要说明的是，本方案不考虑偏转角大于180°的情况，因为大于180°时，即以小于等于45°记入。

那么飞行器在不同高度层(h)运行时所要绕飞建筑物的总长度为：

其中，X(h)为飞行器绕飞四分之一建筑物的次数，Y(h)为飞行器绕飞二分之一建筑物的次数。请参见图8，作为模拟的运行环境下，为飞行器需要绕飞四分之一圆周建筑物的次数X(h)与航线高度h之间的关系折线图。由于X(h)和Y(h)是离散函数，不是连续函数，因此不能对其进行求导，则需要通过计算机处理的方式对航线高度h进行逼近求解，用连续的函数对X(h)进行近似，得到含h的表达式，同理可得Y(h)的图像及表达式。

已知，从绕飞四分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是(R+L₁)；从绕飞二分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是2(R+L1)，则飞行器在绕飞过程的距离差值为：

步骤S3：获取飞行器在不同的飞行状态下电机所消耗的能耗；所述飞行器的飞行状态包括前飞状态、起降状态、绕飞状态。

请参见图2，本实施例以亿航184载运具的eVTOL飞行器进行建模，该飞行器有四个机轴臂，每个机轴臂端头装有两个相同的反向旋转转子，一个转子由一个电机启动。如图3为飞行器在运行过程的受力分析，已知飞行器的一个机轴臂产生的拉力为T_arm，一个机轴臂的一个转子的净推力为T_lower，另一转子的净推力为T_upper。且已知一个机轴臂产生的里拉大小等于四分之一的飞行器重量(行业最优标准)，运行过程中处于匀速运动，受力平衡，则飞行器的某一转子的净推力为

其中mg为飞行器的重量。

因此一个机轴臂的产生的拉力为：

根据旋翼拉力公式

以及动量理论，可得飞行器悬停时的气体诱导速度V_hover：

其中A为转子的转盘面积，ρ为空气密度，根据飞行器悬停时的气体诱导速度V_hover，计算飞行器在前飞状态时一个转子的真空速V_in：

其中V为飞行器的实际飞行速度，α为转子的迎角，即飞行器与水平方向的俯仰倾角，请参见图3的受力分析图，设转子的净推力与垂直轴上的夹角为θ，飞行器与水平轴的飞行路线夹角为γ，则有α＝θ+γ的关系。

已知飞行器的一个转子的平均净推力为T_rotor，那么一个转子所消耗的诱导功率为：

P_induced＝T_rotor×(V sinα+V_in)

得到飞行器在前飞状态时一个机轴臂所消耗的诱导功率：

P_arm＝2P_induced(1+τ)

其中，P_induced为该机轴臂中一个转子所消耗的诱导功率，τ为该机轴臂中对转子的干扰因子，τ≤1。

则飞行器在前飞状态时的功率消耗为：

P_required＝4P_arm+P_parasite+P_climb+P_profile

其中，P_parasite为飞行器的寄生功率，P_climb为飞行器的爬升功率，P_profile为飞行器的外形功率；由于飞行器转子的外形较小，因此外形功率可以忽略不计，则：

P_required＝4P_arm+P_parasite+P_climb＝4P_arm+TV sinα

其中，T为飞行器全部机轴臂的总净推力，即T＝8T_rotor，V为飞行器的实际飞行速度；则飞行器在前飞状态时，则飞行器在前飞状态时，电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，飞行的时间(t_f-t₀)等于前飞所需时间。

飞行器在起降状态时，飞行器转子的迎角α和飞行器与水平轴的飞行路线夹角为γ的关系为：α＝γ＝90°，则同理，飞行器在起降状态时，电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，飞行的时间(t`<sub>f</sub>-t`₀)为等于飞行器在起/降状态高度变化值除以起降速度，即

飞行器在绕飞状态时的高度与前飞状态时的高度相等，则同理，假设飞行器在绕飞状态时能耗水平与前飞状态时一致，则电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，

L为飞行器所要绕飞建筑物的总长度，即：

且

在不同运行高度下产生的绕飞和直飞情况不同，能耗上的不同体现在绕飞超高建筑物同从建筑物上方直飞通过时的能耗的差值。

已知，从绕飞四分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是(R+L1)；从绕飞二分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是2(R+L1)，则绕飞过程的能耗差值为：

那么则求出了飞行器分别在起、降状态的能耗值J₁、J₂及绕飞状态的能耗差值J₃。

步骤S4：结合飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度，以及在不同的飞行状态下电机所消耗的能耗，制作飞行器的飞行高度层计划，以降低飞行器在运行过程中电机所消耗的能耗。

①当飞行器航线高度等于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

所述起降状态包括起飞状态、降落状态，其中，J₁为飞行器起飞状态的能耗，J₂为飞行器降落状态的能耗，J₃为飞行器绕飞状态的能耗，L_差飞行器在绕飞过程的距离差值，H_start为飞行器起飞高度，h为飞行器的航线高度，V为飞行器的实际飞行速度；令：

通过数值逼近法计算J_总最小时的h值，从而制作出飞行器的飞行高度层计划，以控制飞行器按照该飞行计划飞行，使得飞行器在运行过程所消耗的能耗尽可能低，减少运行成本，提高运行效益。

②当飞行器航线高度高于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

同理通过数值逼近法计算J_总最小时的h值。

③当飞行器航线高度低于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

同理通过数值逼近法计算J_总最小时的h值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：获取飞行器运行航线上所途经的建筑物高度分布；

步骤S2：根据建筑物高度分布，计算飞行器在运行过程中相对于建筑物的噪音衰减距离；同时根据相对于建筑物的噪音衰减距离，计算飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度；

步骤S3：获取飞行器在不同的飞行状态下电机所消耗的能耗；所述飞行器的飞行状态包括前飞状态、起降状态、绕飞状态；

步骤S4：结合飞行器在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的长度，以及在不同的飞行状态下电机所消耗的能耗，制作飞行器的飞行高度层计划，以降低飞行器在运行过程中电机所消耗的能耗；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S1-1：根据飞行器的起降站点位置获得飞行器的最短运行航线；

步骤S1-2：基于GIS系统获得该最短运行航线左右两侧一定距离范围内的建筑物高度分布；

步骤S1-3：将一定距离范围内的建筑物拟化为体积相等、高度相等的圆柱体建筑物，且圆柱体建筑物的半径为R；

所述步骤S2的具体步骤包括：

步骤S2-1：当飞行器在运行航线上绕飞途经的建筑物时，为避免飞行器的噪声对建筑物产生影响，利用点声源扩散衰减公式：

其中，ΔL为飞行器与建筑物的间隔距离所产生的噪音衰减值，单位为dB，L₁为飞行器与建筑物外周最近受声点的距离；那么飞行器到建筑物外周所应保持的最小间隔距离为：

步骤S2-2：飞行器在绕飞途经的建筑物时，包括绕飞四分之一建筑物和绕飞二分之一建筑物，则在不同高度层运行时所要绕飞建筑物的总长度：

其中，X为飞行器绕飞四分之一建筑物的次数，Y为飞行器绕飞二分之一建筑物的次数；

已知，从绕飞四分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是(R+L₁)；从绕飞二分之一建筑物上方直飞通过时的距离大小是2(R+L₁)，则飞行器在绕飞过程的距离差值为：

2.根据权利要求1所述的基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S3-1：获取飞行器在前飞状态时的功率，根据飞行器在前飞状态时的功率计算飞行器在前飞状态时所消耗的能耗；

步骤S3-2：获取飞行器在起降状态时的功率，根据飞行器在起降状态时的功率计算飞行器在起降状态时所消耗的能耗；

步骤S3-3：根据飞行器在前飞状态时所消耗的能耗，以及飞行器所要绕飞建筑物的总长度，计算飞行器在绕飞状态时所消耗的能耗。

3.根据权利要求2所述的基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，其特征在于：所述步骤S3-1的具体步骤包括：

所述飞行器具有四个机轴臂，设飞行器一个机轴臂产生的拉力为T_arm；所述飞行器的一个机轴臂具有两个互相反向转动的转子，一个转子由一个电机启动，设某一机轴臂的一个转子的净推力为T_lower，另一转子的净推力为T_upper；

由于飞行器在运行过程中，一个机轴臂产生的拉力大小等于四分之一的飞行器重量，则飞行器的某一转子的净推力为

其中mg为飞行器的重量；

根据旋翼拉力公式

以及动量理论，可得飞行器悬停时的气体诱导速度V_hover：

其中A为转子的转盘面积，ρ为空气密度，根据飞行器悬停时的气体诱导速度V_hover，计算飞行器在前飞状态时一个转子的真空速V_in：

其中，V为飞行器的实际飞行速度，α为转子的迎角；

设转子的净推力与垂直轴上的夹角为θ，飞行器与水平轴的飞行路线夹角为γ，则有α＝γ+θ的关系；

已知飞行器的一个转子的平均净推力为T_rotor，那么一个转子所消耗的诱导功率为：

P_induced＝T_rotor×(Vsinα+V_in) (3-3)

得到飞行器在前飞状态时一个机轴臂所消耗的诱导功率：

P_arm＝2P_induced(1+τ) (3-4)

其中，P_induced为该机轴臂中一个转子所消耗的诱导功率，τ为该机轴臂中对转子的干扰因子，τ≤1；

则飞行器在前飞状态时的功率消耗为：

P_required＝4P_arm+P_parasite+P_climb+P_profile (3-5)

其中，P_parasite为飞行器的寄生功率，P_climb为飞行器的爬升功率，P_profile为飞行器的外形功率；由于飞行器的外形功率可以忽略不计，则：

P_required＝4P_arm+P_parasite+P_climb＝4P_arm+TVsinα (3-6)

其中，T为飞行器全部机轴臂的总净推力，V为飞行器的实际飞行速度；

则飞行器在前飞状态时，电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，飞行的时间(t_f-t₀)等于飞行器前飞状态的飞行时间。

4.根据权利要求3所述的基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，其特征在于：所述步骤S3-2的具体步骤包括：

飞行器在起降状态时，飞行器转子的迎角α和飞行器与水平轴的飞行路线夹角为γ的关系为：α＝γ＝90°，则飞行器在起降状态时，电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，飞行的时间(t`<sub>f</sub>-t`₀)等于飞行器高度变化值除以起/降速度，即

5.根据权利要求4所述的基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，其特征在于：所述步骤S3-3的具体步骤包括：

飞行器在绕飞状态时的高度与前飞状态时的高度相等，假设飞行器在绕飞状态时能耗与前飞状态时一致，则电机的电池在t₀到t_f的时间段内的能耗为：

其中，

L为飞行器所要绕飞建筑物的总长度。

6.根据权利要求5所述的基于优化巡航高度层的飞行器城市空中交通能耗控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：

当飞行器航线高度等于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

所述起降状态包括起飞状态、降落状态，其中，J₁为飞行器起飞状态的能耗，J₂为飞行器降落状态的能耗，J₃为飞行器绕飞状态的能耗，L_差飞行器在绕飞过程的距离差值，H_start为飞行器起飞高度，h为飞行器的航线高度，V为飞行器的实际飞行速度；令：

当飞行器航线高度高于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

当飞行器航线高度低于终点降落高度时，飞行器在飞行状态下电机所消耗的总能耗为：

通过数值逼近法计算J_总最小时的h值。

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