CN114861472B - 一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法 - Google Patents

一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于飞机运行模拟仿真技术领域，尤其涉及一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，步骤1、VTP操控台上通过城市选项选择当前城市、VTP列表选项选择当前垂直起降场，步骤2、VTP操控台上通过出发时间选项、目的机场选项来添加飞行计划，步骤3、飞控模块控制该eVTOL飞机根据飞行航线、飞行指令在垂直起降场之间飞行；步骤4、VTP管理模块实时计算当前垂直起降场场面的使用情况，按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，实现垂直起降场自动化运行。本发明设计了垂直起降场运行流程及运行方法，并模拟仿真eVTOL飞机在垂直起降场间自动化运行，可实现大量eVTOL飞机在不同垂直起降场之间高效率、高灵活、低成本的运行。

Description

一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法
技术领域
本发明属于飞机运行模拟仿真技术领域，尤其涉及一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法。
背景技术
eVTOL（Electric Vertical Take-Off and Landing）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。
eVTOL飞机停靠的垂直起降机场（VTP）是一片位于地面或高处的区域，包括其上的任何建筑物和设施，用来支持电动垂直起降航空器的起飞和着陆。由于城市空中运输的最终目的是实现城市区域的快捷运输，因此垂直起降场站点是与城市空间紧密耦合的，且相比于运输航空，这些垂直起降场的选址和运营能力拥有更多影响空中航路结构规划的能力。城市空中交通（UAM）垂直起降站场面结构相对简单，因此，其交通管理问题主要集中在容量设计和起降流程优化上。目前中国缺乏相关空中通航运行数据对未来运行需求进行预测，而且垂直起降场的建设处于初步阶段，为了使城市垂直起降场建设更加合理、容载量更高、起降流程更优化，因此迫切需要通过eVTOL飞机在垂直起降场间运行模拟仿真来得到验证数据指导垂直起降场在现实中的建设。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，该方法设计了垂直起降场运行流程及运行方法，并模拟仿真eVTOL飞机在垂直起降场间自动化运行，可实现大量eVTOL飞机在不同垂直起降场之间高效率、高灵活、低成本的运行。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，
步骤1、VTP操控台上通过城市选项选择当前城市，再通过VTP列表选项选择当前垂直起降场，然后VTP操控台上实时显示当前垂直起降场的VTP信息、eVTOL信息；
步骤2、VTP操控台上通过出发时间选项、目的机场选项来添加飞行计划，并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上；
步骤3、当VTP操控台上添加飞行计划时，eVTOL管理模块创建相应的eVTOL飞机对象，飞控模块控制该eVTOL飞机根据飞管模块提供的飞行航线、飞行指令在垂直起降场之间飞行；
步骤4、VTP管理模块从数据库和配置文件中获取eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序，实时计算当前垂直起降场场面的使用情况，按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，实现垂直起降场自动化运行。
进一步，所述VTP信息包括起飞坪数量、降落坪数量、登机站数量、可用起飞坪数量、可用降落坪数量、可用登机站数量，所述eVTOL信息包括当前起飞数量、当前到达数量。
进一步，步骤2中并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上，进一步包括，
所述eVTOL起飞表按时间先后顺序依次显示起飞计划的出发时间、目的机场。
进一步，所述垂直起降场场面区域包括起飞坪、降落坪、登机位、停机站、滑行道。
进一步，步骤4中实时计算当前垂直起降场场面的使用情况，进一步包括，
实时计算当前垂直起降场场面的起飞坪、降落坪、登机位的使用情况。
进一步，步骤4中按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，进一步包括，
当eVTOL飞机到达垂直起降场附近时，所述垂直起降场将该eVTOL飞机加入飞机到达队列且eVTOL飞机按进场程序依次到达降落坪，所述eVTOL飞机平稳着陆后进入登机站下客且eVTOL飞机停机在停机站；当eVTOL飞机接到飞行任务时，所述eVTOL飞机从停机站到达登机站上客，当到达起飞时间时，所述eVTOL飞机从登机站推出并从起飞坪按照离场程序起飞离开。
进一步，所述飞管模块结合空域模块、eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序规划符合飞机性能且满足空域要求的飞行航线，并在飞行过程中为飞机提供飞行指令引导。
进一步，所述空域模块根据垂直起降场选址结合城市所有建筑高度、部分禁飞区域、空域等级划分来仿真模拟的城市空域。
进一步，所述eVTOL飞机对象包括当前飞机位置、飞机速度、飞机航向、飞机起飞坪、飞机降落坪。
本发明的有益效果为：
本发明遵循“简化飞行操纵”的飞机设计理念，设计了垂直起降场运行流程及运行方法，并模拟仿真eVTOL飞机在垂直起降场间自动化运行，可实现大量eVTOL飞机在不同垂直起降场之间高效率、高灵活、低成本的运行，模拟仿真得到的验证数据可以指导垂直起降场在现实中的建设，使空中航路结构更加合理，为现实中垂直起降场设计和运营提供依据、节约时间和成本，简化了垂直起降场的设计流程及验证方法，降低了建造验证成本，并达到垂直起降场安全增强设计合理的目的，以满足未来城市空中交通运营的系统安全级别。
附图说明
图1为本发明一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法的流程图。
图2为本发明的垂直起降场间模拟仿真运行时序图。
图3为本发明的VTP操控台界面示意图。
图4为本发明的垂直起降场示意图。
图5为本发明的垂直起降场场面运行管理流程图。
图6为本发明的垂直起降场进场路径水平面示意图。
图7为本发明的垂直起降场进场下降剖面图。
图8为本发明的eVTOL飞机飞行剖面图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图8所示，本发明提供的一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，
步骤1、VTP操控台上通过城市选项选择当前城市，再通过VTP列表选项选择当前垂直起降场，然后VTP操控台上实时显示当前垂直起降场的VTP信息、eVTOL信息。
步骤2、VTP操控台上通过出发时间选项、目的机场选项来添加飞行计划，并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上。
步骤3、当VTP操控台上添加飞行计划时，eVTOL管理模块创建相应的eVTOL飞机对象，飞控模块控制该eVTOL飞机根据飞管模块提供的飞行航线、飞行指令在垂直起降场之间飞行。
步骤4、VTP管理模块从数据库和配置文件中获取eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序，实时计算当前垂直起降场场面的使用情况，按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，实现垂直起降场自动化运行。
进一步，VTP信息包括起飞坪数量、降落坪数量、登机站数量、可用起飞坪数量、可用降落坪数量、可用登机站数量，eVTOL信息包括当前起飞数量、当前到达数量。
进一步，步骤2中并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上，进一步包括，
eVTOL起飞表按时间先后顺序依次显示起飞计划的出发时间、目的机场。
进一步，垂直起降场场面区域包括起飞坪、降落坪、登机位、停机站、滑行道。
进一步，步骤4中实时计算当前垂直起降场场面的使用情况，进一步包括，
实时计算当前垂直起降场场面的起飞坪、降落坪、登机位的使用情况。
进一步，步骤4中按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，进一步包括，
当eVTOL飞机到达垂直起降场附近时，垂直起降场将该eVTOL飞机加入飞机到达队列且eVTOL飞机按进场程序依次到达降落坪，eVTOL飞机平稳着陆后进入登机站下客且eVTOL飞机停机在停机站；当eVTOL飞机接到飞行任务时，eVTOL飞机从停机站到达登机站上客，当到达起飞时间时，eVTOL飞机从登机站推出并从起飞坪按照离场程序起飞离开。
进一步，飞管模块结合空域模块、eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序规划符合飞机性能且满足空域要求的飞行航线，并在飞行过程中为飞机提供飞行指令引导。
进一步，空域模块根据垂直起降场选址结合城市所有建筑高度、部分禁飞区域、空域等级划分来仿真模拟的城市空域。
进一步，eVTOL飞机对象包括当前飞机位置、飞机速度、飞机航向、飞机起飞坪、飞机降落坪。
实施例
如图1-图8所示，本发明设计了垂直起降场内部运行流程及实现方法，同时结合VTP操控台、VTP管理模块、eVTOL管理模块、飞控模块、飞管模块、空域模块等仿真模块，实现eVTOL飞机在垂直起降场之间自动化仿真运行。具体实施eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法如下。
步骤1、VTP操控台上通过城市选项选择当前城市，再通过VTP列表选项选择当前垂直起降场，然后VTP操控台上实时显示当前垂直起降场的VTP信息、eVTOL信息。
VTP信息包括起飞坪数量、降落坪数量、登机站数量、可用起飞坪数量、可用降落坪数量、可用登机站数量，eVTOL信息包括当前起飞数量、当前到达数量。
如图3所示，在VTP操控台可以对不同城市的不同垂直起降场进行设置，选择城市后再选择VTP（垂直起降场），在VTP操控台上会实时显示VTP信息（含起飞坪数量、降落坪数量、登机站数量、可用起飞坪数量、可用降落坪数量、可用登机站数量），eVTOL信息（含当前起飞数量、当前到达数量）。
步骤2、VTP操控台上通过出发时间选项、目的机场选项来添加飞行计划，并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上。eVTOL起飞表按时间先后顺序依次显示起飞计划的出发时间、目的机场。
如图3所示，可以在VTP操作台上添加起飞计划，选择出发时间和目的机场选择确定，该条起飞计划会自动更新到eVTOL起飞表中，并根据时间先后依次显示。
步骤3、当VTP操控台上添加飞行计划时，eVTOL管理模块创建相应的eVTOL飞机对象，飞控模块控制该eVTOL飞机根据飞管模块提供的飞行航线、飞行指令在垂直起降场之间飞行。
eVTOL飞机对象包括当前飞机位置、飞机速度、飞机航向、飞机起飞坪、飞机降落坪。
飞管模块结合空域模块、eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序规划符合飞机性能且满足空域要求的飞行航线，并在飞行过程中为飞机提供飞行指令引导。
空域模块根据垂直起降场选址结合城市所有建筑高度、部分禁飞区域、空域等级划分来仿真模拟的城市空域。
eVTOL管理模块管理仿真系统中所有的eVTOL飞机。当用户在VTP操控台中添加起飞计划时，eVTOL管理模块会创建相应的eVTOL飞机对象。eVTOL飞机对象中包含该eVTOL飞机的所有信息（当前飞机位置、飞机速度、飞机航向、飞机起飞坪、飞机降落坪等飞机状态信息），该eVTOL飞机受飞控模块控制，飞管模块为该飞机提供飞行路线和飞行指令。
飞管模块结合空域、VTP提供的起飞着陆机场信息、进出场程序、eVTOL性能等信息规划符合飞机性能满足空域要求的飞行航线，并在飞行过程中为飞机提供飞行引导。飞管模块的设计方法遵循“简化飞行操纵”的飞行控制设计理念，简化了驾驶员对飞行管理系统的操作流程，设计的飞行航线的飞行剖面如图8所示。
飞控模块可手动或自动控制eVTOL飞机根据飞管模块生成的飞行航线以及飞行指令在垂直起降场之间飞行。
空域模块根据垂直起降场选址结合城市所有建筑高度、部分禁飞区域、空域等级划分来仿真模拟城市空域，并提供空域规划和航线交通为飞管模块规划航线提供依据。一条空中走廊定义了垂直和横向边界，为飞管模块生成飞行路线提供空域信息。
步骤4、VTP管理模块从数据库和配置文件中获取eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序，垂直起降场场面区域包括起飞坪、降落坪、登机位、停机站、滑行道（如图4所示），实时计算当前垂直起降场场面的起飞坪、降落坪、登机位的使用情况，按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，实现垂直起降场自动化运行。
VTP管理模块管理运营所有的垂直起降场。VTP管理模块可从数据库和配置文件中获取所有垂直起降场场面、eVTOL信息、各个垂直起降场的进离场程序，以供其他模块使用。并且VTP管理模块中实现了对垂直起降场程序的模拟仿真。
如图5所示，当eVTOL飞机到达垂直起降场附近时，垂直起降场将该eVTOL飞机加入飞机到达队列且eVTOL飞机按进场程序依次到达降落坪，eVTOL飞机平稳着陆后进入登机站下客且eVTOL飞机停机在停机站；当eVTOL飞机接到飞行任务时，eVTOL飞机从停机站到达登机站上客，当到达起飞时间时，eVTOL飞机从登机站推出并从起飞坪按照离场程序起飞离开。
如图6-图7所示，垂直起降场区域及其接地离地区域要求进出路径中存在无障碍的下滑角，垂直起降地点四周不能有高层建筑，在垂直起降场选址和设计进出场程序时至关重要。
数据库和配置文件储存了仿真系统所有的垂直起降场的数据（含垂直起降场的位置、模型、起降坪信息、登机站信息等）。VTP管理模块可以访问数据库和配置文件按需获取所需垂直起降场的信息。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：
步骤1、VTP操控台上通过城市选项选择当前城市，再通过VTP列表选项选择当前垂直起降场，然后VTP操控台上实时显示当前垂直起降场的VTP信息、eVTOL信息；
步骤2、VTP操控台上通过出发时间选项、目的机场选项来添加飞行计划，并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上；
步骤3、当VTP操控台上添加飞行计划时，eVTOL管理模块创建相应的eVTOL飞机对象，飞控模块控制该eVTOL飞机根据飞管模块提供的飞行航线、飞行指令在垂直起降场之间飞行；
步骤4、VTP管理模块从数据库和配置文件中获取eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序，实时计算当前垂直起降场场面的起飞坪、降落坪、登机位的使用情况，按顺序安排eVTOL飞机进入飞机到达队列和飞机起飞队列中，实现垂直起降场自动化运行；其中，当eVTOL飞机到达垂直起降场附近时，所述垂直起降场将该eVTOL飞机加入飞机到达队列且eVTOL飞机按进场程序依次到达降落坪，所述eVTOL飞机平稳着陆后进入登机站下客且eVTOL飞机停机在停机站；当eVTOL飞机接到飞行任务时，所述eVTOL飞机从停机站到达登机站上客，当到达起飞时间时，所述eVTOL飞机从登机站推出并从起飞坪按照离场程序起飞离开。
2.根据权利要求1所述的eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：所述VTP信息包括起飞坪数量、降落坪数量、登机站数量、可用起飞坪数量、可用降落坪数量、可用登机站数量，所述eVTOL信息包括当前起飞数量、当前到达数量。
3.根据权利要求1所述的eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：步骤2中并将该飞行计划自动显示到eVTOL起飞表上，进一步包括，所述eVTOL起飞表按时间先后顺序依次显示起飞计划的出发时间、目的机场。
4.根据权利要求1所述的eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：所述垂直起降场场面区域包括起飞坪、降落坪、登机位、停机站、滑行道。
5.根据权利要求1所述的eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：所述飞管模块结合空域模块、eVTOL信息、各垂直起降场场面信息、各垂直起降场进离场程序规划符合飞机性能且满足空域要求的飞行航线，并在飞行过程中为飞机提供飞行指令引导。
6.根据权利要求5所述的eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：所述空域模块根据垂直起降场选址结合城市所有建筑高度、部分禁飞区域、空域等级划分来仿真模拟的城市空域。
7.根据权利要求1所述的eVTOL飞机垂直起降场自动化运行模拟仿真方法，其特征在于：所述eVTOL飞机对象包括当前飞机位置、飞机速度、飞机航向、飞机起飞坪、飞机降落坪。
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