飛行汽車系統設計與關鍵技術研究

【摘" 要】作為未來引領低空經濟的新型交通工具，飛行汽車具有廣闊的研究前景和發展空間。文章先回顧飛行汽車的發展現狀，對飛行汽車相關類型進行討論，進一步提出和闡述飛行汽車系統的架構。最后，圍繞運動控制、智能感知、流體減阻和清潔能源論述飛行汽車的關鍵技術，希望能為后續研發設計和工程落地提供參考方案。

【關鍵詞】飛行汽車;系統設計;關鍵技術

中圖分類號：U469.7" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：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

作者簡介

李振鵬（1989—），男，博士，智能駕駛總監，工作方向為汽車系統設計、智能駕駛算法和操作系統;邊靖偉（1992—），男，博士，工作方向為智能駕駛算法和操作系統。

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，可有效緩解現有交通網絡的各種壓力和負擔，被認為是未來綠色高效出行的主要交通方式，是以低空經濟為代表的新興戰略產業的核心要素。針對飛行汽車，開展系統設計與關鍵技術相關研究具有重要的意義和價值。

1" 發展現狀

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

國外飛行汽車的相關研發探索相對較早，已有不少相關成果。2009年，美國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112km/h，空中最高速度可達185km/h，但起飛和降落依然需要跑道支持[2]。2022年，Archer Aviation公司發布Midnight飛行汽車[3]，該汽車可以實現不依賴于跑道的垂直起降，意圖進軍空中出租車業務領域。

國內飛行汽車雖然起步較晚，但在政府政策和相關技術的強力推動下，研發進展迅速，已基本達到國際一流水平。億航智能作為國內飛行汽車先驅者之一，于2019年發布“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”將于第四季度開啟預訂，并預計2025年第四季度量產交付。該飛行汽車或將成為面向個人消費用戶量產交付的全球首款分體式飛行汽車。

目前，除上述企業外，國外波音、空客等航空工業巨頭，奧迪、奔馳、保時捷等豪華汽車巨頭，谷歌、英特爾、Uber等科技巨頭，國內吉利、廣汽、騰訊等行業巨頭，也已紛紛加入飛行汽車賽道。全球已有超過250家公司正在研制和開發相關產品[4]。飛行汽車行業具有廣闊的發展空間和前景。

2" 飛行汽車類型

飛行汽車尚處于起步階段，相關分類標準尚無統一規范。當前根據動力類型、起飛降落模式、操作模式，飛行汽車都有相關分類。如根據動力類型，飛行汽車可分為電力、碳氫化合物燃料和混合動力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特性，本文對飛行汽車進行分類。根據不同的飛行原理，飛行汽車可分為無固定翼、有固定翼和矢量推進3種類型，如圖1所示。

1）無固定翼飛行汽車一般采用旋翼飛行機制，具有多個旋翼裝置以實現多自由度飛行。該類型飛行汽車沒有固定翼裝置，整車質量相對較低，具有較高的經濟性。此外，配置多個旋翼的無固定翼飛行汽車可以實現垂直上升和下降，不依賴于飛行跑道，從而具有駕駛靈活、適用范圍廣等優點。如圖1a所示，億航智能所推出的飛行汽車是一種典型的無固定翼飛行汽車。

2）有固定翼飛行汽車配有固定翼裝置，通過固定翼產生升力以實現飛行。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，起飛時需要較大空間，具有較強的限制性。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）矢量推進飛行汽車基于一套推進系統裝置，通過改變推力方向實現上升、巡航等多自由度運動。該類型飛行汽車可以定向推力方向，提供靈活的氣動控制，從而實現高度靈活的空中運動，并具有較高的安全性。需要指出的是，矢量推進技術是一種新型推進技術，對設備機械性能和運動控制算法要求較高，有較強的技術復雜度。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飛行汽車，其由多個可定向導管式電風扇進行驅動。

3" 系統設計

飛行汽車作為未來新型陸空雙棲交通工具，需要應對陸地和低空多種復雜工況，對安全行駛的要求極高。在此情況下，合理的系統設計是研究和開發飛行汽車的重要技術內容。參考汽車行業新一代EE架構，本文提出一種飛行汽車系統架構，由車身模塊、動力模塊、底盤模塊、座艙模塊和輔助駕駛模塊組成。

1）車身模塊主要實現與車身相關的所有功能以及飛行裝置的折疊和展開。車身模塊除了支持常見的車燈控制、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裝置的折疊與展開，以便實現在常規地面道路的正常行駛。此外，與傳統汽車車身骨架結構相比，飛行汽車車身骨架結構還需考慮低空行駛的性能要求，對剛度、強度和品質要求更高。

2）動力模塊主要實現動力系統的集成以及控制與優化，為飛行汽車陸地和低空行駛提供穩定可靠的動力支撐。動力模塊一般需要支持內燃機、電動機和變速器的相關控制及優化計算，從而提供最佳的動力分配方案。同時，動力模塊還需考慮智能診斷、智能節能、智能通信等功能，以支持動力系統安全穩健運行。為實現高負載、高續航長時間行駛，高功率密度、高效率和低體積的陸空兩用的電動機及其控制具有極高的研究和應用價值。

3）底盤模塊主要實現起飛、制動、轉向、降落、驅動和懸架等功能的集成，以滿足飛行汽車基本行駛性能需求。底盤模塊是飛行汽車運動控制最末端的執行器，直接決定了汽車行駛的安全性和舒適性。線控技術在航空領域已取得普遍應用，而在傳統汽車領域正處于向線控轉型的起步階段。兼容低空飛行和陸地行駛的線控底盤技術是急需突破的難點技術。底盤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、機械和液壓設計方法和原則，從而構建安全可靠的底盤模塊是值得深思的一個問題。

4）座艙模塊主要實現飛行汽車座艙內部的儀表顯示、信息娛樂以及人機交互等功能，為駕駛員和乘客提供汽車當前狀態信息和休閑娛樂功能。座艙是最貼近駕駛員和乘客的場所，是駕駛員和乘客安全性和舒適性體驗的第一場所。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，高級別的人機交互逐漸普及，從語音識別、手勢識別到VR/AR、數字人，座艙功能日趨繁多。為滿足不同功能安全和效率需求，支持多種操作系統并行的虛擬化技術是未來極為重要的研究領域。

5）輔助駕駛模塊主要實現陸地和低空不同等級程度的輔助駕駛，以支撐飛行汽車在三維空間內靈活舒適安全的六自由度運動。在民用航空領域，自動駕駛技術較為成熟，普及較早。傳統汽車領域，L3級別自動駕駛正處于量產前夜，相關技術仍在不斷迭代和進步中。飛行汽車在地面行駛，常認為是標準的平面運動，而在低空飛行時，是三維空間運動，自由度更高。同時適應于上述兩種場景的自動駕駛技術是急需研究的重點技術。與民航高空環境相比，低空環境更加復雜，飛行汽車所需的感知要求更高。與地面環境相比，低空環境視野更大，飛行汽車所需的感知目標更多。720°全視野精準感知是飛行汽車當前急需解決的關鍵技術。

4" 關鍵技術

飛行汽車歷經100余年的發展，雖已取得不少進展，但大規模商業落地應用依然尚未實現。究其原因，飛行汽車涉及學科眾多，相關技術亟待突破。下文將圍繞運動控制、智能感知、流體減阻和清潔能源介紹飛行汽車關鍵技術，希望能給后續研究和工程探索提供參考和指引。

1）運動控制技術是保障飛行汽車安全可靠行駛的核心技術。運動控制方法主要分為兩大類別，即經典控制理論和現代控制理論[6]。經典控制理論主要根據被控對象的時域響應、頻率響應和根軌跡設計相應控制器，常用于簡單的線性定常系統。現代控制理論主要根據狀態空間方程設計相應控制器。基于現代控制理論的控制器設計方法多樣，例如自適應控制、魯棒控制、LQR控制、滑模控制、模型預測控制等。現代控制理論幾乎適用于全部類型的被控對象系統。飛行汽車是標準的三維空間運動，動力學模型復雜，呈現高度非線性特性，與飛行汽車運動特性更加匹配。

2）智能感知技術是飛行汽車認知和應對復雜外部工況的前置技術。飛行汽車不僅需要感知地面和低空各種靜動態目標，更需要實時預測外部復雜多變工況。在傳統汽車高級別自動駕駛領域，占用網格技術正逐漸得到量產驗證。占用網格技術能精準識別三維空間占用信息，有效檢測異型障礙物，實時預測汽車周邊環境，可能是未來智能感知核心技術之一。

3）流體減阻技術是支撐飛行汽車高續航、長懸停的主要技術。流體減阻技術主要從兩方面著手。一方面，采用高強度、高硬度的輕質材料，構建飛行汽車骨架。其中，以碳纖維為代表的復合材料具有良好的比強度、比模量等機械性能，并且還具有耐疲勞、耐腐蝕等優點[7]，是未來飛行汽車輕量化的重要途徑。另一方面，基于仿生學原理對飛行汽車外形進行優化設計。以信天翁、雨燕為代表的鳥類一生可累計飛行數百萬公里，能輕松應對下雨、大風等多種天氣，是飛行汽車外形設計的有效參照對象。

4）清潔能源技術是實現飛行汽車綠色發展的重點技術。為應對氣候變化和順應綠色發展戰略，發展新能源汽車已成為行業共識。作為未來交通工具，飛行汽車從早期研發階段就已開始把清潔能源作為汽車的主要能量來源。鋰離子動力電池具有高比能量、高電壓容量、低自放電率、無記憶效應和無污染物排放等優點，是目前廣泛使用的清潔動力能源。以氫氣為代表的燃料電池具有更高的比能量，且可實現快速充電，將是未來可能的主要清潔動力能源。

5" 結束語

飛行汽車是新能源汽車、航空航天和信息技術的交匯產物，是代表新一輪科技和產業革新的戰略方向，是國家和相關企業獲取未來競爭優勢的關鍵領域。本文回顧了飛行汽車的發展現狀，討論了飛行汽車相關類型，并在后續闡述中提出和論述了一種飛行汽車系統架構。最后，從運動控制、智能感知、流體減阻和清潔能源4個角度分析了飛行汽車關鍵技術，希望能為飛行汽車的研發設計和工程落地提供設計參考。

參考文獻：

[1] 勞永春. 飛行汽車的發展現狀與展望[J]. 內燃機與配件，2020（15）：210-211.

[2] Jang S J. Flying Car Related Technology Trends[J]. European Journal of Engineering and Technology，2022，10（1）：1-7.

[3] 韓玉琪，朱大明，付玉，等. 2022電動垂直起降飛行器主要進展[J]. 航空動力，2023（1）：19-22.

[4] Swaminathan N，Reddy S R P，RajaShekara K，etal. Flying Cars and eVTOLs—Technology Advancements，Powertrain Architectures，and Design[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification，2022，8（4）：4105-4117.

[5] Pan G，Alouini M S. Flying Car Transportation System：Advances，Techniques，and Challenges[J]. IEEE Access，2021（9）：24586-24603.

[6] 劉洋. 垂直起降飛行汽車飛行控制技術研究[D]. 長春：吉林大學，2023.

[7] 劉暢. 基于汽車輕量化應用的碳纖維復合材料關鍵技術研究[J]. 產業創新研究，2023（4）：111-113.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-03-05

*基金項目：上海市科技重大專項支持（No.021SHZDZX0103）。