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飞行汽车通过整合地面与空中交通工具特性，有效缓解城市交通拥堵并提升运输效率，其路径规划需综合考虑三维空间约束、多模态动力学耦合及推进-能源协同优化。本文系统梳理全球空域法规与起降要求，建立飞行汽车分类标准，对比分析地面车辆、无人机、固定翼飞机及直升机的动力系统、动力学模型和能源架构，揭示其与路径规划的关键关联，提出包含共性与特性问题的分类框架，为智能可认证空地交通系统发展奠定理论基础。
周宇 张 | 国一龙 | 何晨远 | 蔡英峰 | 王海 | 陈龙 | 中灿
江苏大学汽车与交通工程学院，镇江，212013，中国
摘要
飞行汽车结合了地面和空中交通工具的能力，为解决城市拥堵问题提供了变革性的方案，显著提高了交通效率和灵活性。现有的研究主要集中在控制、能源系统、车辆配置或监管问题上，而缺乏一种以路径规划为中心的综合方法，该方法明确地将监管和操作边界条件、平台依赖的推进-动力学-能源机制以及规划问题的表述和解决策略联系起来。飞行汽车本质上具有跨领域特性，表现为三维操作、多模式动态、多个过渡阶段以及推进-能源耦合，这导致了强非线性、状态依赖性和非凸约束，极大地增加了规划复杂性，使得为其他车辆平台开发的路径规划方法无法直接应用。本文对飞行汽车路径规划进行了全面探讨。首先，系统地回顾了主要国家的空域法规和起飞要求，强调了它们作为路径规划边界条件的作用。其次，从推进系统、动态模型和能源架构的角度比较了飞行汽车与汽车、无人机（UAV）、固定翼飞机和直升机，并解释了这些子系统如何共同影响规划的可行性和优化目标。第三，引入了一种结构化的飞行汽车路径规划问题分类法，区分了与地面和空中交通工具共有的问题以及由多模式配置和空地过渡阶段带来的独特挑战。本文建立了一个统一的分析框架，将物理机制与规划策略联系起来，为智能和可认证的城市空地出行奠定了基础。
引言
城市人口的持续增长以及机动车拥有量的迅速增加，给传统的地面交通系统带来了巨大压力，有限的空间资源已成为限制城市出行的关键瓶颈[1]。飞行汽车结合了地面和空中交通工具的特点，为解决交通拥堵问题提供了变革性的方案，极大地提高了交通系统的效率和灵活性[2]。除了日常通勤外，飞行汽车还适用于应急响应和军事部署[3]。在紧急情况下，它们的垂直起降（VTOL）能力使得它们能够在传统飞机无法到达的区域快速部署，从而提高了响应效率[4]、[5]。在军事领域，它们的高机动性以及较低的声学和雷达特征，使其更适合隐蔽和快速的操作[6]、[7]。
根据Fortune Business Insights的报告，2023年全球飞行汽车市场的价值约为5.52亿美元，预计到2040年将激增至1.53万亿美元，显示出其显著的增长潜力[8]。世界各国政府因此将飞行汽车视为未来交通技术的关键组成部分[9]。在中国，飞行汽车已被纳入国家交通战略中，强调研发（R&D）、飞机与汽车的整合以及电动VTOL（eVTOL）车辆的认证[10]、[11]。美国通过联邦航空管理局（FAA）的先进空中移动性（AAM）框架和城市空中移动性（UAM）概念操作（ConOps）2.0推广了类似的举措，这些框架定义了认证标准、操作范式和空中交通管理[12]。在国际层面，欧盟航空安全局（EASA）为eVTOL车辆制定了专门的适航标准，以加强智能空中移动性（SAM）的安全性和可持续性[13]、[14]。
近年来，由于UAM和农村空中移动性（RAM）的需求以及脱碳目标，飞行汽车产业在全球范围内加速发展[15]。在中国，小鹏HT Aero、EHang、Autoflight和广汽Aion等公司推进了具有代表性的项目，包括新型配置和试飞演示[16]、[17]、[18]、[19]。值得注意的是，EHang的EH216-S是首个获得所有三种关键适航认证的模型，即生产证书（PC）、型式证书（TC）和标准适航证书（AC）[20]。在国际上，Joby Aviation、Archer Aviation、XTI Aerospace、Lilium和PAL-V也取得了实质性进展，涵盖了大规模飞行测试和路空两用车辆的认证[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。表1总结了代表性模型和关键规格。总体而言，该行业正从实验验证阶段向早期商业化阶段迈进。
飞行汽车在紧密耦合的路空领域运行，任务执行受到多模式动态和推进-能源相互作用的影响[26]。这与单一模式平台有根本不同：地面车辆受限于结构化的二维道路网络[27]；无人机（UAV）在纯电动单模式飞行下通常表现出相对均匀的动态[28]；固定翼飞机受到跑道操作和失速限制的影响[29]；而直升机虽然能够悬停，但仍受旋翼空气动力学和操作限制的约束[30]。因此，在一个平台上集成驾驶和飞行功能引入了模式切换、推进重新配置和能量-轨迹协同优化，使得飞行汽车路径规划本质上更加复杂，直接转移单一模式规划方法对于安全关键任务来说是不够的。
我们进行了Web of Science的文献计量学筛选（主题 = eVTOL 或 飞行汽车；文档类型 = 综述文章），在去重和排除重复文献后保留了43篇相关综述论文。图1显示了明显的出版趋势上升。在这些文献中，综述主要集中在四个领域：车辆控制（6.98%）、能源和推进（23.36%）、结构设计（16.28%）和监管框架（27.91%）。以控制为导向的综述研究了稳定性增强、模式转换机制和容错控制策略[31]、[32]、[33]。能源和推进方面的综述强调了电池安全、续航能力提升、混合动力架构和能量管理[34]、[35]、[36]。结构设计研究总结了倾转旋翼布局、导管风扇配置和分布式推进概念[37]、[38]。监管综述集中在空域分类、低空交通管理和认证要求上[39]、[40]。尽管调查数量不断增加，但文献大多仍停留在主题平行层面，很少将监管和操作边界、动态可达性、能源可持续性以及配置和模式切换引起的多模式约束综合到一个以规划为中心的逻辑中。从非线性系统的角度来看，飞行汽车路径规划本质上是混合和非凸的，这需要明确描述复杂约束系统中的非线性机制[41]、[42]。因此，进展需要一个统一的框架，将跨领域约束结合起来，产生可复用的优化逻辑和问题分类法；然而，这种以路径规划为中心的综合方法仍然缺失，目前尚不清楚这些约束如何共同塑造可行集、决策变量和优化目标。
为解决这一空白，本文特别关注飞行汽车的路径规划，并在三个主要方面做出贡献。
•监管和操作约束：本文系统地回顾了主要国家的空域法规和起飞要求，特别关注直接影响路径规划的 altitude 限制和性能标准。这些因素定义了飞行汽车的可行操作域，并为路线优化、安全保障和轨迹可行性建立了边界条件。
•跨平台系统比较：本文从推进系统、动态模型、能源来源和能源管理的角度，系统地比较了飞行汽车与汽车、无人机（UAV）、固定翼飞机和直升机。这些子系统与路径规划密切相关，因为它们决定了可行的解决方案空间、决策变量和优化目标。通过研究这些相互依赖性，本文阐明了每个平台的物理和操作特性如何影响路径规划策略。
•路径规划问题分类：本文将飞行汽车路径规划问题分为两类。第一类包括与其他车辆共有的问题，如地面和空中领域的导航。第二类涉及飞行汽车特有的挑战，包括由于其独特配置引起的模式切换、推进重新配置和多模式状态转换等问题。这种分类法为分析和比较不同规划方法在耦合的路空操作范式下提供了概念框架。
通过阐明这些独特的约束和优化逻辑，本文为后续的理论发展和推进飞行汽车路径规划学科奠定了全面的基础。
本文的其余部分结构如下。第2节介绍了飞行汽车的定义和分类，以及相关的监管框架和操作约束。第3节系统地比较了飞行汽车与传统汽车、多旋翼无人机、固定翼飞机和直升机在推进、动力学、能源来源和能源管理策略方面的差异。第4节从共享挑战和飞行汽车特有的问题的角度回顾了路径规划方法。第5节讨论了未来的发展方向。第6节总结了本文。
部分摘录
飞行汽车路径规划的监管和操作约束
本节概述了定义飞行汽车路径规划可行解决方案域的基本背景和操作约束。首先介绍了飞行汽车的定义和分类。接下来，回顾了不同国家的空域法规，特别强调了直接影响垂直规划域和操作边界的 altitude 限制。
飞行汽车路径规划的关键子系统跨平台比较
飞行汽车具有跨平台的操作复杂性，经常发生地面-空中和模式之间的转换[64]。它们的推进-能源系统、操作环境和目标与汽车、无人机（UAV）、固定翼飞机和直升机有根本不同（表6），这限制了现有规划方法的直接转移。由于可行性同时受到推进能力和能源可用性的限制[65]，本节对推进系统进行了跨平台比较。
飞行汽车的路径规划：共同和独特的挑战
飞行汽车的路径规划比传统车辆和单模式飞机更复杂，因为推进、动力学和能源与异构的操作环境和任务概况紧密耦合，这限制了现有规划方法的直接转移。这些因素对动态可行性、推力分配、能源可用性以及场景和任务依赖的操作规则施加了相互交织的约束，从而形成了一个受到严格限制的可行集（图8）。未来展望
飞行汽车路径规划的未来发展可以从两个互补的角度来看：单车辆智能和城市空域内的多车辆协调。在单车辆层面，未来的研究应从几何或运动学规划转向整体操作智能，其中感知、能源和控制子系统协同优化。强大的车载规划必须处理不确定的空气动力学、能源-热约束和实时问题结论
本文通过路径规划的角度回顾了飞行汽车，并将其与汽车、多旋翼无人机、固定翼飞机和直升机进行了对比。我们首先总结了定义和分类，然后整理了直接影响规划可行性的国际法规和操作约束。接下来，我们比较了不同平台上的推进、动力学和能源系统，以明确它们如何界定可执行的轨迹空间。在此基础上，飞行汽车规划
CRediT作者贡献声明
周宇 张：撰写——综述与编辑、资金获取、概念构思。国一龙：撰写——初稿。何晨远：撰写——初稿、概念构思。蔡英峰：监督、项目管理、资金获取。王海：撰写——综述与编辑、调查。陈龙：资源获取、项目管理。中灿：调查、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
