Проектирование системы движения для летающих автомобилей

Что ж, ребята, 2015 год наступил и ушел, а у нас до сих пор нет широкодоступных летающих автомобилей . Несмотря на то, что ведется многообещающая работа над «летающими автомобилями», которые больше похожи на дорожные самолеты, похоже, что мы далеки от типа летающих автомобилей, которые я представляю из поп-научной фантастики. Таким образом, я воздержусь от использования тега «ближайшее будущее» в этом вопросе.

Хорошо, давайте предположим, что мы находимся на Земле будущего, где летающие автомобили так же распространены, как сегодня наземные автомобили. Их цена и стоимость эксплуатации также сопоставимы с современными автомобилями. Кроме того, летающие автомобили в основном парят в воздухе и могут быть неподвижными в воздухе или полностью двигаться в трех измерениях, как и следовало ожидать от летающих автомобилей. Чтобы уточнить, нижняя часть летающего автомобиля всегда должна быть направлена ​​вниз (если только вы не выполняете какие-то сумасшедшие маневры погони за автомобилем), и он может парить вверх и вниз по оси Z, двигаться вперед и назад, как обычно, вдоль оси Y или свободно перемещаться влево и вправо вдоль оси X, не поворачиваясь, чтобы направить переднюю часть автомобиля в этом направлении. Однако он будет двигаться вдоль оси x медленно и делать это, «наклоняя» транспортное средство. Кроме того, в неподвижном состоянии он может вращаться, чтобы направить переднюю часть автомобиля в любом направлении вдоль двумерной плоскости, параллельной поверхности Земли. Передняя часть автомобиля также может наклоняться или опускаться на ограниченную величину, скажем, на 25 градусов. И по какой-то причине ни одна из этих летающих машин не является «беспилотной».

В некоторых вымышленных футуристических мирах, содержащих такие типы летающих машин, вы часто будете видеть дорожные знаки, сигналы и узоры , восходящие к современной Земле. Вы можете увидеть обычную сетку автомобилей в городе , но сетки складываются вдоль оси Z, а на каждом перекрестке — стопка плавающих обычных светофоров. Вы даже можете увидеть плавающее шоссе — буквально шоссе — с плавающими указателями полосы движения и указателями выезда .

Этот тип системы управления дорожным движением всегда казался мне надуманным. Должен быть лучший способ, особенно учитывая, что транспортные средства могут двигаться в трех измерениях (или в четырех, если вы конкретный DeLorean). Тем не менее, я изо всех сил пытаюсь представить себе этот лучший способ. Я предполагаю, что будущая система движения для летающих автомобилей будет включать в себя некоторую часть того, как будет выглядеть сегодняшняя система наземного движения, а также кое-что из того, что используют сегодняшние системы управления воздушным движением. Как можно объединить принципы воздушного движения и принципы наземного движения, чтобы создать эффективную систему движения для летающих автомобилей?

Почему бы не было никакого «Движения», если бы каждый перекресток не стал перекрестком клеверного листа, подвешенным над землей?
«Ни одна из этих летающих машин не является «автопилотируемой»» — на самом деле все они являются таковыми.
Да, идея летающих автомобилей ужасна, если только средний гражданин не имеет никакого контроля над транспортным средством, кроме ввода пункта назначения. Я ожидаю, что они будут неправильно понимать пункт назначения в двузначном проценте времени. Страховые компании тоже никогда бы этого не позволили.
Я не думаю, что это заслуживает оценки -1, это не такой уж плохой вопрос
Летим ли мы над зданиями, где авиация допускает все виды траекторий полета, или мы пытаемся летать между зданиями, где направления ограничены окружением?
Я видел, что лазеры/фонари можно использовать для обозначения/ограничения автомобилей ограниченным пространством. Очевидно, вы можете пролететь сквозь лазеры, если хотите, они очень похожи на сегодняшние линии на дороге. Я не вижу лучшего способа, кроме метода штабелирования. Вы максимизируете количество автомобилей в заданном пространстве, что позволяет передвигаться большему количеству автомобилей.
Другой вопрос, кажется, больше ориентирован на реальность, без требования, чтобы автомобили пилотировались людьми. Кроме того, ответы, как правило, говорят о том, как летающие автомобили могут влиять на здания. Это больше ориентировано на сам трафик. Есть определенное совпадение, но оно кажется достаточно отчетливым, чтобы быть полезным. ИМО.

Ответы (3)

Здесь настоящий пилот.

Вот правила управления воздушным движением для того, что я буду называть «Воздушное пространство класса V»:

  1. Воздушное пространство класса V обычно существует только в наиболее загруженных городских районах Соединенных Штатов, где обычные процедуры воздушного движения не могут поддерживать большой объем движения вертикального взлета и посадки. Воздушное пространство класса V обычно состоит из области между 1000 и 3000 футов над уровнем моря. В более загруженных городских районах класс V может существовать на высоте от 1000 до 5000 футов над уровнем моря с более высокими ограничениями скорости полета в районе от 3000 до 5000 футов. Воздушное движение над воздушным пространством класса V должно соответствовать правилам полетов по ПВП или ППП, независимо от того, к какому классу относится это воздушное пространство, будь то класс B, C, D или E.
  2. Воздушное движение внутри воздушного пространства класса V должно двигаться со скоростью от 100 до 150 узлов, с высотой, нанесенной на карту магнитной дорожки самолета, так что на нечетных уровнях в 1000 футов (например: на высоте 1000, 3000 и 5000 футов) самолет должен двигаться на север ( 0 градусов). Когда летательный аппарат набирает высоту (или снижается), он должен корректировать курс своей магнитной траектории относительно земли в соответствии с высотой, на которой он находится, так что, когда он совершает восходящий правый поворот (или снижающийся левый поворот), его высота составляет даже кратно 1000 футов в тот момент, когда он движется на юг (180 градусов). Это позволяет самолету выполнять стандартный набор высоты со скоростью 3 градуса в секунду на скорости 1000 футов в минуту, конфликтуя только с другими самолетами, находящимися непосредственно впереди или позади него. Самолет должен уступить дорогу впереди идущему конфликтующему самолету, обогнав его справа.
  3. Воздушное движение ниже 1000 футов и выше 700 футов не должно превышать 100 узлов и должно уступать право проезда любому другому воздушному судну справа от него.
  4. Воздушное движение выше 400 футов и ниже 700 футов над уровнем моря не должно превышать 50 узлов.
  5. Скорость воздушного движения ниже 400 футов не должна превышать 25 узлов.
  6. Приземляющиеся самолеты имеют преимущество над приземлившимися самолетами на вертолетных площадках.
  7. В воздушном пространстве класса V эшелонирование поддерживается с помощью визуальных методов «вижу и избегаю» и телеметрии ADS-B. Конфликты разрешаются с использованием стандартных авиационных процедур преимущественного проезда.

И вот!

Вероятно, мне понадобится остаток ночи, чтобы рассчитать, почему это работает и больше ничего не требует. Короче говоря, наличие доступа к объему воздуха даже над большим городом намного превышает плотность движения, которая должна была бы существовать, чтобы требовать более сложного решения для управления. Заторы на дорогах с автомобилями являются результатом их 1,5-мерной природы: в автомобиле вы можете двигаться только вперед и, возможно, менять полосу движения. Нам как водителям это нравится, потому что все возможные векторы столкновений схлопываются только в нескольких возможных направлениях. Современные правила движения самолетов отчасти также делают то же самое. (См. эту ссылку и эту ссылку ).

Сопоставляя высоту с курсом, мы сворачиваем возможные векторы столкновения только вперед и назад. Этот метод отлично подойдет для среднего городского района. В районах, где плотность движения намного выше, было бы целесообразно иметь зоны «подъема» и зоны «спуска», где все еще соблюдается картографирование, но, кроме того, разрешены только стандартные повороты на набор высоты или спуск. В противном случае самолеты могут летать по прямым линиям между точками; Чтобы добраться до желаемого направления, вам нужно только сделать круг подъема/спуска, пока вы не укажете, куда хотите идти.

Метод картирования высоты отлично работает для транспортных средств, пытающихся двигаться, но как мы справимся со взлетом и посадкой? Это требует, чтобы мы удалили требование отображения для регионов, где происходят взлеты и посадки. Чтобы устранить опасность столкновения, мы значительно ограничиваем крейсерскую скорость. За счет ограничения скорости полета в нижнем слое у земли любые конфликты, которые могут привести к столкновению, будут происходить достаточно медленно, чтобы один или оба пилота могли среагировать с достаточным пространством. Скорость захода на посадку в наихудшем случае составляет 50 узлов для ситуации лобового столкновения ниже 400 футов и 100 узлов для района от 400 до 700 футов.

Переход к более загруженному и быстрому слою с нижних слоев требует старта в северном направлении, когда ваш самолет проходит высоту 1000 футов над уровнем земли. Самолеты, поднимающиеся на этот уровень, будут ориентироваться на север по мере приближения к высоте 1000 футов, и в этот момент они должны двигаться со скоростью не менее 100 и не более 150 узлов. Таким образом, любые конфликты происходят на 50 узлах впереди или сзади.

В случае перехода воздушного судна на медленный слой с высоты 1000 до 400 футов воздушное судно будет отклоняться от севера на различные произвольные направления. Возможные векторы конфликта расширяются до поля обзора 360 градусов (конфликт может исходить с любого направления), но к тому времени, когда эти самолеты снизятся до 400 футов, они должны двигаться только со скоростью 25 узлов, что опять-таки дает скорость конфликта только 50 узлов.

Наиболее важной особенностью этого подхода является то, что пассажир(ы) транспортного средства контролируют ситуацию и обладают полной квалификацией и способностью принимать решения, основываясь на том, что говорят им их приборы и глаза. Меня всегда серьезно беспокоили различные изобретатели и футурологи, которые думают, что полеты должны выполняться только автоматическими системами, а пассажиры находятся в их власти. Полет — это талант и свобода, которыми может овладеть средний человек и которыми он должен наслаждаться.

Этот ответ так хорош. Я получил свою книгу о наземной школе на Рождество и читал о классах A, B, C и т. Д. ... ваш ответ просто блестящий.
Отличный ответ, но я не согласен с аспектом автоматизации. Вождение — это талант и свобода, которыми может овладеть и средний человек, но люди по-прежнему ужасно справляются с этим и бессмысленно убивают десятки тысяч людей каждый год.
Таким образом, это потребует, чтобы каждый автомобиль был оснащен входом / выходом ADS-B (а не только выходом ADS-B)? Или мы должны просто пропустить предварительные этапы и сразу перейти к автоматически выполняемым TCAS RA?
@aCVn Предполагая условия ПВП, этой системе потребуются только точные высота и курс, чтобы свернуть все векторы столкновения на вперед-назад, и в этот момент в основном работает принцип «увидеть и избежать». ADS-B (Out) будет дополнением, а не жестким требованием. Потеря ADS-B не нарушает систему полностью, точно так же, как водители рассматривают перекресток как остановку в четырех направлениях, когда светофоры на перекрестке отключены. Теперь, в условиях ППП, ADS-B будет абсолютным требованием. Но в этот момент все в любом случае будет в плане полета.

Я сделал компьютерную программу, когда учился в архитектурном университете, чтобы проверить эту самую гипотезу.

Как я обнаружил, лучшая система очень проста: ваше направление находится в прямой линейной зависимости от вашей высоты.

Я создал случайную серию высоких зданий и заселил все небо на всех высотах летающими автомобилями. После тестирования замысловатых алгоритмов обнаружения столкновений, «потоков», блоков, пересечений и прочего, я обнаружил, что самое простое решение состоит в том, что при подъеме вы также поворачиваетесь по часовой стрелке. Все имеют одно и то же направление на каждой высоте.

Это было удивительно и чудесно наблюдать, потому что:

  • столкновений не было - на любой заданной высоте все идут в одном направлении.
  • все, что вам нужно, это следить за скоростью и за тем, кто перед вами - так же, как мы делаем это сейчас на автостраде.
  • если вам нужно подняться, вы вращаетесь по часовой стрелке, двигаясь вперед
  • если вам нужно спуститься, вы вращаетесь против часовой стрелки, двигаясь вперед
  • вы можете найти свой путь в любую точку пространства, поднявшись на нужную высоту, затем проведя «b-линию» до точки, а затем по спирали до нужной высоты. Каждая точка на небе доступна для вас.
  • для препятствий (таких как здание) поток будет обходить препятствие, даже при этом сбоев не будет. Например, если ваш путь упирается в небоскреб, все спускаются или поднимаются (в зависимости от того, что проще), чтобы изменить свое направление вокруг препятствия, все еще в рамках правила, а затем поднимаются или спускаются, миновав препятствие, следуя исходному пути. Легкий. С тысячей машин все они обтекали здания, как вода, без единого столкновения.
  • НЕТ ПРАВИЛ ДВИЖЕНИЯ, т.е. никаких сложных вещей вроде «уступи дорогу направо», «остановись на перекрестке» или даже «оглянись через плечо». Просто следуйте правилу, что ваше направление меняется вместе с вашим ростом.
  • НЕТ СЛОЖНОЙ СИСТЕМЫ ДВИЖЕНИЯ, не требуется централизованная власть, не требуется связь между автомобилями
  • это было грубо, глупо и просто - как раз то, что люди могут понять и совершенно непогрешимы.

Я закричал от радости, обнаружив решение, и подумал: «Да, это могло бы сработать, если бы кто-нибудь изобрел летающую машину!».

Я давно хотел попробовать смоделировать это (мы с вами оба пришли к одному и тому же выводу), ваш код где-нибудь онлайн?
Пожалуйста, опубликуйте статью или что-то в этом роде. Ваше открытие может оказаться полезным в будущем, если будут изобретены летающие автомобили. Знания теряются, если они не опубликованы и надежно не сохранены на века.
как возможно, чтобы в точке изменения высоты не происходило столкновений? когда одновременно одна машина идет вверх и одна вниз, не исключено, что их пути не пересекаются
@Zavael шансы очень редки, так как не только оси x и y должны быть одинаковыми, но и уровень высоты должен быть точно расположен - однако эта возможность может быть сведена на нет предупреждением о приближении и решена одной из машин, возможно восходящий, немного замедляясь, чтобы позволить другому спуститься. Это произойдет только в свободном пространстве, а вокруг зданий этого не произойдет, потому что автомобили будут «закручиваться» вокруг них и не будут пересекаться. Галактика и Стив, я посмотрю, смогу ли я получить свой код.
@flox, на мой взгляд, в основном в городах, шанс довольно высок. В городах есть много достопримечательностей, куда автомобили прибывают со многих направлений и уезжают по многим направлениям. в городах (по сравнению с шоссе) автомобили более склонны менять направление, чтобы найти самый короткий (или самый быстрый с меньшим трафиком) путь. Таким образом, без интеллектуального автомобиля люди не смогли бы предотвратить столкновения, поскольку сами по себе они не полностью защищены от столкновений. Но идея действительно интересная!

Лучший план не будет состоять из автомагистралей, перекрестков, огней, знаков и т. д. Вместо этого идеальной системой будет система управления полетом (например, FAA). Даже если предположить, что автомобилями управляют люди, вы можете ввести пункт назначения в автомобиль, который затем использует компьютеры для регистрации плана полета. Затем вы следуете плану полета.

Настоящими сигналами будут указатели пунктов назначения. Давайте будем честными — Walmart и Victoria's Secret выглядят одинаково сверху, но вы идете к ним по разным причинам. Для парковки и взлета потребуются сигналы, указывающие количество доступных парковочных мест, этаж, на который вы можете приземлиться, и т. д. Вот где действительно будет сложность. Открытая дорога будет по-настоящему открытой, за исключением компьютерного разума.

Распространенное предвзятое мнение людей о Национальной системе воздушного пространства (также известной как «система управления полетом, подобная FAA») заключается в том, что самолеты должны составлять планы полетов. Это верно только для полетов по ППП, которые, помимо прочего, позволяют вам летать в воздушном пространстве класса А (действительно быстрый слой от 18000 футов и выше). Большая часть пилотов авиации общего назначения редко составляет планы полетов, особенно когда они просто летают по окрестностям, как это сделал бы типичный пассажир пригородной авиации.
@ Стив, ценю твой вклад как настоящего пилота (я дал тебе +1 за твой ответ). Тем не менее, я полагал, что план полетов для местных рейсов не позволит десяткам тысяч машин в городе пересекаться. Тем не менее, я полагал, что в будущем это будет автоматизировано, поэтому план полета на самом деле является просто файлом данных в базе данных, который был перекрестно сверен с другими файлами. Ваши дополнительные рекомендации кажутся лучшим курсом для схем полета по умолчанию.