طراحی بهینه تاکسی هوایی به کمک یادگیری تقویتی به واسطه الگوریتم یادگیریQ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه هوافضا. دانشگاه شهید بهشتی. تهران. ایران

2 گروه هوافضا. دانشگاه شهید بهشتی. تهران. ایران

چکیده
این پژوهش به طراحی بهینه یک تاکسی هوایی ۱۸ نفره با تلفیق روش‌های کلاسیک طراحی هواپیما و چارچوب یادگیری تقویتی مبتنی بر Q-learning پرداخته است. در گام نخست، پارامترهای پایه شامل بیشینه وزن برخاست، وزن خالی، مصرف سوخت و مساحت بال با استفاده از روابط طراحی مفهومی کلاسیک برآورد شده‌اند. سپس یک محیط شبیه‌سازی توسعه داده شد که در آن فضای حالت با نسبت‌های بی‌بعد کلیدی تعریف گردید و فضای عمل شامل تغییرات کراندار در مساحت بال، ضریب منظری و نسبت تراست به وزن بود. عامل یادگیرنده با سیاست طی 2000 اپیزود و با حداکثر 40 گام طراحی در هر اپیزود آموزش داده شد. آموزش تحت یک سناریوی مأموریتی ثابت شامل ارتفاع کروز مشخص، سرعت کروز هدف، برد طراحی و قیود طول باند انجام گرفت. نتایج بهینه‌سازی نشان داد مساحت بال (۳.۸% کاهش) و ضریب منظری (۲.۱۰% افزایش) بهبود یافته‌اند. همچنین مساحت دم افقی (۲.۹% کاهش) و دم عمودی (۳.۲% کاهش) کاهش یافته است. این اصلاحات هندسی منجر به کاهش وزن خالی (۴.۱% کاهش) و مصرف سوخت (۵% کاهش) گردید. نسبت برا به پسا (۲۰% افزایش)، نرخ اوج‌گیری (۳۳.۳% افزایش) و سرعت کروز (۶.۷% افزایش) نیز ارتقا یافتند. در نتیجه، برد پروازی (14.5% افزایش) بهبود پیدا کرد. یافته‌ها نشان می‌دهد ادغام طراحی کلاسیک با یادگیری تقویتی رویکردی داده‌محور و مؤثر برای بهبود هم‌زمان وزن، کارایی آیرودینامیکی و عملکرد مأموریتی تاکسی‌های هوایی فراهم می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Optimal Air Taxi Design Using Reinforcement Learning via the Q-Learning Algorithm

نویسندگان English

Iman Fozouni Talouki 1
Alireza Toloei 2
1 PhD Student, Aerospace Department. Shahid Beheshti University. Tehran. Iran
2 Department of Aerospace. Shahid Beheshti University. Tehran. Iran
چکیده English

This study presents the optimal design of an 18-passenger air taxi through the integration of classical aircraft design methods and a Q-learning based reinforcement learning framework. Initially, baseline parameters, including maximum takeoff weight, empty weight, fuel consumption, and wing area, were estimated using established classical conceptual design relations. A simulation environment was then developed in which the state space was defined by key nondimensional ratios
while the action space consisted of bounded adjustments to wing area, aspect ratio, and thrust/weight ratio. The agent was trained for 2000 episodes with a maximum of 40 design steps per episode using an ϵ\epsilonϵ-greedy policy under a fixed mission scenario defined by prescribed cruise altitude, cruise speed, range requirement, and field length constraints. The optimization process resulted in a reduction in wing area (3.8% decrease) and an increase in aspect ratio (2.10%). The horizontal and vertical tail areas were reduced by 2.9% and 3.2%, respectively. These geometric refinements led to reductions in empty weight (4.1% decrease) and fuel consumption (5% decrease). Aerodynamic and performance improvements were achieved, including increases in lift/drag ratio (20% increase), rate of climb (33.3% increase), and cruise speed (6.7% increase). Consequently, the flight range improved (14.5% increase). The findings demonstrate that integrating classical design methodologies with reinforcement learning provides an effective data-driven framework for simultaneous weight reduction, aerodynamic efficiency enhancement, and mission performance improvement in air taxi aircraft design.

کلیدواژه‌ها English

Reinforcement Learning
Q-Learning Algorithm
Aircraft Design Optimization
Wing and Tail Surface Optimization
Air Taxi
Weight and Fuel Reduction

  • تاریخ دریافت 26 بهمن 1404
  • تاریخ پذیرش 25 خرداد 1405