CN101038493B - 直升机的自动驾驶仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动驾驶仪系统，该系统用于相对于至少两个包含在该系统中的驾驶轴的旋翼飞行器操作，对于这两个轴的其中之一而言，至少一个伺服控制关系提供了各自的初始控制指令，其中该两个关系具有一个公共目标；该系统包括结合装置(36)，其通过将两个初始控制指令(UCV，UTV)相结合来提供一系列控制指令。

Description

直升机的自动驾驶仪系统

技术领域

本发明涉及一种旋翼飞行器的自动驾驶仪系统，特别是直升机。

本发明的的技术领域是制造直升机的自动驾驶仪系统。

背景技术

一般地，通过调整至少一个主水平旋翼的循环倾角和集合倾角来提供上升和向前运动以及通过调整尾部旋转翼的操作参数(具体是它的集合倾角)来驾驶旋翼飞行器。

更一般地，驾驶(piloting)发生在沿驾驶轴(pilot axes)：滚动轴、倾斜(倾角)轴、偏航轴、和“集合”轴，其中“集合”轴对应于调整主水平旋翼的桨叶的集合倾角。

这些调整是通过由计算机控制的触发器(actuator)来实现；如由自动驾驶仪(以下称为“AP”)的计算机发布的控制触发器的指令是基于由驾驶员所选的设定点值来产生，其中该设定点值作为将经过的飞行阶段的函数(function)和飞行器状态参数值的函数，例如它的高度或空气速度，如由机载传感器发出。

为此，计算机编程来应用伺服控制关系使飞行器的状态参数作为由飞行器驾驶员选定的设定点-或目标-的函数而被伺服控制。

AP可以包括一个或多个给定驾驶轴的目标关系。

具体地，对于围绕倾斜轴的驾驶而言，AP可以具有垂直目标第一关系，该关系寻求促使直升机的状态参数达到并且维持在该参数的设定点，该关系被用于发布指令来促使主水平旋翼倾斜；对于倾斜轴而言，在专利FR2830631和US6691950中所述的AP还包括第二关系，该关系寻求限制相对于两个有限值(最大和最小允许空气速度)的空气速度；为了从作为直升机的实际空气速度函数的一个关系切换到另一个关系，AP包括一组比较器和选择器；那样的配置使得自动管理主水平旋翼的纵向或倾斜控制变成可能。

对于驾驶集合轴，在文件中所述的AP还包括垂直目标关系，和维持功率在最大允许值的关系，还有选择器，当空气速度达到与维持垂直目标和最大允许功率相比的最大值时，该选择器选择功率关系。

在专利申请FR2830630和US2003066927中所述的AP包含倾斜轴的两个目标关系以及集合轴的两个目标关系；第一选择器装置在直升机的正常操作中选择集合轴的垂直目标关系，并且当功率变得不足以维持空气速度设定点时，相对于该轴切换到维持功率的关系；当垂直目标关系为集合轴所选时，第二选择器装置选择倾斜轴的向前目标(或设定点)关系，并且在第一选择器装置选择了功率维持关系时，相对于该倾斜轴切换到垂直目标关系。

在旋翼飞行器的自动驾驶仪系统中，其提供从第一关系切换到第二关系以控制一个轴，这种转换可能引起麻烦的跳跃、起伏或振动。

本发明的一个目的是要克服这些缺点。

本发明的一个目的是要提出一种旋翼飞行器的自动驾驶仪系统，其至少部分地改善和/或纠正用于自动驾驶这种飞行器的已知系统的缺点。

发明内容

本发明用于相对于至少两个驾驶轴来自动驾驶旋翼飞行器的系统，该系统包括为两个轴的每一个提供其初始控制指令的至少一个伺服控制关系，所述两个关系具有公共目标(common target)；本发明的自动驾驶仪系统包括通过将两个初始控制指令相结合而形成一系列(基本连续的和无限的)控制指令。

在另一方面，本发明包括提出相对于倾斜轴和集合倾角轴的旋翼飞行器自动驾驶仪系统，该系统包括：

·第一伺服控制模块，其应用第一关系来提供初始集合倾角控制指令(UCV)；和

·第二伺服控制模块，其应用第二关系提供初始倾斜控制指令(UTV)；所述第一和第二关系具有公共目标，该系统还包括：

·计算与结合装置，其通过将两个初始控制指令(UCV、UTV)结合来计算中间控制指令(UICOLL、UTMIN)；

·第三伺服控制模块，其应用第三关系为倾斜或集合倾角提供第三控制指令(UTL、UCP、UTY)，所述第三关系所具有的目标不同于所述公共目标；以及

·选择器和校正器装置，其用于从中间控制指令中选择两个控制指令，以及适当地校正所选的控制指令，作为第三控制指令的函数。

根据本发明的优选特性：

·所述结合是(大致)线性的；

·对于驾驶倾斜轴和集合轴而言，提供初始控制指令的两个关系是这些轴的垂直目标关系；

·AP还包括选择器装置和，适当地，校正器装置，其从通过结合初始控制指令所获得的所述系列控制指令发送两个最终控制指令，并且适当地校正它们；

·选择器装置可以包括维持功率的关系，该功率被吸收用于驱动水平旋翼低于设定点值；

·经过应用于倾斜和集合倾角控制指令的选择器和/或校正器装置，维持功率的关系优先于其它关系；

·选择器装置可以包括将飞行器空气速度维持在设定点值的关系；

·选择器装置可以包括将飞行器空气速度维持在高于预定值的关系，所述预定值对应于最佳上升速度；

·校正器装置可以包括限制模块，其用于限制作为功率维持指令函数的集合倾角控制指令；

·本系统包括一个模块，其用于计算作为功率维持指令函数的中间倾斜指令；

·本系统包括比较器模块，其用于比较中间指令、具有前向目标的倾斜指令和具有最佳空气速度目标或上升目标的倾斜指令，从这三个指令中选出最终倾斜指令；并且

·本系统包括一个模块，其用于计算作为倾斜指令函数的中间集合倾角指令。

本发明使得通过结合两个分别由具有公共目标的两个相异伺服控制关系所产生的两个初始控制指令而获得两个控制指令成为可能，特别是两个垂直目标关系；例如，这个垂直目标可以是将要达到和维持的高度。

本发明可能省略在两个初始控制指令间进行选择，还可能消除由于从一个关系切换到另一个关系而导致的不稳定性。

本发明提供了更有效和更“稳定”的驾驶。

参考附图和本发明的有关优选实施例的以下描述将说明本发明的其它特征和优点，而没有任何限制特性。

附图说明

图1是直升机自动驾驶仪系统的方框图。

图2是基于五个伺服控制关系驾驶倾斜轴和集合轴的本发明系统中的自动驾驶仪计算机的方框图。

图3至5是用于解释与图2所述的计算机中的伺服控制关系实施例有关的详细内容的曲线图。

具体实施方式

参考图1，自动驾驶直升机10的系统11包含由计算机16控制的触发器14，其作为由传感器12发出的信号函数和通过元件13由直升机的驾驶员输入的设定点，元件13用于将数据输入计算机。

这样，连接装置17至19分别将传感器12连接到计算机，将元件13连接到计算机，和将计算机连接到触发器14。

将触发器连接到直升机的连接装置15代表的事实是，触发器作用于直升机的元件，具体为用于调整主水平旋翼21的循环倾角和集合倾角以及尾部旋转翼20的集合倾角的元件。

参考图2，计算机16包含五个伺服控制模块31至35；每个模块发布一个控制指令作为伺服控制关系函数，其为特定的，并且作为从传感器12和用于调整设定点的元件13所接收的信号和/或数据。

为了驾驶集合轴，计算机16发布控制信号UCOLL到触发器14；为了驾驶倾斜轴，计算机16发出控制信号UTILT到伺服控制系统，该系统通过另一触发器14维持倾斜配平(tilt trim)，即倾角高度。

本发明的自动驾驶仪装置，其与计算机16形成整体，以参考图2至5中以下所述的方式产生指令UCOLL和UTILT从伺服控制模块31至35。

图3至5，横坐标轴代表在倾斜配平设定点中的变化TILT，而总坐标轴代表在主水平旋翼的集合倾角中的变化COLL。

模块31的伺服控制关系是用于控制集合倾角中变化的垂直目标关系；例如，这个目标是将要达到和维持的高度，上升率，或者垂直加速度。

模块31提供了对应于在图3至5中纵坐标上点P31的纵坐标的初始控制指令UCV。

模块32的伺服控制关系也是垂直目标关系，但是用于控制倾斜轴。模块32提供了对应于在图3至5中横坐标上点P32的横坐标的初始控制指令UTV。

初始控制指令UCV和UTV用于计算器模块36的输入；这个模块输出被写成a、b、c和d的四个系数，其对应于写成直线DCOMB(在图3至5中示出)等式的两个方法，直线DCOMB穿过点P31和P32，即：

A*TILT+b＝COLL且

C*COLL+d＝TILT

系数a、b、c和d通过以下公式给出：

a＝UCV/UTV；b＝UCV；c＝UTV/UCV；d＝-UTV

因此，在直线DCOMB上点的横坐标和纵坐标都对应于初始控制指令(UCV或UTV)以及它们的比率(UTV/UCV或UCV/UTV)的线性结合。

依据本发明的一个方面，在所有对应于线DCOMB上不同点的可能的线性结合之中，在任何可能的时候，所选结合是满足依照由水平旋翼吸收的功率以及依据直升机速度的额外约束的结合，这是由结合在计算机的选择器与校正器装置41所得到的。

模块34的伺服控制关系是集合轴控制关系，其限制了由主水平旋翼所吸收的功率到预定值。

模块34提供了对应于图3至5中直线D34的控制指令UCP；平行于横坐标轴的该线与纵坐标轴相交于一点，该点对应于最大集合倾角增长UCP，该UCP对应于不被超出的吸收功率。

模块33的伺服控制关系是用于控制直升机的倾斜轴的纵向目标关系；这个目标可以具体对应于直升机的水平空气速度点；模块33提供对应于图3至5中直线D33的倾斜控制指令UTL；这个线平行于纵坐标轴，并且与横坐标轴相交于一点，该点对应于倾斜控制指令UTL的最小值，在考虑中UTL用于提供水平速度。

模块35的伺服控制关系是倾斜轴的控制关系，用于将直升机的空气速度限制到对应于最佳上升速度的值。模块35提供了对应于图3至5的直线D35的倾斜控制指令UTY；该线平行于纵坐标轴，并且与横坐标轴相交于一点，该点对应于倾斜控制指令值，该指令提供了最佳上升空气速度设定点。

参考图2，选择器与校正器41包括用于计算中间指令UTMIN的模块37和系数c和d，该指令基于由模块34发出的指令UCP来控制倾角，系数c和d如上所述由模块36计算得到。

模块37执行以下结合计算：

UTMIN＝c*UCP+d

其在图3至5中对应于线DCOMB和线D34之间交点P的横坐标。

指令UTMIN和UTL用作选择器模块38中的算子(operator)MAX的输入；这个算子输出值UTIMAX，其是出现在它的输入的最大值。

在图3和4中，这个表示在线DCOMB与D34的交点P和线DCOMB与D33的交点PCOMB1之间进行选择，选取具有较大横坐标值的点，即在图3中所述的配置中的点PCOMB1与在图4所述的配置中的点P。

通过这个方式确定的中间倾斜控制指令UTIMAX本身用于与由模块35发出的指令UTY一起转变为模块38的算子MIN的输入；该算子输出值UTILT，其是它的输入的最小值；这个倾斜控制指令UTILT最终应用于驱动适当触发器14的配平伺服控制。

因此，当指令UTY小于中间指令UTIMAX时，如图5所述的配置所示，选择器38的模块MIN输出值UTILT＝UTY。

此外，在这个配置中，没有选择线DCOMB与D35之间的交点PCOMB2，而是对应于倾斜控制指令UTY和对应于最大功率(由D34示出)的集合倾角控制指令的线D34与D35之间的交点P’。

在这种情况下，垂直目标(对应于线DCOMB上的点)不能被得到和维持。

这些最后提到的选择和校正由计算机模块39和40完成：

·模块39应用以下公式计算中间集合控制指令UICOLL：

UICOLL＝a*UTILT+b

作为由模块36发出的系数a和b的函数，以及由模块38输出的指令UTILT的函数；中间指令UICOLL对应于线DCOMB和D35之间交点PCOMB2的纵坐标；并且

·模块MIN 40比较指令UICOLL和UCP的值，并输出它的输入的最小值；由算子40输出的指令UCOLL应用于调整主水平旋翼的集合倾角的触发器。

Claims (18)

1.一种直升机的自动驾驶仪系统，其中该直升机包括至少两个驾驶轴，该自动驾驶仪系统包括：至少一个伺服控制模块，对于所述至少两个驾驶轴中的两个驾驶轴，所述至少一个伺服控制模块对其中每个驾驶轴而言应用控制关系来提供各自的初始控制指令UCV、UTV，这两个控制关系具有公共目标；和计算器模块，其用于通过两个初始控制指令UCV、UTV来计算控制指令以输出四个系数a、b、c和d，其中a＝UCV/UTV，b＝UCV，c＝UTV/UCV，d＝-UTV；其中，基于上述四个系数，所述计算器模块输出中间指令UICOLL＝a×UTILT+b和UTMIN＝c×UCP+d，这里UICOLL是中间集合控制指令，UTILT是中间倾斜控制指令，UTMIN是具有控制倾斜的最小值的中间指令，UCP是由一个伺服控制模块通过具有与所述公共目标不同的目标的控制关系所计算得到的初始控制指令，而中间倾斜控制指令UTILT最终由所述自动驾驶仪系统应用；其中一个伺服控制模块被配置为应用控制关系，该控制关系用于维持以低于设定点值的值驱动水平旋翼的吸收功率。

2.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，其中所述两个控制关系具有公共垂直目标，而所述的不同目标关联到预定的主水平旋翼功率值。

3.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，其中用于维持驱动所述水平旋翼的吸收功率的所述控制关系优先于所述自动驾驶仪系统的其它控制关系。

4.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，其中所述的两个驾驶轴分别是倾斜轴和集合轴，并且其中用于发送初始控制指令的伺服控制模块的控制关系，对于每一个这些轴而言，都是垂直目标控制关系。

5.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，包括选择器装置和校正器装置，其用于从一系列通过结合初始控制指令而获得的可能的控制指令中选择两个控制指令，并且用于在合适的时候对被选控制指令进行校正。

6.根据权利要求5所述的自动驾驶仪系统，其中所述选择器装置包括配置为应用控制关系的伺服控制模块，该控制关系用于维持飞行器的前向速度高于设定点值。

7.根据权利要求5所述的自动驾驶仪系统，其中所述选择器装置包括配置为应用控制关系的伺服控制模块，该控制关系用于维持高于对应于最佳上升速度的预定值的飞行器空气速度。

8.根据权利要求5所述的自动驾驶仪系统，其中所述校正器装置包括一个模块，其用于限制作为维持功率的初始控制指令UCP函数的集合倾角控制指令UCOLL。

9.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，包括一个模块，其用于计算作为维持功率的初始控制指令UCP函数的控制倾斜的最小值的中间指令UTMIN。

10.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，包括一个模块，其用于比较控制倾斜的最小值的中间指令UTMIN、具有前向目标的倾斜指令UTL和具有上升空气速度目标的倾斜指令UTY，以及用于从这三个指令中选择作为最终的倾斜指令的中间倾斜控制指令UTILT。

11.根据权利要求1所述的自动驾驶仪系统，包括一个模块，其用于计算作为最终的倾斜指令的倾角函数的中间集合控制指令UICOLL。

12.一种自动驾驶仪系统，其用于相对于倾斜轴和集合倾角轴的旋翼飞行器操作，该系统包括：

·第一伺服控制模块，其应用第一控制关系提供初始集合倾角控制指令UCV；和

·第二伺服控制模块，其应用第二控制关系提供初始倾斜控制指令UTV；

所述第一和第二控制关系具有公共目标，该系统还包括：

·第三伺服控制模块，其应用第三控制关系为倾斜或集合倾角提供第三控制指令UTL、UCP、UTY，所述第三控制关系所具有的目标不同于所述公共目标；

·计算与结合装置，其用于通过两个初始控制指令UCV、UTV来计算控制指令以输出四个系数a、b、c和d，其中a＝UCV/UTV，b＝UCV，c＝UTV/UCV，d＝-UTV；其中，基于上述四个系数，所述计算与结合装置输出中间指令UICOLL＝a×UTILT+b和UTMIN＝c×UCP+d，其中UTILT是中间倾斜控制指令；以及

·选择器装置和校正器装置，其用于从中间控制指令UICOLL、UTMIN中选择用于集合倾角轴的一个控制指令以及用于倾斜轴的一个控制指令，以及适当地校正所选的控制指令，作为第三控制指令UTL、UCP、UTY的函数。

13.根据权利要求12所述的自动驾驶仪系统，其中发布初始控制指令的伺服控制模块的至少一个控制关系相对于每个轴而言是垂直目标控制关系。

14.根据权利要求12所述的自动驾驶仪系统，其中所述选择器装置包括应用一个控制关系来维持以低于设定点值的值驱动水平旋翼的吸收功率的伺服控制模块，并且其中用于维持功率的控制关系优先于自动驾驶仪系统的其它控制关系。

15.根据权利要求12所述的自动驾驶仪系统，其中所述选择器装置包括应用一个控制关系来维持高于设定点值的飞行器前向速度的伺服控制模块。

16.根据权利要求12所述的自动驾驶仪系统，其中所述选择器装置包括应用一个控制关系来维持高于预定值的飞行器空气速度的伺服控制模块，该预定值对应于最佳上升速度。

17.根据权利要求12所述的自动驾驶仪系统，其中所述校正器装置包括模块，其用于限制作为维持功率的初始控制指令UCP函数的集合倾角控制指令UCOLL。

18.根据权利要求12所述的自动驾驶仪系统，包括：

·用于计算作为维持功率的初始控制指令UCP函数的中间控制指令UTMIN的模块；

·用于将中间控制指令UTMIN分别与具有前向目标UTL的倾斜指令以及具有上升空气速度目标UTY的倾斜指令进行比较、并且用于从这三个指令中选择作为最终的倾斜指令的中间倾斜控制指令UTILT的模块；和

·用于计算作为最终的倾斜指令UTILT函数的中间控制指令UICOLL的模块。

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