CN101283318A - 用于飞行器领航的方法和一套设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到用于飞行器领航的一种方法和一套设施，该飞行器首先用来探测紧急情况并消除由此产生的后果，可以以飞行员借助于飞行控制设施来操作飞行器的形式、以由控制台技术设施所发出的指令来遥控驾驶飞行器的形式、以及以由飞行器设备所发出的指令独立自动地驾驶飞行器的形式来执行所有可能的用来驾驶同一飞行器的控制模式。为了实施飞行器的遥控、自动控制和独立控制，在所述飞行器上和在所述控制台中提供控制设备的功率驱动单元、用来对其进行接通和断开的系统、以及技术支持设施。

Description

用于飞行器领航的方法和一套设施
技术领域
本发明涉及到用于飞行器领航的设施，该飞行器首先被设计用来探测由自然或人为原因而导致的紧急情况，并消除由此产生的后果。监视和控制设施以及紧急情况消除设施(例如，救火用的水)被用作这些飞行器的有效负载。
当利用飞行器来及时探测紧急情况并采取措施以消除后果以便救人性命和健康、减小财产的损失并防止环境污染时，本发明特别实用。
背景技术
根据美国专利No.5,878,819，有一种已知的驾驶救火飞行器的方法和一套标准设施，这种救火飞行器被设计用来探测着火的位置并对该位置倾洒水。
根据俄罗斯专利No.2,174,934，有一种驾驶救火水上飞行器的已知方法和一套标准设施，这种水上飞行器能够从水体表面汲水并将水倾洒到着火位置。
按照美国专利No.6,364,026，与本发明类似的一个发明提供一套操控无人驾驶飞行器的设施，这种无人驾驶飞行器被设计用来探测并消除由火引起的紧急情况。
它包括无人驾驶的监视飞行器、无人驾驶的救火飞行器、以及由人操纵的地面遥控领航台。
就类似特点的数量和内容来看，本发明的原型是按照美国专利No.5,240,207所述的飞行器控制系统，其中，控制飞行器的标准设施变成了通过地面领航台的遥控领航的设施，这就将有人驾驶飞机变成了无人驾驶飞行器。
所述原型系统包括在机舱内安装有多个平台的飞行器，这些平台通过电缆连接到被设计为用来控制飞行器的控制设备上，所述原型系统还包括用来记录机舱内的信息及控制区的图像的第一摄像机、用来记录机舱外的图像的第二摄像机、以及与控制台进行连接的组合无线电设备。
飞行器控制台装有飞行器控制设备支持硬件，用来接收和显示所述第一和第二摄像机的视频图像，以及产生并发射飞行器遥控控制命令。
在所提到的原型中，从所述第一摄像机接收的机舱内的信息及控制区的图像以及从所述第二摄像机接收的有关周围空域和地面情况的信息被发射到控制台，并在显示器上显示。控制台的操作人员分析这些信息，选择并执行控制命令，这些控制命令被进一步发射到飞行器上，激活控制设备的功率驱动器，以使飞行器执行所要求的动作。这个控制过程在飞行器的飞行期间反复重复。
根据美国专利No.5,240,207中的飞行器控制系统只有一个模式可以执行：由控制台的操作人员遥控领航。没有提供飞行器的自动控制。实现领航飞行模式要求飞行器构造恢复到初始状态，即，拆除所有附加的控制设施。这就使对这样的飞行器的领航变得不可能了。
这样的飞行器领航或许是非常受限制的，或者说，在由于烟、雾或云造成的可视性很差的情形中是根本不能接受的。
发明内容
本申请专利的发明解决了在所有可能的领航模式中驾驶飞行器的问题：由飞行员利用标准控制设施进行驾驶、由控制台操作人员遥控驾驶、根据控制台技术设施的命令进行自动驾驶的模式、根据飞行器上的无线电电子设备的命令进行自由飞行的自动驾驶模式。
为了实现飞行器的遥控驾驶、自动驾驶和自由飞行自动驾驶，在飞行且上的和控制台中安装了控制设备的功率驱动器，配备了开关系统以及提供支持的硬件和软件。在单次飞行期间，任何领航模式都可以由飞行员反复地打开和关闭，或者由控制台操作人员遥控打开和关闭，或者自动地打开或关闭，而不会引起飞行器的任何结构改变，不会对其它领航模式中的进一步操作造成损害。
本申请专利保护的联合体(complex，一组设施)包括：
-带机舱的飞行器，所述机舱内包含用于控制所述飞行器操作的领航设备；
-安装在所述飞行器机舱内在用于飞行器领航的所述控制设备附近的多个平台(platform)；
-通过可移动接头与所述领航设备和所述平台相连的功率驱动器；
-功率驱动器控制系统；
-与所述飞行器分离的遥控控制台，它包括支持该飞行器上所述控制设备的技术设施，这些设施用来接收和处理所述飞行器的控制设备的仪器读数、传感器和状况，以及产生并发射飞行器控制信号；
-安装在所述飞行器上的用于产生描述所述飞行器的控制设备的仪器读数、传感器及状况的信号的设施；
-安装在所述飞行器上的无线电发射和接收电子设备，这些设备被设计用于向所述控制台发射描述所述飞行器控制设备的仪器读数、传感器及状况的信号，以及从所述控制台接收控制命令；
-在所述控制台使用发射和接收设备接收和处理与所述飞行器控制设备的仪器读数、传感器及状况相关的信号的设施；
-在所述控制台产生飞行器控制信号的设施；
-向所述机载功率驱动器控制系统多次发射在所述控制台产生的所述飞行器的领航信号的设施，其中所述机载领航设备的偏离和定向与所述控制台支持硬件的命令相对应，以便让所述飞行器执行所要求的操作。
-所述申请专利保护的联合体(一套设施)还包括：
-连接所述功率驱动器和所述飞行器控制设备的受控设施；
-使相连所述功率驱动器与所述飞行器控制设备的受控设施打开和关闭设施，其中包括在有人驾驶模式中由飞行员进行激活、由所述控制台操作人员进行遥控激活、或者借助于所述飞行器上的和所述控制台中的技术设施进行自动激活的可能性；
-用来实现遥控领航模式、飞行器领航的自动领航模式和离线自动领航模式的在机载计算机；
-安装在所述飞行器上、位于所述计算机和传感器、装置以及功率驱动器控制系统之间的接口信号及命令的输入/输出装置；
-安装在所述飞行器上用于所述飞行器的精确定位的无线电卫星导航系统设备；
-安装在所述控制台中的导航及着陆系统的设备。
所述申请专利保护的飞行器领航设施联合体可以以机械装置的形式来实现将所述功率驱动器与所述飞行器控制设备连接起来的所述受控设施，尤其是以离合器的形式来实现。
所述申请专利保护的飞行器领航设施联合体的控制台可以被安装在固定或移动平台上。
所述申请专利保护的飞行器领航设施联合体的控制台可以被安装在水上的固定或移动平台上。
所述申请专利保护的飞行器领航设施联合体的控制台可以被安装在空中的固定或移动平台上。
所述申请专利保护的飞行器领航设施联合体的控制台可以被安装在太空平台上。
附图说明
在下文中，将参考附图通过具体的实施例来说明本发明，所述附图包括：
图1是飞行器上的机载设备的方框图；
图2是控制台的方框图。
具体实施方式
在涉及飞行员(1)的有人驾驶的飞行器领航模式中(图1)，受控接头(controlled joints)(2)借助激活器和关断器(deactivator)(3)使功率驱动器和控制设备(5)断开。飞行员(1)直接利用标准装置、传感器和设备(6)操纵领航设备(5)。飞行员(1)可以独立地控制有效负载(7)，并利用无线电通信设施(8)将借助于所述有效负载所接收到的数据发射到控制台。控制台的操作人员和硬件利用无线电通信设施(8)能够控制有效负载(7)。
当控制台操作人员在遥控领航模式中对飞行器进行控制时，借助于激活器和关断器(3)，受控制接头(2)使功率驱动器(4)与控制设备(5)相连接(图1)。来自控制台硬件的控制命令通过无线电通信设施(8)被接收到达功率驱动器控制系统(9)，并通过功率驱动器(4)和受控接头(2)激活控制设备(5)，以使飞行器执行所要求的动作。飞行器上的计算机10对通过命令及信号输入/输出接口装置(11)所接收到的与标准设备、传感器和设备(6)有关的数据以及直接从卫星无线电导航系统的接收器(12)所接收的信号进行处理，这些信号再通过无线电通信设施(8)被发射。操作人员对在控制台所接收到的与飞行器位置的精确坐标相关的信息、与空间位置和运动特性有关的信息、以及与机载设备的仪器读数、传感器和状况相关的数据进行分析，以便反复地产生并向飞行器发射所要求的控制命令。有效负载(7)由控制台操作人员控制。
在自动的飞行器领航模式中，当接收到控制台硬件的命令时，利用激活器和关断器(3)受控接头(2)使功率驱动器(4)与控制设备(5)(图1)相连。功率驱动器控制系统(9)通过无线电通信设施(8)接收来自控制台硬件的控制命令，通过功率驱动器(4)和受控接头(2)激活控制设备(5)，以便使飞行器执行所要求的动作。控制台的硬件利用与飞行器的位置和运动及其设备的状况有关的数据来产生控制命令，这些数据以与遥控控制情形类似的方式被接收。有效负载(7)的设施由控制台操作人员或者由飞行器硬件根据飞行之前或飞行期间所输入的程序进行控制。
在自由飞行遥控飞行器领航模式中，当接收到飞行器上无线电电子设备的命令时，受控接头(2)利用激活器和关断器(3)将功率驱动器(4)连接到控制设备(5)(图1)上。所述控制命令由机载计算机(10)根据输入的飞行程序来产生。这些控制命令再经过命令及信号输入/输出接口装置(11)传送到功率驱动器控制系统(9)中，由功率驱动器(4)和受控接头(2)激活控制设备(5)，以便使飞行器执行所要求的操作。通过输入/输出接口装置(11)接收到的标准装置、传感器和设备(6)的读数以及直接到达飞行器上计算机(10)的卫星无线电导航系统接收器(12)的信号被用作源数据以产生飞行器上计算机(10)的控制命令。这些信号允许机载计算机(10)确定飞行器的精确位置的坐标、其空间位置、动态特性以及设备的状况。如果这些信息不同于输入飞行器上的计算机(10)中的飞行任务，那么就会产生合适的校正位置和飞行器运动的命令。有效负载设施由控制台操作人员或者由飞行器硬件根据飞行之前或飞行期间所输入的程序进行控制。
通过由无线电通信设(8)施接收到的控制台操作人员的控制命令和由输入/输出接口装置(11)接收到的飞行器上的计算机(10)的控制命令，通过飞行员(1)操作受控接头(2)的激活器和关断器(3)，可以反复地改变飞行器控制模式。
控制台包括飞行器操作人员的工作室(13)(图2)、有效负载操作人员的工作室(14)、计算机系统(15)、可视化工具(16)、数据的接收和发射设施(17)、着陆和导航系统设备(18)、机场通信和对讲系统(19)以及电源系统(20)。
在有人驾驶模式中，控制台的飞行器操作人员不直接参与领航。他可以控制标准的飞行器上的装置、传感器和设备的读数，这些读数被发送到数据接收和发射设施(17)中，由计算机系统(15)进行了处理并被显示在飞行器操作人员工作室(13)中的显示器和可视化工具(16)上(图2)。飞行器控制台可以发出命令来切换到遥控驾驶模式、自动模式或自由飞行自动模式。有效负载操作人员可以通过计算机系统15和数据接收与发射系统17从他的工作室14来控制安装在飞行器上的有效负载设施。他可以接收通过同一数据交换通道从有效负载设施发送来的信息并对其进行分析，这些信息被显示在有效负载操作人员工作室14中的显示器和可视化工具16上。
在遥控领航模式中，控制台飞行器操作人员接收与飞行器上标准仪器、传感器和设备的读数、飞行器位置的精确坐标、飞行器的空间位置和动态特性相关的所有必需的信息，这些信息显示在他工作室13中的显示器上。基于对这些数据的分析以及根据飞行任务，控制台飞行器操作人员发出合适的领航命令，这些命令由计算机系统(15)进行处理并使用数据交换设备(17)发射到飞行器上。有效负载操作人员通过计算机系统(15)并利用数据交换设施(17)从他的工作室(14)发出有效负载控制命令，以及接收并分析收到的信息(图2)。
在自动飞行器领航模式中，根据从控制台硬件所接收的命令，与飞行器上标准仪器、传感器和设备的读数、精确的位置坐标和空间定位、动态特性等相关的接收数据不断地由计算机系统来处理并与飞行任务数据进行比较。如果探测到了任何偏离，那么就会发送相应的控制命令，这些命令通过数据交换设备(17)发射到飞行器上(图2)。控制台飞行器操作人员不直接参与领航。然而，他可能会从他的工作室(13)来控制飞行，并且如果需要的话，改变当前的飞行任务或改变飞行器控制模式，即采用飞行器的人工控制。与前面的情形类似，有效负载操作人员通过计算机系统(15)以及数据交换设施(17)从他的工作室(14)来控制有效负载。他也接收并分析从这些设备来的信息(图2)。
在自由飞行自动飞行器领航模式中，飞行器操作人员根据其无线电电子设备的命令在其工作室(13)中接收与飞行器上标准仪器、传感器和设备的读数、精确的飞行器定位坐标、空间位置和动态特性相关的所有必需的信息。如果需要的话，他可以改变飞行任务程序或改变飞行器领航模式。有效负载操作人员在其工作室(14)中从有效负载设施接收信息。有效负载设施可以根据飞行器上的计算机的命令以及根据有效负载操作人员的命令而被操作。飞行员使用标准的领航设备在有人驾驶模式中使飞行器着陆。当在遥控领航模式或自动领航模式中时，进场和着陆命令是使用导航和着陆设备(18)在控制台产生的(图2)。这些命令以与飞行控制命令同样的方式被发射到飞行器上并被执行。
机场通信和对讲系统(19)(图2)保证了飞行器操作人员、有效负载操作人员、飞行器和控制台维修人员、机场服务和飞行调度人员之间的无线电通信，以及用于探测紧急情况并消除其后果的操作管理，这其中涉及到了所述飞行器。
电源系统(20)(图2)为控制台的全部设备提供电源，它包括机场电网、后备发电机和基于电池的UPS单元。
工业实用性
本发明被设计为对主要用来探测紧急情况并消除其后果的飞行器进行领航。本发明所规定的每种设施由不同国家的工业部门来生产。本发明所规定的设施的交互作用以已知的通用处理来实现。
在“Irkut”公司内，本发明以俄罗斯紧急情况部(Emergency SituationsMinistry of Russia)所专用的形式来实现。所述飞行器基于改进型双座电动滑翔机S10-VT(德国Stemme制造)来制造，如果有高的纵横比和T形尾翼组件，所述电动滑翔机采用双翼(two-piece wing)单梁结构(single-beam diagram)。采用115h.p.ROTAX 914引擎作为功率驱动器。采用包括一个尾轮的三轮起落架。主起落架缩进机身之内。
在滚动通道(roll channel)的领航由副翼(aileron)完成，航线领航(track piloting)由位于直尾翼(fin)上的方向舵来保证，纵向控制由位于尾翼上的升降舵来执行。安装在机舱内的把手和踏板通过牵引杆(dragging pole)使舵发生偏转。
飞行员坐在电动滑翔机的左座位上进行有人驾驶。遥控和自动控制设备安装在机舱内拆除掉的右座位上。所述设备包括受控接头、激活器和关断器以及动态地连接到控制设备(把手和踏板)以及平台上的功率驱动器，它们以结构的刚性轴承支撑形式实现。
天线和无线电通信设施被安装在改进型滑翔机的表面上。
改进型电动滑翔机中的标准装置、传感器和设备包括飞行控制设施(航速指示器、高度计、磁性指南针)以及引擎控制设施(测速计、压强和油温指示器、气缸盖温度指示器、电压计、电流表、燃料计和引擎寿命指示器)。
为了维持自动以及自由飞行领航模式，使用紧凑的惰性系统作为测量坐标传感器，使用倾斜(careen)、颠簸(pitch)、航向(course)、航迹角(track angle)、垂直速度、过载和角速度以及空气信号传感器系统作为速度计和相对气压高度的传感器。
使用安装在改进型电动滑翔机机翼之下的悬挂容器中的水平衡(hydro-stabilized)光电系统和无线电定位台作为有效负载。
基于汽车ZIL 5301将地面站做成移动式的。它包括空调系统、节电系统、飞行器操作人员和有效负载操作人员的工作室、计算机系统、可视化工具、导航和着陆系统设备以及数据交换设施，包括天线-馈电线系统。
所产生的航空联合体允许在所述电动滑翔机中实现所有可能的领航模式：采用标准领航设施的有人驾驶模式、由控制台操作人员控制的遥控领航、在控制台硬件的命令控制下的自动领航、在飞行器上的机设备的命令控制下的自由飞行自动领航。
参考图1和图2所示的实际实现的例子描述了所述模式和飞行器领航联合体。在不超越下述权利要求的范围的情况下，本发明可以以其它修正形式以及采用其它附加设施来实现。

Claims (12)

1.飞行器领航方法，根据这种方法：
平台被安装在所述飞行器的机舱内大的用于飞行器领航的控制设备的附近；
功率驱动器通过可移动接头与所述领航设备以及所述平台相连接；
功率驱动器控制系统被安装在所述飞行器的机舱内；
建立遥控控制台，它包括支持所述飞行器上的所述领航设备的技术设施，该技术设施用来接收和处理表征所述飞行器的控制设备的装置、传感器和状况的读数的信号，以及用于产生并发射飞行器领航命令的信号；
表征所述飞行器控制设备的仪器读数、传感器及状况的信号通过飞行器上的无线电接收和发射设备被从所述飞行器发射；
与所述飞行器控制设备的仪器读数、传感器及状况相关的信号在所述控制台利用接收和发射设备被接收和处理；
在所述控制台产生飞行器控制命令信号；
在所述控制台产生的飞行器领航信号被反复地发射到所述飞行器上的功率驱动器控制系统，使得所述飞行器上的领航设备的偏离和定向与所述控制台支持硬件的命令相对应，从而使所述飞行器执行所要求的操作；
其特征在于，
引入连接所述功率驱动器和所述飞行器控制设备的控制设施；
引入使连接所述功率驱动器与所述飞行器控制设备的受控接头激活和关断的设施，其中包括在有人驾驶模式中由飞行员进行激活、由所述控制台操作人员进行遥控激活、或者借助于所述飞行器上的和/或所述控制台中的技术设施进行自动激活的可能性；
机载计算机被安装在所述飞行器上，以实现遥控飞行器领航模式、自动飞行器领航模式和自由飞行自动飞行器领航模式；
接口信号及命令输入/输出装置被安装在所述飞行器上，在所述机载计算机和传感器、装置以及功率驱动器控制系统之间；
无线电卫星导航系统设备被安装在所述飞行器上，用于所述飞行器的精确定位；
导航及着陆系统的设备被安装在所述控制台中；
通过激活或关断所述受控接头使功率驱动器与所述飞行器的领航设备相连接或断开，以便选择有人驾驶模式、遥控领航模式、自动领航模式或自由飞行自动飞行器领航模式；
在有人驾驶模式中，通过关断所述受控接头使功率驱动器与所述控制设备断开，并且所述飞行器由机舱内的飞行员使用控制设备、装置和传感器来驾驶；
在遥控领航模式中，通过激活所述受控接头使功率驱动器与所述飞行器控制设备相连接；从所述飞行器发射的与所述飞行器的精确的坐标、空间位置和动态特性相关的数据由所述控制台接收；基于对这些数据的分析，在操作人员的帮助下反复地产生合适的控制命令并将其发射到所述飞行器上，进而由被启动的设备来执行；
在自动领航模式中，通过激活所述受控接头使功率驱动器与所述飞行器控制设备相连接；从所述飞行器发射的与所述飞行器的精确的坐标、空间位置和动态特性相关的数据由所述控制台接收；基于对这些数据的分析，在所述控制台硬件的帮助下反复地产生合适的控制命令并将其发射到所述飞行器上，进而由被启动的设备来执行；
在自由飞行自动领航模式中，通过激活所述受控接头使功率驱动器与所述飞行器控制设备相连接；使用所述机载计算机来处理与所述飞行器的精确的坐标、空间位置和动态特性相关的数据，籍此，反复地产生合适的控制命令并由被启动的设备执行；
在遥控领航和自动模式中，通过在所述控制台由所述导航及着陆设备产生控制命令、将其发射到所述飞行器上，进而由被启动的设备执行，来使所述飞行器着陆。
2.根据权利要求1所述的飞行器领航方法，其特征在于，所述功率驱动器与所述飞行器控制设备之间的所述受控接头以机械装置的形式来实现，例如，电动离合器。
3.根据权利要求1所述的飞行器领航方法，其特征在于，所述控制台被安装在陆上的固定或移动平台上。
4.根据权利要求1所述的飞行器领航方法，其特征在于，所述控制台被安装在水上的固定或移动平台上。
5.根据权利要求1所述的飞行器领航方法，其特征在于，所述控制台被安装在空中的固定或移动平台上。
6.根据权利要求1所述的飞行器领航方法，其特征在于，所述控制台被安装在太空平台上。
7.一套飞行器控制设施，包括：
带机舱的飞行器，所述机舱内包含用于控制所述飞行器的操作的领航设备；
安装在所述飞行器的所述机舱内的在用于飞行器领航的所述控制设备附近的平台；
通过可移动接头与所述领航设备和所述平台相连接的功率驱动器；
功率驱动器控制系统；
遥控控制台，它包括支持所述飞行器上所述领航设备的技术设施，该技术设施用来接收和处理表征所述飞行器的控制设备的装置、传感器和状况的读数的信号，以及用于产生并发射飞行器领航命令信号；
安装在所述飞行器上的用于产生信号的设施，该信号描述所述飞行器的控制设备的仪器读数、传感器及状况；
安装在所述飞行器上的无线电发射和接收电子设备，该设备被设计为用于向所述控制台发射描述所述飞行器的控制设备的仪器读数、传感器及状况的信号，以及从所述控制台接收控制命令；
在所述控制台使用无线电接收和发射电子设备接收和处理与所述飞行器的控制设备的仪器读数、传感器及状况相关的信号的设施；
在所述控制台产生飞行器控制信号的设施；
反复发射所述飞行器的控制命令信号的设施，所述控制命令信号在所述控制台产生，并被发射到所述飞行器上的功率驱动器控制系统，其中所述飞行器上的控制设备的偏离和定向与所述控制台支持的技术设施的命令相对应，以便让所述飞行器执行所要求的操作；
其特征在于，所述飞行器还包括下列设施：
连接功率驱动器和所述飞行器的控制设备的控制设施；
将连接所述功率驱动器与所述飞行器的控制设备的受控接头激活和关断的设施，其中包括在有人驾驶模式中由飞行员进行激活、由所述控制台操作人员进行遥控激活、或者借助于所述飞行器上的和/或所述控制台中的技术设施进行自动激活的可能性；
安装在所述飞行器上以便实现遥控飞行器领航模式、自动飞行器领航模式和自由飞行自动飞行器领航模式的机载计算机；
安装在所述飞行器上、位于所述计算机和传感器、装置以及功率驱动器控制系统之间的接口信号及命令输入/输出装置；
安装在所述飞行器上用于所述飞行器的精确定位的无线电卫星导航系统设备；
安装在所述控制台的导航及着陆系统的设备。
8.根据权利要求7所述的一套飞行器控制设施，其特征在于，所述功率驱动器与所述飞行器的控制设备之间的所述受控接头以机电装置的形式来实现，具体说以电动离合器的形式来实现。
9.根据权利要求7所述的一套飞行器控制设施，其特征在于，所述控制台被安装在陆上的固定或移动平台上。
10.根据权利要求7所述的一套飞行器控制设施，其特征在于，所述控制台被安装在水上的固定或移动平台上。
11.根据权利要求7所述的一套飞行器控制设施，其特征在于，所述控制台被安装在空中的固定或移动平台上。
12.根据权利要求7所述的一套飞行器控制设施，其特征在于，所述控制台被安装在太空平台上。
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