CN101405183A - 用于在飞行器的各制动器之间分配制动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在飞行器的制动器之间分配制动的方法，该方法包括以下步骤：估算飞行器的各制动器所要实现的目标制动负荷和目标转向扭矩；定义至少两个制动器组(12、13)；以及针对每一组确定所述组所要实现的制动水平，所述制动水平计算成使得制动是根据所述制动水平执行的或者至少在制动器的正常运行状况下与制动力目标和转向扭矩目标相符。

Description

用于在飞行器的各制动器之间分配制动的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在飞行器的各制动器之间分配制动的方法。

背景技术

一定大小的飞行器通常装有响应于飞行员压下制动踏板或响应于飞行员选择确定水平的减速(“自动制动”功能)产生制动力目标的制动计算机。实践中，通过将制动设定点发送到与制动器关联的动力传动件来实现该制动力目标，设定点对于所有制动器都是相同的并使得响应于制动设定点由各制动器产生的制动力的合力达到制动力目标。

发明目的

本发明的目的是提供一种能够优化制动器的使用的分配方法。

发明内容

为了实现该目标，本发明提供一种在飞行器的各制动器之间分配制动的方法，该方法包括以下步骤：

·估计飞行器的各制动器所要实现的制动力目标和转向扭矩目标；

·定义至少两个制动器组；以及

·针对每组计算所述组所要实现的制动水平，所述制动水平计算成使得在施加所述制动水平时所执行的制动至少在制动器的正常运行状况下与制动力目标和转向扭矩目标相符。

因此，各制动器用于使飞行器减速，并还辅助其转向。然后一组中各制动器的设定点可与另一组中各制动器的设定点不同。

在较佳实施中，制动水平确定成最大程度同时满足制动目标和转向扭矩目标。

有利的是，各制动器分配成彼此对称的至少左边组和右边组。在这种情况下，转向扭矩目标较佳地由左边组实现的制动力与右边组实现的制动力之间的差来确定。

较佳的是，在考虑飞行器中除制动器之外能够影响飞行器所遵循的路径的其它构件的作用的同时估计制动力目标和转向扭矩目标。

附图说明

根据参照附图的以下说明书可更好地理解本发明，附图中：

·图1是具有四个带制动轮的主起落架的飞行器的示意图；

·图2是在本发明的具体实施中用于图1飞行器的地面引导架构的框图；

·图3是示出图2的细节的示意图，它示出制动的控制方式；以及

·图4是在单个组内分配的框图，其适于图3所示的控制方式。

具体实施方式

本文参照图1所示类型的飞行器对本发明进行说明，该类型飞行器具有两个主翼起落架1G和1D，两个主机身起落架2G和2D以及具有可转向轮的前端起落架3。主起落架1G、1D、2G、2D各具有装有相应制动器的四个轮子。该飞行器还装有发动机4以及方向舵5。

本发明应用于图2所示的包括飞行器引导模块10的用于飞行器的地面引导架构。引导模块10接收输入的路径设定点(适当情况下可以是线性的)并控制可影响飞行器在地面上所遵循的路径的所有构件，即发动机4、前端起落架3的转向轮、方向舵5、当然还有主起落架的各制动器。

引导模块10产生用于发动机4、用于方向舵5以及用于控制前端起落架3的转向轮的命令，并通过用路径设定点与上述构件响应于所述命令进行的动作的预期效果之间的差推导出要由各制动器实现的制动目标和转向扭矩目标

。

该路径设定点可具有各种形式：

·在纯制动模式中，例如在着陆时，路径设定点在于为引导模块10指定至少一个给定的减速率和零转向率；以及

·在地面滑行模式中，例如跑道和终点之间，路径设定点在于为引导模块10指定一直变化以遵循确定路径的至少一个转向率。

由路径设定点确定的制动目标，本身表示设定点，即各制动器所要产生的制动力应当随时间怎样变化从而使得飞行器以给定运动状态(位置、速度、加速度)遵循该路径。实践中，制动力目标表示确定持续时长和强度的制动的一次或多次应用。各制动的每次应用可与飞行器的所有制动器将消耗的能量总量相关联，该能量总量可通过在时间上对制动力目标积分得到。

类似地，转向扭矩目标

也表示设定点，即各制动器需要产生的转向扭矩随时间的变化，以使飞行器能够在给定运动状态(位置、速度、加速度)的应用下遵循该路径。为了例如在转弯时使飞行器制动，转向扭矩是必需的。

各制动器由制动控制模块11控制，该模块从引导模块10接收各制动器所要实施的制动力目标和转向扭矩目标

。

从制动力目标和转向扭矩目标

开始，制动控制模块11生成两个制动水平Fg和Fd，分别被送往：

·左制动器组12，其将由左翼主起落架1G和左机身主起落架2G承载的制动器编组在一起；以及

·右制动器组13，其将由右翼主起落架1D和右机身主起落架2D承载的制动器编组在一起。

图1中的虚线示出左边组12和右边组13是怎样组成的。可以看出左边组12和右边组13是对称的。

根据本发明，制动水平Fg和Fd确定成使得其总和等于制动目标且其对飞行器的转向效果等于转向扭矩目标

。

实践中，在这种构造中，可通过由一组所产生的力与另一组所产生的力之间的差来确定转向扭矩目标

。

但是，满足制动目标和转向扭矩目标

假设各制动器足以能够同时满足两个目标，在各制动器的正常操作状态下确实如此。

但是，在特定情况下(湿跑道、制动器失效)，一个或多个制动器仅能产生有限的制动力，从而阻碍了制动目标F或转向扭矩目标

的实现。在这些情况下，由该组向制动控制模块11发送饱和信号，制动控制模块11考虑该饱和以生成在给定的可用制动能力下尽可能接近所要求的目标、

的制动水平Fg和Fd。

在特定实施中，制动控制模块11被编程为分层地组织各目标，例如相比于实现转向扭矩目标

，它可以优先实现制动目标。在这些情况下，制动控制模块11生成在给定的制动能力下适于满足制动目标、但对转向扭矩的作用仅尽限于尽可能接近转向目标

的制动水平Fg、Fd。更一般地说，在考虑一个或多个制动器的任何限制的同时寻求制动水平Fg、Fd最大程度同时满足两个目标和

。

在变型中，可以就给予目标和

中的一个或另一个以较大权重而让飞行员选择。

在根据这样确定的制动水平Fg和Fd施加制动时，左制动器组12和右制动器组13如粗箭头表示那样机械作用在飞行器所遵循的路径上，发动机4、前端起落架3的转向轮以及方向舵5也作用在飞行器所遵循的路径上，所有这些构件的作用对飞行器所遵循的路径都有影响。

然后表示路径的大小的度量，诸如速度、纵向加速度或角加速度传送到引导模块10以形成反馈回路。

以下将参照图3更详细地描述制动控制模块11。

制动控制模块11具有逻辑单元15，逻辑单元15被编程为响应于所要求的制动目标和转向扭矩目标

生成标称力设定点Fnom和左/右分配设定点Δ，通过该两种设定点，第一调制器20产生用于左制动器组12的制动水平Fg，且第二调制器21产生用于右制动器组的制动水平Fd。实践中，通过得到乘积Δ×Fnom而获得制动水平Fg，并通过得到乘积(1-Δ)×Fnom而得到制动水平Fd。给定制动能力，逻辑单元15被编程为使得在制动器组中的一个或另一个饱和的情况下，其调节标称力设定点Fnom和分配设定点Δ，以尽可能接近目标和

。

因此通过根据本发明进行的分配，各制动器能够将制动力和转向扭矩施加到飞行器上。应当发现，这样实施的分配不是呆板僵化而是随时间变化的。

已知一组的制动水平，通过在时间上对其制动水平积分能够估计该组的制动器要消耗的能量。

可通过区分组内的子分组能够使根据本发明的制动器编组原理达到较高的水平。例如，在左边组中，且如图4所示，能够将由装配到左翼主起落架1G的各制动器组成的第一子分组16与由装配到左机身主起落架2G的各制动器组成的第二子分组17区分开。

制动水平Fg通过分配控制模块18细分成分别用于两个子分组16和17的两个制动子水平Fv和Ff，分布控制模块18产生用于得到以下乘积的分配系数β

Fv＝(1+β)×Fg

以及

Ff＝(1-β)×Fg。

通过构造，制动子水平Fv和Ff的总和等于制动水平Fg。分配控制模块18考虑分别来自第一分组16的各制动器和第二分组17的各制动器的饱和信号来计算分配系数β。因此，如果一个子分组的各制动器饱和，能够将制动力转移到另一子分组的各制动器上。如果该转移不足以达到左制动设定点Fg，分配控制模块18产生左制动器组12的饱和信号。

为了实现用于一个制动器组(或子分组)的制动水平，该组的所有制动器产生各个制动力应当使得由各制动器产生的各个制动力的合成达到所要求的制动水平。

在第一程序中，确保该组中所有制动器的各个制动力相同。这是最简单的程序。

在尤其有利的第二程序中，确定不同的各个制动力以满足给定的运行标准，同时符合所要求的制动水平，且当然同时考虑可用制动能力。

在第一实施中，保持的运行标准是使该组中各制动器的摩擦构件经受的摩擦最小。已知碳摩擦构件的磨损率取决于摩擦构件的温度。如果ΔT_k是即将的制动期间制动器k温度的增加，则制动器k上的磨损由以下公式给出：

$U_k=\underset{T_k}{\overset{T_k+\mathrm{\Δ}{T}_k}{\∫}}\mathrm{\τ}\left(T\right)\mathrm{dT}$

其中τ是尤其取决于温度的磨损率。

为了计算制动器k的温度增量ΔT_k，使用制动器的热力模型来计算作为制动器所消耗能量ΔE_k的函数的温度增量ΔT_k。忽略制动器的自然冷却(对制动持续时间较短且制动器温度较低的情形适用)，能够用以下模型将在即将的制动过程中制动器k的温度增加ΔT_k与制动器所消耗的能量ΔE_k关联：

$\mathrm{\Δ}{E}_k=\underset{T_k}{\overset{T_k+\mathrm{\Δ}{T}_k}{\∫}}{M}_k{C}_{p}d{T}_k$

其中M_k是制动器k的摩擦构件的质量，在制动过程中假定该质量是恒定的，且C_p是构成制动器k的摩擦构件的材料的热容。

该组中的各制动器所要消耗的总能量ΔE当然等于各制动器消耗的能量的总和。如上所述，通过将该组的制动力目标在时间上积分而得到各制动器所消耗的总能量。

因此，磨损量最小化相当于在 $\mathrm{\ΔE}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{E}_k$ 的约束下需求使得量∑U_k最小的该组中每个制动器所消耗的能量ΔE_k。

从该组的每个制动器所消耗的能量ΔE_k的量，可推导出用于每个制动器所产生的制动力F_i的各个设定点。

可通过任何已知的最优化技术实现磨损最小化。在本发明的较佳实施中，保持一定量的该组的各制动器之间的能量的任意分配。实践中，各分配由系数列表表示(系数与组内制动器的数量相同)，各列表中系数的总和等于1。例如，如果该组有两个制动器，则可考虑以下分配：

R¹＝{1；0}，R²＝{0.7；0.3}，R³＝{0.5；0.5}，

R⁴＝{0.3；0.7}，以及R⁵＝{0；1}

最小化在于对每个任意分配Rⁱ计算每个制动器的相应的能量ΔE_k ⁱ，且随后计算由于消耗相应能量产生的各制动器的磨损U_k ⁱ。总磨损：

$U^i=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{U}_k^i$

是这样计算出的磨损量的总和。然后保留给出最小总磨损Uⁱ的任意分配Rⁱ。

因此上述磨损最小化应用于给定组中的所有制动器。能够将该该操作标准应用于各组制动器以使得在逐组基础上将摩擦构件磨损最小化。但是，众所周知，逐组基础上的磨损最小化可能会导致从飞行器的所有制动器的角度来看并非最优的结果。

因此，根据本发明有利的是，在使每组仍然遵照所要求的制动力水平的同时推广磨损最小化操作标准以同时应用于飞行器的所有制动器。因此在确保每一组遵照所要求的制动力水平的同时，对使总体磨损最小化的在所有制动器上的分配进行研究。

还有利的是，根据本发明的磨损最小化运行标准不仅针对给定制动应用的所有制动器而且还针对沿路径预期的所有制动应用的所有制动器来推广。为此，应当适当提前确定预期制动操作且因此确定各组制动器所要消耗的能量，这需要知道飞行器在机场可能遵循的整个路径。

通过将机场上可能的路径储存在存储器内或通过对某某机场的典型路径进行数据研究得到该知识，确定制动应用的平均次数和其平均强度。

在预期路径上，沿所述路径确定飞行器的运动(位置、速度、加速度)，并从其推导出制动和转向扭矩目标以及各制动器所要消耗的能量。

以下是关于本发明能够处理一个或多个制动器饱和的情况的更具体的方式的详细说明。如果地面上的轮胎夹由于例如经过湿的或冰的区域而突然滑脱，就会产生这些情况。则不可能同时满足制动力目标和扭矩目标

。

根据本发明，分层地处理这些目标，等价于定义两种策略：

1)只要探测到的饱和继续，就对转向扭矩目标

临时给予优先，同时放弃达到制动力目标的任何尝试；该策略尤其适于飞行器前面的可用停止距离足够充分的情况，应当是需要的。这确保即使不能立刻确保沿所述路径的运动特性(尤其是速度)，飞行器也能保持在所要求的路径上。具体地说，着陆时，该策略使得飞行员能够以可能延长的制动距离为代价将飞行器保持在跑道的轴线上；或者

2)只要探测到的饱和继续，就对制动力目标临时给予优先，同时放弃达到转向扭矩目标

的任何尝试。该策略尤其适于在所有情况下需要能够快速停止的情况。因此，飞行员能够以可能偏离所想要的路径为代价在符合可用制动能力的最短距离上使飞行器停止。

当然，能够定义权衡两种目标的中间策略。

为了实施这些策略，且在一特定实施中，假设没有饱和，第一步骤是确定能够同时满足转向扭矩目标

和制动力目标的右边组的标称力水平Fdn和左边组的标称力水平Fgn。

这里假设左边组是饱和的，使得其可传递的最大制动力等于Fgsat。为了实施第一策略，即给予转向扭矩目标

以优先权，确保由左边组产生的力水平和右边组产生的力水平之间的差ΔF等于：

ΔF＝Fgn-Fdn

相当于确保产生的转向扭矩等于制动器在没有饱和时正常能够产生的转向扭矩目标

。

在这些情况下，施加在左边组上的力水平等于：

Fg＝min(Fgn，Fgsat)

因此，可推导出右边组所需要的力水平等于：

Fd＝Fg-ΔF

如果左边标称力水平Fgn小于左边组的饱和力Fgsat，则Fg＝Fgn且Fd＝Fg-ΔF＝Fdn。然后还满足转向扭矩目标。仅在左边名义力水平Fgn超过左边组的饱和力Fgsat时，才达不到转向扭矩目标。

当右边组饱和时实施该策略情况类似。仍然对左边组和右边组的力水平之间的差有所要求，并且该差被设定成等于：

ΔF＝(Fgn-Fdn)

但是，这次是可能受到限制的右边组的力水平：

Fd＝min(Fgn，Fdsat)

然后可如下推导出左边组的力水平：

Fg＝Fd+ΔF

现在如果两组都饱和，则应当区分左标称力水平Fgn是大于还是小于右标称力水平Fdn：

如果Fgn＞Fdn，则Fg＝min(Fg，Fgn)且Fd＝Fg-ΔF；

如果Fgn＜Fdn，则Fd＝min(Fd，Fdn)且Fg＝Fd+ΔF；

其中总是需要差ΔF且其值等于ΔF＝Fgn-Fdn。

当然，可产生两组都饱和以致不能符合转向扭矩目标的情况。在这些情况下，通过尽可能地接近继续给予满足转向扭矩

的优先权。

为了实施给予实现制动力目标的优先权的第二策略，则要求左力水平Fg加上右力水平Fd的总和∑F等于：

∑F＝Fgn+Fdn

这相当于需要所有制动器产生的力继续等于制动力目标。

当是左边组饱和时，则：

Fg＝min(Fgn，Fgsat)以及Fd＝∑F-Fg

当是右边组饱和时，则：

Fd＝min(Fdn，Fdsat)以及Fg＝∑F-Fd

最后，当两组制动器都饱和时，可由所有制动器产生的最大力是Fmax＝Fgsat+Fdsat。如果∑F＜Fmax，则继续能够达到制动目标。但是，如果∑F＜Fmax，则不再能达到制动力目标。假如饱和，则尽可能努力满足它，使得各制动器在其最大能力下制动。

较佳地由飞行员进行分布策略的选择。但是，在变型中，可由路径跟踪计算机自动选择策略。在这些情况下，飞行员较佳地被通知其中一组制动器已达到饱和。

本发明并不限于以上说明，相反覆盖落入权利要求书所限定范围内的任何变型。

具体地说，根据本发明的制动的分配与对每个制动轮进行防滑保护保持相符。

尽管陈述了建立制动力目标和转向扭矩目标

，本发明还覆盖仅建立这些目标中的一个的情况，例如制动力目标。在这些情况下，将转向扭矩目标

任意设成零就可以了。

尽管陈述了为施加制动保持的运行标准是使摩擦构件的磨损最小，但也可保持其它运行标准。例如，能够将运行标准选择成搜寻致使施加的制动力尽可能光滑进行的分配，以改进乘客舒适度或保护直接经受制动力的飞行器的各部件(起落架、起落架到机身连接、相关的轮胎...)。对于各制动器，能够使制动器被致动的次数最少以增加制动器寿命，或者使所施加的力的量最小。

最后，尽管描述了各制动器可分成左边组和右边组，并不限于该分布，且制动器可以其它方式分布，例如：

·由左翼起落架制动器组成的左边组；

·由右翼起落架制动器组成的右边组；以及

·由机身起落架制动器组成的中心组。

各组内制动的分配不一定一次确定就一直使用，且其可在本发明的范围内变化。

当然，本发明不仅应用于本文所示的包括两个主翼起落架和两个主机身起落架的特定构造，而是还可应用于任何具有制动器的起落架的构造。

无论制动器是液压致动、电动-机械致动或使用任何其它技术，本发明当然同样适用。

Claims (5)

1.一种用于在飞行器的各制动器之间分配制动的方法，所述方法包括以下步骤：

·估算所述飞行器的所述制动器所要实现的制动力目标()和转向扭矩目标(

)；

·定义至少两个制动器组(12、13)；以及

·针对每一组确定所述组所要实现的制动水平(Fg，Fd)，所述制动水平是以使得在应用所述制动水平中所执行的制动至少在所述制动器的正常运行状况下与所述制动力目标和所述转向扭矩目标相符的方式计算出的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制动水平确定成最大程度同时满足所述制动目标和所述转向扭矩目标。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在彼此对称的至少左边组(12)和右边组(13)之间分配所述制动器。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述转向扭矩目标(

)由所述左边组(12)所要实现的制动力与所述右边组(13)所要实现的制动力之间的差来确定。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在考虑所述飞行器中除所述制动器之外的能够影响所述飞行器所遵循的路径的其它构件(3、4、5)的作用的同时估算所述制动力目标()或所述转向扭矩目标(

)。

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