CN102763049B - 失速防止/恢复的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于控制飞行器以阻止失速状态/从失速状态恢复的方法，其包括步骤：检测该飞行器的实际垂直速度，计算该飞行器的垂直速度误差，该垂直速度误差基于该飞行器的实际垂直速度和该飞行器所要求的垂直速度之间的比较，以及至少基于所检测的垂直速度误差和该垂直速度误差的极性确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种。如果该飞行器处于临近失速状态和失速状态中的一种，该方法进一步包括如下步骤：从该飞行器的操作员中接管控制该飞行器，降低该飞行器的倾斜角，使该飞行器向下倾斜，以及如果该飞行器的空速处于空速窗口之外增加该飞行器的空速。

Description

失速防止/恢复的系统和方法

技术领域

本申请的系统和方法涉及自动飞行控制系统。

背景技术

在空气动力学中，当飞行器的机翼不能产生足够的升力来支撑处于特定航速和倾斜角的飞行器时，发生失速。此外，当机翼的“攻角”过大导致阻力急剧增大以及因紊流而造成升力损失时，失速可发生。攻角是机翼的翼弦线和气流方向之间的夹角。为了保持设定量的升力，当在空气中的速度降低时攻角必须增加。失速是一种更多在较低速度下发生的效应，然而失速可在任何速度下发生。失速导致飞行器失去高度和空气动力控制，并且如果不很快校正可引起坠毁。

已经研发许多设备来影响失速形成的时间和地点。例如，失速带是一种粘在机翼的前缘小的、直角边缘设备，其能促进在机翼的前缘形成失速，以引起温和的渐进的失速。涡流发生器是放置在机翼上方前缘附近的小型带子，其通过抑制机翼上方的气流分离来降低失速速度。防失速条在机翼根部前缘的机翼延伸，其在机翼上表面产生涡流来延迟失速。然而，这种设备仅能在某些工作情景下防止失速。

已经研发其他设备以当失速开始时提醒飞行员。例如，自动震杆器震动飞行员的控制机构以提醒失速开始。失速警告器是一种当达到失速速度时发出声音警告的电子设备或机械设备。当飞行员知道失速时，飞行员开始操作以脱离失速状态。然而，飞行员可能会在失速恢复操作中犯错。这种设备在遥控飞行器中普遍没有作用。

其他飞行器被设计为将飞行包线限制在不会导致失速的空气动学力条件的范围内。然而，这种飞行器可能不能够在期望的空气动力学情景中运行。

在本领域中有许多降低失速有害效应的公知设备，但依然有很大的改进空间。

附图说明

作为本发明的系统的特点的新颖性特征在随附权利要求中列出。然而，结合附图参考下述详细说明，将更好地理解系统和方法本身、使用的优选方式以及其他目的和优点，其中附图标记中最左边的数字表示出现各个附图标记的第一幅图，附图中：

图1A和1B描述根据本申请用于操作飞行器以阻止失速状态/从失速状态恢复的示例方法的流程图；

图2是描述完成图1A和1B中方法的特定步骤的示例方法的流程图；

图3是描述完成图1A和1B中方法的特定步骤的示例方法的流程图；

图4是用于操作飞行器以阻止失速状态/从失速状态恢复的系统的第一示例实施方式的框图；及

图5是用于操作飞行器以阻止失速状态/从失速状态恢复的系统的第二示例实施方式的框图。

具体实施方式

本申请的方法容易受到不同修改和替代形式的影响，其具体实施方式已经以示例的方式在附图中示出，并且在本文中被详细描述。然而，应该理解的是，本文的具体实施方式的说明不在于将本发明限制在公开的具体形式以内，正好相反，这些说明涵盖所有落入由随附权利要求限定的本申请的方法的精神和范围内的修改、等同物和替代方式。

在下文中描述本申请系统的示例实施方式。出于清楚的目的，在本说明书中不是所有实际实施时的特点都被描述。当然，应该意识到在任何这种实际实施方式的研发中，必须做出众多具体实施方式的决定以实现研发者的具体目标，例如与系统相关和商业相关的限制相兼容，这将在各种实施方式之间有所不同。此外，应该意识到，这样的研发努力可能是复杂且耗时的，但仍然在获益于本公开文本的本领域内技术人员的常规技能之内。

本申请描绘阻止空气动力学失速和从空气动力学失速状态恢复的系统和方法。在一种实施方式中，该系统和方法是计算机执行的。在这种实施方式中，该方法以编码在介质中的软件的形式呈现，当执行时，该方法可操作地阻止空气动力学失速和从空气动力学失速状态恢复。本申请的系统检测通过测定所要求的垂直速度和实际垂直速度之间的差而计算得的飞行器的垂直速度误差是否超过预定差值以及是否是指示没有足够的升力或能量来保持所要求的垂直速度的极性。这种设定条件自动开始失速阻止/恢复步骤来校正所检测到的失速状态或临近失速状态。然而，如果垂直速度误差超过预定差值，但极性处于失速或临近失速没有逼近的方向，那么失速阻止/恢复步骤不会开始。

在飞行器中需要检测、避免失速状态和/或从失速状态恢复的系统和方法。

因此，本申请的目标是提供一种改进的飞行器中检测、避免失速状态和/或从失速状态恢复的系统和方法。

这个目标以及其他目标通过提供一种操作飞行器来阻止失速状态/从失速状态恢复的方法而实现。该方法包括检测临近失速状态或失速状态以及随后从临近失速状态或失速状态的恢复。这包括计算速度误差的步骤，速度误差的幅度和极性决定飞行器在检测阶段内是否处于失速状态或临近失速状态。该方法进一步包括在恢复阶段从飞行器的操作员接管飞行器控制的步骤。这些步骤包括降低飞行器的倾斜角、使飞行器向下倾斜以及在飞行器空速处于空速窗口之外时增加飞行器空速，同时监测飞行器新的垂直速度、新的速度误差、垂直加速度以及空速来确定飞行器是否仍处于临近失速状态或失速状态。

在本申请的另一方面，提供一种用于操作飞行器来阻止失速状态/从失速状态恢复的系统。该系统包括一个或多个可共同操作的组件，其能够计算飞行器的实际垂直速度误差，并基于在检测阶段内所检测到的飞行器的垂直速度误差确定是否处于临近失速状态或失速状态。如果飞行器处于临近失速状态和失速状态中的一个并进入恢复阶段，该系统进一步可操作地从飞行器的操作员接管飞行器的控制，降低飞行器的倾斜角、使飞行器向下倾斜以及在飞行器空速处于空速窗口之外时增加飞行器空速，同时监测飞行器新的垂直速度、新的速度误差、垂直加速度以及空速来确定飞行器是否仍处于临近失速状态或失速状态。

在本申请的又一方面，提供一种软件用于操作飞行器来阻止失速状态/从失速状态恢复。该软件编码在介质中，并且当执行时，可操作地计算飞行器的实际垂直速度误差并至少基于在检测阶段内所检测到的飞行器的垂直速度误差确定是否处于临近失速状态或失速状态。如果飞行器处于临近失速状态或失速状态并进入恢复阶段，该软件进一步可操作地从飞行器的操作员接管飞行器的控制，降低飞行器的倾斜角、使飞行器向下倾斜以及在飞行器空速处于空速窗口之外时增加飞行器空速，同时监测飞行器新的垂直速度、新的速度误差、垂直加速度以及空速来确定飞行器是否仍处于临近失速状态或失速状态。

应该注意的是，本文所使用的术语“飞行器”表示能够在大气飞行的机器或设备，例如：飞机或其他固定翼飞行器；直升机；或倾转旋翼飞行器，其使用可倾斜（旋转）螺旋桨或“推进旋翼”来举升和推进。

图1A和图1B描述在飞行器中从空气动力学失速状态或临近失速状态自动恢复的方法的示例性实施方式。在一种实施方式中，正如下文中更详细的描述一样。该示例方法由计算机执行并且使用一个或多个计算机系统来实施，每个计算机系统包括一个或多个处理单元以及一个或多个存储单元。

参考图1A，该示例方法包括检测飞行器实际垂直速度（即，在地表垂直方向的速度）的步骤（步骤101）。步骤101可通过直接检测飞行器的垂直速度来完成，该飞行器的垂直速度来自一个或多个专门提供飞行器垂直速度的传感器，例如多普勒系统、雷达系统、空气数据传感器、惯性导航传感器等等。可选地，步骤101可通过基于来自一个或多个传感器或系统的数据来计算飞行器的垂直速度来完成。在步骤103中，至少基于飞行器的垂直速度误差，做出飞行器是否处于临近失速状态或失速状态的决定。一种实现步骤103的特定方法在图2中被描绘并在本文被说明。

如果飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态，该方法返回到步骤101，其中新的垂直速度被检测。只要飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态，该方法重复执行步骤101和步骤103。

然而，如果飞行器处于临近失速状态或失速状态，基于步骤103的结果，在步骤105中由飞行器操作员采取控制。该示例方法要求飞行器在步骤107中降低飞行器的倾斜角。该倾斜角是飞行器绕从飞行器机头延伸到机尾的纵轴旋转的量。如果飞行器倾斜角为零，从飞行器左侧延伸到右侧的飞行器的倾斜轴垂直于地表垂直方向。该倾斜角可从诸如陀螺仪等的一个或多个传感器直接检测到。在一种实施方式中，该倾斜角被减小一半，但是其他减小是可能的并且包括在本申请的范围内。

该示例方法要求飞行器在步骤109中在地表垂直方向上向下倾斜（即，通过绕倾斜轴旋转使飞行器的机头部向下）。飞行器被要求向下倾斜的程度至少根据飞行器的构造具体执行。

仍参考图1A，步骤111要求飞行器在飞行器空速处于预定窗口之外时增加空速。例如，如果飞行器的空速低于预定的最小空速，飞行器被要求增加空速。然而，如果飞行器空速大于或等于预定的最小空速，则飞行器的空速不要求改变。

接着图1A和图1B中下面的标记A，步骤113检测新的垂直速度、垂直加速度、飞行器空速以及计算新的垂直速度误差。该新的垂直速度和垂直加速度使用任何合适的方法检测，例如上述图1A中的相关步骤101中所描述的传感器。该空速同样使用任何合适的方法检测，例如空速管空气数据系统等。

在步骤115中，至少基于飞行器的新的垂直速度、新计算的垂直速度误差、垂直加速度以及空速做出飞行器是否处于临近失速状态或失速状态的决定。一种完成步骤115的特定方法在图3中被描绘并在本文被描述。

如果该飞行器保持临近失速状态或失速状态，该方法启动计时器并在步骤117中确定该计时器是否溢出。如果该计时器没有溢出，则再次执行步骤113、115和117，直到该飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态（步骤115）或者该计时器溢出（步骤117）为止。当该飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态（步骤115）或者该计时器溢出时，该飞行器的控制在步骤119中返回到操作员并且该方法返回步骤101（接着图1B的标记B至图1A）。

然而，如果该飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态（步骤115），该飞行器的控制在步骤119中返回到操作员并且该方法返回步骤101（接着图1B的标记B至图1A）。

图2描绘了用于完成图1A中步骤103的方法的示例实施方式。根据该示例方法，步骤201计算垂直速度误差，该垂直速度误差是该飞行器的实际垂直速度减去所要求的垂直速度。在步骤203中，比较该垂直速度误差与垂直速度误差的阈值。如果该垂直速度误差没有超过该阈值，例如，该垂直速度在可接受窗口内，该飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态，并且再次执行步骤101（图1A）（接着图2中的标记B至图1A）。

然而，如果该垂直速度误差超过该垂直速度误差阈值（步骤203），则在步骤205中核对该垂直速度误差以确定其极性。如果该垂直速度误差的极性不是处于表示失速状态或临近失速状态的方向上，则再次执行步骤101（图1A）（接着图2中的标记B至图1A）。然而，如果该垂直误差的极性处于表示失速状态或临近失速状态的方向上，则再次执行步骤105（图1A）。

图3描绘了一种用于完成图1B的步骤115的方法的示例性实施方式。在该示例方法中，步骤301确定新的垂直速度误差是否在垂直速度误差阈值范围内。在一种实施方式中，步骤301通过实施相当于图2中步骤201和203的步骤确定。如果在步骤301中发现该新的垂直速度误差在垂直速度误差阈值范围内，步骤303确定垂直加速度是否在垂直加速度阈值范围内。如果垂直加速度在垂直加速度阈值范围内，步骤305确定实际飞行器空速是否超出空速阈值。如果实际空速超出空速阈值，则确定飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态并且在步骤119中控制返回操作员（图1B）。

然而，如果在步骤301中确定垂直速度在垂直速度阈值之外，或在步骤303中确定垂直加速度在垂直加速度阈值之外，或者在步骤305中确定实际飞行器空速在空速阈值之下，执行步骤117（参见图1B，接着标记C）以确定计时器是否溢出。

图4提供计算机执行的失速阻止/恢复系统401的第一示例实施方式的概略描述，该系统可操作地控制飞行器407的表面403和/或一个或多个引擎405以阻止飞行器407处于失速状态或使飞行器407从失速状态恢复。在一种实施方式中，飞行控制计算机409在正常飞行状态下基于诸如飞行员的操作员的输入控制表面403和引擎405。处于公开的目的，术语“正常飞行状态”表示飞行器407既不处于临近失速状态也不处于失速状态的飞行状态。在执行中，飞行器407为无人驾驶飞行器、遥控飞行器等时，操作员通过飞行操作系统411向飞行控制计算机409提供输入。

在示例实施方式中，失速防止/恢复系统401一体式设置于飞行控制计算机409中。然而，本申请设想的实施方式中失速阻止/恢复系统401从飞行控制计算机409中分离，但在飞行器407上且与飞行控制计算机409通信。在各种执行中，失速阻止/恢复系统401执行图1A和1B的方法，包括图2中所示步骤103的实施方式和图3中所示步骤115的实施方式。换言之，失速阻止/恢复系统401包括一个或多个计算机系统，每个包括一个或多个处理单元和一个或多个存储单元。该一个或多个计算机系统可共同操作地如上所述地执行图1A和图1B的方法。在失速阻止/恢复系统401中，图1A和1B的方法在各种执行中包括图2中所示步骤103的实施方式和/或图3中所示步骤115的实施方式，该方法以包含在计算机可读的介质内的软件的形式呈现，当执行时，可操作地阻止飞行器407的失速状态和/或从飞行器407的失速状态恢复。

在图1A和1B的方法的执行中，失速阻止/恢复系统401使用来自垂直速度传感器413、垂直加速度传感器415和空速传感器417的可感知的状态数据，该方法在各种执行中包括图2中所示步骤103的实施方式和图3中所示步骤115的实施方式。另外，失速阻止/恢复系统401通过飞行控制计算机409发出命令来在控制表面403中影响目标变化和/或影响引擎405的可操作变化。

图5提供计算机执行的失速阻止/恢复系统501的第二示例实施方式的概略描述，该系统可操作地控制飞行器407的表面403和/或多个引擎405以阻止飞行器407处于失速状态或从使飞行器407从失速状态恢复。在图5所示的实施方式中，失速阻止/恢复系统501一体式设置于飞行操作系统503内。然而，本申请设想的实施方式中失速阻止/恢复系统501一体式设置于不同于飞行操作系统503的系统内，与飞行操作系统503进行通信，但不在飞行器407上（例如，作为飞行控制计算机505的一部分）。图5所示实施方式的其他方面与图4所示实施方式以及上述描述相对应。

本申请的系统和方法具有显著优势，包括：（1）提供一种方法，其自动检测失速状态，并随后避免失速状态和/或从失速状态恢复，而不是仅仅提醒处于失速状态；（2）提供一种不是通过限制飞行器可用包线来避免失速状态的方法；（3）提供一种在失速恢复操作中消除人为误差的方法；以及（4）提供一种在无人驾驶飞行器或遥控飞行器中检测失速状态、避免失速状态和/或从失速状态恢复的方法。

上文中公开的具体实施方式仅仅是示例性的，本申请可被修改并以不一样但等同的方式实施，这对受益于本文教导的本领域内技术人员来说是显而易见的。进一步地，除了权利要求所描述的，对本文中结构或设计的详细内容没有限制。显然上文中公开的特定实施方式可被改变或修改，并且所有的这些变化被认为落入本发明的范围和精神内。因此，本文所寻求的保护范围如权利要求所列出的那样。显然，已经描述和示出了一种具有显著优势的系统和方法。尽管本申请的系统和方法以有限数目的方式示出，但本申请并不限于这些实施方式，在不脱离其精神的情况下，容易做出各种改变和修改。

Claims (15)

1.一种用于操作飞行器以阻止失速状态/从失速状态恢复的方法，包括如下步骤：

检测该飞行器的实际垂直速度；

计算该飞行器的垂直速度误差，该垂直速度误差基于该飞行器的实际垂直速度和该飞行器所要求的垂直速度之间的比较；

基于所检测的垂直速度误差和该垂直速度误差的极性，来确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种；以及

如果该飞行器处于临近失速状态和失速状态中的一种：

从该飞行器的操作员中接管控制该飞行器；

降低该飞行器的倾斜角；

使该飞行器向下倾斜；以及

如果该飞行器的空速处于空速窗口之外，增加该飞行器的空速；以及

如果该飞行器既不处于临近失速状态也不处于失速状态，则将该飞行器的控制返回给该飞行器的操作员。

2.如权利要求1所述的方法，其中，确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种的步骤这样完成：

确定该垂直速度误差是否超出垂直速度误差阈值，以及该垂直速度误差的极性是否处于表示失速状态或临近失速状态的方向上。

3.如权利要求1所述的方法，其中，计算该飞行器垂直速度误差的步骤通过从所要求的垂直速度减去实际的垂直速度完成。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

检测该飞行器的新的垂直速度；

计算新的垂直速度误差；

检测该飞行器的垂直加速度；

检测该飞行器的空速；

至少基于计算得到的该飞行器的新的垂直速度误差和该飞行器的新的垂直速度误差的极性，来确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种；

如果该飞行器处于临近失速状态和失速状态中的一种，则确定计时器是否溢出。

5.如权利要求4所述的方法，其中，至少基于计算得到的该飞行器的新的垂直速度误差和该飞行器的新的垂直速度误差的极性，来确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种的步骤这样完成：

确定该新的垂直速度误差是否在垂直速度误差阈值范围内；

确定该垂直加速度是否在垂直加速度阈值范围内；以及

确定实际空速是否超出空速阈值。

6.如权利要求5所述的方法，其中，确定该新的垂直速度误差是否在垂直速度误差阈值范围内的步骤这样完成：

通过从所要求的垂直速度减去该新的实际垂直速度来计算该新的垂直速度误差；以及

比较该新的垂直速度误差与该垂直速度误差阈值的大小。

7.一种用于控制飞行器以阻止失速状态/从失速状态恢复的系统，该系统包括一个或多个组件可共同操作地：

检测该飞行器的实际垂直速度；

计算该飞行器的垂直速度误差，该垂直速度误差基于该飞行器的实际垂直速度和该飞行器所要求的垂直速度之间的比较；

至少基于所检测的垂直速度误差和该垂直速度误差的极性，来确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种；以及

如果该飞行器处于临近失速状态和失速状态中的一种：

从该飞行器的操作员中接管控制该飞行器；

降低该飞行器的倾斜角；

使该飞行器向下倾斜；以及

如果该飞行器的空速处于空速窗口之外，增加该飞行器的空速；以及

如果该飞行器不是处于临近失速状态和失速状态中的一种，则将该飞行器的控制返回给该飞行器的操作员。

8.如权利要求7所述的系统，其中，该组件可共同操作地：

确定该垂直速度误差是否超出垂直速度误差阈值，以及该垂直速度误差的极性是否处于表示失速状态或临近失速状态的方向上。

9.如权利要求7所述的系统，其中，组件可共同操作地通过从所要求的垂直速度减去实际的垂直速度来计算该飞行器的垂直速度误差。

10.如权利要求7所述的系统，其中，该组件可共同操作地：

检测该飞行器的新的垂直速度；

计算新的垂直速度误差；

检测该飞行器的垂直加速度；

检测该飞行器的空速；

至少基于计算得到的该飞行器的新的垂直速度误差和该飞行器的新的垂直速度误差的极性，来确定该飞行器是否处于临近失速状态和失速状态中的一种；

如果该飞行器处于临近失速状态和失速状态中的一种，则确定计时器是否溢出。

11.如权利要求10所述的系统，其中，该组件可共同操作地：

确定新的垂直速度误差是否在垂直速度误差阈值范围内；

确定该垂直加速度是否在垂直加速度阈值范围内；以及

确定实际空速是否超出空速阈值。

12.如权利要求11所述的系统，其中，该组件是共同可操作地以通过从所要求的垂直速度减去该新的实际垂直速度来产生该新的垂直速度误差，以及比较该新的垂直速度误差与该垂直速度误差阈值的大小，从而确定该新的垂直速度误差是否在该垂直速度误差阈值范围内。

13.如权利要求7所述的系统，其中，该系统一体式设置在飞行控制计算机内。

14.如权利要求7所述的系统，其中，该系统位于该飞行器上。

15.如权利要求7所述的系统，其中，该系统一体式设置在可操作地控制遥控飞行器的飞行操作系统内。