CN102830707A

CN102830707A - 航行器起降俯仰姿态控制系统

Info

Publication number: CN102830707A
Application number: CN2012103619673A
Authority: CN
Inventors: 顾世敏
Original assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Current assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明公开了一种航行器起降俯仰姿态控制系统，包含计算机处理平台、加速度传感器、高度传感器、速度传感器、显示装置和告警装置，所述计算机处理平台接收来自加速度传感器、高度传感器、速度传感器所采集的航行器垂直方向上的运动参数信息，并向计算机处理平台输入相关水文信息，例如浪高和波长信息，在所述计算机处理平台上加载一个用于侦测“海豚跳”的应用程序软件，将软件计算的结果输出到显示装置和告警装置。本发明系统减少了飞行人员操作误差的影响，降低对飞行人员的判断能力、实际经验和操作技能的要求，减少航行器进入“海豚跳”的可能性，提高航行器在复杂气象和陌生水文环境的运行能力。

Description

航行器起降俯仰姿态控制系统

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种航行器在起降阶段的俯仰姿态控制系统。

背景技术

水上起降的水上飞机以及其他航行器如地效飞行器和水翼船等（以下简称为“航行器”），都是利用了流体力学中的伯努利效应，即利用航行器的一部分机体（如机翼、水翼或者浮子）沉浸在流体中的特定剖面，流体经过该剖面时产生上下部位的流速差，这个流速差产生压差，这个压差形成支撑航行器离开地面（水面），实现腾空和悬浮的动力。这种由流速差生成的动力的命名取决于流体的媒介形式，如果流体的媒介是空气，称之为空气动力；如果流体的媒介是水，称之为水动力。

与其他专用于水中或者空气中航行的飞机或船舶不同，本专利所述的航行器的共同运行特征是：其运行过程具备水面航行与空中航行之间的转换过程，包括水翼船也是借助产生水动力的水翼，将船身主体抬升到水面之上，以达到减少水阻、快速航行的目的。

与本发明专利相关的运行特征：航行器在水面起飞时，在静止和低速航行阶段，完全由航行器的船体或浮子的浮力支撑航行器漂浮在水面上。航行器速度增加时，船体或浮子上的水动力效应增加，逐步过渡到由浮力和水动力共同支撑航行器；随着速度的进一步增加，从完全由浮力支撑转变为主要由水动力以及机翼生成的空气动力支撑航行器，船体开始减少吃水深度，部分脱离水面。此时，如果保持这个状态，航行器可以贴水而高速地航行；如果航行器速度继续增加，航行器获得足够升力，完全脱离水面，在空中航行。着水过程与之相反，即航行器从完全由空气动力支撑逐渐转变为完全由浮力支撑。

影响航行器起降阶段安全运行的关键点在于航行器重量为浮力和水动力共同支撑的这个特定阶段。因为，水阻变化是速度变化的平方值。在起飞阶段，不适当地加大速度导致水阻急剧倍增，航行器被倍增的水阻效应拖入水中，无法腾空，导致起飞失败。在着水阶段，如果接水速度过大，水阻突增，导致航行器栽入水中。

为减少水阻突变的危害，像鱼类下腹部一样，航行器的船体下部通常设计成断阶结构，其原理是，航行器处于浮力和水动力共同支撑的特定阶段时，随着速度的进一步增加，航行器前部抬升，后部下沉，断阶后部突然缩起的船体结构有效减少船体此时入水的面积，由此，减少水阻过大而产生严重拖拽的影响。

降落着水时，与之相反，航行器首先用断阶部位触水，逐步减低速度，过渡到完全由浮力支撑航行器。

相对应地，在这个特定阶段实现高速航行、又不至于水阻突增的速度，称之为断阶速度V_s，它是航行器水上起降成功与否的一个关键控制指标。

V_s不仅仅用于航行器起降阶段的控制操作，也是航行器水面航行的一个常态操纵指标。在这个时刻，水阻很小，且航速很高，航行器可以借此实现水面上的高速滑行，提升了出入水面起降区域和完成任务的时间效率。

断阶设计和V_s操控技术是世界各国在航行器设计中应用了近百年的工程实践方法，目前还没有研发出其他可实用的工程技术方法来有效克服水阻突变的影响。

因为航行器没有陆地飞机那种用以支撑飞机重量和平衡的起落架装置，只能依赖流体的浮力效果来保障航行器在水面运行期间的自身平衡。因此，V_s成为一种严格的控制操作要求，即需要严格地保持航行器处于一个合理的纵向姿态，过高或过低的纵向姿态都会使航行器在起降关键时刻失去必须的纵向稳定性。

航行器失去纵向稳定性后，会出现一种纵向振荡现象，航行器因此进入严重的纵向摇摆状态，无法继续正常的水面起降进程，即此时航行器犹如海豚般在水面上跳跃，称之为“海豚跳”。

航行器发生这种纵向摇摆的机理为：当航行器在水面上的航行具有一定速度时，航行器头部向水面传递较大的排水能量；被排挤的水来不及退散，堆积而成波浪。这个水浪对航行器头部产生反作用力，导致航行器抬头。航行器头部越过浪峰后，水的反作用力突然减少，使航行器加速前倾并下跌，即向下摆动。因为这种向下摆动，又造成航行器头部吃水深度突增。航行器头部因此再次被水的反作用力抬升，直至再次腾起，即向上摆动。如此往复，导致航行器如海豚般在水面上跳跃。

发生“海豚跳”时，如果航行器纵向姿态过高，当航行器跳起时，造成迎角过高，航行器过早腾空，进入失速状态，坠回水中；如果航行器纵向姿态过低，航行器跌落时吃水过深，水的反作用力更大，加剧了下一次跳跃的力度，甚至翻覆。

因此，一旦航行器进入“海豚跳”，飞行人员必须采取行动；如果这种现象持续下去，直接影响航空器的结构完好性、飞行人员和乘员的人身安全。

航行器的最大和最小安全迎角由航行器设计者设定。美国联邦航空管理局的FAA-H-8083-23《水上飞机、滑撬飞机、浮子/滑撬直升机运行手册》中指出（以下简称FAA-H-8083-23）：航行器纵向姿态超过这些限制值的1-2度左右，就不可避免地进入激烈的纵向摇摆状态，即遭遇“海豚跳”。

“海豚跳”问题是水面起降运行中所特有的物理效应，要求飞行人员小心保持航行器的纵向姿态，精密控制迎角变化，不同于常规飞机从陆地硬道面起降对纵向姿态的控制要求。现有常规飞机仪表系统中缺乏现成的解决方案，无法利用现有飞机仪表系统有效应对“海豚跳“问题，必须针对性研发新的技术方案。

其次，“海豚跳”的发生机理说明，问题的核心在于航行器纵向姿态与水面之间的相对关系，但是这种相对关系不是一个简单的常量，它受到航行器自身条件影响，包括航行器总重、襟翼操作以及航行器重心变化等因素。FAA-H-8083-23指出，即便最有经验的飞行人员，仅仅凭借个人经验，恪守设计规定的俯仰姿态限制值，仍然无法完全避免“海豚跳”情况的出现。这就要求有一种能够及时识别“海豚跳”实际情况的技术手段。

第三，从“海豚跳”的发生机理得知，“海豚跳”发生与否与航行器的吃水情况直接相关，吃水深度不仅取决于航行器自身的纵向姿态，还取决于水面的平整度，包括水流、水速、浪和涌的状况。又因各地水文条件差异，加之复杂天气条件下水面情况多变，肉眼观测水面难以量化评估，尤其是从空中返回水面的着水前准备，肉眼难以从空中精确判断水面情况。

综上所述，在现实世界中，即便富有经验的飞行人员也很难仅仅凭借个人技能，恪守固定的航行器设计的纵向姿态限制值，就能避免发生“海豚跳”。

既然无法稳定地保障航行安全，就极大地限制了航行器的实际应用。必须有一种可靠的技术解决手段，方便飞行人员精确地判断航行器是否处于“海豚跳”的临界状态，以及判断航行器纵向稳定度的变化趋势，及时采取应对措施。

发明内容

针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种航行器起降俯仰姿态控制系统，该系统利用海洋学已取得的“海豚跳”发生机理的科学研究成果，及时精确地判断航行器是否处于发生“海豚跳”的状态，改进航行器在水面运行期间的飞行安全。

实现本发明发明目的的技术方案如下：

航行器起降俯仰姿态控制系统，包含计算机处理平台、加速度传感器、高度传感器、速度传感器、显示装置和告警装置，所述计算机处理平台接收来自加速度传感器、高度传感器、速度传感器所采集的航行器垂直方向上的运动参数信息，并向计算机处理平台输入相关水文信息，例如浪高和波长信息，在所述计算机处理平台上加载一个基于“海豚跳”发生机理的科学研究成果来侦测“海豚跳”的应用程序软件，将软件计算的结果输出到显示装置和告警装置。

所述计算机处理平台与航行器的飞行控制系统和发动机控制系统相交联，计算机处理平台根据侦测结果对飞行控制系统和发动机控制系统给出相应操纵指令，自动操纵航行器，实现自动保护功能。

在所述程序软件的算法中，根据具体航行器的技术特征，预设一套航行器垂直方向运动参数的门限值；通过与加速度传感器、高度传感器和速度传感器等采集到的航行器实际运动数据比较，得到是否发生“海豚跳”的判据，以及航行器垂直方向上的运动趋势判据，提供显示、告警和控制飞行姿态。

实践中，为了便于飞行人员准备和操作，计算机处理平台的显示和告警可分成“注意”和“告警”两个级别。

“注意”级别的信息属于告诫性质，表达了航行器处于“海豚跳”的初始状态，提醒飞行人员注意，但无需立即采取纠正行动，正常操作飞行即可，以避免短暂的、轻微的“海豚跳”对正常飞行的干扰；“告警”级别的信息属于警告性质，明确地表征出航行器的垂直运动参数变化呈现放大趋势，航行器开始失去纵向稳定性，需要飞行人员将精力集中到防备进入“海豚跳”的危险上来，需要飞行人员立即采取纠正行动。

通过本发明系统，减少飞行人员操作误差的影响，降低对飞行人员的判断能力、实际经验和操作技能的要求，减少航行器进入“海豚跳”的可能性，提高航行器在复杂气象和陌生水文环境的运行能力。

附图说明

图1为本发明航行器起降俯仰姿态控制系统的结构框图；

图2为本发明控制系统与飞行控制系统和发动机控制系统相交联的结构框图；

图3为本发明应用程序软件的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图1-图3，进一步说明本发明是如何实现的

实施例

如图1所示，计算机处理平台接收来自加速度传感器、高度传感器、速度传感器的所采集的航行器垂直方向上的运动参数信息，也可由其他系统或者飞行人员人工向计算机处理平台输入相关水文信息，例如浪高和波长信息，进一步精确评估发生“海豚跳”的可能性。计算机处理平台的输出对象是航行器的显示装置和告警装置。

该技术方案处理“海豚跳”的技术方法是，在计算机处理平台上加载一个基于“海豚跳”发生机理的科学研究成果侦测“海豚跳”的应用程序软件。在这个软件的算法中，通过根据具体航行器的技术特征，预设一套航行器垂直方向运动参数的门限值；通过与加速度传感器、高度传感器和速度传感器等采集到的航行器实际运动数据比较，得到是否发生“海豚跳”的判据，以及航行器垂直方向上的运动趋势判据，提供显示、告警和控制飞行姿态。

如图2所示，计算机处理平台还可与航行器飞行控制系统及发动机控制系统交联，飞行控制系统可以接收来自计算机处理平台的飞行控制指令；航行器的发动机控制系统，用于接收来自计算机处理平台的发动机控制指令。

例如，由飞行人员选择“自动处理”功能后，计算机处理平台不仅持续地监控航行器的纵向姿态，而且，一旦识别出“海豚跳”的迹象，计算机处理平台的输出信息直接控制飞行控制系统和发动机控制系统，通过对姿态和动力的双重调整，自动化地完成纵向姿态和飞行速度的调整。

通过这种闭环控制，减少飞行人员操作误差的影响，降低对飞行人员的判断能力、实际经验和操作技能的要求，减少航行器进入“海豚跳”的可能性，提高航行器在复杂气象和陌生水文环境的运行能力。

在工程实践中，如果航行器已经装备了普通飞机已有的电子飞行仪表、飞行控制和飞行管理系统，以及相应的大气和惯性基准系统、无线电和气压高度表等现有电子系统，那么，实施本专利时，在硬件构成上，只需修改和补充所需信息的交联，在现有计算机处理平台上加载本发明专利所提出的、基于“海豚跳”发生机理的科学研究成果侦测“海豚跳”的应用程序，对指示和告警装置进行相应的“海豚跳”显示和告警，即可实现本发明的技术方案，不再需要添置计算机处理平台以及配套的传感器、显示器、告警装置和飞行控制系统。

如图3所示，加速度传感器接收航行器运行时垂直方向上的加速度值。当计算机处理平台的应用程序算法侦测到加速度传感器采集的加速度数据逼近设计门限值时，计算机处理平台的应用程序算法比对高度传感器所采集的高度变化值与所设计的高度变化门限值；如果高度变化值也逼近设计门限值，计算机处理平台再比对速度传感器所采集的即刻速度，判断航行器的航行速度是否接近或已处于V_s值。当实际速度值逼近或已处于设计V_s值时，计算机处理平台认为航行器已处于“海豚跳”的初始状态，通过显示装置和告警装置向飞行人员提供告诫信息。

一旦发出告诫信息，同时，计算机处理平台继续通过对同类采集的历史数据比较的算法流程，例如与前几个采样周期的数据比较，进一步识别本次实测运动参数是否具有放大的性质；如果呈现加剧趋势，计算机处理平台判定航行器正在失去纵向稳定性，随即通过显示装置和告警装置向飞行人员提出告警信息。

如果飞行人员通过飞行控制板上的功能键，选择“自动处理”功能，计算机处理平台与飞行控制系统和发动机控制系统耦合，输出这些判据和控制参数信息。例如，根据“告诫”和“告警”两级判据，计算机处理平台对飞行控制系统和发动机控制系统给出相关操纵指令，自动操纵航行器减缓“海豚跳”趋势，实现自动保护功能。

具体控制指令的计算，取决于所应用的航行器设计、发动机类型及其配置，算法流程可基于现有常规飞机的飞行控制和发动机控制流程。

Claims

1.航行器起降俯仰姿态控制系统，包含计算机处理平台、加速度传感器、高度传感器、速度传感器、显示装置和告警装置，其特征在于，所述计算机处理平台接收来自加速度传感器、高度传感器、速度传感器所采集的航行器垂直方向上的运动参数信息，并向计算机处理平台输入相关水文信息，在所述计算机处理平台上加载一个用于侦测“海豚跳”的应用程序软件，将软件计算的结果输出到显示装置和告警装置。

2.根据权利要求1所述的航行器起降俯仰姿态控制系统，其特征在于，所述计算机处理平台与航行器的飞行控制系统和发动机控制系统相交联，计算机处理平台根据侦测结果对飞行控制系统和发动机控制系统给出相应操纵指令，自动操纵航行器，实现自动保护功能。

3.根据权利要求1所述的航行器起降俯仰姿态控制系统，其特征在于，在所述程序软件的算法中，根据具体航行器的技术特征，预设一套航行器垂直方向运动参数的门限值；通过与采集到的航行器实际运动数据比较，得到是否发生“海豚跳”的判断依据。