CN105700520A - 飞行器自动驾驶仪 - Google Patents

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Abstract

本文描述了飞行器自动驾驶仪。自动驾驶仪的各种配置被用在能够仅基于平移加速度测量值而设计的无陀螺引导和控制系统中。在另一些配置中，自动驾驶仪的一个或更多个部件可以用作引导和控制系统的主要部件的备用。自动驾驶仪可以使用状态估计以确定效应器命令，从而控制飞行器。

Description

飞行器自动驾驶仪
背景技术
传统的自动驾驶仪能够使用由陀螺仪测量的角速率和来自惯性测量单元(IMU)的平移加速度两者来控制航空飞行器的飞行。炮射弹(传统的和电磁的两者)在发射时受到非常大的地心引力(“重力”)。这种重力能够损坏或损毁用来稳定晃动机身的陀螺仪。在一些例子中，用来抵抗在发射期间以及另一些可能的操作期间受到的大的重力的这些和另一些类型传感器的硬化(重力硬化)能够是困难的且昂贵的。
本文关于本文公开内容所呈现的这些和另一些考量。
发明内容
应当理解，本发明内容部分以简化的形式引入了一些概念，这些概念在下面的具体实施方式中进一步被描述。本发明内容部分不意在用于限制所要求保护主题的范围。
根据本文公开的一个实施例，公开了一种用于控制飞行器的计算机执行的方法。在一些实施方式中，该方法包括：接收引导命令，接收移动测量值，并生成多个状态估计值。该方法还包括：利用引导命令和多个状态估计值来输出控制表面命令。该方法也包括：根据控制表面命令确定效应器命令，以及输出效应器命令到至少一个控制效应器，从而根据效应器命令来控制飞行器。
根据本文公开的另一个实施例，公开了一种用于飞行器的引导和控制系统。在一些实施方式中，引导和控制系统包括：引导系统，其可操作以生成引导命令；移动测量设备，其可操作以测量飞行器的移动以生成移动测量值；以及自动驾驶仪模块，其可操作以接收引导命令。自动驾驶仪模块还可操作以生成多个状态估计值以及利用引导命令、移动测量值和多个状态估计值来输出控制表面命令。引导和控制系统可以进一步包括：控制逻辑模块，其可操作以接收控制表面命令，并且生成效应器命令作为响应；和控制效应器，其可操作以接收效应器命令，从而根据效应器命令来控制飞行器。
根据本文公开的又另一个实施例，公开了一种用于飞行器的控制模块。根据一些实施方式，控制模块可以包括自动驾驶仪模块和控制逻辑模块。自动驾驶仪模块可以被配置成接收来自引导系统的引导命令和移动测量设备的输出。自动驾驶仪模块可操作以增加引导命令的增益成增益的引导命令。自动驾驶仪模块可以包括误差模块、状态估计器和增益模块。
误差模块可操作以接收引导命令和移动测量装置的输出作为输入，并进一步可操作以输出误差。状态估计器可操作以接收增益的引导命令和误差之间的差值，并计算一个或更多个状态估计值。增益模块可操作以接收一个或更多个状态估计值，从而计算控制表面命令。控制逻辑模块可操作以接收控制表面命令并输出效应器命令。
已经讨论的特征、功能和优点能够独立地实现在本公开的各种实施例中，或在另一些实施例中被组合，实施例的进一步细节能够参照如下描述和附图了解到。
附图说明
根据具体实施方式和附图，本文所呈现的实施例将被更全面地理解，其中：
图1根据本文公开的至少一个实施例的利用引导和控制系统的状态估计值的飞行器的框图。
图2是根据本文公开的至少一个实施例的垂直控制模块的图示说明。
图3是根据本文公开的至少一个实施例的横向/倾斜角控制模块的图示说明。
图4是根据本文公开的至少一个实施例的可替代的横向/倾斜角控制模块的图示说明。
图5是根据本文公开的至少一个实施例的引导和控制系统的图示说明。
图6是根据本文公开的至少一个实施例的用于控制飞行器的一种程序配置。
图7是根据本文公开的至少一个实施例的用于修改引导命令的一种程序配置。
图8图示说明了根据本文公开的至少一个实施例的在其中使用状态估计器可以实施引导和控制系统的计算机。
本申请中呈现的多幅附图示出了本公开的实施例的变化和不同方面。因此，对每个图示说明的详细描述将描述在相应图示说明中确定的差异。
具体实施方式
下述详细的描述针对在抛射弹、制导武器、导弹或飞机(本文在此被称为飞行器)中的自动驾驶仪系统的技术。所述飞行器可以是，但不限于，超高速抛射弹、迫击炮、炮弹、侧滑转弯武器、倾斜转弯武器或任何通过媒介制导的物体，具体在高速条件下。本公开不限于任何具体类型的飞行器。相反，本文描述的技术可以在任何飞行器(包括那些经受可能损坏传统陀螺仪的大的重力的飞行器)中受益。在一些实施方式中，本文描述的技术可以用作当陀螺仪测量失败且只有平移加速度可用于控制计算时维持稳定飞行的备份系统。
根据一种配置，飞行器的引导和控制系统使用状态估计器确定飞行器的状态的估计值。引导和控制系统的控制模块使用状态估计值执行从引导和控制系统的引导模块接收到的引导命令。引导和控制系统可以使用移动测量设备测量加速度。移动测量设备可以包括，但不限于，垂直加速度、横向加速度、倾斜角或推力。在飞行器不包括机载推力部件(如子弹壳或炮弹壳)的一些配置中，该配置可以不包括推力测量设备。
基于测量的加速度，飞行器的状态可以被估计。这些估计值可以被用作在执行来自引导模块的引导命令或在执行来自引导模块的后续引导命令期间的输入。如本文所使用的，“状态”是飞行器的运行特性，包括，但不限于，位置、方向、方向的变化、速率动力学和控制效应器状态。
控制模块可以包括自动驾驶仪模块和控制逻辑模块。根据下面详细描述的多个实施例，自动驾驶仪模块可以接收来自引导模块的引导命令。虽然不限于任何特定引导命令，但在一些例子中，引导命令可以与目标位置、飞行轨迹、飞行线路或飞行器导航的航路点相关联。
自动驾驶仪模块利用飞行器的状态估计值计算用于根据引导命令控制飞行器的控制表面命令。控制表面命令可以是用于升降舵、副翼、方向舵或另一些传统控制表面操作的命令。自动驾驶仪模块发出控制命令，从而控制逻辑模块。
控制表面命令确定控制命令有待被发出到的合适的控制表面。在一些配置中，使用一个或更多个控制效应器可以控制飞行器。控制效应器可以采用传统控制表面(如升降舵、副翼或方向舵)的方式。在一些配置中，控制效应器可以包括上述传统控制表面或可替代上述传统控制表面而被使用。在这些实施方式中，控制效应器可以是飞行器的可移动表面，其无论单独或与其他控制效应器结合均改变飞行器的航空动力学。航空动力学的改变能够操控飞行器。控制效应器可以用在飞行器不被设计或不打算像传统的飞机那样围绕中心轴线来维持旋转取向的某些情况中。控制效应器由一个或更多个致动器操纵。
当无论单独或与其他控制效应器使用控制效应器时，该控制效应器能够模仿传统的升降舵、副翼和/或方向舵控制表面的航空动力学效果。控制表面命令(其可以包括升降舵、副翼、方向舵或其他传统控制表面的输出)可以被转译成用来修改飞行器的一个或更多个控制效应器的效应器命令，以便以某种方式修改飞行器的当前状态，该方式将实现从引导模块接收到的期望的航行目标。
参考形成其一部分的附图，并且通过图示说明、具体实施例或示例的方式示出该附图。在若干附图中，相同的数字标号表示相同的元件。
现转向图1，图1是利用引导和控制(G&C)系统102的状态估计值的飞行器100的局部图，该系统可以根据本文公开的至少一个实施例而被使用。G&C系统102可以被用来控制稳定或不稳定飞机或抛射弹(如飞行器100)的飞行。G&C系统102可以被配置成提供一个或更多个输出以引起飞行器100的一个或更多个飞行路径轨迹变化。
G&C系统102包括引导模块104。引导模块104可以被配置成发出引导命令106。在一个实施方式中，引导命令106可以是存储在飞行器100的机载存储设备中的预编程的指令。预编程的指令可以被配置成根据指定航线或指定目的地或航路点来指导G&C系统102，从而引导飞行器100。
在另一个实施方式中，引导模块104可以在飞行器100在飞行时接收来自传输源的指令。传输源可以包括，但不限于，地面站、飞机、卫星或宇宙飞船。引导模块104可以基于从传输源接收到的指令输出引导命令106。在另一些配置中，可以使用存储的、预编程的指令和通过来自传输源的传输接收到的指令的组合。
引导模块104发出引导命令106到控制模块108。控制模块108接收引导命令106并确定效应器命令110。效应器命令110是发送到控制效应器112(或不止一个控制效应器112)的命令。如上所述，控制效应器112可以采取传统控制表面(如升降舵、副翼或方向舵)的形式，或可以是能够通过改变飞行器100的航空动力学特性用于控制飞行器100的一个或更多个飞行器100的表面。
在某些情况下，为了确定效应器命令110(或引导命令106)，可能需要确定飞行器100的状态。如上所述，状态是飞行器的运行特性，包括，但不限于，位置、方向、方向的变化、速率动力学和控制效应器状态。因此，控制模块108可以使用状态估计器114。状态估计器114接收各种输入来估计与飞行器100相关联的一个或更多个状态。然后控制模块108可以使用估计的状态，从而确定效应器命令110。
在某些实施方式中，可能需要状态估计值，因为设计用来测量飞行器100的实际状态的装备可能不可行或可能不可用。惯用的状态测量设备是陀螺仪。陀螺仪可以用来测量飞行器围绕各个轴线的角速率和取向角(状态)。然而，在某些情况下，使用如陀螺仪的状态测量设备可能是不可行的。
一些传统陀螺仪容易在高重力情况下(如发射高速抛射弹)出错或毁坏。在某些这种情况下，即使在发射(或另一些高重力机动飞行)期间，尝试硬化抵抗受到的加速度力的陀螺仪，也可能存在使陀螺仪失败或输出错误的测量值的倾向。在另一些情况下，即使在低重力机动飞行中，陀螺仪也可能失败或以其他方式变得不实用。在这些以及另一些情况下，状态估计值由状态估计器114提供，而不是测量飞行器100的实际状态。
为了确定状态估计值，状态估计器114可以接收来自移动测量设备116的输入。虽然不限于任何具有的移动，但移动测量设备116可以是被设计在某一方向或某一倾角上测量加速度的仪器。典型的加速度可以包括，但不限于，线性加速度(产生的推力)、横向加速度或垂直加速度。倾斜角(飞行器围绕其长轴线的旋转取向)可以是飞行器100相对于它的弯曲路径的平面围绕其纵向轴线而倾斜的角度。
虽然不限于有人驾驶的飞机，但出于描述的目的，以某种方式描述与有人驾驶的飞机相关联的加速度。例如，横向加速度可以被认为是由飞行器100的偏航变化所引起的加速度。在另一个示例中，垂直加速度可以被认为是由飞行器100的俯仰和攻角的变化所引起的加速度。控制模块108的一些例子被提供在如下的图2-4中。
图2是根据本文公开的至少一个实施例的垂直控制模块108A的图示说明。垂直控制模块108A可以被配置成通过接收来自(图1中的)引导模块104的垂直加速度引导命令106A控制飞行器100的垂直姿态。垂直控制模块108A包括自动驾驶仪模块218A和控制逻辑模块220A。如将在下面更详细地解释的，自动驾驶仪模块218A使用飞行器100的状态估计值来确定一个或更多个效应器命令。
自动驾驶仪模块218A包括增益模块221A、误差模块222A、状态估计器114A和增益模块224A。增益模块221A接收来自(图1的)引导模块104的垂直加速度引导命令106A。垂直加速度引导命令106A表示引导模块104要求的垂直加速度。增益模块221A增加垂直加速度引导命令106A的强度或值，以便比较垂直加速度引导命令106A和误差模块222A的输出。
误差模块222A被配置成接收垂直加速度Az。垂直加速度Az由垂直加速度测量设备116A测得。误差模块222A计算垂直加速度Az和由垂直加速度引导命令106A所表示的所期望的垂直加速度之间的误差或差值。垂直加速度引导命令106A和垂直加速度Az之间的差值被提供至积分器226A。积分器226A执行垂直加速度引导命令106A和垂直加速度Az之间的差值计算并输出积分器输出eyI。积分器输出eyI作为积分器增益模块228A的输入而被接收。
积分器增益模块228A增加积分器输出eyI的信号强度，用于从增益模块221A的输出减去，增益模块221A的输出是垂直加速度引导命令106A的增益的形式。从增益的垂直加速度引导命令106A减去积分器输出eyI修改增益的垂直加速度引导命令106A。修改的且增益的垂直加速度引导命令106A作为输入被提供至状态估计器114A。
状态估计器114A被配置成执行修改的且增益的垂直加速度引导命令106A的计算，且生成一个或更多个估计输出230A。估计输出230A是飞行器的一些状态的估计值。在图2图示说明的所述配置中，估计输出230A包括，但不限于，误差的估计值、攻角的估计值，以及俯仰率的估计值。如上所述，估计输出230A可以用在一些实施方式中，因为用来测量这些量的装备在不同的性能水平下可能不可用。
例如，俯仰率可以由一个或更多个陀螺仪测量。在一些实施方式中，陀螺仪可能不适合高重力应用。在另一些例子中，用来测量这些量的仪器在飞行期间可能变得不实用。因此，在“备份”情况下，如上所述，垂直控制模块108A的各个方面可以被用来估计这些量。
误差攻角俯仰率的估计输出230A作为增益模块224A的输入被接收。增益模块224A结合误差攻角俯仰率的估计输出230A，并提供升降舵命令232A。升降舵命令232A是控制表面命令。升降舵命令232A被用作控制逻辑模块220A的输入。升降舵命令232A可以被叫做“控制表面命令”。
如上所述，在一些配置中，飞行器100的移动可以不由传统或常见的控制表面(如升降舵)而引起。在图2图示说明的所述例子中，从自动驾驶仪模块218A接收到的升降舵命令232A将被转变为适合控制系统的效应器类型的命令。为了将从自动驾驶仪模块218A接收到的升降舵命令232A转变为垂直效应器命令110A，控制逻辑模块220A包括控制命令模块234A。
控制命令模块234A使用各种算法确定一个或更多个控制效应器112，从而根据升降舵命令232A实施机动飞行。控制命令模块234A可以计算需要的两个或更多个控制效应器，从而执行所需的机动飞行。控制命令模块234A也可以确定每个控制效应器112的变化量或变化程度。例如，控制效应器112的位置可以仅被稍微改变，然而，另一个控制效应器112的位置可被相对大地改变。控制命令模块234A输出垂直执行器命令110A到控制效应器112(或不止一个效应器112)。
理想地，控制效应器112引起飞行器100的位置、方向或另一些状态的改变。垂直加速度Az由垂直加速度测量设备116A测得。垂直加速度Az作为输入被提供至自动驾驶仪模块218A。垂直加速度引导命令106A和垂直加速度Az之间的差值最终作为误差而被提供。误差用来修改如由引导模块104发出的垂直加速度引导命令106A，从而计算新的或更新的升降舵命令232A。在一些配置中，控制器(如图3中的控制器)可以用来实施一种类型的引导命令(如图2中图示说明的垂直加速度引导命令)，或控制器可以用来实施引导命令的组合。
图3根据本文公开的至少一个实施例的横向/倾斜角控制模块108B的图示说明。横向/倾斜角控制模块108B可以被配置成控制飞行器100的横向加速度和/或倾斜角姿态。可以接收来自(图1的)引导模块104的倾斜角引导命令106B来控制倾斜角。以类似的方式，可以接收来自引导模块104的横向加速度引导命令106C来控制横向加速度。两种类型的引导命令106可以由横向/倾斜角控制模块108B接收并处理。横向/倾斜角控制模块108B包括自动驾驶仪模块218B和控制逻辑模块220B。如将在下面更详细解释的，自动驾驶仪模块218B利用飞行器100的状态估计值来确定一个或更多个效应器命令。
自动驾驶仪模块218B包括增益模块221B、误差模块222B、状态估计器114B和增益模块224B。增益模块221B接收来自引导模块104的倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C。倾斜角引导命令106B表示期望的倾斜角，而横向加速度引导命令106C是期望的横向加速度。增益模块221B增加来自引导模块104的倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C的强度或值，以便比较倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C和误差模块222B的输出。
误差模块222B被配置成接收如由倾斜角测量设备116B测得的倾斜角并计算倾斜角引导命令106B和如由倾斜角测量设备116B测得的倾斜角之间的差值(或误差)。以类似的方式，误差模块222B被配置成接收如由横向加速度测量设备116C测得的横向加速度Ay，并计算横向加速度引导命令106C(要求的横向加速度)和如由横向加速度测量设备116C测得的横向加速度Ay之间的差值(或误差)。
误差模块222B提供倾斜角引导命令106B和倾斜角之间的差值作为积分器226B的输入。误差模块222B也可以提供横向加速度引导命令106C和横向加速度Ay之间的差值作为积分器226B的输入。
积分器226B计算积分器输出eyI。积分器输出eyI作为积分器增益模块228B的输入而被接收。积分器增益模块228B增加积分器输出eyI的信号或强度，用于从倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C减去，倾斜角引导命令106B在增益模块221B处被增益，横向加速度引导命令106C也可以在增益模块221B处被增益。比较的输出在状态估计器114B处被接收。
状态估计器114B被配置成执行积分器增益模块228B的输出计算，并生成一个或更多个估计输出230B。在图3图示说明的所述配置中，估计输出230B包括，但不限于，倾斜跟踪误差的估计值、积分后的横向加速度的估计值、偏航率的估计值、侧滑角B的估计值、滚转率ρs的估计值以及倾斜角的估计值。估计输出230B是飞行器一些状态的估计值。
倾斜跟踪误差积分后的横向加速度偏航率侧滑角B、滚转率ρs以及倾斜角的估计输出230B作为增益模块224B的输入而被接收。增益模块224B组合估计值并提供副翼命令232B和/或方向舵命令232C。副翼命令232B和/或方向舵命令232C可以被称为“控制表面命令”。
副翼命令232B和/或方向舵命令232C用作控制逻辑模块220B的输入。控制逻辑模块220B接收副翼命令232B和/或方向舵命令232C并输出倾斜角效应器命令110B和/或横向效应器命令110C。控制命令模块234B使用各种算法来确定一个或更多个控制效应器112，从而根据副翼命令232B和/或方向舵命令232C实施机动飞行。控制命令模块234B可以计算需要的两个或更多个控制效应器以执行期望的机动飞行。控制命令模块234B也可以确定每个控制效应器112的变化量或变化程度。例如，一个效应器112的位置仅稍微被改变，而另一个效应器112的位置可以被相对大地改变。控制命令模块234B输出副翼命令232B和/或方向舵命令232C到控制效应器112(或不止一个效应器112)。
理想地，控制效应器112引起飞行器100的位置、方向或另一些状态的改变。倾斜角由倾斜角测量设备116B测得。横向加速度Ay由横向加速度测量设备116C测得。倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C与倾斜角或横向加速度Ay之间的差值最终作为误差而被提供。误差可以被用来修改如由引导模块104发出的倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C，来生成新的或更新的倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C。
图4是根据本文公开的至少一个实施例的可替代的横向/倾斜角控制模块108C的图示说明。横向/倾斜角控制模块108C使用横滚时间常数作为附加输入。横滚时间常数是飞行器在副翼输入步骤之后获得最终横滚速度所需的时间。横滚时间常数可以用来减轻或修正飞行器的各种性能问题。例如，飞行器100可能受到轻微的阻尼横滚震荡，有时被理解并描述成“横滚棘轮效应”。这种震荡在相对更高性能类型的飞行器中可能变得更普遍。
现代战斗机和高速抛射弹开始时可以经受阻尼振荡，并且在接下来恢复相对大的主要横滚控制命令。大的滚转率命令可以要求高梯度增益和高横滚加速度从而以期望的方式实现横滚并从横滚中恢复。可以遵从的周期运动可以由驾驶员或飞行器耦接的相互作用而被维持。这种阻尼振荡的效果可以运用多种技术来减轻。图4是使用可以用来实现各种益处的横滚时间常数的例子。
在图4中，横向/倾斜角控制模块108C接收来自引导模块104的倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C。倾斜角引导命令106B表示引导模块104要求的倾斜角。横向加速度引导命令106C表示引导模块104要求的横向加速度。
倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C被输入到横向/倾斜角控制模块108C。从倾斜角引导命令106B中减去倾斜角。减去的结果作为横滚时间常数积分器630的输入而被接收。横滚时间常数积分器630将减去结果转换成滚转率命令Pcmd。在一个示例中，转换过程根据下面的方程而被执行：
其中，Pcmd是滚转率命令，是倾斜角引导命令106B，是横滚时间常数，Ps是倾斜角测量值，s是积分值。横滚时间常数的值可以被调节以减少问题或实现某些性能增益。倾斜角测量值Ps可以是倾斜角测量设备116B的输出。倾斜角测量值Ps在积分器632处的积分提供倾斜角从倾斜角引导命令106B中减去，作为横滚时间常数积分器630的输入。
一旦横贯速率命令Pcmd被计算，过程可以以类似如上图3的方式继续。滚转率命令Pcmd和/或横向加速度引导命令106C在自动驾驶仪模块218B处被接收。自动驾驶仪模块218B使用(如图3中所述的)状态估计器114B来生成副翼命令232B和/或方向舵命令232C。副翼命令232B和/或方向舵命令232C是控制逻辑模块220B的输入。控制逻辑模块220B接收副翼命令232B和/或方向舵命令232C，并输出倾斜角效应器命令110B和/或横向效应器命令110C到控制效应器112，根据副翼命令232B和/或方向舵命令232C实施机动飞行。
图5是根据本文公开的至少一个实施例的G&C系统500的图示说明。引导模块104可以输出一个或更多个引导命令。在图5中图示说明的所述配置中，引导模块104输出可以包括垂直加速度引导命令106A、倾斜角引导命令106B和/或横向加速度引导命令106C。垂直加速度引导命令106A与飞行器100的垂直姿态相关。倾斜角引导命令106B与飞行器100的倾斜角相关。横向加速度引导命令106C与飞行器100的横向姿态相关。
应当理解，目前公开的主题不限于任何具体类型的引导命令或引导命令的组合，因为一种或更多种类型的引导命令可以单独使用或与另一些类型的引导命令组合使用。进一步地，目前公开的主题不限于三种引导命令。一些实施方式中可以使用少于三种，而另一些实施方式可以使用多于三种。这些和另一些实施方式被认为在目前公开的主题的范围之内。
垂直加速度引导命令106A、横向加速度引导命令106C和/或倾斜角引导命令106B被提供至自动驾驶仪模块218。自动驾驶仪模块218接收垂直加速度引导命令106A、横向加速度引导命令106C和/或倾斜角引导命令106B，并确定升降舵命令232A、副翼命令232B和方向舵命令232C。
目前公开的主题不限于任何具体术语或命令(如升降舵命令232A、副翼命令232B或方向舵命令232C)的数目，一些实施方式可以使用不同的控制表面，而另一些限制可以使用不同数目的控制表面。自动驾驶仪模块218可与各种导航控制部件接合。自动驾驶仪模块218还可以装有IR地平仪传感器和第二备份GPS作为安全备份，用于在任何(一个或多个)惯性传感器故障的情况下俯仰/横滚增稳和位置确定。这些和另一些实施方式被认为在目前主题所公开的范围之内。
自动驾驶仪模块218包括状态估计器114和误差模块222。状态估计器114接收来自误差模块222和一个或更多个移动测量设备(诸如，但不限于，垂直加速度测量设备116A、横向加速度测量设备116C和倾斜角测量设备116B)的输入。状态估计器114使用该输入来计算升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C。
是应当理解，垂直加速度测量设备116A、横向加速度测量设备116C或倾斜角测量设备116B可以使用另一些类型的测量设备替代，或可以全部或部分地用作备份系统。G&C系统500可以用作主要导航系统的“备份”系统。例如，如果主要导航系统的横向加速度设备故障，则垂直加速度测量设备116A和G&C系统500的伴随模块可以用作主要设备的备份。G&C系统500可以接收指令以向主要导航系统提供导航能力。
升降舵命令232A、副翼命令232B和方向舵命令232C作为输入被提供到控制逻辑模块220。在一些飞行器中，升降舵命令232A、副翼命令232B和方向舵命令232C在一对一的基础上对应到飞行器100的物理控制表面(即物理升降舵、物理副翼或物理方向舵)。在另一些配置中，控制表面不是具体控制表面的直接转换。例如，一起运行的两个或更多个控制表面可以作为方向舵、副翼和/或升降舵。在这种配置中，控制逻辑模块220可以接收升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C，并确定具体命令将被作用在其上的控制表面或控制表面的组合。
在一些配置中，控制表面可以被称为效应器，因为控制表面提供预期的或期望的航空动力学效果。在图5中，控制效应器112包括升降舵效应器112A、副翼效应器112B和方向舵效应器112C。升降舵效应器112A、副翼效应器112B和方向舵效应器112C每一个可以是当单独或一起作用时提供“效果”的一个或更多个物理控制表面。在一些配置中，控制效应器112也可以包括备用效应器112D。
控制效应器112执行控制逻辑模块220生成的效应器命令110。如上所述，效应器命令110是发送到执行升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C的一个或更多个控制效应器112的命令。控制逻辑模块220接收升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C，并计算执行升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C所必需的(一个或多个)具体的效应器。控制逻辑模块220基于该计算生成一个或更多个效应器命令110。升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C可以被单独地或共同地称为“控制表面命令”。
图6根据本文公开的至少一个实施例图示说明使用状态估计器控制飞行器100的程序600的一种配置。除非另有说明，可以执行比图中示出和本文描述的更多或更少的操作。另外，除非另有说明，这些操作也可以以不同于本文公开的那些操作的顺序执行。
程序600在操作602处开始，在操作602处，接收引导命令106和移动测量值。引导命令可以是垂直加速度引导命令106A、横向加速度引导命令106C或倾斜角引导命令106B。引导命令可以从G&C系统500的引导模块104中接收。引导命令可以提供到自动驾驶仪模块218。
移动测量值可以从一个或更多个移动测量设备116中接收。移动测量设备116的一些例子包括，但不限于，垂直加速度测量设备116A、倾斜角测量设备116B或横向加速度测量设备116C。
程序600继续到操作604，在604处，生成多个估计输出230。在一种配置中，估计输出230可以通过使用自动驾驶仪模块218的状态估计器114生成。在一个例子中，可以计算引导命令和测得的移动值之间的误差。引导命令和测得的移动值之间的误差的计算可以包括对引导命令和测得的位置变化之间的差值进行积分，来生成积分器输出。积分器输出可以被提供到增益模块。在一个例子中，引导命令通过从引导命令中减去积分器输出而被修改。
引导命令可以包含垂直加速度引导命令106A。在这个配置中，多个状态估计值包括误差的估计值、攻角的估计值或俯仰率的估计值。在另一个例子中，引导命令可以包含横向加速度引导命令106C或倾斜角引导命令106B。在这个例子中，多个状态估计值可以包括倾斜跟踪误差的估计值、积分后的横向加速度的估计值、偏航率的估计值、侧滑角的估计值、滚转率的估计值和倾斜角的估计值。控制表面命令可以通过使用多个状态估计值而被确定。
程序600继续到操作606，在操作606处，输出控制表面命令232。在一个例子中，可以生成控制表面命令232作为增益模块224的输出。增益模块224可以接收估计输出230，并使用各种算法生成控制表面命令232。在一个例子中，控制表面命令232通过使用状态估计值的加权平均值而被计算。
程序600继续到操作608，在操作608处，生成至少一个效应器命令110。在一种配置中，控制表面命令232作为输出被提供到控制逻辑模块220。控制逻辑模块220生成一个或更多个效应器命令110来控制一个或更多个控制效应器112。如上所述，控制效应器112可以包括一个或更多个物理控制表面，所述物理控制表面被设计成扰乱飞行器100周围空气流动，从而改变飞行器的轨迹。
程序600继续到操作610，在操作610处，输出效应器命令110到至少一个控制效应器112来控制飞行器100。一同运行的两个或更多个效应器可以作为方向舵、副翼和/或升降舵。在一种配置中，控制逻辑模块220可以接收升降舵命令232A、副翼命令232B和/或方向舵命令232C。控制逻辑模块220可以确定具体命令将被作用在其上的效应器或效应器的组合。程序600可结束，或可重新开始以提供附加调整。
图7根据本文公开的至少一个实施例图示说明用于修改引导命令106的一种程序配置。程序700在操作702处开始，在操作702处计算引导命令106和测得的移动值之间的误差。
程序700继续到操作704，在操作704处对引导命令和测得的移动值之间的差值进行积分，来生成整数输出。该整数输出用来修改从引导模块104中接收到的引导命令106。
程序700继续到操作706，在操作706处引导命令106通过从引导命令中减去整数输出而被修改。程序700可结束，或也可重新开始，以为引导命令提供附加修改。
图8根据本文公开的至少一个实施例图示说明使用状态估计器在其中可以实施引导和控制系统的计算机。图8中图示说明的所述计算机800包括一个或更多个中央处理单元(“CPU”)802、系统存储器804和系统总线810，其中系统存储器804包括随机存取存储器(“RAM”)806和只读存储器(“ROM”)808，所述系统总线将系统存储器804连接到CPU802。含有程序的基本的输入/输出系统可以存储在ROM808中，所述程序帮助在计算机800内的各元件之间传递信息，诸如在启动期间。
CPU802可以是标准可编程处理器，该标准可编程处理器为计算机800的操作执行算法和逻辑操作，如上述程序600。CPU802可以通过操纵交换元件从一个离散的物理状态过渡到下一个离散的物理状态来执行该些操作，所述交换元件区分并改变这些状态。交换元件通常可以包括维持两个二进制状态之一的电子电路(如触发器)和基于一个或更多个其他交换元件(诸如逻辑门)的状态的逻辑组合来提供输出状态的电子电路。这些基本的交换元件可以被组合以产生更复杂的包括寄存器、加法器-减法器、算术逻辑单元、浮点单元等等的逻辑电路。
计算机800还可以包括大容量存储设备812。大容量存储设备可以是光盘、磁存设备或固态存储设备。大容量存储设备812可操作以存储一个或更多个指令，从而通过使用具有状态估计器的自动驾驶仪来控制飞行器100。在另一种配置中，RAM806、ROM808和大容量存储设备812可操作以具有无论单独还是以各种组合存储在其上的指令，用于通过使用具有状态估计器的自动驾驶仪控制飞行器100。
计算机800可以通过转换大容量存储设备812的物理状态而将程序和数据存储在大容量存储设备812上，从而反映正在被存储的信息。在本公开的不同实施方式中，物理状态的特定转换可以取决于多种因素。这些因素的例子可以包括，但不限于，用于实施大容量存储设备812的技术，无论大容量存储设备812表征为主要存储还是次要存储等等。
例如，计算机800可以通过发出通过存储控制器的指令将信息存储到大容量存储设备812，从而改变磁盘驱动设备内具体位置的磁特性、光存储设备中具体位置的反射或折射特性或固态存储设备中的具体电容、晶体管或另一些离散部件的电学特性。在没有背离本描述的范围和精神的情况下，物理介质的另一些转换是可能的，其中前面的例子仅为了便于描述而被提供。计算机800可以进一步通过检测大容量存储设备812内一个或更多个具体位置的物理状态或特性而从大容量存储设备812中读取信息。
RAM806、ROM808或大容量存储设备812可以操作为计算机可读存储介质。本公开的各方面可以被存储在另一些类型的计算机可读存储介质上，诸如，但不限于，RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存器或另一些固态存储器技术、CD-ROM、数字化通用光盘(DVD)、HD-DVD、BLU-RAY或另一些光存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或另一些磁存储设备或能够用于存储期望的信息并由计算机800存取的任意另一些介质。应当理解，当根据本公开解释权利要求时，计算机可读存储介质不包括波或信号形式的能量。
计算机800还可以包括输入/输出控制器816，用于接收和处理来自若干另一些设备(其包括键盘、鼠标或电子笔)的输入。类似地，输入/输出控制器816可以提供输出到显示屏、打印机或另一些类型的输出设备。一个或更多个实施例可以包括制造的计算机可读存储介质，使得当通过适当配置的计算设备读取指令时，指令可以被提供以执行操作，该操作与使用具有状态估计器的自动驾驶仪来控制飞行器有关。
上述主题仅通过图示说明来提供，且不应构成为限制。可以在不遵从图示说明并描述的示例实施例和应用的情况下，对本文描述的主题做出各种修改和变化，而不背离在如下权利要求书中阐明的本公开的真实精神和范围。

Claims (30)

1.一种用于控制飞行器的计算机执行的方法，所述计算机执行的方法包括：
接收引导命令；
接收移动测量值；
生成多个状态估计值；
利用所述引导命令和所述多个状态估计值输出控制表面命令；
根据所述控制表面命令确定效应器命令；以及
输出效应器命令到至少一个控制效应器，从而根据效应器命令控制所述飞行器。
2.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，还包括，计算所述引导命令和测量的移动值之间的误差。
3.根据权利要求2所述的计算机执行的方法，其中，计算所述引导命令和所述测量的移动值之间的所述误差包括，对所述引导命令和所述测量的移动值之间的差值进行积分，从而产生积分器输出。
4.根据权利要求3所述的计算机执行的方法，还包括，通过从所述引导命令中减去所述积分器输出来修改所述引导命令。
5.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，其中，所述引导命令包括垂直加速度引导命令。
6.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，其中，所述多个状态估计值包括误差的估计值、攻角的估计值或俯仰率的估计值。
7.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，其中，所述引导命令包括横向加速度引导命令或倾斜角引导命令。
8.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，其中，所述多个状态估计值包括倾斜跟踪误差的估计值、积分后的横向加速度的估计值、偏航率的估计值、侧滑角的估计值、滚转率的估计值或倾斜角的估计值。
9.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，还包括，输入所述多个状态估计值到增益模块，以生成所述控制表面命令。
10.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，其中，接收所述引导命令包括接收来自传输源的传输。
11.根据权利要求10所述的计算机执行的方法，其中，所述传输源包括地面站或飞机。
12.根据权利要求1所述的计算机执行的方法，其中，接收所述引导命令包括接收所述飞行器的机载存储设备上的预编程的指令。
13.一种飞行器的引导和控制系统，其包括：
引导系统，其可操作以产生引导命令；
移动测量设备，其可操作以测量所述飞行器的移动来产生移动测量值；
自动驾驶仪模块，其可操作以接收所述引导命令、所述移动测量值且可操作以：
生成多个状态估计值，且
利用所述引导命令、所述移动测量值和所述多个状态估计值来输出控制表面命令；
控制逻辑模块，其可操作以接收所述控制表面命令，并产生效应器命令作为响应；和
控制效应器，其可操作以接收所述效应器命令，从而根据所述效应器命令来控制所述飞行器。
14.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述自动驾驶仪模块进一步被配置成计算所述引导命令和测量的移动值之间的误差。
15.根据权利要求14所述的引导和控制系统，其中，接收到来自垂直加速度测量设备、横向加速度测量设备或倾斜角测量设备的测量的移动值。
16.根据权利要求14所述的引导和控制系统，其中，所述自动驾驶仪模块进一步被配置成对所述引导命令和所述测量的移动值之间的差值进行积分，以产生积分器输出。
17.根据权利要求16所述的引导和控制系统，其中，所述自动驾驶仪模块进一步被配置成通过从所述引导命令中减去所述积分器输出来修改所述引导命令。
18.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述引导命令包括垂直加速度引导命令。
19.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述多个状态估计值包括误差的估计值、攻角的估计值或俯仰率的估计值。
20.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述引导命令包括横向加速度引导命令或倾斜角引导命令。
21.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述多个状态估计值包括倾斜跟踪误差的估计值、积分后的横向加速度的估计值、偏航率的估计值、侧滑角的估计值、滚转率的估计值或倾斜角的估计值。
22.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述引导命令包括接收来自传输源的传输。
23.根据权利要求22所述的引导和控制系统，其中，所述传输源包括地面站或飞机。
24.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述引导命令包括所述飞行器的机载存储设备上的预编程的指令。
25.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述控制效应器包括升降舵效应器、副翼效应器和方向舵效应器。
26.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述控制逻辑模块可操作以确定所述控制表面命令有待被执行的控制效应器的组合。
27.根据权利要求13所述的引导和控制系统，其中，所述飞行器包括超高速抛射弹、迫击炮、炮弹、侧滑转弯武器或倾斜转弯武器。
28.一种用于飞行器的控制模块，其包括：
自动驾驶仪模块，其被配置成接收来自引导系统的引导命令和移动测量设备的输出，所述自动驾驶仪模块可操作以增加所述引导命令的增益以成为增益的引导命令，所述自动驾驶仪模块包括，
误差模块，其可操作以接收所述引导命令和所述移动测量装置的所述输出作为输入，并进一步可操作以输出误差，
状态估计器，其可操作以接收所述增益的引导命令和所述误差之间的差值，并计算一个或更多个状态估计值，和
增益模块，其可操作以接收所述一个或更多个状态估计值，从而计算控制表面命令；和
控制逻辑模块，其可操作以接收所述控制表面命令并输出效应器命令。
29.根据权利要求28所述的控制模块，其中，所述引导命令包括垂直加速度引导命令、横向加速度引导命令或倾斜角引导命令。
30.根据权利要求28所述的控制模块，其中，所述移动测量设备包括垂直加速度测量设备、横向加速度测量设备或倾斜角测量设备。
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