CN106054904A - 根据俯仰轴控制飞行器的飞行的方法和系统及相关飞行器 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种用于根据俯仰轴控制飞行器的飞行的方法和系统(1)以及相关飞行器。所述系统包括：载荷系数控制模块(6)，其用于，在由飞行器的飞行员对驾驶杆(3)进行手动致动时，计算相应的偏转命令以及将该偏转命令传送至飞行器的至少一个升降舵(8)；纵向姿态控制模块(13)，其用于，在飞行员未对驾驶杆(3)进行手动致动的情况下，将飞行器的纵向姿态保持在目标姿态；以及过渡管理模块(14)，其用于在记录时刻确定且记录飞行器的当前纵向姿态值以及将该纵向姿态值传送至纵向姿态控制模块(13)，使得纵向姿态控制模块(13)将该纵向姿态值用作目标姿态。

Description

根据俯仰轴控制飞行器的飞行的方法和系统及相关飞行器
技术领域
本发明涉及一种用于根据俯仰轴来控制飞行器的飞行的方法及系统，所述飞行器特别是一种运输机。
背景技术
通常采用竖直载荷系数控制法则Nz来根据具有电传飞行操纵系统的飞行器的俯仰轴进行控制。这个Nz法则的目的在于(经由驾驶杆的偏转而)将飞行员的控制转换成载荷系数控制。该控制被转换成飞行器的升降舵的偏转命令且被应用于升降舵。
此外，特别是地在运输机方面，以及尤其是在军用运输机方面，已知诸如空投这样的某些操作使得有必要在这些操作期间保持精确的纵向姿态，同时保留在这些操作之前和这些操作期间监控飞行器轨迹的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供根据俯仰轴对飞行器飞行的控制，使得飞行员能够在主动驾驶期间保留与平常相同的敏感度，同时使得能够满足诸如以上提及的任务约束。
本发明涉及一种根据俯仰轴来控制飞行器的飞行的方法，该飞行器配备有电传飞行操纵系统和驾驶杆，驾驶杆可以由飞行器的飞行员手动地致动以至少控制飞行器的俯仰轴，该方法包括在飞行器飞行期间的载荷系数控制步骤，该载荷系数控制步骤是在由飞行员对驾驶杆进行手动致动时所实施的且在于确定表示驾驶杆的致动的载荷系数控制值，根据该载荷系数控制值计算偏转命令以及将该偏转命令应用于飞行器的至少一个升降舵。
根据本发明，该方法还包括，在飞行器飞行期间：，
-纵向姿态控制步骤，其中该纵向姿态控制步骤是在飞行员未对驾驶杆进行手动致动的情况下所实施的且在于将飞行器的纵向姿态保持在目标姿态；以及
-从载荷系数控制步骤到纵向姿态控制步骤的过渡阶段，所述过渡阶段在于在记录时刻确定并记录飞行器的当前纵向姿态值，以及将该纵向姿态值传送至后续的纵向姿态控制步骤，使得纵向姿态控制步骤能够将该纵向姿态值用作目标姿态。
因此，由于两个控制步骤(在对驾驶杆致动时应用载荷系数控制法则的常规步骤；在松开驾驶杆时应用稳度保持法则的步骤)的组合以及设置过渡阶段，获得了这两个步骤各自的优势，同时防止在过渡阶段期间的不期望的干扰并且尤其防止超过纵向姿态值。
更确切地，由于本发明，对于飞行员而言，飞行器的驾驶敏感度与平常(即仅应用载荷系数控制法则时)相同，以使得飞行员不被干扰且保留其平常的驾驶感觉，以及确保在没有飞行员输入(或命令或致动)的情况下保持纵向姿态，这使得能够满足例如对诸如空投这样的任务的约束。
尽管本发明更具体地应用于载荷空投阶段，其中保持恒定的纵向姿态以实现准确的空投对于该载荷空投阶段而言是重要的，然而本发明也可以应用于任何飞行阶段和任何类型的飞行器，其中对于任何飞行阶段和任何类型的飞行器而言，寻求在飞行员未对驾驶杆进行控制的情况下保持恒定的纵向姿态(以及等于目标值(或目标姿态))。
有利地：
-过渡阶段包括子步骤，该子步骤在于确定纵向姿态控制法则的激活时刻，以及向该激活时刻添加预定时间段来获得记录时刻；以及
-过渡阶段的所述子步骤在于将驾驶杆的偏转角度绝对值在预定的时间段内变得低于预定值的时刻确定为纵向姿态控制法则的激活时刻。
本发明还涉及一种用于根据俯仰轴来控制飞行器的飞行的系统，该系统包括载荷系数控制模块，该载荷系数控制模块被配置成根据表示驾驶杆的致动的载荷系数控制值来计算在飞行期间飞行器的飞行员对驾驶杆进行手动致动时的偏转命令，以及将该偏转命令传送至飞行器的至少一个升降舵。
根据本发明，所述系统还包括：
-纵向姿态控制模块，其被配置成，在飞行期间在飞行员未对驾驶杆进行手动致动的情况下，将飞行器的纵向姿态保持在目标姿态；以及
-过渡管理模块，其被配置成在记录时刻确定并记录飞行器的当前纵向姿态值，以及将该纵向姿态值传送至纵向姿态控制模块，使得该纵向姿态控制模块能够将该纵向姿态值用作目标姿态。
在一个特定实施方式中，所述系统包括用于确定纵向姿态控制法则的激活时刻的激活时刻确定模块，所述激活时刻用于确定所述记录时刻。
本发明还涉及一种飞行器，特别是运输机，以及尤其是军用运输机，其配备有如以上指定的系统。
附图说明
附图使得能够很好地理解如何实现本发明。在这些图中，相同的附图标记表示相似的元素。
图1是飞行控制系统的示意性框图，其示出了本发明的一个实施方式；
图2和图3是飞行控制系统的计算单元的示意性框图；
图4示出了关于飞行器驾驶杆的位置而根据时间将说明本发明的系统应用于飞行器；以及
图5是说明通过实施本发明所获得的效果的曲线图。
具体实施方式
图1中示意性地示出的、能够说明本发明的系统1是飞行器AC(图4)的飞行控制系统，飞行器AC特别是运输机以及尤其是军用运输机。该飞行控制系统1(其构成飞行器AC的电传飞行操纵系统的一部分)尤其用于围绕飞行器AC的俯仰轴来控制飞行器AC。
该机载系统1包括：
-用于生成(竖直)载荷系数控制值的至少一个单元2。单元2包括可以由飞行器的飞行员手动地致动的常用驾驶杆(或构件)3，特别是微型驾驶杆，以及用于自动地生成表示驾驶杆3的致动(如由点划线形式的连接5所示)的载荷系数控制值的常用装置4；
-载荷系数控制模块(在下文中称为“模块6”)，其包括常用的计算单元10，计算单元10被配置成基于经由连接7而接收的载荷系数控制值来以通常方式计算飞行器AC的至少一个升降舵8的至少一个偏转命令；以及
-至少一个升降舵8，其与常用的至少一个致动器9相关联且可以如双头箭头B所示地偏转。致动器9通常被配置成如由点划线形式的连接11所示那样作用于升降舵8，以对升降舵8施加由模块6计算且经由连接12接收的偏转命令。
在本发明的框架中，所考虑的载荷系数是竖直载荷系数。
模块6应用C*或Nz型的常用法则，该法则是已知的且在下文中不做进一步描述。
常用的Nz法则实现提供中性稳定(驾驶杆3位于中性位置，飞行轨迹的坡角在短期内被保持)的载荷系数控制、水平稳定器的自动补偿(在所制订的飞行中，升降舵被逐步地带至零)以及在转弯时高达37度的侧向稳度补偿。该Nz法则使得能够监控飞行器AC的轨迹而不是监控其纵向姿态。
根据本发明，该系统1还包括：
-纵向姿态控制模块(下文中为“模块13”)，其被配置成，在飞行期间在飞行员未对驾驶杆3进行手动致动的情况下，将飞行器AC的纵向姿态θ保持在目标姿态θtgt；以及
-过渡管理模块(下文中为“模块14”)，其借助于连接15、16及7而分别连接至装置4、模块13及模块6，且被配置成在以下指定的记录时刻确定并记录飞行器AC的当前纵向姿态值以及将该(被确定且被记录的)纵向姿态值传送至(纵向姿态控制)模块13，使得模块13能够将该纵向姿态值用作目标姿态。
模块13包括(例如通过连接18连接至致动器9的)计算单元17，计算单元17应用常用的纵向姿态保持法则(下文中为θ法则)。
为了保持飞行器AC的纵向姿态，模块13使用目标角度(目标姿态θtgt)。θ法则是一种利用以目标角度为目标的PID(比例积分微分))型的算法的俯仰法则。目标姿态θtgt被限定在常用的最大预定值θmax与常用的最小预定值θmin之间。
计算单元17借助于θ法则，特别地根据以下几项的总和来以通常方式确定升降舵8的偏转命令：
-θ与θtgt之差的积分，对其应用了增益；
-θtgt的值，对其应用了增益；
-俯仰转速的积分，也对其应用了增益；以及
-该俯仰转速，对其应用了增益。
因此，由于两个控制法则(致动驾驶杆3时的载荷系数控制法则Nz；在松开驾驶杆3时的姿态保持法则θ)的组合以及设置了(经由模块14))对这两个法则之间的过渡的管理，系统1使得能够获得这两个法则各自的优势，同时防止在过渡阶段期间的不期望的干扰以及尤其防止超过纵向姿态值。
更确切地，由于系统1以及特别由于模块6、13及14的组合，飞行器的驾驶敏感度对于飞行员而言与平常(即仅应用载荷系数控制法则时)相同，以使得飞行员不被干扰并且保留其平常的驾驶感觉，以及确保在没有飞行员输入(或控制或致动)的情况下保持纵向姿态，这使得能够满足任务约束。
系统1特别地适用于由飞行器AC对至少一个载荷进行空投，对于空投而言，保持恒定的纵向姿态以实现精确定位的空投是重要的。然而，系统1可以用于任何飞行阶段(以及用于任何类型的飞行器)，其中，对于任何飞行阶段，寻求在飞行员未对驾驶杆3致动的情况下保持恒定的纵向姿态(以及等于目标姿态)。
系统1包括激活单元19，激活单元19用于激活θ法则且优选地被集成在模块14中。
在图2所示的一个特定实施方式中，该激活单元19包括：
-计算元件20，其计算例如通过装置4确定且经由连接15接收的关于驾驶杆3而生成的致动量级的绝对值。这使得能够将无论要俯冲还是上仰的致动考虑在内；
-计算元件21，其计算该绝对值的导数；
-计算单元22，其根据该导数推断出用于致动切换元件23的符号。该切换元件23使得能够将缓慢常数(单元25)或快速常数(单元26)关联于过滤器24；过滤器24从计算元件20接收绝对值且实现滞后以防止不适时的激活；以及
-计算元件27，其用于将过滤器24所提供的值与阈值进行比较，以及在所考虑的值低于阈值(以及驾驶杆3因此接近中性位置)的情况下通过连接28来发送激活量级。
快速常数值(单元26)被选择成从θ法则非常快速地切换至Nz法则，而缓慢常数值(单元25)被选择成防止在驾驶期间有太多过渡。
系统1还包括管理单元29，管理单元29用于管理目标姿态以及优选地被集成在模块14中。
如图3所示，该管理单元29包括：
-计算元件30，其经由连接28接收由激活单元19(图3)确定的激活时刻，以及向该激活时刻添加预定的确认时间段Δt来获得记录时刻。计算元件30然后经由连接32将该记录时刻传送至存储元件31；以及
-存储元件31，其经由连接33从飞行器的、用于测量或确定纵向姿态的常用装置(未示出)接收该纵向姿态的当前值。
存储元件31存储飞行器的在该记录时刻存在的纵向姿态的当前值，且作为新的目标纵向姿态而经由连接16将该当前值传送至模块13的单元17。
模块6、13及14的组合因此使得能够管理从Nz法则至θ法则的过渡，以在驾驶期间具有对飞行器的相同敏感度以及在无飞行员的输入的情况下保持θ。其使得能够以在驾驶时的Nz法则的敏感度而在无飞行员的输入的情况下保持θ的。
图4示出了将系统1应用至飞行器AC的示例。该图4示出了三个连续的阶段P1、P2及P3，对于这三个阶段：
-驾驶杆3处于中性位置(阶段1)；
-驾驶杆3被致动以使飞行器上仰(阶段2)；以及
-驾驶杆3被返回至中性位置(阶段3)。
图4还示出了在这些阶段P1、P2及P3期间的各种参数的演变，即：
-Nz(L1)法则的激活；
-θ法则(L2)的激活；
-目标姿态θtgt的演变；
-纵向姿态的当前值θ的演变，该当前值θ被限定在最大值θmax与最小值θmin之间。
更确切地，对于图4的该示例而言，在开始时(阶段P1)，为了实现目标纵向姿态θtgt1，驾驶杆3被松开(中性位置)且θ法则(L2)完全激活。在飞行员致动驾驶杆3来控制轨迹时(阶段P2)，出现θ法则(L2)与Nz法则(L1)之间的快速过渡，以及目标θtgt被迫使变得等于θ。通过松开驾驶杆3(阶段P3)且在短延迟(Δt)之后，锁定新的目标姿态(θtgt2)，且θ法则(L2)完全地起作用以使得姿态角度能够被保持在该新记录的目标姿态θtgt2。
所使用的确认时间Δt取决于飞行器在纵向姿态方面的响应。目的在于锁定目标姿态以及刚好在通常的θ的超越之前激活θ法则(来防止超过θ)。
在这种结构以及选择了缓慢常数和快速常数以及还有确认时间Δt的情况下，针对θ的恢复如图5所示。
图5示出了各种叠加的曲线图，其示出了参数在时间t期间的演变，即：
-载荷系数控制值Nzc(受控制的载荷系数)；
-所测量的当前纵向姿态θmes；
-θ法则(L2)的激活；以及
-将目标姿态θtgt考虑在内。
因此，由于本发明，没有出现在图5中由圆圈C例示的水平部分处的所测量的纵向姿态θmes的超越。

Claims (6)

1.一种用于根据俯仰轴控制飞行器的飞行的方法，所述飞行器(AC)配备有电传飞行操纵系统和驾驶杆(3)，所述驾驶杆(3)能够由所述飞行器(AC)的飞行员手动地致动以至少控制所述飞行器(AC)的俯仰轴，所述方法包括在所述飞行器(AC)的飞行期间的载荷系数控制步骤，所述载荷系数控制步骤是在所述飞行员对所述驾驶杆(3)进行手动致动时所实施的且在于确定表示对所述驾驶杆(3)的致动的载荷系数控制值，根据所述载荷系数控制值计算偏转命令以及将所述偏转命令应用于所述飞行器(AC)的至少一个升降舵(8)，
所述方法还包括，在所述飞行器(AC)的飞行期间的:
-纵向姿态控制步骤，该纵向姿态控制步骤是在所述飞行员未对所述驾驶杆(3)进行手动致动的情况下所实施的且在于将所述飞行器(AC)的纵向姿态保持在目标姿态(θtgt)；以及
-从所述载荷系数控制步骤到所述纵向姿态控制步骤的过渡阶段，所述过渡阶段在于在记录时刻确定且记录所述飞行器(AC)的当前的纵向姿态值，以及将所述纵向姿态值传送至后续的纵向姿态控制步骤，使得该纵向姿态控制步骤将所述纵向姿态值用作所述目标姿态(θtgt)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述过渡阶段包括子步骤，所述子步骤在于确定纵向姿态控制法则的激活时刻，以及向所述激活时刻添加预定时间段(Δt)以获得所述记录时刻。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中，所述过渡阶段的子步骤在于将所述驾驶杆(3)的偏转角度的绝对值在预定时间段内变得小于预定值的时刻确定为所述纵向姿态控制法则的激活时刻。
4.一种用于根据俯仰轴控制飞行器(AC)的飞行的系统，所述系统(1)包括载荷系数控制模块(6)，所述载荷系数控制模块(6)被配置成，在由所述飞行器(AC)的飞行员对驾驶杆(3)进行手动致动时，根据表示对所述驾驶杆(3)的致动的载荷系数控制值来计算偏转命令，以及将所述偏转命令传送至所述飞行器(AC)的至少一个升降舵(8)，
所述系统(1)还包括：
-纵向姿态控制模块(13)，其被配置成，在飞行期间在所述飞行员未对所述驾驶杆(3)进行手动致动的情况下将所述飞行器(AC)的纵向姿态保持在目标姿态(θtgt)；以及
-过渡管理模块(14)，其被配置成：在记录时刻确定且记录所述飞行器(AC)的当前的纵向姿态值，以及将所述纵向姿态值传送至所述纵向姿态控制模块(13)，使得该纵向姿态控制模块(13)将所述纵向姿态值用作所述目标姿态(θtgt)。
5.根据权利要求4所述的系统，
其包括用于确定所述纵向姿态控制法则的激活时刻的模块(19)，所述激活时刻用于确定所述记录时刻。
6.一种飞行器，
其包括根据权利要求4和5中任一项所述的用于根据俯仰轴控制飞行器(AC)的飞行的系统(1)。
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