CN106061837A

CN106061837A - 用于飞行器的飞行控制装置

Info

Publication number: CN106061837A
Application number: CN201580010945.4A
Authority: CN
Inventors: B·蒂利; N·拉沃克斯
Original assignee: Saifeng Electronic And Defense Co
Current assignee: Saifeng Electronic And Defense Co; Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2035-02-04
Also published as: EP3110691A1; RU2643858C1; WO2015128162A1; EP3110691B1; CN106061837B; US9738374B2; US20170008614A1

Abstract

本发明涉及一种用于飞行器的飞行控制装置(1)，该装置包括底座(2)、枢转地安装在底座上的操作杆(3)以及用于产生操作杆的回复力的机械工具，所述工具包括弹簧(6)和第一电机构件(13)，弹簧(6)和第一电机构件(13)布置成使得弹簧的第一端被约束成随操作杆旋转运动，而弹簧的第二端被约束成随第一电机构件的输出轴旋转运动。根据本发明，飞行控制装置包括电辅助系统(18)，电辅助系统(18)用来辅助用于产生回复力的所述机械工具。

Description

用于飞行器的飞行控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于飞行器的飞行控制装置。更具体而非排它性地，本发明涉及一种用于可转换的飞行器、即能够垂直起降的飞行器的飞行控制装置。

背景技术

飞行控制装置用于基于由飞行员施加在连接到所述飞行控制装置的控制杆的运动来控制飞行器的运动。尽管如此，并且尤其是在可转换飞行器的情况下，飞行员不必在飞行器处于正常飞行阶段时和在飞行器处于降落或起飞阶段时以相同的方式驾驶飞行器，由此使驾驶任务更复杂。

为了辅助飞行员，因此已知的是，提供一种飞行控制装置，该飞行控制装置包括：底座；操作杆，该操作杆枢转地安装在底座上以绕至少一旋转轴线枢转并且设计成固定到飞行器的控制杆；以及机械工具，该机械工具用于产生绕旋转轴线的在操作杆上的回复力，所述机械工具包括弹簧和电机构件，该弹簧和电机构件以这样的方式布置，即：弹簧的第一端被约束成随操作杆旋转运动，而弹簧的第二端被约束成随电机构件的输出轴旋转运动。

因此，当飞行员移动操作杆时，弹簧通过其第一端相对于其第二端的运动而受压，由此在控制杆上产生回复力。如这样所产生的回复力用于限制由飞行员施加在控制杆上的运动并且因此限制飞行器的运动。通过借助于电机构件改变弹簧的第二端相对于弹簧的第一端的位置，则变成能够移动弹簧的锚固点并且因此改变弹簧的力关系、即限定由用于在操作杆上产生回复力的机械工具所施加的力的关系。在这种情况下，能够根据发现飞行器所处于的阶段改变为了飞行员的利益而产生的力回复，所述阶段是：正常飞行阶段或者起飞或降落阶段。因此飞行员通过飞行控制装置操纵驾驶飞行器。

尽管如此，当飞行员已经经由操作杆施加运动在弹簧上时，借助于电机构件更改弹簧的力关系产生对飞行员来说不一定可取的操作杆的锚固点的变化。锚固点保持飞行阶段和飞行员工作量之间的平衡点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于飞行器的飞行控制装置，该飞机控制装置能够至少部分地消除上述缺点。

为了实现该目的，本发明提供了一种用于飞行器的飞行控制装置，该装置包括：

·底座；

·操作杆，操作杆枢转地安装在底座上以绕至少一旋转轴线枢转并设计成固定到飞行器的控制杆；以及

·机械工具，该机械工具用于产生绕旋转轴线的操作杆的回复力，所述回复工具包括弹簧和第一电机构件，该弹簧和第一电机构件以这样的方式布置，即：弹簧的第一端被约束成随操作杆旋转运动，而弹簧的第二端被约束成随第一电机构件的输出轴旋转运动。

根据本发明，装置包括电辅助系统，该电辅助系统用来辅助用于产生回复力的所述机械工具，系统包括第二电机构件，该第二电机构件与第一电机构件不同并且以这样的方式布置，即：其输出轴被约束成随弹簧的第一端旋转运动，该系统包括控制工具，该控制工具用于控制第二电机构件以借助于第二电机构件改变工作中的弹簧的刚度。

因此，鉴于第一电机构件使弹簧的锚固点能够移动，不管力是否由飞行员施加在操作杆上，无论何时想要改变所述弹簧的力关系、即限定由用于产生在弹簧上的回复力的机械工具施加的力的关系，总是第二电机构件使所述力关系能够持续改变而不改变弹簧的锚固点。因此，电辅助系统通过抵抗或辅助如由飞行员操作控制杆引起的弹簧的第一端和弹簧的第二端之间的相对运动使弹簧刚度能够更精确调节(其中，该调节适用于表观刚度，因为弹簧的真实刚度是未被改变的弹簧的固有值)。因此，电辅助系统用于即使在飞行员已经施加扭矩在操作杆上时也持续改变弹簧的刚度值而不改变弹簧的锚固点。

此外，电辅助系统使其能够完成弹簧的阻尼功能，因为其伴有弹簧两端之间的相对旋转。因此，弹簧没有突然回复到如由锚固点限定的其平衡位置。

由于所述电辅助系统，于是非常容易改变由本发明的装置产生的力回复将成为可能。

此外，连接在一起或由飞行控制装置驱动的各种构件的作业极限可以在飞行过程中根据发现飞行器所处于的阶段(正常飞行、起飞或降落)改变。有利地，本发明的装置使在运行中改变力回复非常简单，以考虑作业极限的变化并且因此通过借助于电辅助系统增加弹簧的刚度来限制飞行员的动作。

因此，当飞行员借助于控制杆移动操作杆时，施加在操作杆上的阻力增加，由此警告飞行员接近由所述飞行控制装置驱动或连接到所述飞行控制装置的构件的作业极限。飞行员接着可以移动控制杆，并且因此沿另一方向移动操作杆以感觉阻力减小。尽管如此，操作杆未被阻挡，因此在紧急情况下，飞行员仍可以迫使操作杆克服施加在操作杆上的阻力以继续移动操作杆。

控制装置因此使其能够在俯仰任务中给飞行员提供有效辅助，并且以通过借助回复力动作的直观方式这样进行。

附图说明

根据本发明的非限制实施例的以下说明可更好地理解本发明。参考附图，附图中：

图1是示出了本发明的飞行控制装置的框图；

图2是图1所示的飞行控制装置的一部分的立体图；

图3是图2的一部分的放大图；

图4a和4b分别示出了所述装置的第一构型和所述装置的第二构型的图1所示的飞行控制装置的弹簧力关系；以及

图5a和5b是与图4a和4b相同、但还包含在弹簧上的电辅助系统的作用过程中的两个改变的弹簧力关系的示意图。

具体实施方式

参照图1至3，在该示例中，总的给予附图标记1的本发明的飞行控制装置安装在可转换飞行器上。

飞行控制装置1包括底座2和枢转地安装在底座上以绕旋转轴线X枢转的操作杆3。在该示例中，操作杆3连接到飞行器的控制杆4，用于控制飞行器的俯仰运动。

以已知的方式，飞行控制装置1具有用于限制操作杆绕所述旋转轴线X的角行程的机械工具。为此，操作杆3具有两个邻接部5a，两个邻接部5a与底座2的两个相应邻接部5b协配以限制操作杆在绕旋转轴线X的第一旋转方向和第二旋转方向上的角行程。

飞行控制装置1还具有用于产生绕旋转轴线X回复操作杆3的回复力的机械工具。所述工具包括弹簧6，弹簧6包含紧固到弹簧6的第一端的第一驱动件7和紧固到弹簧6的第二端的第二驱动件8。弹簧6是扭力弹簧。一般地，弹簧6由力关系(扭矩是弹簧的变形角的函数)限定，该力关系的特征是，当弹簧6可以仅沿一个方向扭转时给定弹簧6的锚固点的位置的一个仿射函数，并且在弹簧6可以沿任一旋转方向扭转的情况下由两个仿射函数限定，这里每个仿射函数与弹簧的扭转方向中的相应一个关联。仿射关系(多个仿射关系)的特征在于：

·在原点的纵坐标值，即飞行员必须施加在操作杆3上以扭转弹簧6、即以实现弹簧6的两端之间的相对运动的扭矩C_min的值；以及

·控制系数、即根据弹簧6的扭转方向乘以系数1或－1的弹簧6的刚度。

飞行员必须施加在操作杆3上以扭转弹簧6的扭矩值C_min以及弹簧6的刚度是弹簧6的固有特征并且与弹簧6的锚固位置无关。在具体实施例中，弹簧6构造成具有飞行员必须施加在操作杆上以扭转弹簧的扭矩值C.，该扭矩值大约是0.60牛顿·米(N·m)(即，5.32英寸·磅(in·lbs))。在该示例中，弹簧6还构造成具有0.068N·m/度(即，0.60in·lbs/deg)。

在该示例中，弹簧6的驱动件7以这样的方式布置，即：被约束成随操作杆3绕旋转轴线X旋转运动。

以具体的方式，操作杆3具有沿旋转轴线X延伸穿过弹簧6的内部的杆9，杆9的第一端10穿过驱动件7延伸到弹簧6之外，而杆9的第二端11穿过驱动件8延伸到弹簧6之外。弹簧6因此被约束成在位于与驱动件7齐平的杆9的区域处随驱动件7旋转。相比之下，驱动件8和杆9没有连接在一起。杆9还以这样的方式布置，即：杆9的第一端被约束成随控制杆4绕旋转轴线X旋转运动。

弹簧6优选地经由第一剪切销12紧固到杆9。因此，在产生回复力的机械工具的元件之一卡住的情况下，或在紧急情况下，飞行员可以将充足扭矩施加在操作杆3上以使第一剪切销12断开并且因此使操作杆3与用于产生回复力的机械工具分开。

用于产生回复力的机械工具包含第一电机构件13。

此外，飞行控制装置1包含第一控制工具14，第一控制工具14用于通过控制第一电机构件13的电源来控制第一电机构件13。例如，第一控制工具14包括电子控制单元(ECU)模块。第一控制工具14还从用于管理第一电机构件13的飞行控制计算机(FCC)接收命令。

具体地说，用于产生回复力的机械工具包含传动组件15，在该示例中，传动组件15包括诸如但非排它地是蜗杆螺钉-螺母组件的运动转换系统，以及不可逆步降系统。

优选地，所述工具还包含临时耦合工具16。

蜗杆螺钉被约束成随第一电机构件13的输出轴旋转，并且因此形成传动组件15的输入元件。步降系统的输出轴形成所述传动组件15的输出元件。在该示例中，临时耦合工具16布置在所述输出元件和紧固到弹簧6的第二驱动件8的齿状段17之间。

因此，第一电机构件13的输出轴经由传动组件15、临时耦合工具16和齿状段17约束成随所述第二驱动件8旋转运动：第一电机构件13的输出轴的旋转因此驱动弹簧6的第二端相对于弹簧6的第一端旋转。

在这种情况下，并且与由飞行员施加在操作杆3上的运动无关，能够通过借助于第一电机构件13使第二驱动件8运动来改变弹簧6的第二端相对于弹簧6的第一端的位置。这个第二驱动件8的运动因此能够改变弹簧6的锚固点的位置并且因此改变弹簧6的力关系。

参照图4a，第一电机构件13因此能以这样的方式约束弹簧，即：其锚固点阻止弹簧6沿一个旋转方向扭转。参照图4b，第一电机构件13还能以这样的方式约束弹簧6，即：使其锚固点居中，也就是能够沿每个扭转方向将弹簧6扭转过相同幅值的变形角。可以看见，对于锚固点的两个位置来说，飞行员必须施加在操作杆3以致使弹簧6扭转的扭矩值C_min和弹簧6的刚度保持相同。因此，第一电机构件13没有提供对这两个参数起作用的工具。

飞行控制装置优选地包括机械邻接部(未示出)，该机械邻接部限制弹簧两端之间的相对运动以防止第一电机构件13因移动锚固点超过弹簧6的结构极限而损坏弹簧6。

此外，当第一电机构件13未通电时，如果飞行员将大于扭矩C_min的扭矩施加在操作杆3上，则飞行员引起弹簧6的第一端相对于其第二端移动，由此压迫弹簧6并因此产生在操作杆3上的回复力。这使其能够模拟力回复。

此外，当临时耦合工具16不起作用时，弹簧6不再耦合到第一电机构件13并且因此回复到其未变形静止状态，因为没有任何应力通过第一电机构件13施加到其锚固点。力回复因此可能不再通过用于产生回复力的机械工具产生。

在本发明中，飞行控制装置1包括电辅助系统18，电辅助系统18用来辅助用于产生回复力的机械工具。

电辅助系统18包括第二电机构件19，第二电机构件19与第一电机构件13不同。例如，第二电机构件19是具有电刷的直流(DC)电机。

在该示例中，电辅助系统18包括步降组件20，步降组件20布置在第二电机构件19的输出轴与紧固到操作杆3的杆9的第二端11的齿状段21之间，该操作杆3自身通过位于与第一驱动件7齐平的杆9的区域约束成随第一驱动件7旋转运动。

因此，第二电机构件19的输出轴经由步降组件20、齿状段21和操作杆3约束成随第一驱动件7旋转运动：第二电机构件19的输出轴的旋转因此驱动弹簧6的第一端相对于弹簧6的第二端旋转。

在具体实施例中，齿状段21经由第二剪切销22紧固到杆9。因此，在电辅助系统18的元件之一卡住的情况下或在紧急情况下，飞行员能将充足扭矩施加在操作杆3上以使第二剪切销22断开并且因此将电辅助系统18与操作杆3和用于产生回复力的机械工具分开。第二剪切销22优选地构造成具有小于第一剪切销12的断开阈值的断开阈值。因此，在电辅助系统有问题的情况下或在紧急情况下，飞行员能将充足扭矩施加在操作杆3上以使第二剪切销22断开而不损坏第一剪切销12。这导致纯机械的退化模式，并且在该退化模式下，操作杆3仅连接到用于产生回复力的机械工具，那么弹簧6能够仅仅通过操作杆3或通过第一电机构件13变形。

在标称模式下，弹簧6在其第一端处连接到操作杆3和第二电机构件19，而在其第二端处连接到第一电机构件13。如上所述，即使在力通过飞行员或通过第二电机构件19施加在操作杆3上时，弹簧6的第二端也可以通过第一电机构件13相对于弹簧6的第一端移动以改变弹簧6的锚固点。此外，弹簧6的第一端可以同时通过飞行员和通过第二电机构件19经由操作杆3相对于弹簧6的第二端移动，这因此可以抵抗或辅助由飞行员施加在操作杆3上的运动。电辅助系统18因此用于改变弹簧6的表观刚度以增加施加在操作杆3上的回复力或者相反地减小由弹簧6施加在操作杆3上的回复力。如在图5a和5b中可以更清楚看见的，电辅助系统18因此使得能够通过要么通过产生在操作杆3上的驱动扭矩要么通过产生在操作杆3上的抗拒扭矩来更改以所述力关系为特征的仿射函数的斜率的(绝对)值，从而改变弹簧6的表观力关系(参见用虚线和用点线绘制的曲线)。

为此，飞行控制装置1具有第一角运动传感器23，第一角运动传感器23布置成与弹簧6关联以估测弹簧6的第一端和第二端之间的相对位置。例如，第一传感器23包括电位计。

优选地，并且为了提供冗余性，飞行控制装置1还具有第二角运动传感器24，第二角运动传感器24布置成与弹簧6关联以估测弹簧6的第一端和弹簧6的第二端之间的相对位置。例如，第二传感器24可以是旋转可变差动变压器(RVDT)类型的传感器。

飞行控制装置1还具有第二控制工具25，第二控制工具25通过控制对第二电机构件19的供电来控制第二电机构件19并且因此控制弹簧6的第二端相对于弹簧6的第一端的运动，以调节由弹簧6在操作杆3上产生的力。例如，第二电机构件19的第二控制工具25包括电子控制模块、与飞行控制计算机通讯以便专门从所述计算机接收设定点的接口以及与第一传感器23通讯的接口和与第二传感器24通讯的接口。在该示例中，第二电机构件19的第二控制工具25与第一电机构件13的第一控制工具14不同。有利地，在失去第二控制工具25的情况下，仍然能够回复到纯机械的退化模式，并且在该退化模式下，回复力仅由用于产生回复力的机械工具产生。

第二控制工具25因此具体根据由第一传感器23和第二传感器24交付的数据(使得能够估测施加在弹簧6上的力、弹簧6的锚固点的位置以及飞行员是否作用在控制杆上)和由飞行控制计算机发送的设定点给第二电机构件19供电，以便软化或硬化由弹簧限定的力关系。

优选地，第二控制工具25给第二电机构件19供电以根据由可转换飞行器所处的飞行阶段(攀升、下降、正常飞行)软化或硬化由弹簧6限定的力关系。

在具体实施例中，电辅助系统18包括电阻器26和连接工具27，连接工具27将第二电机构件19要么连接到电阻器26要么连接到第二控制工具25。当其连接到电阻器26时，第二电机构件19在弹簧6的第一端相对于弹簧6的第二端的运动过程中用作发电机，其中，由第二电机构件19产生的电能于是被电阻器26中的焦耳效应消耗。这用于阻尼操作杆3的运动并且因此避免任何弹簧的突然回复到锚固位置。

下面描述使用该装置的一种方法。

在标称模式下，飞行控制计算机产生第二控制工具25的命令设置点。

当：

·设定点的绝对值保持低于第一阈值(例如，1伏特(V)DC)时；或者

·由第一传感器23和第二传感器24交付到第二控制工具25的信息表明，因为扭矩已经通过飞行员施加在弹簧6上(第二阈值例如取的是0.5度)，弹簧6的第一端与弹簧6的第二端之间的相对变形的绝对值小于第二阈值时；

则连接工具27将第二电机构件19连接到电阻器26以提供被动阻尼。

当：

·由飞行控制计算机产生的设定点的绝对值位于第一阈值和第三阈值(例如，取的是10VDC)之间时；或者

·由第一传感器23和第二传感器24交付到第二控制工具25的信息表明，因为扭矩已经通过飞行员施加在弹簧6上，弹簧6的第一端与弹簧6的第二端之间的相对变形的绝对值大于第二阈值时；

则连接工具27将第二电机构件19连接到第二控制工具25以便以这样的方式对第二电机构件19供电，即：改变弹簧6的表观刚度，该刚度于是定义如下：

k'＝k+α*V设定点

其中：

k'是弹簧6的表观刚度的值；

k是弹簧6的固有刚度的值(在该示例中，0.068N·m/度)；

α是预定义校正系数(在该示例中，例如0.37N·m/度)；以及

V设定点是由飞行控制计算机产生的设定点的真实值(不是绝对值)。

当然，本发明不限于所述实施例并且可提供各种实施例而不超出如权利要求书所限定的本发明范围。

具体地说，虽然本说明书涉及与俯仰控制或与可转换飞行器相关联的飞行控制装置，但该应用不是限制性的并且本发明的飞行控制装置可以用于任何其它应用，例如，诸如在直升机中或在飞机中或在任何其它飞行器中的控制俯仰、翻滚、偏航或总距。

虽然第一控制工具和第二控制工具在该示例中是不同的，但能够设想用单个控制工具来控制第一电机构件和第二电机构件。虽然第二控制工具在该示例中具有单个ECU，但第二控制工具可以具有用于第二电机构件的每个电极的一个ECU。

电机构件和弹簧之间的连接可以与所描述的不同。例如，电辅助系统还可以包括摩擦扭矩限制器，该摩擦扭矩限制器布置在第二电机构件和第一驱动件之间。

传感器可以与所描述的不同。例如，传感器中的一个或两个可以包括电位计。

电机构件和弹簧之间的连接可以任选地包括机械耦合件，该机械耦合件要么用于通过分离子功能(机械产生回复力的子功能和提供电辅助的子功能)的一个或全部来防止操作杆绕轴线X旋转，要么用于通过飞行员经由控制工具的一个或另一个在适当控制上的自发动作来使锚固点能够快速移动。

因此，虽然在该示例中电机构件经由各自剪切销连接到弹簧，但两个电机构件中的一个或另一个可以经由任何其它可断开装置并且通常经由任何类型的耦合件(诸如离合器)连接到弹簧。在变型中，两个电机构件的一个或另一个可以直接连接到弹簧而没有耦合件或更确切地说没有任何可断开装置。例如，用于产生回复力的机械工具不一定包括作为耦合件的临时耦合工具。用于产生回复力的工具不一定包括剪切销。电辅助系统不一定包括剪切销。

通常，电机构件和弹簧之间的连接可以与所描述的连接不同。因此，用于产生回复力的工具不一定包括不可逆步降系统。

虽然在该示例中弹簧构造成具有飞行员必须施加在操作杆以扭转弹簧的0.60N·m的扭矩值，但这个值可以是不同的，例如其可以是1N·m。类似地，虽然在该示例中弹簧构造成具有0.068N·m/度的刚度，但这个值可以是不同的，例如，其可以是0.1N·m/度。

预定义校正系数α也可以具有不同于所描述的值，例如其可以是0.05N·m/度。

Claims

1.一种用于飞行器的飞行控制装置(1)，所述装置包括：

·底座(2)；

·操作杆(3)，所述操作杆(3)枢转地安装在所述底座上以绕至少一旋转轴线(X)枢转并设计成固定到所述飞行器的控制杆(4)；以及

·机械工具，所述机械工具用于绕所述旋转轴线产生用于所述操作杆的回复力，所述回复工具包括弹簧(6)和第一电机构件(13)，所述弹簧(6)和第一电机构件(13)以这样的方式布置，即：所述弹簧的第一端被约束成随所述操作杆旋转运动，而所述弹簧的第二端被约束成随所述第一电机构件的输出轴旋转运动；

所述装置的特征在于，包括电辅助系统(18)，所述电辅助系统(18)用来辅助用于产生回复力的所述机械工具，所述系统包括第二电机构件(19)，所述第二电机构件(19)与所述第一电机构件不同并且以这样的方式布置，即：其输出轴被约束成随所述弹簧的所述第一端旋转运动，所述系统包括控制工具(25)，所述控制工具用于控制所述第二电机构件以借助于所述第二电机构件改变工作中的所述弹簧的刚度。

2.如权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，包括用于所述第一电机构件(13)的第一控制工具(14)和用于所述第二电机构件(19)的第二控制工具(25)，所述第二控制工具与所述第一控制工具不同。

3.如权利要求2所述的飞行控制装置，其特征在于，所述第二控制工具(25)包括第一电子控制模块和第二电子控制模块，每个模块控制第二电机构件(19)的相应电极。

4.如权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，所述第二电机构件(19)是具有电刷的DC电机。

5.如权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，所述电辅助系统(18)包括步降组件(20)，所述步降组件(20)以这样的方式布置在所述第二电机构件(19)的输出轴与紧固到所述操作杆(3)的齿状段(21)之间，即：所述第二电机构件的所述输出轴经由所述步降组件、所述齿状段和所述操作杆约束成随所述弹簧(6)的所述第一端旋转运动。

6.如权利要求5所述的飞行控制装置，其特征在于，所述步降组件(20)还包括摩擦扭矩限制器。

7.如权利要求5所述的飞行控制装置，其特征在于，所述齿状段(21)经由可断开装置(22)固定到所述杆。

8.如权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，所述电辅助系统(18)通过可断开装置(22)约束成随所述弹簧(6)的所述第一端旋转运动。

9.如权利要求8所述的飞行控制装置，其特征在于，所述用于产生回复力的机械工具经由另一可断开装置(12)约束成随所述弹簧(6)的所述第二端旋转运动。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述另一可断开装置具有小于将所述电辅助系统连接到所述弹簧的所述可断开装置的断开阈值的断开阈值。

11.如权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述可断开装置是剪切销。