CN106477057B - 用于改善关于旋翼机系统的意料之外的偏航的态势感知的方法和系统 - Google Patents

用于改善关于旋翼机系统的意料之外的偏航的态势感知的方法和系统 Download PDF

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Abstract

提供用于以座舱显示器上的简单直观符号体系来使飞行员警惕潜在意料之外的LTE的方法和系统。所提供的方法和系统估计旋翼机的空速、风速、风向、以及旋翼机离地高度以预测用于LTE区域的几种情况。所期望的方法和系统对现有的PFD和/或MFD覆盖或叠加简单直观的符号体系，以使飞行员警惕潜在的LTE。

Description

用于改善关于旋翼机系统的意料之外的偏航的态势感知的方 法和系统
技术领域
本文所描述的主题的实施例通常涉及旋翼机显示系统，以及更特别地涉及使飞行员警惕潜在的意料之外的偏航。
背景技术
意料之外的偏航(本文中指的是尾桨失效(loss of tail rotor effectiveness)(LTE))导致旋翼机绕垂直轴扭转并且要求旋翼机飞行员机敏和警醒的反应以便安全地恢复。当飞行员以低空速(airspeed)操作以及存在左侧风(left crosswind)(对于具有逆时针旋转叶片的旋翼机)或顺风(tailwind)时，旋翼机更容易受LTE的影响。右手转弯相比左手转弯更容易受到LTE的影响(再次，对于具有逆时针旋转叶片的旋翼机)。因此，在旋翼机操作的过程中，保持对风向和风速敏锐的意识是必不可少的。
在旋翼机操作的过程中，要求飞行员对由旋翼机显示系统的所有组件呈现的信息做出准确和快速的解释。具体来说，旋翼机飞行员严重依赖座舱显示器上呈现的信息，所述座舱显示器通常包括主飞行显示器(PFD)和多功能显示器(MFD)。PFD和MFD视觉上传达从各种数据库、传感器和转发器(transponder)获得的信息(例如，飞行路径信息、导航辅助(NAVAID)、空域信息、地形信息、天气信息、性能信息、交通信息等)。
因此，期望在座舱显示器上以简单直观的符号体系来使飞行员警惕潜在的意料之外的LTE。所期望的方法和系统评价旋翼机空速、风速、风向、和旋翼机离地高度以预测针对LTE区域的几种场景。所期望的方法和系统对现有的PFD和/或MFD覆盖或叠加简单直观的符号体系，以使飞行员警惕潜在的LTE。所期望的方法和系统降低了飞行员的认知工作量，并因此增强了飞行员的态势感知。
发明内容
提供本发明内容以简化形式引入了下文在详细描述部分中被进一步描述的概念的选集。本发明内容并不意图确定所要求保护的主题的关键特征或基本特征，其也不打算用来帮助确定所要求保护主题的范围。
提供一种用于在具有尾桨的旋翼机上使飞行员警惕潜在尾桨失效(LTE)的方法。该方法包括：处理来自(i)大气数据计算机(ADC)，(ii)性能数据库，及(iii)天气源的数据，以确定旋翼机是否处于LTE区域内；以及当确定旋翼机是处于LTE区域内时，相对于旋翼机确定LTE区域内的风速和LTE区域内的风向；以及在座舱显示器上叠加视觉上可区分的符号，该符号指示LTE区域内的风速和LTE区域内的风向。
提供另一种用于使具有尾桨的旋翼机的飞行员警惕潜在尾桨失效(LTE)的方法。该方法包括：处理来自大气数据计算机(ADC)和来自性能数据库的数据以确定旋翼机的向前空速是否处于或低于预定的最小向前空速阈值；处理来自天气源的数据以确定风速和风向；当旋翼机的向前空速处于或低于预定的最小向前空速阈值并且(i)风向是从相对于旋翼机的约210度到约330度并且尾翼正按照与风向相同的方向移动空气，或(ii)风向是从约285度到约315度且风速是从约10节到约30节时，确定旋翼机处于LTE区域内；以及当确定旋翼机处于LTE区域内时，在主飞行显示器上叠加视觉上可区分的符号，该符号指示LTE区域内的风速和LTE区域内的风向。
还提供一种用于使具有尾桨的旋翼机上的飞行员警惕潜在尾桨失效(LTE)的系统。该系统包括：大气数据计算机(ADC)，其用于提供旋翼机空速和旋翼机姿态；性能数据库，其用于提供旋翼机数据；天气数据源，其用于提供温度和风况；包括座舱显示器的显示系统；以及耦合到ADC、性能数据库、天气数据的源和显示系统的处理器，所述处理器被配置以：基于旋翼机空速和风况，确定旋翼机是否处于LTE区域内，以及当确定旋翼机处于LTE区域内时，(i)相对于旋翼机确定LTE区域内风速和LTE区域处的风向；以及(ii)命令显示系统以在座舱显示器上叠加视觉上可区分的符号，该符号指示LTE区域内的风速和LTE区域内的风向。
从下面的详细描述和所附的权利要求书连同附图和该背景技术，其他期望的功能将变得明显。
附图说明
结合附图，可以从以下的详细说明中衍生出本发明主题的更完整理解，其中相似附图标记表示相似元件，以及：
图1图示出旋翼机可能经历LTE时的第一场景；
图2图示出旋翼机可能经历LTE时的第二场景；
图3是根据实施例的，用于使飞行员警惕潜在尾桨失效的系统的框图；
图4是根据实施例第一选择的，具有针对潜在LTE的警告的主飞行显示器(PFD)的简化图示；
图5是根据实施例第二选择的，具有针对潜在LTE的警告的主飞行显示器(PFD)的简化图示；
图6是根据实施例的其中路径点在潜在LTE区域内的警告的多功能显示器(PFD)的简化图示；以及
图7是根据实施例的具有除在地面效应(IGE)以外的针对LTE区域的警告的主飞行显示器(PFD)700的简化图示。
具体实施方式
下面的具体实施方式在本质上仅是示例性的，并且不意图限制本主题的实施例或这样的实施例的应用和使用。如在这里使用的，词语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”。这里描述为示例性的任意实现方式不必然解释为比任意其他实现方式优选或有利。另外，不意图通过在之前的技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式中提出的任何明确或隐含的理论来进行限界。
可以在这里根据功能和/或逻辑块部件并且参考可以由各个计算部件或设备执行的操作、处理任务和功能的符号表示来描述技术和工艺。这样的操作、任务以及功能有时被称为是计算机执行的、计算机化的、软件实现的或者计算机实现的。实践中，通过操纵系统存储器中存储位置处的表示数据比特的电信号以及其他信号处理，一个或多个处理器设备可以实行所描述的操作、任务和功能。数据比特被维持在其中的存储器位置是具有对应于数据比特的特定的电、磁、光学或有机属性的物理位置。应该意识到的是，图中示出的各个块部件可以由被配置为执行指定功能的任意数量的硬件、软件和/或固件部件来实现。例如，系统或部件的实施例可以采用各种集成电路部件，例如，存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，它们可以在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下实行各种功能。
下面的描述可能涉及“耦合”在一起的元件或节点或特征。如这里所使用的，除非另外明确地声明，否则“耦合”意指一个元件/节点/特征直接或间接地接合到另一个元件/节点/特征(或直接或间接地与之通信)，并且不一定是通过机械的方式。因此，虽然附图可以描绘元件的一种示例性布置，但在所描绘的主题的实施例中可以存在附加的介入元件、设备、特征或部件。此外，某些术语还可以仅出于参考的目的用于下面的描述中，并因此并不意图是限制性的。
图1图示出旋翼机可能经历LTE时的第一场景。旋翼机100位于旋翼机主旋翼桨叶跨度102内的中央。代表主旋翼叶片跨度102的圆划分为从0度到360度的度数。风速沿着主旋翼叶片跨度102在径向上变化，并且图1示出具有10节(108)，15节(106)和30节(104)风速的主旋翼叶片跨度102。在285度和315度之间的相对于旋翼机100的左“侧风”或风向表示为角度110。当风向位于旋翼机100的角度110内时，从主旋翼机叶片跨度102创建两个涡流。示出第一涡流112吞没旋翼尾桨105，以及示出第二涡流114朝向旋翼机100的前方。
第一LTE区域可以描述为满足下列条件：旋翼机100具有处于或低于预定的最小向前空速阈值的向前速度、横风方向处于旋翼机100的角110内、以及旋翼机尾桨旋翼105按照与横风相同方向引导风。可以更广泛地定义另一LTE区域，如左侧风方向在距旋翼机100约210度到约330度之内并且旋翼机100具有处于或低于预定最小向前速度阈值的向前速度的情况(本领域技术人员将易于理解的是，具有逆时针叶片旋转方向的旋翼机将易受来自右侧的风的影响，并且将应用相同的分析)。在一个实施例中，针对选择一和选择二的预定最小向前空速阈值是30节。
图2图示出旋翼机可能经历LTE时的第二场景。在图2中，来自旋翼机主旋翼叶片跨度102的风速为5节(208)、10节(206)和15节(204)。当出现“顺风”或来自相对于旋翼机100约120度到约240度的风向时，旋翼机100仍处于另一LTE区域。在这种情况下，如果任其发展，旋翼机100可能风标(weathervane)进入风向。
图3是根据实施例的用于使飞行员警惕潜在尾桨失效的系统的框图300。大气数据计算机(ADC)310、性能数据库和传感器312以及天气源314耦合到处理器305。处理器305可以驻留在飞行管理系统FMS 308内或耦合到飞行管理系统FMS 308，以及它命令显示系统316来生成和更新座舱显示器318。
处理器305包括天气模型模块302、地面速度模块304、涡流逻辑模块306、以及存储器320。在实践中，处理器305可以包括或关联任何适当数量的现有技术中的个体微处理器、飞行控制计算机、导航设备、存储器(例如存储器320)、电源、存储装置、接口卡和其他标准组件。在这方面，处理器305可以包括被设计以执行如下描述的各种方法、处理任务、计算和控制/显示功能的任何数量的软件模型、软件程序(例如，旋翼机显示程序)或指令或与之合作。如所述，处理器305可以被包括在如图3所示的飞行管理系统(FMS)308内，或者也可以单独地存在。FMS 308可以向处理器305提供沿用于旋翼机的航线的针对多个路径点中的每个路径点的风模型和预测的地面速度，以及作为响应，处理器305可以预测针对多个路径点中的每个路径点的风速和风向。
适合用作座舱显示器318的图像生成装置通常采用主飞行显示器(PFD)和多功能显示器(MFD)的形式，并且包括各种模拟(例如，阴极射线管)和数字(例如液晶、等离子、有源矩阵等)显示装置。在某些实施例中，座舱显示器318可以假定为下视显示(HDD)或平视显示器(HUD)的形式，其包含在旋翼机的电子飞行仪表系统(EFIS)内。
在用于使飞行员警惕潜在尾桨失效的系统300的运行期间，ADC310、性能数据库和传感器312、天气源314和FMS308持续向处理器305提供与地形、天气(包括风向和风速)、旋翼机高度、旋翼机姿态等有关的导航数据。响应于输入数据的此组合，处理器305命令显示系统316在座舱显示器318的PFD和MFD上产生2D和3D图形显示，其视觉地提供与主机、天气、导航路线信息、海拔、地形和潜在LTE有关的导航信息组合。处理器305可以向座舱显示器318提供二维格式(例如，作为移动地图显示)、三维格式(例如，作为透视显示)或混合形式(例如，画中画或分割屏幕布置)的复合图像。处理器305可以命令听觉警告装置322(诸如扬声器)以当它确定存在潜在的尾桨失效时发出听觉警告。
如在图4、5、6和7中所图示，当处理器305确定旋翼机处于潜在LTE区域内和/或正在经历的在地面效应(这里称为IGE并结合图7描述)时，处理器305命令显示系统316在现有的座舱显示器318所显示的传统符号上叠加或覆盖视觉上可区分的符号体系以使飞行员警惕。如所述，处理器305也可以命令听觉报警装置322(诸如扬声器)发出听觉警告。视觉上可区分的符号体系通过向飞行员提供简单、直观的视觉通知而提示飞行员开始校正。各种方法或技术可以用来呈递视觉上可区分的符号体系，例如，但不限于，使用如下各方式来描绘符号：高亮、色彩、闪烁以及虚线或折线。
图4是根据实施例的第一选择的具有针对潜在LTE的警告的主飞行显示器(PFD)400的简化图示。传统上，用于旋翼机100的符号示出在PFD 400上的指南针头符号402中以示出旋翼机100的航向。在示例性实施例中，处理器305已经确定旋翼机100是处于LTE区域中。响应于确定旋翼机100处于LTE区域中，视觉上可区分的符号以圆406的形式叠加或覆盖在PFD 400上，使得圆406处于指南针头符号402内，并围绕旋翼机100。此外，视觉上可区分的箭头408叠加或覆盖在PFD 400上，并且朝向位于圆406上的位置处的点，其表示相对于旋翼机100的所确定的“侧风”的风向。在410处显示LTE区域处的风速的量值。当下面的条件为真时可以从PFD400移除视觉上可区分的箭头408：旋翼机100的向前速度不再处于或低于预定最小向前空速阈值和处理器确定旋翼机100不在LTE区域内。
图5是根据该实施例的第二选择的具有针对潜在LTE的警告的主飞行显示器(PFD)500的简化图示。如图4，用于旋翼机的符号100示出在传统地呈递在PFD500上的指南针头符号402中以示出旋翼机100的航向。在示例性实施例中，处理器305已经确定旋翼机100处于LTE区域内。与确定旋翼机100处于LTE区域内相应的是，视觉上可区分的符号502叠加或覆盖在PFD500上，并且朝向指南针头符号402处的点，该点在指南针头符号402上的表明所确定的“横向风”风向的位置处。在符号502内显示LTE区域处的风速。在符号502内显示LTE区域处的风速的量值。在实施例中，符号502具有锯齿状箭头的形状；然而，其它视觉上直观的形状是逾期的。
图6是根据实施例的其中路径点在潜在LTE区域内的警告的多功能显示器(MFD)的简化图示。如前所述，FMS可以提供沿航线的针对多个路径点中的每个路径点的风模型和预测的地面速度，并且，作为响应，处理器305为多个路径点的每个路径点预测风速和风向。在图6所示实施例中，处理器305已经进一步沿着针对飞行器100的投射的飞行路线确定路径点602在LTE区域中。响应于确定路径点602在LTE区域内，通过用具有相似路径点形状的视觉上可区分的符号覆盖路径点602而在视觉上改变路径点602。在实施例中，用于路径点602的符号具有与传统路径点符号相似的路径点形状；然而，其它视觉上直观的颜色和形状是预期的。
图7是根据实施例的具有除在地面效应(IGE)以外的针对LTE区域的警告的主飞行显示器(PFD)700的简化图示。IGE是影响旋翼机性能的一种现象，其在旋翼机以处于或低于预定最小向前空速阈值的向前速度飞行并且靠近地面(这里，“靠近地面”定义为处于或低于预定的最小离地高度)时出现。在旋翼机操作过程中，除了飞进LTE区域外，旋翼机还可以进出正在经历的IGE。在示例性实施例中，处理器305确定旋翼机100是否正在经历IGE并且当确定旋翼机正在经历IGE时发起视觉警告。当确定旋翼机未正在经历IGE时，将显示的IGE符号从座舱显示器318移除。以这种方式，警告飞行员旋翼机飞进和飞出正在经历的IGE。
根据选择一(图4)或选择二(图5)实施例支持使旋翼机飞行员警惕LTE，以及然后进一步使飞行员警惕IGE。在图7中，符号502使飞行员警惕LTE区域，示出了相应的15节的风速。为了额外使飞行员警惕IGE，在指南针头符号402内，视觉上可区分的半透明的符号702重叠在旋翼机符号100上。在图7中，符号702是具有轻微阴影的中心圆，然而符号702的变化是预期的。
因此，已经提供了用于以座舱显示器上的简单直观符号体系来使飞行员警惕潜在意料之外的LTE的方法和系统。所提供的方法和系统估计旋翼机的空速、风速、风向以及旋翼机离地高度以预测用于LTE区域的几种情况。所期望的方法和系统在现有的PFD和/或MFD上覆盖或叠加简单直观的符号体系，以使飞行员警惕潜在LTE。所提供的方法和系统降低了飞行员的认知工作量，且因此增强了飞行员的态势感知。
尽管在前面的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当意识到存在大量变型。还应当意识到，这里描述的一个或多个示例性实施例并不意图以任何方式限制所要求保护的主题的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的一个或多个实施例的方便路线图。应当理解，在不脱离权利要求限定的范围的情况下，可以在各要素的功能和布置方面做出各种改变，权利要求限定的范围包括递交本专利申请时已知的等同物和可预见的等同物。

Claims (9)

1.一种用于使飞行员警惕具有尾桨的旋翼机足以引起尾桨失效LTE的状况的方法，该方法包括：
在（i）耦合到飞行管理系统（FMS）、大气数据计算机（ADC）和性能数据库及传感器并且（ii）包括天气模型模块、地面速度模块、涡流逻辑模块和存储器的处理器处，
连续地接收并处理针对旋翼机的导航数据、风速和风向、旋翼机状态和旋翼机高度；
基于（i）相对于旋翼机的前进方向的风向和风速的组合以及（ii）向前的旋翼机空速处于或低于预定最小向前空速阈值来确定该旋翼机处于LTE区域内，该LTE区域被定义为经历足以造成LTE的状况；
在座舱显示器上叠加视觉上可区分的符号，该符号指示LTE区域内的风速和LTE区域内的风向；
确定沿着针对旋翼机所投射的飞行路线路径点在LTE区域内；以及
响应于确定该路径点在LTE区域内在座舱显示器上视觉地改变指示路径点的符号。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定的最小向前空速阈值基本上是30节。
3.如权利要求1所述的方法，其中确定旋翼机处于LTE区域内还包括，当风向是从约210度到约330度时，确定尾翼是否正按照与风向相同的方向移动空气。
4.如权利要求1所述的方法，其中处理数据以确定旋翼机是否处于LTE区域内还包括确定相对于旋翼机来说是否风向为从约285度到约315度且风速为从约10节到约30节。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
确定旋翼机是否正在经历在地面效应（IGE）；以及
当确定旋翼机正在经历IGE时，在指南针头符号内的旋翼机符号上叠加指示IGE的视觉上可区分的符号。
6.一种用于使具有尾桨的旋翼机的飞行员警惕潜在尾桨失效LTE的系统，该系统包括：
大气数据计算机（ADC），其用于提供旋翼机空速和旋翼机高度；
性能数据库，其用于提供旋翼机数据；
天气数据源，其用于提供温度和风况；
包括座舱显示器的显示系统；
飞行管理系统（FMS）；以及
耦合到大气数据计算机（ADC）、性能数据库、天气数据源、飞行管理系统和显示系统的处理器，所述处理器被配置以：
连续地处理接收到的导航数据、风速和风向、旋翼机状态和旋翼机高度；
基于（i）相对于旋翼机的前进方向的风向和风速的组合以及（ii）向前的旋翼机空速处于或低于预定最小向前空速阈值来确定该旋翼机处于LTE区域内，该LTE区域被定义为经历足以造成LTE的状况；
在座舱显示器上叠加视觉上可区分的符号，该符号指示LTE区域内的风速和LTE区域内的风向；
确定沿着针对旋翼机所投射的飞行路线路径点在LTE区域内；以及
响应于确定该路径点在LTE区域内在座舱显示器上视觉地改变指示路径点的符号。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器还被配置以：
确定旋翼机何时正在经历在地面效应（IGE）；以及
命令显示系统以（i）当旋翼机正在经历IGE时在座舱显示器上叠加指示IGE的视觉上可区分的符号以及（ii）当旋翼机未正在经历IGE时移除指示IGE的视觉上可区分的符号。
8.如权利要求7所述的系统，其中处理器还被配置以：当向前的旋翼机空速低于预定的最小向前空速阈值并且（i）风向是从约210度到约330度，并且（ii）尾翼正按照与风向相同的方向移动空气时，确定旋翼机处于LTE区域内。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述处理器还被配置以，当风向是从约285度到约315度且风速是从约10节到约30节时，确定旋翼机处于LTE区域内。
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