CN108394555B - 用于使旋翼飞行器的纵向加速度稳定的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于使旋翼飞行器的纵向加速度稳定的系统和方法。根据本发明的实施方式，一种操作旋翼飞行器的方法包括：以速度控制模式操作旋翼飞行器，其中，旋翼飞行器的速度与飞行员控制命令成比例；检测高纵向加速度状况；在检测到高纵向加速度状况时，暂时禁用速度控制模式，并且在速度控制模式禁用时使旋翼飞行器稳定；以及当旋翼飞行器的测量纵向加速度下降至第一阈值以下时，重新建立速度控制模式。

Description

用于使旋翼飞行器的纵向加速度稳定的系统和方法

技术领域

本发明大体上涉及用于飞行控制的系统和方法，并且在特定实施方式中，涉及用于使旋翼飞行器的纵向加速度稳定的系统和方法。

背景技术

与机械控制系统相比，飞行器上的电传飞行系统使用电子信号来控制飞行面和飞行器中的发动机。例如，代替使飞行员控制装置经由液压系统与控制面机械连接，将飞行员控制装置以电子方式连接至飞行计算机，该飞行计算机又通过电子信号来控制飞行面致动器。通过另外将飞行计算机与飞行器传感器对接，可以使用复杂的控制算法来提供自动驾驶仪功能以及使飞行器稳定和控制飞行器。

虽然电传飞行系统在商用和民用固定翼飞行器中已经司空见惯，但是这种系统在旋翼飞行器(如直升机)中的采用要慢得多，部分原因是控制旋翼飞行器并使旋翼飞行器稳定的复杂性增加。然而，通过在直升机中采用电传飞行系统，可以在困难的飞行环境(例如低速、低空、劣化的视觉环境、恶劣天气)下实现更安全的操作。电传飞行系统可以有益于旋翼飞行器的另一方面是飞行员工作负担减少。通过提供自动功能，例如响应于风而进行稳定化、控制轴解耦、位置保持和航向保持功能，飞行员能够空出时间以将精力集中在飞行的环境上。

用于旋翼飞行器的电传飞行系统的一个设计挑战是：在由阵风或突然的飞行员控制设置引起的旋翼飞行器加速度的突然变化期间保持对旋翼飞行器的控制。例如，在飞行计算机控制旋翼飞行器的速度的情况下，当速度控制环路具有高环路增益时，旋翼飞行器加速度的突然变化可能引起不稳定性，或者当速度控制环路具有较低环路增益时，旋翼飞行器加速度的突然变化可能引起速度误差。

发明内容

根据本发明的实施方式，一种操作旋翼飞行器的方法包括：以速度控制模式操作旋翼飞行器，其中，旋翼飞行器的速度与飞行员控制命令成比例；检测高纵向加速度状况；在检测到高纵向加速度状况时，暂时禁用速度控制模式，并且在速度控制模式禁用时使旋翼飞行器稳定；以及当旋翼飞行器的测量纵向加速度下降至第一阈值以下时，重新建立速度控制模式。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，在附图中：

图1示出了实施方式的旋翼飞行器；

图2示出了实施方式的旋翼飞行器飞行控制系统的框图；

图3示出了实施方式的飞行控制系统的框图；

图4示出了又一实施方式的飞行控制系统的框图；

图5示出了用于控制实施方式的飞行控制系统的模式的实施方式状态图；

图6示出了加速度稳定性/速度环路控制器的框图；以及

图7示出了可以用于实现实施方式的算法的处理器的框图。

除非另有指明，否则不同附图中的相应附图标记通常指代相应部分。附图被绘制以清楚地示出实施方式的相关方面并且附图未必按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施方式，指示相同结构、材料或处理步骤的变化的字母可以跟在附图标记之后。

具体实施方式

下面描述本公开内容的系统和方法的说明性实施方式。为清楚起见，实际实现方式的所有特征可能未必全部在本说明书中描述。当然，将要理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，可以做出许多特定于实现方式的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这将随实现方式的不同而不同。此外，应该理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员而言仍然是日常任务。

在本文中，在描绘附图中的设备时，可以参考各个部件之间的空间关系以及部件的各个方面的空间取向。然而，如本领域技术人员在完整阅读本公开内容之后将会认识到的，本文所描述的设备、构件、装置等可以以任何期望的取向来定位。因此，由于本文中描述的设备可以以任何期望的方向定向，因此使用诸如“在…上方”、“在…下方”、“上”、“下”的术语或其他类似术语来描述各个部件之间的空间关系或描述这些部件的各方面的空间取向应当分别被理解成描述这些部件之间的相对关系或这些部件的各方面的空间取向。

越来越多地使用旋翼飞行器，特别是用于商业应用和工业应用，导致了更大更复杂的旋翼飞行器的发展。然而，随着旋翼飞行器变得越来越大越来越复杂，飞行旋翼飞行器与固定翼飞行器之间的差异也越来越明显。由于旋翼飞行器使用一个或更多个主旋翼来同时提供升力、控制姿态、控制高度并且提供横向或位置移动，因此不同的飞行参数和控制装置彼此紧密地耦合，这是因为主旋翼的空气动力特性影响每个控制装置和运动轴。例如，旋翼飞行器在巡航速度或高速下的飞行特性可能与在悬停时或相对较低速度下的飞行特性显著不同。另外，对于主旋翼上的不同轴的不同飞行控制输入，例如循环输入或集体输入，影响旋翼飞行器的其他飞行控制装置或飞行特性。例如，使旋翼飞行器的机头向前俯仰来增加前进速度将通常导致旋翼飞行器高度降低。在这种情况下，可以增加总距(collective)来保持水平飞行，但是总距的增加会导致主旋翼的功率增加，这又需要来自尾旋翼的额外的反扭矩力。这与固定翼系统形成对比，在固定翼系统中，控制输入较少彼此密切关联并且不同速度机制下的飞行特性彼此比较密切相关。

近来，在旋翼飞行器中引入了电传飞行(fly-by-wire，FBW)系统，以辅助飞行员稳定地驾驶旋翼飞行器并且减轻飞行员的工作负担。FBW系统在不同飞行机制下可以针对循环、踏板或集体控制输入提供不同的控制特性或响应，并且可以通过将物理飞行特性解耦来提供稳定性辅助或增强，使得飞行员免于需要补偿发给旋翼飞行器的一些飞行命令。FBW系统可以在布置在飞行员控制装置与飞行控制系统之间的一个或更多个飞行控制计算机(FCC)中实现，从而向飞行控制提供校正，这帮助更有效地操作旋翼飞行器或使旋翼飞行器进入稳定飞行模式同时仍允许飞行员改写FBW控制输入。例如，旋翼飞行器中的FBW系统可以自动地调整发动机输出的功率以匹配集体控制输入、在循环控制输入期间应用集体或功率校正、提供一个或更多个飞行控制程序的自动化、提供默认或建议的控制定位等。

用于旋翼飞行器的FBW系统必须针对FBW控制的飞行参数提供稳定的飞行特性，同时允许飞行员改写或调整由FBW系统建议的任何建议飞行参数。另外，在向旋翼飞行器飞行提供增强的控制和自动化功能时，FBW系统必须保持直观且易于飞行员使用飞行控制系统。因此，FBW系统调整飞行员的飞行控制装置，使得控制装置处于与相关飞行参数相关联的位置。例如，FBW系统可以调整集体杆以提供建议的或FBW控制的飞行参数，并且所述参数反映集体或功率设置。因此，当飞行员释放集体杆并且FBW系统提供集体控制命令时，集体杆与实际功率或集体设置有关地直观定位，使得当飞行员抓住集体杆以重新控制时，该控制杆被定位在飞行员所预计的杆针对主旋翼的实际集体设置被定位的位置处。类似地，FBW系统使用循环杆来例如调整飞行路径的湍流、漂移或其他干扰，并且可以在FBW系统补偿循环控制时移动循环杆。因此，当飞行员抓住循环杆以从FBW系统取得对飞行的控制时，循环杆被定位成反映实际的循环设置。

将针对具体上下文中的实施方式来描述本公开内容的实施方式，即用于使旋翼飞行器的纵向加速度稳定的系统和方法。本公开内容的实施方式还可以应用于旋翼飞行器的操作和控制中的其他控制模式转变。

在实施方式的用于旋翼飞行器的电传飞行控制系统中，在旋翼飞行器处于速度控制模式下时，监视导致或可能潜在地导致旋翼飞行器突然加速的状况。在这样的速度控制模式期间，飞行控制系统控制旋翼飞行器的俯仰姿态以实现期望的速度。当存在加速度的较大变化——其通常与极端俯仰姿态角相关联——时，在保持速度控制环路中的高环路增益的同时使旋翼飞行器的俯仰稳定将变得困难。根据速度控制环路的环路增益，加速度的突然变化可能会导致旋翼飞行器不稳定或速度控制精度降低。

在本发明的实施方式中，在检测到高加速度状况时，速度控制环路暂时被禁用，并且在速度控制环路暂时被禁用的情况下，使旋翼飞行器的俯仰姿态稳定。一旦旋翼飞行器的加速度减小至指定的加速度阈值以下，则速度控制环路被重新启用。

图1示出了根据一些实施方式的旋翼飞行器101。旋翼飞行器101具有主旋翼系统103，该主旋翼系统103包括多个主旋翼桨叶105。每个主旋翼桨叶105的俯仰可以由斜盘107控制，以选择性地控制旋翼飞行器101的姿态、高度和运动。可以使用斜盘107来集体地和/或循环地改变主旋翼桨叶105的俯仰。旋翼飞行器101还具有反扭矩系统，该反扭矩系统可以包括尾旋翼109、无尾旋翼(NOTAR)或双主旋翼系统。在具有尾旋翼109的旋翼飞行器中，每个尾旋翼桨叶111的俯仰被集体地改变，以改变反扭矩系统的推力，从而提供对旋翼飞行器101的方向控制。尾旋翼桨叶111的俯仰由一个或更多个尾旋翼致动器改变。在一些实施方式中，FBW系统向尾旋翼致动器或主旋翼致动器发送电信号以控制旋翼飞行器的飞行。

由发动机115向主旋翼系统103和反扭矩系统提供动力。可以存在一个或更多个发动机115，所述一个或更多个发动机115可以根据来自FBW系统的信号来控制。发动机115的输出被提供至驱动轴117，该驱动轴117分别通过主旋翼传动装置119和尾旋翼传动装置机械地和可操作地耦接至旋翼系统103和反扭矩系统。

旋翼飞行器101还包括机身125和尾部123。尾部123可以具有用于控制和稳定旋翼飞行器101的飞行的其他飞行控制设备，例如水平或垂直稳定器、舵、升降舵或其他控制装置或稳定面。机身125包括驾驶舱127，驾驶舱127包括显示器、控制装置和仪器。应该理解，虽然旋翼飞行器101被描绘为具有某些示出的特征，但是旋翼飞行器101还可以具有各种特定于实现方式的配置。例如，在一些实施方式中，如所示出的，驾驶舱127被配置成容纳飞行员或者飞行员和副飞行员。然而，还设想，旋翼飞行器101可以被远程操作，在这种情况下，驾驶舱127可以被配置为全功能驾驶舱以容纳飞行员(并且可能还有副飞行员)以提供更大的使用灵活性，或者可以被配置成具有有限功能的驾驶舱(例如，仅容纳一个人的驾驶舱，这一个人将作为进行操作的飞行员，但也许还具有远程副飞行员，或者这一个人是副飞行员或后备飞行员，同时主驾驶功能由远程执行)。在其他设想的实施方式中，旋翼飞行器101可以被配置为无人交通工具，在这种情况下，可以完全取消驾驶舱127以节省空间和成本。

图2示出了根据一些实施方式的用于旋翼飞行器的电传飞行控制系统201。飞行员可以操纵一个或更多个飞行员飞行控制装置以控制旋翼飞行器的飞行。飞行员飞行控制装置可以包括人工控制装置，例如循环控制组件217中的循环杆231、集体控制组件219中的集体杆233以及踏板组件221中的踏板239。由飞行员向飞行员飞行控制装置提供的输入可以通过飞行控制系统201以机械方式和/或电子方式(例如，经由FBW飞行控制系统)发送至飞行控制设备。飞行控制设备可以表示能够进行操作以改变旋翼飞行器的飞行特性的设备。作为示例，旋翼飞行器上的飞行控制设备可以包括能够进行操作以改变主旋翼桨叶105和尾旋翼桨叶111的位置或迎角或者改变发动机115的功率输出的机械和/或电气系统。飞行控制设备包括诸如斜盘107、尾旋翼致动器113的系统以及能够进行操作以控制发动机115的系统。飞行控制系统201可以独立于机组人员来调整飞行控制设备，以使旋翼飞行器稳定、减少机组人员的工作负担等。飞行控制系统201包括：集体地调整飞行控制设备的发动机控制计算机(engine control computer，ECCU)203、飞行控制计算机205以及飞行器传感器207。

飞行控制系统201具有一个或更多个飞行控制计算机205(fight controlcomputer，FCC)。在一些实施方式中，提供多个FCC 205以用于冗余。FCC 205内的一个或更多个模块可以部分地或全部地体现为用于执行本文描述的任何功能的软件和/或硬件。在飞行控制系统201是FBW飞行控制系统的实施方式中，FCC 205可以分析飞行员输入并且向ECCU 203、尾旋翼致动器113和/或用于斜盘107的致动器发送相应的命令。此外，FCC 205被配置并且通过与每个飞行员飞行控制装置相关联的传感器来接收来自飞行员控制装置的输入命令。通过测量飞行员控制装置的位置来接收输入命令。FCC 205还对飞行员控制装置的触觉提示命令进行控制，或者在例如仪表板241上的仪器中显示信息。

ECCU 203控制发动机115。例如，ECCU 203可以改变发动机115的输出功率以控制主旋翼桨叶或尾旋翼桨叶的旋转速度。ECCU 203可以根据来自FCC 205的命令来控制发动机115的输出功率，或者可以基于反馈例如主旋翼桨叶的测量每分钟转数(RPM)来控制发动机115的输出功率。

飞行器传感器207与FCC 205通信。飞行器传感器207可以包括用于测量各种旋翼飞行器系统、飞行参数、环境状况等的传感器。例如，飞行器传感器207可以包括：用于测量空速、高度、姿态、位置、取向、温度、空速、垂直速度等的传感器。其他传感器207可以包括依赖于源自旋翼飞行器外部的数据或信号的传感器，例如全球定位系统(GPS)传感器、VHF全向范围传感器、仪表着陆系统(ILS)等。

循环控制组件217连接至循环配平组件229，循环配平组件229具有：一个或更多个循环位置传感器211、一个或更多个循环止动传感器235以及一个或更多个循环致动器或循环配平马达209。循环位置传感器211测量循环控制杆231的位置。在一些实施方式中，循环控制杆231是沿两个轴移动并且允许飞行员控制俯仰和滚转的单个控制杆，俯仰是旋翼飞行器的机头的垂直角度(vertical angle)，滚转是旋翼飞行器的左右摆动(side-to-side)角度。在一些实施方式中，循环控制组件217具有分开测量滚转和俯仰的单独的循环位置传感器211。用于检测滚转和俯仰的循环位置传感器211分别生成滚转信号和俯仰信号(有时分别被称为循环经度信号和循环纬度信号)，滚转信号和俯仰信号被发送至FCC 205，FCC205控制斜盘107、发动机115、尾旋翼109或相关的飞行控制设备。

循环配平马达209连接至FCC 205，并且从FCC 205接收信号以使循环控制杆231移动。在一些实施方式中，FCC 205根据以下中的一个或更多个来确定对循环杆231的建议循环杆位置：集体杆位置、踏板位置、旋翼飞行器的速度、高度和姿态、发动机每分钟转数(RPM)、发动机温度、主旋翼RPM、发动机扭矩或者其他旋翼飞行器系统状况或飞行状况。建议循环杆位置是由FCC 205确定以产生期望的循环动作的位置。在一些实施方式中，FCC205向循环配平马达209发送指示建议循环杆位置的建议循环杆位置信号。虽然FCC 205可以命令循环配平马达209将循环杆231移动至特定位置(这又将相应地驱动与斜盘107相关联的致动器)，但是循环位置传感器211检测由循环配平马达206设置的或由飞行员输入的循环杆231的实际位置，从而允许飞行员改写建议循环杆位置。循环配平马达209连接至循环杆231，使得在配平马达正在驱动循环杆231的同时飞行员可以移动循环杆231，以改写建议循环杆位置。因此，在一些实施方式中，FCC 205从循环位置传感器211接收指示实际循环杆位置的信号，并且不依赖于建议循环杆位置来命令斜盘107。

类似于循环控制组件217，集体控制组件219连接至集体配平组件225，集体配平组件225具有：一个或更多个集体位置传感器215、一个或更多个集体止动传感器237以及一个或更多个集体致动器或集体配平马达213。集体位置传感器215测量集体控制组件219中的集体控制杆233的位置。在一些实施方式中，集体控制杆233是沿着单个轴移动或者具有杠杆式动作的单个控制杆。集体位置传感器215检测集体控制杆233的位置，并且将集体位置信号发送至FCC 205，FCC 205根据集体位置信号来控制发动机115、斜盘致动器或相关的飞行控制设备，以控制旋翼飞行器的垂直运动。在一些实施方式中，FCC 205可以向ECCU 203发送功率命令信号并且向主旋翼致动器或斜盘致动器发送集体命令信号，使得主桨叶的迎角集体升高或降低，并且发动机功率被设置为提供所需的功率以保持主旋翼RPM大致恒定。

集体配平马达213连接至FCC 205，并且从FCC 205接收信号以使集体控制杆233移动。类似于对建议循环杆位置的确定，在一些实施方式中，FCC 205根据以下中的一个或更多个来确定对集体控制杆233的建议集体杆位置：循环杆位置、踏板位置、旋翼飞行器的速度、高度和姿态、发动机RPM、发动机温度、主旋翼RPM、发动机扭矩或者其他旋翼飞行器系统状况或飞行状况。FCC 205生成建议集体杆位置，并且将相应的建议集体杆信号发送至集体配平马达213，以将集体杆233移动至特定位置。集体位置传感器215检测由集体配平马达213设置的或由飞行员输入的集体杆233的实际位置，从而允许飞行员改写建议集体杆位置。

踏板控制组件221具有测量踏板控制组件221中的踏板或其他输入元件的位置的一个或更多个踏板传感器227。在一些实施方式中，踏板控制组件221不含配平马达或致动器，并且可以具有在飞行员释放踏板时使踏板居中的机械返回元件。在其他实施方式中，踏板控制组件221具有根据来自FCC 205的信号将踏板驱动至建议踏板位置的一个或更多个配平马达。踏板传感器227检测踏板239的位置并将踏板位置信号发送至FCC 205，FCC 205控制尾旋翼109以使旋翼飞行器偏航或绕垂直轴旋转。

循环配平马达209和集体配平马达213可以分别将循环杆231和集体杆233驱动至建议位置。虽然循环配平马达209和集体配平马达213可以分别将循环杆231和集体杆233驱动至建议位置，但是该运动能力还可以用于向飞行员提供触觉提示。当飞行员正移动杆来指示特定状况时，配平马达209和213可以沿特定方向推动相应的杆。由于FBW系统将杆与一个或更多个飞行控制设备在机械上断开连接，因此飞行员可能不会感觉到与飞行控制组件机械地连接的杆中所固有的急停、振动或其他触觉提示。在一些实施方式中，FCC 205可以使配平马达209和213抵抗驾驶员命令而推动，使得驾驶员感觉到阻力，或者可以命令一个或更多个摩擦设备提供当驾驶员移动杆时感觉到的摩擦。因此，FCC 205通过在杆上提供压力和/或摩擦来控制对杆的感觉。

另外，循环控制组件217、集体控制组件219和/或踏板控制组件221可以各自具有确定飞行员是否正在操纵特定控制设备的一个或更多个止动传感器。例如，循环控制组件217可以具有确定飞行员正握持循环杆231的循环止动传感器235，而集体控制组件219具有确定飞行员是否正握持集体杆233的集体止动传感器237。这些止动传感器235、237检测由飞行员输入引起的相应控制杆的运动和/或位置，而不是由来自FCC 205的命令、旋翼飞行器振动等引起的运动和/或位置，并且向FCC提供指示这样的情况的反馈信号。当FCC 205检测到飞行员控制着或者正在操纵特定控制装置时，FCC 205可以确定该杆脱离止动(out-of-detent，OOD)。类似地，当来自止动传感器的信号向FCC 205指示飞行员释放了特定杆时，FCC可以确定杆处于止动(in-detent，ID)。FCC 205可以基于特定杆或飞行员控制装置的止动状态来向一个或更多个飞行系统提供不同的默认控制命令或自动化命令。

现在转到飞行控制系统201的操作方面，图3以高度示意性方式示出了飞行控制系统201可以将FBW功能实现为运行某些控制律的一系列相互关联的反馈环路的方式。图3代表性地示出了根据实施方式的三环飞行控制系统201。在一些实施方式中，三环飞行控制系统201的元件可以至少部分地由FCC 205来实现。然而，如图3所示，三环飞行控制系统201的部件(301、303、305、307)中的所有部件、一些部件或无部件可以位于旋翼飞行器100外部或远程处，并且通过网络连接309与机载设备通信。

图3的三环飞行控制系统201具有：飞行员输入311、外环路313、速率(中)环路315、内鲁棒环路317、解耦器319以及飞行器装置321(例如，对应于诸如斜盘107、尾旋翼传动装置212等的飞行控制设备、驱动飞行控制设备的致动器(未示出)、诸如飞行器传感器207、位置传感器211、215、止动传感器235、237等的传感器等)。

在图3的示例中，三环设计将内稳定化环路和速率反馈环路与外引导和跟踪环路分开。控制律结构主要将整体稳定化任务和减少飞行员工作负担的相关任务分配给内鲁棒环路317。接下来，中环路315提供速率增强。外环路313集中于引导和跟踪任务。由于内鲁棒环路317和速率环路315提供了大部分的稳定性，因此在外环路层面上需要较少的控制努力。如在图3中代表性地示出的，由于对于飞行稳定性来说外环路313的任务不是必需的，因此可以提供开关322以接通和断开外环路飞行增强。

在一些实施方式中，内鲁棒环路317和速率环路315包括应用于滚转/俯仰/偏航3轴速率陀螺仪和加速度反馈传感器的一组增益和滤波器。内鲁棒环路317和速率环路315二者都可以独立于各种外环路保持模式而保持激活。外环路313可以包括级联的环路层，所述环路层包括姿态环路、速度环路、位置环路、垂直速度环路、高度环路以及航向环路。根据一些实施方式，在所示的环路中运行的控制律使得能够解耦以其他方式耦合的飞行特性，这又可以提供更稳定的飞行特性和减少的飞行员工作负担。此外，外环路313可以允许某些高级别任务或飞行模式的自动化或半自动化操作，从而进一步减轻飞行员工作负担并且允许飞行员集中于其他事项，所述其他事项包括观察周围地形。

图4示出了根据本发明实施方式的飞行控制系统400。飞行员控制装置402表示例如上面在图2中描述的旋翼飞行器的循环控制组件217。如所示出的，飞行员控制装置402与飞行控制器404对接。在各种实施方式中，使用飞行计算机如FCC 205或其他处理硬件来实现飞行控制器404。飞行控制器404还与表示旋翼飞行器的各种致动器的飞行器致动器406对接并且控制飞行器致动器406，所述飞行器致动器406又控制由飞行器动力学块412表示的旋翼飞行器的物理本体。旋翼飞行器上的各种传感器，包括惯性传感器408和空气数据传感器410，向飞行控制器404提供传感器输入。惯性传感器408可以使用例如陀螺仪实现，以测量加速度。空气数据传感器410被配置成通过测量相对于周围气团的空速来确定旋翼飞行器的前进速度。在本发明的替选实施方式中，可以使用其他类型的传感器和系统来确定加速度和速度。

在各种实施方式中，飞行控制器404使用三个环路来控制旋翼飞行器：内鲁棒环路、速率反馈环路和外环路，内鲁棒环路使旋翼飞行器的动力学稳定，速率环路控制旋翼飞行器的角速率，并且外环路向内鲁棒环路和/或速率环路提供控制信号，以影响旋翼飞行器的期望的姿态、速度和位置。在一些实施方式中，外环路支持并提供飞行增强或自动驾驶功能，并且可以基于飞行状况和系统状况来手动地或自动地禁用外环路。另一方面，内鲁棒环路和速率反馈环路保持操作性，以向旋翼飞行器提供稳定性。

出于说明的目的，针对实施方式的速度控制方法和纵向加速度稳定化方法，关于影响旋翼飞行器的俯仰姿态的控制块示出了飞行控制器404。这些控制块包括例如实施方式的纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414和俯仰姿态控制器416。应当理解，飞行控制器404还可以包括影响旋翼飞行器的滚转和偏航以及除俯仰率之外的其他状态的其他控制器和控制路径，所述控制器和控制路径可以使用飞行控制系统和方法以及本领域已知的飞行控制算法来实现。

当旋翼飞行器处于速度控制模式时，纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414基于由飞行员控制装置402指示的期望速度并且基于由空气数据传感器410感测的旋翼飞行器的速度来向俯仰姿态控制器416提供俯仰姿态命令。俯仰姿态控制器结合其他控制算法向可以包括例如斜盘107的致动器406提供俯仰命令，以控制旋翼飞行器的俯仰。在高纵向加速度状况下，纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414暂时禁用速度控制功能并且减小旋翼飞行器的加速度。这样的高纵向加速度状况可以例如由惯性传感器408来检测。在实施方式中，通过对由惯性传感器408感测的纵向加速度(Ax)进行积分并且将经积分的加速度提供至俯仰姿态控制器416来减小旋翼飞行器的加速度。对纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414进行操作的模式的确定可以例如由模式控制器420进行。

图5示出了关于纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414的模式选择的模式控制器420的状态机图。如所示出的，操作可以在其中速度控制环路断开的状态422下开始。在一个示例中，当速度环路断开时，循环杆231提供与其物理偏移成比例的俯仰速率命令。如下所述，当速度环路被启用，例如通过人工选择速度控制模式或者通过由飞行控制器404响应于其他状况而自动选择速度控制模式来启用时，在遭受使得状态机以状态424操作的纵向加速度(Ax)状况的状态424下，根据速度命令来控制旋翼飞行器的俯仰姿态。该速度命令可以例如由飞行员控制装置402或自动驾驶系统(未示出)提供。当速度环路被选择时，纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414确定使旋翼飞行器保持与速度命令对应的纵向速度的俯仰姿态命令。

当感测到高加速度状况并且速度环路被启用时，模式控制器420的操作从其中速度环路接通的状态424转变至状态426下的纵向加速度稳定性模式。高加速度状况包括例如测量加速度的绝对值超过预定阈值。该状况可能例如由以下原因造成：使旋翼飞行器加速或减速的突然的阵风，或者当旋翼飞行器处于异常高或低的俯仰姿态时飞行员将循环杆217返回至止动位置。在一些实施方式中，模式控制器420转变至状态426下的纵向加速度稳定性模式的预定纵向加速度阈值是7英尺/秒²(ft/sec²)。可替选地，取决于具体实施方式及其具体要求，可以使用其他阈值。模式控制器420保持在与纵向加速度稳定性模式对应的状态426，直到检测到低加速度状况。在实施方式中，当测量纵向加速度(Ax)的绝对值小于第二预定纵向加速度阈值时，检测到低加速度状况。在一些实施方式中，该第二预定纵向加速度阈值为2英尺/秒²(ft/sec²)。可替选地，取决于具体系统及其具体要求，可以使用其他阈值。当速度环路被禁用时，模式控制器可以从状态426转变至其中速度环路断开的状态422。在各种实施方式中，当飞行员控制装置402脱离止动时，或者当速度环路被人工取消选择或由自动驾驶系统取消选择时，可以禁用速度环路。这在状态转换图中被表示为从状态424至状态422的转变以及从状态426至状态422的转变。在一些实施方式中，当速度环路通过人工选择、通过自动驾驶系统被启用时，或者当飞行员控制装置402返回止动位置时，模式控制器420可以从速度环路断开状态422转变至与纵向加速度稳定性模式对应的状态426。应该理解，飞行控制器404可以在速度环路接通时、在速度环路断开时、在飞行员控制装置402处于止动位置时以及在飞行员控制装置402脱离止动时监视纵向加速度。

图6示出了纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414的框图。如所示出的，纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414具有包括减法块432的速度控制路径，该减法块432基于参考速度V_Xref与测量速度V_Xfeedback之间的差来确定速度误差信号。速度控制路径还具有由PID增益446、积分器438、比例路径441、微分器440以及求和块442形成的比例积分微分(PID)控制器。在速度控制模式期间，通过以下操作来激活速度控制路径：将速度误差信号经由开关434耦接至PID增益446，并将PID增益446的积分器增益K_I的输出经由开关436耦接至积分器438的输入。在速度控制模式期间，经由开关436将积分器438的输入与感测的加速度信号Ax解耦接。因此，纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414通过以下操作来确定俯仰姿态信号θ_需求：确定参考速度V_Xref与测量速度V_Xfeedback之间的差，并将所确定的差提供给PID控制器。

纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414还包括加速度稳定性路径，该加速度稳定性路径包括增益块444和积分器438。当模式控制器420选择加速度稳定性路径时，积分器438的输入经由开关436耦接至增益块444的输出，并且至PID增益446的输入被经由开关434设置为零。

应该理解，在通过在飞行计算机上运行软件来实现纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414的实施方式中，图6中所示的各个块的功能由在飞行计算机上执行的软件来实现。例如，可以通过执行加法和减法来实现减法块432和求和块442，可以通过分配变量来实现开关434和436，可以由执行累加的代码来实现积分器438，以及可以通过获得当前样本与过去样本之间的差来实现微分器。在一些实施方式中，PID增益446和增益块444可以通过与数值相乘来实现。可替选地，纵向加速度(Ax)稳定性/速度环路控制器414的功能可以使用其他类型的实现方式(例如，使用硬连线逻辑、可重配置逻辑)来实现，或者通过模拟域中的实现方式来实现。

图7示出了计算机系统601。计算机系统601可以被配置成用于执行关于如本文所述的飞行控制系统201的操作的一个或更多个功能。此外，计算机系统601可以部分地或完全地执行任何处理和分析。计算机系统601可以部分地或完全地与其他飞行器计算机系统集成，或者可以部分地或完全地从旋翼飞行器中移除。

计算机系统601可以包括输入/输出(I/O)接口603、分析引擎605以及数据库607。替选实施方式可以根据期望来组合或分布I/O接口603、分析引擎605以及数据库607。计算机系统601的实施方式可以包括一个或更多个计算机，所述一个或更多个计算机包括被配置成用于执行本文所述的任务的一个或更多个处理器和存储器。这可以包括例如具有中央处理单元(CPU)和非易失性存储器的计算机，所述非易失性存储器存储用于指示CPU执行本文所述的至少一些任务的软件指令。这还可以包括例如经由计算机网络进行通信的两个或更多个计算机，其中，一个或更多个计算机包括CPU和非易失性存储器，并且计算机的非易失性存储器中的一个或更多个非易失性存储器存储用于指示任何CPU执行本文所述的任何任务的软件指令。因此，虽然按照离散机器描述了示例性实施方式，但是应当理解，该描述是非限制性的，并且本描述同样适用于包括执行以任何方式在一个或更多个机器之间分布的任务的一个或更多个机器的许多其他布置。还应该认识到，这样的机器不必专用于执行本文所述的任务，而是可以是适用于还执行其他任务的多用途机器，例如计算机工作站。

I/O接口603可以提供外部用户、系统以及数据源与计算机系统601的部件之间的通信链接。I/O接口603可以被配置成允许一个或更多个用户经由任何已知的输入设备向计算机系统601输入信息。示例可以包括键盘、鼠标、触摸屏和/或任何其他期望的输入设备。I/O接口603可以被配置成允许一个或更多个用户接收从计算机系统601经由任何已知的输出设备输出的信息。示例可以包括显示监视器、打印机、驾驶舱显示器和/或任何其他期望的输出设备。I/O接口603可以被配置成允许其他系统与计算机系统601通信。例如，I/O接口603可以允许一个或更多个远程计算机访问信息、输入信息和/或远程地指示计算机系统601执行本文所述的一个或更多个任务。I/O接口603可以被配置成允许与一个或更多个远程数据源进行通信。例如，I/O接口603可以允许一个或更多个远程数据源访问信息、输入信息和/或远程地指示计算机系统601执行本文所述的一个或更多个任务。

数据库607向计算机系统601提供持久性数据存储。虽然主要使用了术语“数据库”，但是存储器或其他合适的数据存储装置可以提供数据库607的功能。在可替选实施方式中，数据库607可以与计算机系统601集成或分离，并且可以在一个或更多个计算机上操作。数据库607优选地提供对于适合于支持飞行控制系统201的操作和方法500的任何信息的非易失性数据存储，所述任何信息包括本文另外论述的各种类型的数据。分析引擎605可以包括一个或更多个处理器、存储器和软件组件的各种组合。

此处对本发明的实施方式进行概括。还可以根据本文提交的说明书和权利要求书的整体来理解到其他实施方式。一个总体方面包括一种操作旋翼飞行器的方法，该方法包括：以速度控制模式操作旋翼飞行器，其中，旋翼飞行器的速度与飞行员控制命令成比例；检测高纵向加速度状况；在检测到高纵向加速度状况时，暂时禁用速度控制模式，并且在速度控制模式禁用时使旋翼飞行器稳定；以及当旋翼飞行器的测量纵向加速度下降至第一阈值以下时，重新建立速度控制模式。

实现方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。在该方法中，以速度控制模式操作旋翼飞行器包括：接收目标纵向速度，接收测量纵向速度，以及基于目标纵向速度和测量纵向速度来确定俯仰致动器命令；在速度控制模式禁用时使旋翼飞行器稳定包括：从惯性传感器接收测量纵向加速度，以及基于测量纵向加速度来确定俯仰致动器命令；重新建立速度控制模式包括：当测量纵向加速度的绝对值下降至第一阈值以下时重新建立速度控制模式，其中，第一阈值可以是例如2英尺/秒²。在一些实施方式中，接收测量纵向速度包括从空气数据传感器接收测量纵向速度。接收目标纵向速度可以包括从飞行员控制装置接收目标纵向速度；以及检测高纵向加速度状况可以包括接收有关飞行员控制装置处于止动的指示。

在实施方式中，检测高纵向加速度状况包括：确定测量纵向加速度的绝对值大于第二阈值，该第二阈值可以是例如7英尺/秒²。可以基于测量纵向加速度来确定俯仰致动器命令包括：对测量纵向加速度进行积分。在一些实施方式中，使旋翼飞行器稳定包括：禁用速度环路控制器的比例路径和微分器路径。

又一总体方面包括一种用于旋翼飞行器的飞行控制系统，所述飞行控制系统包括处理器和存储有可执行程序的非暂态计算机可读存储介质。该可执行程序包括用于执行以下操作的指令：以第一模式操作旋翼飞行器，包括：接收目标纵向速度，接收测量纵向速度，以及使用第一控制算法基于目标纵向速度和测量纵向速度来确定俯仰致动器命令；检测高纵向加速度状况；在检测到高纵向加速度状况时，从以第一模式操作旋翼飞行器转变至以第二模式操作旋翼飞行器，其中，以第二模式操作旋翼飞行器包括：从惯性传感器接收测量纵向加速度，以及使用第二控制算法基于测量纵向加速度来确定俯仰致动器命令；以及当测量纵向加速度的绝对值下降至第一阈值以下时，从以第二模式操作旋翼飞行器转变至以第一模式操作旋翼飞行器。

实现方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。在飞行控制系统中，第一控制算法包括：确定目标纵向速度与测量纵向速度之间的误差，并且对所确定的误差应用比例积分微分控制器；并且第二控制算法包括：对测量纵向加速度进行积分。在一些实施方式中，接收目标纵向速度包括从飞行员控制装置接收目标纵向速度；检测高纵向加速度状况包括接收有关飞行员控制装置处于止动的指示。检测高纵向加速度状况可以包括例如确定测量纵向加速度的绝对值大于第二阈值。在一个实施方式中，第一阈值是2英尺/秒²；并且第二阈值是7英尺/秒²。

另一总体方面包括一种旋翼飞行器，其包括：本体；动力系，其耦接至本体，并且包括动力源和耦接至动力源的驱动轴；旋翼系统，其耦接至动力系并且包括多个旋翼桨叶；飞行控制系统，其能够进行操作以改变旋翼系统的至少一个操作状态；飞行员控制组件，其被配置成接收来自飞行员的命令，其中，飞行控制系统是与飞行员控制组件电通信的电传飞行控制系统；空气数据传感器；惯性传感器；以及飞行控制计算机，其在飞行控制系统与飞行员控制组件之间电通信，飞行控制计算机被配置成：以速度控制模式操作旋翼飞行器，其中，旋翼飞行器的速度与从飞行员控制组件接收的飞行员控制命令成比例；检测高纵向加速度状况；在检测到高纵向加速度状况时，暂时禁用速度控制模式，并且在速度控制模式禁用时使旋翼飞行器稳定；以及当由旋翼飞行器的惯性传感器测量的纵向加速度下降至第一阈值以下时，重新建立速度控制模式。

实现方式可以包括以下特征中的一个或更多个特征。在旋翼飞行器中，飞行控制计算机还被配置成：通过以下操作来以速度控制模式操作旋翼飞行器：从飞行员控制组件接收目标纵向速度，从空气数据传感器接收测量纵向速度，以及基于目标纵向速度和测量纵向速度来确定俯仰致动器命令；当速度控制模式禁用时使旋翼飞行器稳定，包括：从惯性传感器接收测量纵向加速度，以及基于测量纵向加速度来确定俯仰致动器命令；重新建立速度控制模式，包括：当测量纵向加速度的绝对值下降至第一阈值以下时重新建立速度控制模式。飞行控制计算机还可以被配置成：当从飞行员控制组件接收到有关飞行员控制装置处于止动的指示时，检测到高纵向加速度状况。在一些实施方式中，飞行控制计算机还被配置成：当测量纵向加速度的绝对值大于第二阈值时，检测到高纵向加速度状况。

在实施方式中，飞行控制计算机被配置成通过对测量纵向加速度进行积分来基于测量纵向加速度来确定俯仰致动器命令。飞行控制计算机还可以被配置成通过禁用速度环路控制器的比例路径和微分器路径来使旋翼飞行器稳定。在一些实施方式中，飞行控制计算机被配置成将俯仰致动器命令发送至旋翼系统的斜盘。

实施方式的优点包括：除了提供精确的速度控制之外，还能够在加速度突然改变期间或者在大俯仰姿态飞行员命令之后保持对旋翼飞行器的控制的能力。

虽然已经参考说明性实施方式描述了本发明，但是这些描述并不意在以限制性含义进行解释。在参考了本说明书之后，对本领域技术人员而言，说明性实施方式的各种修改和组合以及本发明的其他实施方式将是明显的。因此，所附权利要求书意在涵盖任何这样的修改或实施方式。

Claims (19)

1.一种操作旋翼飞行器的方法，所述方法包括：

以速度控制模式操作所述旋翼飞行器，其中，所述旋翼飞行器的速度与飞行员控制命令成比例，并且，以所述速度控制模式操作所述旋翼飞行器包括：

接收目标纵向速度，

接收测量纵向速度，以及

基于所述目标纵向速度和所述测量纵向速度来确定俯仰致动器命令；以及

检测高纵向加速度状况；

在检测到所述高纵向加速度状况时，暂时禁用所述速度控制模式，并且在所述速度控制模式禁用时使所述旋翼飞行器稳定，其中，在所述速度控制模式禁用时使所述旋翼飞行器稳定包括：

从惯性传感器接收所述测量纵向加速度，以及

基于所述测量纵向加速度来确定所述俯仰致动器命令；以及

当所述旋翼飞行器的测量纵向加速度的绝对值下降至第一阈值以下时，重新建立所述速度控制模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，接收所述测量纵向速度包括：从空气数据传感器接收所述测量纵向速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

接收目标纵向速度包括：从飞行员控制装置接收所述目标纵向速度；并且

检测所述高纵向加速度状况包括：接收有关所述飞行员控制装置处于止动的指示。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述高纵向加速度状况包括：确定所述测量纵向加速度的绝对值大于第二阈值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二阈值是7英尺/秒²。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述测量纵向加速度来确定所述俯仰致动器命令包括：对所述测量纵向加速度进行积分。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述旋翼飞行器稳定包括：禁用速度环路控制器的比例路径和微分器路径。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一阈值是2英尺/秒²。

9.一种用于旋翼飞行器的飞行控制系统，所述飞行控制系统包括处理器和存储有可执行程序的非暂态计算机可读存储介质，所述可执行程序包括用于执行以下操作的指令：

以第一模式操作所述旋翼飞行器，包括：

接收目标纵向速度，

接收测量纵向速度，以及

使用第一控制算法基于所述目标纵向速度和所述测量纵向速度来确定俯仰致动器命令；以及

检测高纵向加速度状况；

在检测到所述高纵向加速度状况时，从以所述第一模式操作所述旋翼飞行器转变至以第二模式操作所述旋翼飞行器，其中，以所述第二模式操作所述旋翼飞行器包括：

从惯性传感器接收测量纵向加速度，以及

使用第二控制算法基于所述测量纵向加速度来确定所述俯仰致动器命令；以及

当所述测量纵向加速度的绝对值下降至第一阈值以下时，从以所述第二模式操作所述旋翼飞行器转变至以所述第一模式操作所述旋翼飞行器。

10.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中：

所述第一控制算法包括：确定所述目标纵向速度与所述测量纵向速度之间的误差，并且对所确定的误差应用比例积分微分控制器；并且

所述第二控制算法包括：对所述测量纵向加速度进行积分。

11.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中：

接收所述目标纵向速度包括：从飞行员控制装置接收所述目标纵向速度；并且

检测所述高纵向加速度状况包括：接收有关所述飞行员控制装置处于止动的指示。

12.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中，检测所述高纵向加速度状况包括：确定所述测量纵向加速度的绝对值大于第二阈值。

13.根据权利要求12所述的飞行控制系统，其中：

所述第一阈值是2英尺/秒²；并且

所述第二阈值是7英尺/秒²。

14.一种旋翼飞行器，包括：

本体；

动力系，所述动力系耦接至所述本体并且包括动力源和耦接至所述动力源的驱动轴；

旋翼系统，所述旋翼系统耦接至所述动力系并且包括多个旋翼桨叶；

飞行控制系统，所述飞行控制系统能够进行操作以改变所述旋翼系统的至少一个操作状态；

飞行员控制组件，所述飞行员控制组件被配置成接收来自飞行员的命令，其中，所述飞行控制系统是与所述飞行员控制组件电通信的电传飞行控制系统；

空气数据传感器；

惯性传感器；以及

飞行控制计算机，所述飞行控制计算机在所述飞行控制系统与所述飞行员控制组件之间电通信，所述飞行控制计算机被配置成：

通过以下操作来以速度控制模式操作所述旋翼飞行器：

从所述飞行员控制组件接收目标纵向速度，

从所述空气数据传感器接收测量纵向速度，以及

基于所述目标纵向速度和所述测量纵向速度来确定俯仰致动器命令，其中，所述旋翼飞行器的速度与从所述飞行员控制组件接收的飞行员控制命令成比例；

检测高纵向加速度状况；

在检测到所述高纵向加速度状况时，暂时禁用所述速度控制模式，并且通过以下来在所述速度控制模式禁用时使所述旋翼飞行器稳定：

从所述惯性传感器接收测量纵向加速度，以及

基于所述测量纵向加速度来确定所述俯仰致动器命令；以及

当由所述旋翼飞行器的所述惯性传感器测量的纵向加速度的绝对值下降至第一阈值以下时，重新建立所述速度控制模式。

15.根据权利要求14所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机还被配置成：当从所述飞行员控制组件接收到有关飞行员控制装置处于止动的指示时，检测到所述高纵向加速度状况。

16.根据权利要求14所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机还被配置成：当所述测量纵向加速度的绝对值大于第二阈值时，检测到所述高纵向加速度状况。

17.根据权利要求14所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机还被配置成：通过对所述测量纵向加速度进行积分来基于所述测量纵向加速度确定所述俯仰致动器命令。

18.根据权利要求14所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机还被配置成：将所述俯仰致动器命令发送至所述旋翼系统的斜盘。

19.根据权利要求14所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机还被配置成：通过禁用速度环路控制器的比例路径和微分器路径来使所述旋翼飞行器稳定。

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