CN108945397A - 一种飞行驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞行驾驶系统，用于有驾驶舱需要人进行操纵的民用飞机或其他飞机中，可以辅助主机长飞行员或替代副驾驶飞行员进行飞机驾驶操纵，实现飞行的更加自动化，在民航领域，缩减了飞行机组中的驾驶员数量，减少了航空公司的运营成本，航空公司可及时获得飞行员非理性与非理智情况下所做的非正常操纵，使航空公司及时掌握飞机状态，提升航空公司运营安全性。

Description

一种飞行驾驶系统

技术领域

本发明属于航空飞机控制技术领域，具体涉及一种飞行驾驶系统。

背景技术

飞机的飞行控制系统一般由主飞行控制系统、高升力系统和自动飞行控制系统组成，这些系统的操纵都是通过驾驶员机组人员实现的。在民用飞机领域，驾驶舱操纵机组人员一般由正、副驾驶两人组成，通常由左边的机长完成起飞和着陆阶段的关键动作，副驾驶一般帮助完成检查单，以及检查各仪表设备是否正常，及协助收放襟翼以及起落架。正副驾驶是对称的，两边的操纵机构都一样，控制油门的手柄在中间，两个人均可控制。机长除了驾驶飞机外，还是飞行途中的管理者，这项职责通常是在机长不控制飞行的时间里进行，特别是在发生紧急情况时。在副驾控制飞行时，机长可以接收来自副驾、乘务员、调度员和空中交通指挥员的讯息，依此来决策事务，确保飞行顺利。

在执行飞行任务期间，副驾驶应协助机长实施安全飞行。如果副驾驶认为机长的工作出现失误或可能导致失误的发生，应及时提出意见或建议。如果机长因病或其他原因失能后，副驾驶有责任立即接替机长承担机长的职责，并将飞机继续飞至计划的下一个落地点或备降场。现有民航运营飞机的模式，至少配备2名飞行员才能实现飞机的驾驶，航空公司需要投入大量飞行员的培训及人员成本，投入运营成本大。机组驾驶人员承担着比较繁重的驾驶任务，机组驾驶人员负责飞行具体任务制定、各种阶段飞行操控、仪器仪表监控等，承担着比较繁重的驾驶任务，尤其在国际长途飞行中，机组驾驶人员体力消耗比较大。机组人员一般由一方操纵飞机，另一方监控飞机，但在长途飞行中，由于人的身体自然生理条件限制，能难保证长时间的专注注意力，因而飞行途中缺乏长期有效的驾驶监控与辅助。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供，所述系统包括机械操纵模块、信息捕获模块及识别模块和核心处理模块，所述信息捕获及识别模块用于对驾驶舱仪表信息进行捕获和识别，所述信息捕获模块及识别模块通过核心处理模块连接机械操纵模块，所述机械操纵模块根据核心处理模块发出的控制输出指令进行操纵控制，对飞机的控制面板和各控制操纵机构进行操作，实现对飞机的飞行控制；

进一步地，所述机械操纵模块包括飞行操纵单元、自动飞行操纵单元、驾驶舱顶控板操纵单元和中央控制台操纵单元，所述飞行操纵单元、自动飞行操纵单元和中央控制台操纵单元为全权限操纵，所述驾驶舱顶控板操纵单元在航前准备阶段，对防火系统区域、液压系统区域、燃油系统区域、电气系统区域、空调系统区域和照明系统区域进行全权限控制，在完成飞行任务后，在前述各区域进行逐次控制，关闭各系统，在飞行中，除非在故障情况下取得特别授权，否则不能对顶控板进行任何操作；

进一步地，所述飞行操纵单元通过对飞行仪表信息的实时读取，获得飞行参数的相关信息，对侧杆/中央杆盘及脚蹬进行操纵并反馈，实现对飞行的姿态控制、速度控制以及航迹控制，替代副驾驶的功能对飞机进行控制；

进一步地，所述自动操纵飞行单元通过对驾驶舱中自动飞行控制板中的按键和按钮进行按压和旋转的操控，替代飞行员进行纵向导引或横向导引控制，在不改变现有驾驶格局的情况下，实现自动飞行；

进一步地，所述中央控制台操纵单元对发动机推力控制手柄进行全权限控制，在自动飞行控制模式下，禁用推力控制，在着陆阶段，进行反推操纵，在飞行阶段，进行俯仰配平、方向舵配平；

在起飞和降落阶段，获得襟缝翼控制手柄权限，实现前缘缝翼、后缘襟翼的伸出与缩回，除非经过特别授权，空中不能进行扰流板的操作；在满足特定条件下，获得起落架手柄的控制权限，实现起落架的收起与放下操作，其中所述特定条件包括达到飞行高度；

进一步地，所述中央控制台操纵单元还可以通过任意无线电管理面板进行无线电调频的控制，辅助人工进行无线电调频；

对光标控制或键盘控制区域进行操作，按照飞行员的指示，对飞行计划和任务进行输入、修改及确认；

对监视控制面板进行控制，按照飞行员指令或预先计划，对气象雷达显示控制、空中交通防撞系统显示控制的按键或旋钮进行操纵；

进一步地，所述信息捕获模块及识别模块包括主驾驶主飞行仪表监控单元、副驾驶主飞行仪表监控单元、飞行仪表备用监控单元和信息识别单元，三组监控单元均位于驾驶舱中后部，三组监控单元将采集的信息同时发送给信息识别单元，所述信息识别单元将信息两两表决，经过表决后的信息，输出给核心处理模块，监控的信息包括飞行姿态、飞行高度和飞行速度等；

进一步地，所述核心处理模块包括对采集到的飞行姿态和任务的图像进行处理，识别飞机飞行姿态、高度和速度信息，获取飞机实时的飞行状态和飞行的故障信息，与核心处理模块中的故障信息状态库进行综合比对，判别故障类型，提供决策建议，对人机交互界面的输入，生成任务规划，对飞机进行操控，实现驾驶舱的操纵；

进一步地，所述机械操纵模块包括机械臂和机械爪，所述机械臂负责操纵需要的往复运动，所述机械臂包括左组件、右组件及下组件，左组件用于中央操纵台及顶控板的控制，右组件用于主飞行控制操纵侧杆或中央杆盘，下组件用于脚蹬的控制；

所述机械爪负责抓取，按照既有的程序，分类的进行按键的按压、旋钮的旋转操作；

进一步地，所述机械臂具有六自由度，具体包括基座、第一肩、第二肩、第三肩、第一肘、第二肘、第三肘、第一腕、第二腕和腕3，所述第一肩、第一肘和第一腕依次连接，形成左组件，所述第一肩连接在基座上，所述第二肩、第二肘和第二腕依次连接，形成右组件，所述第二肩连接在基座上，所述第三肩、第三肘和第三腕依次连接，形成下组件，所述第三肩连接在基座上；

本发明的有益效果如下：

1）目前绝大多数的无人机及商用飞机都具有自动驾驶的功能，本发明提案的目标是通过智能系统来巩固飞行员的驾驶，在人工飞行和越来越强大的计算机与传感器之间，建立一种更为紧密的联系，而不是让飞行完全自动化；

2）该系统不需要对现有飞机进行大的改装，只需将副驾驶（不限于）座椅进行拆卸，将该系统进行原位置部署，即可实现对飞机的操纵,可为飞行机组人员授供飞行全程的监控和飞机多系统的全权限操纵,能够极大的减轻飞行质的心理负担和体力,尤其利于长途飞行；

3）可以辅助主机长飞行员或替代副驾驶飞行员进行飞机驾驶操纵，实现飞行的更加自动化，能够保证在飞行途中进行长期有效的监控与辅助,可提高飞机的操纵安全性:在发生故障时,为机组人员提供快速合理的决策处理方案；

4）在民航领域，缩减了飞行机组中的驾驶员数量，减少了航空公司的运营成本，航空公司可及时获得飞行员非理性与非理智情况下所做的非正常操纵，使航空公司及时掌握飞机状态，提升航空公司运营安全性。

附图说明

图1为本发明背景技术中所述驾驶舱操纵系统示意图；

图2为本发明所述系统的结构框架图；

图3为本发明所述系统中机械操纵模块实例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对 本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图3所示，本发明提供一种飞行驾驶系统，所述系统由 机械操纵模块、信息捕获及识别模块、及核心处理模块三部分组成。 信息捕获及识别模块负责对驾驶舱仪表信息进行捕获和识别。本发明 所述系统用于有驾驶舱需要人进行操纵的民用飞机或其他飞机中，可 以辅助主机长飞行员或替代副驾驶飞行员进行飞机驾驶操纵，实现飞 行的更加自动化，让飞行更安全、更便捷。

所述系统可以全权限操纵飞行控制系统，可实现侧杆（或中央杆盘）的纵向和横向控制；可实现脚蹬的差动控制以实现飞机方向的控制。通过对飞行仪表信息的实时读取，获得飞行参数的相关信息，通过对侧杆/中央杆盘及脚蹬的操纵及反馈，实现对飞行的姿态控制、速度控制以及航迹控制，替代副驾驶的功能对飞机进行控制。

所述系统可以全权限操纵自动飞行控制系统，对驾驶舱中自动飞行控制板中的按键和按钮进行按压和旋转的操控，替代飞行员进行纵向导引、横向导引等控制，在不改变现有驾驶格局的情况下，实现自动飞行更加自动化。

所述系统可以全权限操纵驾驶舱顶控板系统。对航前准备阶段，可以对防火系统区域、液压系统区域、燃油系统区域、电气系统区域、空调系统区域、照明系统区域等进行全权限控制进行启动。在完成飞行任务后，在各区域进行逐次控制，关闭各系统。在飞行中，除非在故障情况下取得特别授权，系统不能对顶控板进行任何操作。

所述系统可以全权限操控中央控制台。对发动机推力控制手柄进行全权限控制，可对其进行推和拉的操作，实现飞机的推力控制功能；在自动飞行控制模型下，具有禁用推力控制功能；在着陆阶段，具有反推操纵功能。在飞行中，根据需要，可进行俯仰配平、方向舵配平。在起飞和降落阶段，获得襟缝翼控制手柄权限，实现前缘缝翼、后缘襟翼的伸出与缩回。在着陆阶段，具有扰流板控制手柄控制权限，实现扰流板的打开与缩回；除非经过特别授权，空中不能进行扰流板的操作。在满足条件下（通过飞行高度，但不限于），获得起落架手柄的控制权限，实现起落架的收起与放下操作。通过无线电管理面板（一般是3个）中的一个进行无线电调频的控制，辅助人工进行无线电调频。系统可对光标控制或键盘控制区域进行操作，按照飞行员的指示，对飞行计划和任务进行输入、修改及确认。对监视控制面板进行控制，按照飞行员指令或预先计划，对气象雷达显示控制、空中交通防撞系统显示控制的按键或旋钮进行操纵。

本发明所述信息捕获模块及识别模块通过核心处理模块连接机械操纵模块，所述机械操纵模块根据核心处理模块发出的控制输出指令进行做动控制，对飞机的操纵面板和各控制操纵机构进行操作，实现对飞机的飞行控制，所述机械操纵模块包括飞行操纵单元、自动操纵飞行单元、驾驶舱顶控板操纵单元和中央控制台操纵单元，所述飞行操纵单元、自动操纵飞行单元和中央控制台操纵单元为全权限操纵，所述驾驶舱顶控板操纵单元在航前准备阶段，对防火系统区域、液压系统区域、燃油系统区域、电气系统区域、空调系统区域和照明系统区域进行全权限控制，在完成飞行任务后，在前述各区域进行逐次控制，关闭各系统，在飞行中，除非在故障情况下取得特别授权，否则不能对顶控板进行任何操作；所述飞行操纵单元通过对飞行仪表信息的实时读取，获得飞行参数的相关信息，对侧杆/中央杆盘及脚蹬进行操纵并反馈，实现对飞行的姿态控制、速度控制以及航迹控制，替代副驾驶的功能对飞机进行控制；所述自动操纵飞行单元通过对驾驶舱中自动飞行控制板中的按键和按钮进行按压和旋转的操控，替代飞行员进行纵向导引或横向导引控制，在不改变现有驾驶格局的情况下，实现自动飞行；所述中央控制台操纵单元对发动机推力控制手柄进行全权限控制，在自动飞行控制模型下，禁用推力控制，在着陆阶段，进行反推操纵，在飞行阶段，进行俯仰配平、方向舵配平，在起飞和降落阶段，获得襟缝翼控制手柄权限，实现前缘缝翼、后缘襟翼的伸出与缩回，除非经过特别授权，空中不能进行扰流板的操作；在满足特定条件下，获得起落架手柄的控制权限，实现起落架的收起与放下操作，其中所述特定条件包括达到飞行高度。所述中央控制台操纵单元还可以通过任意无线电管理面板进行无线电调频的控制，辅助人工进行无线电调频，所述无线电管理面板为3个；

对光标控制或键盘控制区域进行操作，按照飞行员的指示，对飞行计划和任务进行输入、修改及确认；

对监视控制面板进行控制，按照飞行员指令或预先计划，对气象雷达显示控制、空中交通防撞系统显示控制的按键或旋钮进行操纵。

所述信息捕获模块及识别模块包括主驾驶主飞行仪表监控单元、副驾驶主飞行仪表监控单元、飞行仪表备用监控单元和信息识别单元，三组监控单元均位于驾驶舱中后部，三组监控单元将采集的信息同时发送给信息识别单元，所述信息识别单元将信息两两表决，（即对信息两两进行比对），对比结果相同的信息输出给核心处理模块，监控的信息包括飞行姿态、飞行高度和飞行速度。所述核心处理模块包括对采集到的飞行姿态和任务的图像进行处理，辨识飞机飞行姿态、高度和速度信息，获取飞机实时的飞行状态和飞行的故障信息，与核心处理模块中的故障信息状态库进行综合比对，判别故障类型，提供决策建议，对人机交互界面的输入，生成任务规划，对机械手臂进行操控，实现驾驶舱的操纵。

本发明中所有操作通过一组机械组件进行驾驶舱的操控。该机械组件为机械手臂执行核心处理系统的指令，对驾驶舱主飞行控制操纵部件、顶控板及中央操纵台进行控制。该子系统由机械臂和机械爪组成，机械臂分为左、右及下三部分，左组件负责中央操纵台及顶控板的控制，右组件负责主飞行控制操纵部件的操纵（侧杆/脚蹬），下组件负责脚蹬的控制。

机械臂负责进行操纵需要的往复运动，由六部分组成，具体包括基座、第一肩、第二肩、第三肩、第一肘、第二肘、第三肘、第一腕、第二腕和第三腕，所述第一肩、第一肘和第一腕依次连接，形成左组件，所述第一肩连接在基座上，所述第二肩、第二肘和第二腕依次连接，形成右组件，所述第二肩连接在基座上，所述第三肩、第三肘和腕3依次连接，形成下组件，所述第三肩连接在基座上。机械爪（或气爪）负责抓取，按照既有的程序，分类的进行按键的按压、旋钮的旋转等操作。具体工作流程为：在机械臂运动到被抓取物体的附近时，由电能驱动的机械爪被控制器驱动张开，机械臂驱动机械爪进入被抓件范围内，控制器驱动机械爪进行闭合，完成抓取。机械臂进行位移驱动，完成按压动作；若进行旋钮旋转操作，由腕3进行旋转，进行按钮的旋转工作。整个操作路径的规划，操作对象的位置坐标参照机械臂安装位置经事前测量获得，由程序进行驱动。腕3前部装有嵌入式一体摄像头，进行操作效果的评估。

机械手臂具有运动空间保护功能。在机械手臂意外运动或是外部力拉动机械手臂到空间保护范围内时，触发系统位置保护功能，电机驱动机械臂所有关节停止。

本发明所述系统一组人机交互界面被用来与飞行员进行人机交互。该子系统为手持平板电脑的形式，通过有线和无线方式与核心处理子系统相连。该子系统具有两种主要工作模式界面：一种是在启动飞机的自动飞行系统，实现监控功能；另一种是纯机器人驾驶模式，实现飞机的姿态控制、导航控制及飞行航迹控制。

整个系统的工作方式为：飞机驾驶员通过手持平板电脑的屏幕，进行指令的输入，系统进入机器驾驶模式；在该模式下，系统通过安装于机舱内的摄像头，对驾驶舱的主飞行仪表进行图像识别，实现对飞机的俯仰角、滚转角、以及航向的识别，系统获得飞机的信息。通过核心处理子系统中的飞行规则数据库验证，生成为实现飞机控制的机械手臂运动路径规划，发送给机械组件；机械组件按照路径规划，对中央操纵台及顶控板进行控制，实现飞行的更加自动化的操作。

该系统不需要对现有飞机进行大的改装，即可实现对飞机的操纵，实现减少机组人员数量、减少机组人员工作强度、增加飞行安全的目标，具有比较高的应用价值。

本申请“一种飞行驾驶系统”与同日递交的申请“一种飞行控制系统中的故障应对决策装置”和“一种飞行控制系统中的辅助监控装置”共同构成一个完整的智能化飞行控制系统，能够同时实现自动化驾驶、辅助监控和故障应对决策功能，使飞行更智能、更高效、更可靠、更安全，

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种飞行驾驶系统，其特征在于，所述系统包括机械操纵模块、信息捕获模块及识别模块和核心处理模块，所述信息捕获模块及识别模块用于对驾驶舱仪表信息进行捕获和识别，所述信息捕获模块及识别模块通过核心处理模块连接机械操纵模块，所述机械操纵模块根据核心处理模块发出的控制输出指令进行操纵控制，对飞机的控制面板和各控制操纵机构进行操作，实现对飞机的飞行控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械操纵模块包括飞行操纵单元、自动操纵飞行单元、驾驶舱顶控板操纵单元和中央控制台操纵单元，所述飞行操纵单元、自动操纵飞行单元和中央控制台操纵单元为全权限操纵，所述驾驶舱顶控板操纵单元在航前准备阶段，对防火系统区域、液压系统区域、燃油系统区域、电气系统区域、空调系统区域和照明系统区域进行全权限控制，在完成飞行任务后，在前述各区域进行逐次控制，关闭各系统，在飞行中，除非在故障情况下取得特别授权，否则不能对顶控板进行任何操作。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述飞行操纵单元通过对飞行仪表信息的实时读取，获得飞行参数的相关信息，对侧杆/中央杆盘及脚蹬进行操纵并反馈，实现对飞行的姿态控制、速度控制以及航迹控制，替代副驾驶的功能对飞机进行控制。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述自动操纵飞行单元通过对驾驶舱中自动飞行控制板中的按键和按钮进行按压和旋转的操控，替代飞行员进行纵向导引或横向导引控制，在不改变现有驾驶格局的情况下，实现自动飞行。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述中央控制台操纵单元对发动机推力控制手柄进行全权限控制，在自动飞行控制模型下，禁用推力控制，在着陆阶段，进行反推操纵，在飞行阶段，进行俯仰配平、方向舵配平；

在起飞和降落阶段，获得襟缝翼控制手柄权限，实现前缘缝翼、后缘襟翼的伸出与缩回，除非经过特别授权，空中不能进行扰流板的操作；在满足特定条件下，获得起落架手柄的控制权限，实现起落架的收起与放下操作，其中所述特定条件包括达到飞行高度。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述中央控制台操纵单元还可以通过任意无线电管理面板进行无线电调频的控制，辅助人工进行无线电调频；

对光标控制或键盘控制区域进行操作，按照飞行员的指示，对飞行计划和任务进行输入、修改及确认；

对监视控制面板进行控制，按照飞行员指令或预先计划，对气象雷达显示控制、空中交通防撞系统显示控制的按键或旋钮进行操纵。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信息捕获模块及识别模块包括主驾驶主飞行仪表监控单元、副驾驶主飞行仪表监控单元、飞行仪表备用监控单元和信息识别单元，三组监控单元均位于驾驶舱中后部，三组监控单元将采集的信息同时发送给信息识别单元，所述信息识别单元将信息两两表决，经过表决后的信息，输出给核心处理模块，监控的信息包括飞行姿态、飞行高度和飞行速度。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述核心处理模块包括对采集到的飞行姿态和任务的图像进行处理，辨识飞机飞行姿态、高度和速度信息，获取飞机实时的飞行状态和飞行的故障信息，与核心处理模块中的故障信息状态库进行综合比对，判别故障类型，提供决策建议，对人机交互界面的输入，生成任务规划，对飞机进行操控，实现驾驶舱的操纵。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述机械操纵模块包括机械臂和机械爪，所述机械臂负责操纵需要的往复运动，所述机械臂包括左组件、右组件及下组件，左组件用于中央操纵台及顶控板的控制，右组件用于主飞行控制操纵侧杆，下组件用于脚蹬的控制；机械臂具有运动空间保护功能，所述机械臂意外运动或是外部力拉动机械手臂到空间保护范围内时，触发系统位置保护功能，电机驱动机械臂所有关节停止；

所述机械爪负责抓取，按照既有的程序，分类的进行按键的按压、旋钮的旋转操作。

10.根据权利要求9所述系统，其特征在于，所述机械臂具有六自由度，具体包括基座、第一肩、第二肩、第三肩、第一肘、第二肘、第三肘、第一腕、第二腕和第三腕，所述第一肩、第一肘和第一腕依次连接，形成左组件，所述第一肩连接在基座上，所述第二肩、第二肘和第二腕依次连接，形成右组件，所述第二肩连接在基座上，所述第三肩、第三肘和第三腕依次连接，形成下组件，所述第三肩连接在基座上。