CN109348705A - 用于飞行器控制的自调整系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种自调整飞行控制系统。在各种实施例中，输入接口接收至少部分地基于包括信号发射器的输入设备的位置由信号发射器生成的输入信号。耦合到输入接口的处理器动态地确定被用于将从信号发射器接收的输入信号映射到与飞行控制相关联的对应的输出信号的映射，并且使用确定的映射将输入信号映射到对应的输出信号。处理器至少部分地通过计算取平均时段上的输出信号的滑动平均，并且至少部分地调整映射以将包括信号发射器的输入设备的中性位置与至少部分地通过计算的滑动平均确定的对应输出水平相关联，来确定映射。

Description

用于飞行器控制的自调整系统

背景技术

直升飞机和其他飞行器是已知的，但是通常这种飞行器需要训练有素的飞行员来操作它们。已经想象到对于非飞行员而言可访问用于随便使用和/或娱乐以诸如通勤上班、出差、拜访朋友、乘车兜风等的空中旅行，但是迄今为止还没有提供将使这种随便的、非飞行员用户能够操作飞行器的飞行器。

飞行器通常具有多个手动控制设备，在本文中有时被称为“信号发射器（inceptor）”，其使驾驶飞行器的人能够提供以例如电压电平的电信号的形式被传输到被称为“飞行控制器”的专用计算机的手动输入。对飞行控制器的输入通常采用以下中的一个或多个的形式：俯仰、翻滚、偏航和节流（throttle）。飞行控制器通常将输入翻译成被发送到推进引擎（例如，驱动螺旋桨、转子等的马达或引擎）和控制表面的控制信号，控制表面诸如襟翼、方向舵和机翼（例如，翼、转子叶片等）俯仰。

为了实现非飞行员的飞行，飞行器可能需要同时完成更少的自由度和/或更少的“高增益”（或高注意力）的任务。可能有利的一个简化可以是一旦飞行器处于期望的高度处的自动高度维持。例如，已经为无人驾驶飞行器开发高度保持技术并将高度保持技术用在无人驾驶飞行器中，但是通常此类技术依赖于传感器（例如，GPS、加速度计、雷达、压力高度计或其他传感器），其对于意图用于人类飞行的飞行器中的使用（无备用）而言可能不被认为是足够可靠的。

已经提供了用于直升飞机的自动配平控制（trim control） 系统。例如，此类系统可以根据需要使用伺服马达或其他设备来物理地保持、移动和/或预加载循环或其他手动控制，以消除飞行员维持针对信号发射器的恒定的配平力的需要。

附图说明

在以下的具体实施方式和附图中公开本发明的各种实施例。

图1A是图示了飞行器的实施例的俯视图的框图。

图1B是图示了图1A的飞行器100的实施例的侧视图的框图。

图2是图示了自调整飞行控制系统的实施例的框图。

图3是图示了拇指操作的操纵杆设备的实施例的框图。

图4是图示了在飞行控制系统的实施例中将信号发射器位置与输出相关的示例映射曲线的框图。

图5是图示了飞行控制系统的实施例中的自调整映射模块的实施例的框图。

图6是图示了在飞行控制系统的实施例中将信号发射器位置与输出相关的映射曲线的族的示例的框图。

图7是图示了在飞行控制系统的实施例中将信号发射器位置与输出相关的映射曲线的族的示例的框图。

图8是图示了在飞行控制系统的实施例中动态调整飞行控制手动输入到输出的映射的过程的实施例的流程图。

图9是图示了飞行控制系统的实施例的框图。

图10是图示了在向前飞行中的飞行器的示例的框图。

具体实施方式

可以以许多方式实现本发明，包括作为过程；装置；系统；物质的组成；计算机程序产品，其被体现在计算机可读存储介质上；和/或处理器，诸如被配置为执行被存储在耦合到处理器的存储器上和/或由耦合到处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实现或本发明可以采取的任何其他的形式可以被称作技术。通常，可以在本发明的范围内改变公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，否则诸如被描述为被配置为执行任务的处理器或存储器之类的部件可以被实现为被临时配置为在给定的时间处执行任务的通用部件或者被实现为被制造为执行任务的特定部件。如本文中使用的，术语‘处理器’指代被配置为处理诸如计算机程序指令之类的数据的一个或多个设备、电路和/或处理核。

以下提供本发明的一个或多个实施例的具体实施方式连同说明本发明的原理的附图。结合此类实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限制，并且本发明包括许多替换、修改和等同物。在以下的描述中记载了许多具体的细节，以便提供对本发明的透彻理解。提供这些细节是出于示例的目的并且可以在没有这些具体细节中的一些或所有的情况下根据权利要求书来实践本发明。为了清楚起见，没有详细地描述在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，使得没有不必要地模糊本发明。

公开了用于飞行器控制的自调整系统。在各种实施例中，飞行控制系统自动地调整自身，以改变信号发射器（手动飞行控制输入设备）输入如何被映射到对应的输出，例如通过将信号发射器的“中央”或其他“中性”位置关联到动态地确定的对应输出。在一些实施例中，飞行控制系统例如在固定的滚动窗口（例如，最后4秒）上计算滑动平均，并且将中央或其他中性位置映射到计算的平均输出位置。在一些实施例中，本文中公开的技术可以被用于“学习”节流控制的中央/中性位置以及与维持高度和/或稳态上升或下降率相关联的输出水平（例如，驱动飞行器的转子的电马达的电压）并且与之相关联。

图1A是图示了飞行器的实施例的俯视图的框图。在各种实施例中，如本文中公开的自调整飞行控制系统可以被体现在诸如图1A的飞行器100之类的飞行器中。在所示的示例中，飞行器100包括位于飞行器100的中央部分的舱室102。示出了定位在舱室102周围的四个转子壳体104。每个转子壳体104包括上转子106和关联的马达108。在各种实施例中，舱室102、转子壳体104、转子106和/或马达108中的一个或多个可以被安装在框架（未示出）上或被安装到框架（未示出）。在所示的示例中，舱室102包括被配置为容纳单人乘员的座位110和被安装在基座114上的把手式飞行控制112。

在各种实施例中，飞行控制112可以具有安装在其上的一个或多个拇指操作的或其他信号发射器。例如，飞行控制112可以具有左侧拇指操作的小型操纵杆或其他信号发射器以接收与两个自由度（例如，俯仰和翻滚）关联的输入以及与两个其他输入（例如，偏航和节流）关联的右侧信号发射器。包括被安装在基座114上或基座114中的部件的飞行控制系统可以接收经由此类信号发射器提供的输入，并且作为响应提供输出以例如通过控制各个马达108的相应速度来控制飞行器100的姿态、高度和/或速度。

图1B是图示了图1A的飞行器100的实施例的侧视图的框图。在所示的示例中，可见飞行器100在每个转子壳体104中包括由关联的上马达108驱动的上转子106和由关联的下马达108驱动的下转子106。因此在该示例中，飞行器100是八转子飞行器，有时被称作“八旋翼直升飞机”。这种飞行器使用飞行控制系统接收飞行员经由一个或多个信号发射器提供的输入，并且向相应的马达108提供输出，例如以计算的速度驱动每个转子106，从而导致转子106共同维持飞行器100的姿态、高度和速度中的一个或多个。

图2是图示了自调整飞行控制系统的实施例的框图。在各种实施例中，图2的飞行控制系统200可以被用于控制诸如图1A和图1B的飞行器100之类的飞行器。在所示的示例中，飞行控制系统200包括一个或多个信号发射器202的集合，其中的每个被配置为接收手动输入并且提供对应的电输出或输出204的集合（例如电压，每个电压对应于在关联的轴/方向上的位移）。在该示例中，提供输出204作为对第一级飞行控制器206的输入。在各种实施例中，第一级飞行控制器206将（一个或多个）输入204映射到去往常规的飞行控制器210的诸如俯仰、翻滚、偏航和节流输入之类的飞行控制信号208的对应集合。飞行控制器210至少部分地基于信号208确定对应的控制信号212（在所示示例中由信号212a、212b和212h表示），以控制驱动相应的转子214（在示出的示例中由转子214a、214b和214h表示）中的每个的速度。转子214中的每个由例如电池或其他电源之类的关联的电源216供电。

在各种实施例中，第一级飞行控制器206包括将从（一个或多个）信号发射器或（一个或多个）其他手动操作的飞行控制接收的相应的输入信号204映射到对应的飞行控制器输入208的映射模块（图2中未示出）。在各种实施例中，飞行控制系统200是自调整的，因为一个或多个信号发射器202的中央或其他中性位置可以被动态地重新映射到不同的对应输出208。例如，在一些实施例中，为了维持高度（或者稳态的上升或下降率）而不需要对节流控制/信号发射器的恒定的主动操纵，第一级飞行控制器206以使得与输入204的中央/中性水平相关联的输出208处于维持期望的高度（或稳态的上升/下降率）所需的水平的方式动态地调整节流输入204到对应输出208的映射。

在一些实施例中，可以至少部分地通过计算例如诸如最后4秒之类的固定大小的移动窗口上的适当的输出208的滑动平均，并且对映射进行动态地调整，使得与对应信号发射器的中央/中性位置关联的对应输入204映射到计算的平均输出，来执行重新映射。在各种实施例中，结果，如果允许信号发射器返回到中央/中性位置，则可以维持当前的高度（或稳态上升/下降率），尽管诸如飞行器中的乘员和/或其他有效载荷的重量、电池或其他电源216中的当前电力水平等之类的可能随时间改变的变量。

虽然第一级控制器206在图2中被示出为插入在（一个或多个）信号发射器202和飞行控制器210之间的单独的模块，但是在一些替代的实施例中，可以由被集成到飞行控制器210中的元件执行如本文中公开的自调整映射。

图3是图示了拇指操作的操纵杆设备的实施例的框图。在各种实施例中，诸如图3的操纵杆300之类的拇指操作的微型操纵杆可以被用作诸如图2的（一个或多个）信号发射器202之类的信号发射器，以经由用户的操纵来控制飞行器。在所示的示例中，操纵杆300包括安装在杆304上的帽302。杆304延伸到壳体306中并经由安装件308安装到壳体306的基座部分，所述安装件308包括被配置成以至少部分地基于沿着关联轴的对于帽302和杆304的上端的位移的方向和/或量级，例如，如在帽302的上方所示的双箭头指示的那样，确定的水平（ 例如，不同的电压电平）提供信号310的传感器。例如，在一些实施例中，图3可以示出侧视图，并且双箭头可以与帽302的向前/向后（aft）操纵相关联。在一些实施例中，此类向前/向后操纵可以与节流输入/控制相关联。

进一步参考图3，如所示示例中的弹簧312表示的那样，杆304被示出是受载弹簧（spring loaded），使得杆304倾向于返回到中央或其他中性位置，在该示例中是如所示的杆304的竖直/直立位置。在各种实施例中，信号发射器可以被配置为通过一个或多个弹簧或者其他结构来倾向于返回到中央或中性位置。

在各种实施例中，图3的信号310可以对应于诸如图2的（一个或多个）输入204之类的信号发射器输入。在各种实施例中，可以如本文中公开的那样动态地调整与诸如图3中所示的位置之类的信号发射器300的中央位置相关联的信号310的水平的映射，例如以通过将中央位置重新映射到用户在诸如过去4秒之类的采样时段上已经维持的节流水平来维持高度。

图4是图示了在飞行控制系统的实施例中将信号发射器位置与输出相关的示例映射曲线的框图。在各种实施例中，诸如图4的映射曲线400之类的映射曲线可以被用于将从一个或多个信号发射器接收的输入水平映射到诸如节流之类的对应的飞行控制信号水平。在所示的示例中，映射曲线402表示分段线性函数，所述分段线性函数包括与在负（例如，向后）方向上的位移的最后15％相关联的第一区段、与从-85%到+85%的位移相关联的第二区段以及与在相对于中央的正（例如，向前）方向上的最终15％中的位移相关联的第三区段。在图4中由输入水平“0”表示的中央位置被映射到是最大水平的百分之“X”或X%的对应输出水平。在一些实施例中，在自调整节流控制的情况下，中央位置“0”可以被初始地映射到默认值，例如最大输出的70%。当飞行器飞行时，例如，从起飞开始或此后不久开始，在各种实施例中，可以如本文中公开的那样对映射进行动态地调整，使得中央或“0”位置对应于水平，其与在诸如最后4秒之类的固定持续时间的滚动窗口上计算的滑动平均相对应。

图5是图示了飞行控制系统的实施例中的自调整映射模块的实施例的框图。在各种实施例中，图500的映射模块500可以被包括在诸如图2的第一级飞行控制器206之类的第一级飞行控制器中，和/或被集成到诸如图2的飞行控制器210之类的主要的飞行控制器中。在所示的示例中，映射模块500接收去往映射部件504的输入500。映射部件504可以包括电路、编程逻辑电路（诸如被编程到FPGA或其他设备中的逻辑）和/或在通用和/或专用处理器上运行的软件部件中的一个或多个。映射部件504将输入水平502映射到对应的输出水平506，所述对应的输出水平506例如是在自调整节流控制的情况下的节流水平。提供输出506作为对于取平均部件510的反馈508，所述取平均部件510被配置为计算例如在滚动的4秒窗口上的滑动平均。计算的平均512被提供到映射部件504，所述映射部件504在各种实施例中使用所述平均来自调整输入信号502到输出水平506的映射，使得与信号发射器的中央（或其他中性）位置相关联的输入水平502映射到至少部分地基于计算的平均512确定的水平。

在各种实施例中，映射部件504可以被配置为至少部分地通过至少部分地基于平均512选择和/或构造映射曲线来基于平均512自调整映射。在一些实施例中，映射部件504可以选择（或构造）是映射曲线的预定义的族的成员的映射曲线。

图6是图示了在飞行控制系统的实施例中将信号发射器位置与输出相关的映射曲线的族的示例的框图。在各种实施例中，诸如图5的映射部件504之类的映射部件或模块可以至少部分地基于计算的滑动平均输出X来选择和/或构造映射曲线的族的成员/从映射曲线的族选择和/或构成员，所述映射曲线的族诸如图6中所示的曲线的族600。在所示的示例中，分别示出了被标记为“1”、“2”、“3”和“4”的族的四个成员。每个成员分别对应于被标记为X₁、X₂、X₃和X₄的关联的计算的平均输出。

在所示的示例中，族的每个成员在映射曲线的中央（第二）区段中具有相同的斜率。在各种实施例中，这种方法响应于通过在该示例中对应于-85％到+ 85％输入水平的信号发射器的运动范围的大部分的信号发射器的移动而提供类似的响应和/或用户体验。在该示例中，映射曲线600的族的相应成员的第一和第三区段具有不同的斜率，以使得能够访问最小（0％）和最大（100％）输出（例如，节流）水平，而无论使用何种映射曲线。

在一些实施例中，可以基于接收的滑动平均通过计算/构造分段线性函数来自调整映射。例如，固定、预配置的斜率可以被用于中间区段，使得中央或“0”位置与等于滑动平均或基于滑动平均计算的输出水平处与区段相交。可以计算针对-85%和+85%的输入水平的输出水平，并且相应的值用于计算第一和第三区段的相应斜率，使得0％和100％输出水平可以分别通过-100％和+100％的信号发射器输入水平达到。

在一些替代的实施例中，计算了曲线的预定集合并且使用了具有最接近滑动平均的当前值的中央/中性值的曲线。

图7是图示了飞行控制系统的实施例中将信号发射器位置与输出相关的映射曲线的族的示例的框图。在所示的示例中，族700中的每个成员包括仅两个区段，选择和/或计算每个区段，使得信号发射器的“0”位置对应于滑动平均输出“X”的当前值，第一区段从原点运行到对应于中央位置和平均输出X的点，并且第二区段从平均输出X运行到与100%输入和100%输出关联的点。

虽然在图6和图7中示出了映射曲线的特定族，但是在各种实施例中可以使用映射曲线的其他族。

图8是图示了在飞行控制系统的实施例中对飞行控制手动输入到输出的映射进行动态调整的过程的实施例的流程图。在各种实施例中，映射模块和/或包括诸如图2的第一级飞行控制器206之类的飞行控制器和/或诸如图2的飞行控制器210之类的飞行控制器的其他部件可以实现图8的过程。在所示的示例中，在该示例中在4秒滚动窗口上计算滑动平均输出（802）。如果满足（关于）用于调整信号发射器输入到关联的输出的映射的标准（804），则确定（例如，选择、计算等）并使用新的映射曲线（806）。否则，继续使用当前的映射曲线（804，808）。

在各种实施例中，可以在每次滑动平均改变时调整（804，806）映射，或者在一些实施例中仅在该改变大于阈值量时调整（804，806）映射。在一些实施例中，可以忽略（804，808）在规定的和/或检测的转变时段的期间发生的改变，转变时段诸如起飞、着陆或两者。在一些实施例中，可以通过确定信号发射器输入和对应输出中的一个或两个的改变率来检测转变时段。例如，可以计算一阶导数，并且如果该值大于规定的阈值，则可以抑制自调整特征。

图9是图示了飞行控制系统的实施例的框图。在各种实施例中，图9的飞行控制系统900可以被用于提供高度控制，所述高度控制作为一阶控制使用高度传感器以及使用作为备用的如本文中公开的自调整飞行控制，例如，所述备用被配置为在基于传感器的控制的故障的情况中使用。在所示的示例中，一个或多个信号发射器902向依靠传感器的飞行控制器906提供输入。依靠传感器的飞行控制器906使用来自（一个或多个）信号发射器902的输入和来自传感器904的输入来控制飞行，例如，以维持高度。传感器故障检测电路或模块（例如，软件）908被配置为接收由传感器904提供的信号并且基于对此类信号的分析（或此类信号的丢失）来检测传感器故障。在检测到关键传感器故障（例如，基于GPS或高度计的高度输入丢失，并且在来自其他传感器的支援不足）时，在各种实施例中，传感器故障检测电路或模块908提示独立于传感器的备用飞行控制器910从依靠传感器的飞行控制器906接管。在各种实施例中，备用飞行控制器910可以使用本文中公开的技术来实现/接近高度保持（或其他期望的飞行器响应/行为）而不需要高度（或其他）传感器。

虽然在本文中描述的许多示例中，如本文中公开的自调整飞行控制系统被用于在不依赖于传感器的情况下实现/接近高度保持，但是在各种实施例中，本文中公开的技术可以用于自调整飞行控制系统，使得信号发射器的中央或其他中性位置被动态地重新映射以被映射到除了与维持当前高度相关联的节流（或其他）输出值之外的计算的平均输出的值。

图10是图示了在向前飞行中的飞行器的示例的框图。在所示的示例中，飞行器1000被示出为处于向前俯仰的位置，使得固定的俯仰转子在向前方向1002上驱动飞行器。在各种实施例中，本文中公开的技术可以被用于信号发射器输入水平到对应的输出水平的映射，使得一个或多个手动飞行控制的（一个或多个）相应的中央或其他中性位置被映射到（一个或多个）对应的计算的滑动平均输出水平。

使用本文中公开的技术，可以通过对信号发射器输入水平到关联的输出水平的映射进行动态和自动地调整，例如，使得信号发射器的中央或其他中性位置可以被映射到输出水平的对应的计算的滑动平均来减少控制飞行的复杂性。在各种实施例中，可以在不依赖于可能易于故障的高度或其他传感器的情况下实现（或接近）诸如高度保持之类的期望的飞行器行为。

虽然出于清楚理解的目的已经在一些细节上描述了前述实施例，但是本发明不限于提供的细节。存在实现本发明的许多替代方式。公开的实施例是说明性的并且是非限制性的。

Claims (20)

1.一种飞行控制系统，包括：

输入接口，其被配置为接收至少部分地基于包括信号发射器的输入设备的位置由信号发射器生成的输入信号；以及

处理器，其耦合到输入接口并且被配置为：

动态地确定映射，所述映射被用于将从信号发射器接收的输入信号映射到与飞行控制相关联的对应的输出信号；以及

使用确定的映射将输入信号映射到对应的输出信号；

其中，处理器被配置为至少部分地通过在取平均时段上计算输出信号的滑动平均，并且至少部分地调整映射以将包括信号发射器的输入设备的中性位置与至少部分地通过计算的滑动平均确定的对应输出水平关联，来确定映射。

2.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中信号发射器包括节流控制并且对应的输出信号包括节流水平。

3.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中在四秒取平均时段上计算滑动平均。

4.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中处理器被配置为至少部分地基于用于调整映射的标准已被满足的确定来动态地调整所述映射。

5.根据权利要求4所述的飞行控制系统，其中标准包括以下中的一个或多个：计算的滑动平均的任何改变；大于对应的阈值的计算的滑动平均的改变；不存在输入信号和对应的输出信号中的一个或两个已经以大于阈值改变率进行改变的指示；以及不存在飞行器正在起飞、着陆或以其他方式正在有意地飞往新的高度的指示。

6.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中处理器被配置为至少部分地通过调整映射以将包括信号发射器的输入设备的中性位置与等于计算的滑动平均的对应输出水平关联来确定映射。

7.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中处理器被配置为至少部分地通过至少部分地基于输出信号的计算的滑动平均构造分段线性函数来确定映射。

8.根据权利要求7所述的飞行控制系统，其中分段线性函数包括与中性位置关联的中央区段，并且所述中央区段通过输出信号的计算的滑动平均的值的至少范围具有相同的规定斜率。

9.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中中性位置包括中央位置。

10.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中中性位置包括输入设备被配置为在被释放时返回的位置。

11.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中输出信号包括与被配置为控制飞行器高度的多个转子相关联的节流信号。

12.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中处理器被配置为至少部分地基于提供高度保持的主要飞行控制器依赖的传感器的故障的指示来确定和使用所述映射以将输入信号映射到对应的输出信号。

13.一种用于控制飞行的方法，包括：

接收至少部分地基于包括信号发射器的输入设备的位置由信号发射器生成的输入信号；

动态地确定映射，所述映射被用于将从信号发射器接收的输入信号映射到与飞行控制相关联的对应的输出信号；以及

使用确定的映射将输入信号映射到对应的输出信号；

其中，处理器被配置为至少部分地通过在取平均时段上计算输出信号的滑动平均，并且至少部分地调整映射以将包括信号发射器的输入设备的中性位置与至少部分地通过计算的滑动平均确定的对应输出水平关联，来确定映射。

14.根据权利要求13所述的方法，其中信号发射器包括节流控制并且对应的输出信号包括节流水平。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在四秒取平均时段上计算滑动平均。

16.根据权利要求13所述的方法，其中至少部分地基于用于调整映射的标准已被满足的确定来动态地调整所述映射。

17.根据权利要求16所述的方法，其中标准包括以下中的一个或多个：计算的滑动平均的任何改变；大于对应的阈值的计算的滑动平均的改变；不存在输入信号和对应的输出信号中的一个或两个已经以大于阈值改变率进行改变的指示；以及不存在飞行器正在起飞、着陆或以其他方式正在有意地飞往新的高度的指示。

18.根据权利要求13所述的方法，其中至少部分地通过调整映射以将包括信号发射器的输入设备的中性位置与等于计算的滑动平均的对应输出水平关联来确定映射。

19.根据权利要求13所述的方法，其中至少部分地通过至少部分地基于输出信号的计算的滑动平均构造分段线性函数来确定映射。

20.一种用于控制飞行的计算机程序，计算机程序产品被体现在非暂时性计算机可读介质中并且包括用于以下内容的计算机指令：

接收至少部分地基于包括信号发射器的输入设备的位置由信号发射器生成的输入信号；

动态地确定映射，所述映射被用于将从信号发射器接收的输入信号映射到与飞行控制相关联的对应的输出信号；以及

使用确定的映射将输入信号映射到对应的输出信号；

其中，处理器被配置为至少部分地通过在取平均时段上计算输出信号的滑动平均，并且至少部分地调整映射以将包括信号发射器的输入设备的中性位置与至少部分地通过计算的滑动平均确定的对应输出水平关联，来确定映射。