CN109565622B - 用于监视飞行器设备的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于监视飞行器设备(1)的系统，该系统包括各自配备有第一无线通信装置(5)的主电子模块和从电子模块，该从电子模块进一步包括旨在测量该飞行器设备的参数的测量装置(8)，以及使得该从电子模块在能量上自主的电源装置，该主电子模块进一步包括能够检测该飞行器的飞行阶段的检测装置，以及用于经由该第一无线通信装置(5)来控制该从电子模块的该测量装置(8)以便将由该测量装置所进行的测量适配于所检测到的飞行阶段的控制装置。
Description
本发明涉及监视飞行器装备(例如，发动机舱)的领域。
背景技术
飞行器中的众多装备遭受其周围环境的高度应力：温度、压力、振动、冲击、电磁干扰等。
出于首先检测故障或错误的发生，以及其次检测参数的异常变化以便预测这样的错误或这样的故障的目的，大多数飞行器装备由测量代表那些装备的状态的参数的传感器来永久监视。
然而，某些装备(诸如举例而言发动机舱)没有配备此类传感器(或者仅部分地配备在该装备上)，这是因为集成此类传感器带来某些困难。
不幸的是，发动机舱在飞行的某些阶段期间受到高度应力。特别地，机舱在飞行器起飞和爬升阶段期间遭受温度和振动水平的较大变化，以及在飞行器下降、靠近、和着陆阶段期间遭受压力的较大变化。这些温度、振动和压力使机舱受到应力、加速其老化、并且可能导致机舱结构中的机械故障。
目前，在维护操作期间通过视觉检查来检测此类机械故障。然而，在视觉检查之间，可能出现一个或多个机械故障或其可能变得更糟。随后，机舱的状态使机舱遭受大修或者被替换。
当然，已经提出了使机舱配备温度、加速度、和压力传感器的建议，以便更好地检测和预测此类机械故障的出现，以及以便更好地理解发生此类机械故障的起因和原因。然而，将此类传感器集成在机舱中，以及更具体地将它们连接到航空电子网络已经被判断为太复杂以致于不能进行。
发明目的
本发明的目的是降低将监视系统集成在飞行器装备(诸如发动机舱)中的复杂性。
发明内容
为了达成该目的，提供了一种用于监视飞行器装备的监视系统，该系统包括各自配备有用于彼此通信的第一无线通信装置的主电子模块和从电子模块，该从电子模块进一步包括包含用于对该飞行器装备的参数进行测量的传感器的测量装置，以及使得该从电子模块在能量方面独立的电源装置，该主电子模块进一步包括适配成检测该飞行器即将处于的飞行阶段的检测器装置，以及用于经由第一无线通信装置来控制该从电子模块的测量装置以便将由该测量装置所进行的测量适配于所检测到的飞行阶段的控制装置。
该主电子模块和该从电子模块经由该第一无线通信装置来通信。结果，没有用于通信目的的有线连接将主电子模块与从电子模块连接在一起，从而降低了将本发明的监视系统集成在飞行器装备上的复杂性。该从电子模块由该主电子模块经由该第一无线通信装置来控制。因此，可以控制从电子模块，而不需要从电子模块连接到航空电子网络。
类似地，从电子模块的电源装置使得该从电子模块在能量方面独立：因此不需要将从电子模块连接到航空电子网络以为其供电。
最后，应当观察到，将由测量装置所进行的测量适配于飞行阶段特别用于降低在所讨论的飞行阶段期间从电子模块的传感器被采样的频率并且不需要以高频率进行测量，从而减小从电子模块的电力消耗，并且因此增大其独立历时。
根据以下对本发明的特定非限制性实施例的描述，可以更好地理解本发明。
附图简述
参见附图，在附图中：
——图1示出了本发明的监视系统的电子模块；以及
——图2是示出本发明的监视系统的操作的示图。
具体实施方式
参考图1，在该示例中，本发明的监视系统用于监视飞行器发动机2的机舱1。
本发明的监视系统包括分布在机舱1的结构上的电子模块3。该电子模块3包括主电子模块和多个从电子模块。
在该示例中，从硬件的角度来看，每个电子模块3(主电子模块或从电子模块)是相同的，即，无论每个电子模块3是主电子模块还是从电子模块，其都具有相同的电组件。主电子模块和从电子模块的不同之处在于电子模块3的微控制器4中所编程的软件。因此，主电子模块包括具有编程在微控制器4中的软件以使其能够执行特定于主电子模块的功能的微控制器4，而每个从电子模块包括具有在微控制器4中编程的软件以使其能够执行特定于从电子模块的功能的微控制器4。
除了微控制器4之外，每个电子模块3还包括第一无线通信装置5、第二无线通信装置6、电源模块7、测量装置8、以及存储器9。
第一无线通信装置5包括天线和无线电收发机。第一无线通信装置5使得主电子模块能够通过无线电通信与每个从电子模块通信。在该示例中，第一无线通信装置5以与认证要求兼容的频率和功率来使用专有通信协议。在该示例中，所使用的频率为2.4千兆赫兹(GHz)。
类似地，第二无线通信装置6包括天线和射频收发机。在该示例中，第二无线通信装置6仅由主电子模块使用(并且因此在从电子模块上被停用)。第二无线通信装置6使得主电子模块能够将各个数据片段传送到机场区域中的位于飞行器外部的地面上的接收机终端11。本发明的监视系统与地面接收机终端11协作，以使用被设计用于物联网(IoT)的技术来形成低功率广域网(LPWAN)。在该示例中，所使用的技术是窄带型技术或超窄带(UNB)型技术。第二无线通信装置6以与当地法规兼容的频率来操作。在该示例中，所使用的频率等于2.4GHz。通过使用LPWAN网络，第二无线通信装置6呈现相对较低的能耗并且传送相对较少的无线电能量。通信数据率也相对较低，但这不是困难，因为主电子模块与地面接收机终端11之间的通信不需要特别快。
第一无线通信装置5和第二无线通信装置6与关于射频使用的所有国际标准兼容。
第一无线通信装置5和第二无线通信装置6被设计成在仅使用有限功率的同时进行通信，以避免干扰飞行器的其他装备以及地面上的各装备。第一无线通信装置5和第二无线通信装置6特别地与RTCA DO 160标准兼容，特别是与其处理无线电能量传输的章节21兼容。
第一无线通信装置5和第二无线通信装置6对于由飞行器装备生成的或来自地面上的各种干扰源的各种电磁干扰也相对不敏感。
应当观察到，(主电子模块的)第一无线通信装置5和第二无线通信装置6使得本发明的监视系统在通信方面完全独立。(主或从)电子模块3均未连接到航空电子网络。此外，(主或从)电子模块3均未通过有线连接与另一电子模块3(或某一其他装备)连接以便与该其他电子模块3或该其他装备通信。
电源模块7包括能量存储装置，该能量存储装置包括能量收集装置、蓄电池(也可以使用诸如超级电容器之类的其他存储装置)、以及能量管理装置。
在该示例中，能量收集装置将由发动机2生成的振动转换成电能，该电能被用于向电子模块3供电以及使电池充电。当然，同样有可能将一些其他能量源(特别是由发动机2生成的热量或由发动机2的旋转生成的电磁场)转换成电能。
能量管理装置通过使用存储在电池中的电能来向电子模块3供电。能量收集装置被用于使电池充电。能量管理装置将电子模块3的电源适配于以下描述的各种操作模式。
应当观察到，电源模块7使得(主或从)电子模块3在能量方面完全独立。具体而言，每个电子模块3不通过有线连接连接到任何外部板载能量源。
测量装置8包括温度传感器12、加速度传感器13、和压力传感器14。温度传感器12(在机舱1被放置的位置处)测量机舱1的温度，加速度传感器13测量机舱1遭受的振动，并且压力传感器14测量机舱1遭受的压力。
电子模块3的存储器9被用于记录和存储特定量的数据：由传感器进行的测量、由本发明的监视系统执行的处理结果、触发阈值、标识数据、包括机舱1的配置数据的配置参数等。
参照图1和2，以下更详细地描述了本发明的监视系统的操作。
本发明的监视系统以五种操作模式来操作：一种非操作性操作模式15以及四种操作性操作模式。该四种操作性操作模式包括：“滑行”模式16、“起飞和爬升”模式17、“巡航”模式18、以及“下降、靠近、和着陆”模式19。
非操作性操作模式15与飞行器在其发动机关闭的情况下停在地面上的阶段(例如，飞行器停在飞机库中)相关联。术语“与一阶段相关联”被用于表示每当检测到所述阶段时，本发明的监视系统就在所述模式中操作。
每种操作性操作模式与飞行器的在期间实现该模式的一个或多个飞行阶段相关联。
滑行模式16与滑出阶段(即，起飞之前)以及与滑入阶段(即，着陆之后的滑行阶段)相关联。
起飞和爬升模式17与起飞阶段以及与爬升阶段相关联。
巡航模式18与巡航阶段相关联。
下降、靠近、和着陆模式19与下降阶段、靠近阶段、和着陆阶段相关联。
当本发明的监视系统处于非操作性操作模式15时(即在飞行器停在地面上，其中它的发动机关闭时)，每个从电子模块处于待机模式，其中从电子模块的能耗几乎为零。
主电子模块处于低能耗模式：仅主电子模块的微控制器4、温度传感器12、和加速度传感器13是活跃的。
因此，本发明的监视系统的非操作性操作模式是低能耗模式。
当飞行器发动机2启动时，机舱1的温度和机舱1所遭受的振动增大。主电子模块的温度传感器12和主电子模块的加速度传感器13通过测量温度和机舱1所遭受的振动来检测飞行器的发动机2刚刚被激活。因此，主电子模块的温度传感器12和主电子模块的加速度传感器13检测到飞行器即将处于滑出阶段。
随后，主电子模块从低能耗模式切换到正常模式。主电子模块控制从电子模块以使得该从电子模块从待机模式切换到正常模式。从电子模块经由主电子模块的微控制器4以及经由主电子模块的第一无线通信装置5(其因此充当控制装置)以及经由每个从电子模块的第一无线通信装置5来控制。
由于发动机2的启动之后的飞行阶段是滑出阶段，所以主电子模块使从电子模块同步在滑行模式16上。
因此，主电子模块的温度传感器12和加速度传感器13充当检测器装置，该检测器装置适配成检测飞行器即将处于的飞行阶段。
主电子模块控制从电子模块的测量装置8(再次经由主电子模块的充当控制装置的微控制器4和第一无线通信装置5)，以将由测量装置8所进行的测量适配于滑出阶段。具体地，每个从电子模块中的温度传感器12和加速度传感器13以每分钟一次测量的采样频率被激活。由每个从电子模块的温度传感器12和加速度传感器13进行的测量经由第一无线通信装置5传送到主电子模块，该主电子模块将这些测量存储在其存储器9中。
当飞行器正起飞时，机舱1所遭受的振动增大。主电子模块的加速度传感器13检测到飞行器处于起飞阶段。主电子模块使从电子模块同步在起飞和爬升模式上。
因此，主电子模块的加速度传感器13充当检测器装置，该检测器装置适配成检测飞行器即将处于的飞行阶段。
主电子模块经由第一无线通信装置5控制从电子模块的测量装置，以便将由测量装置8所进行的测量适配于起飞和爬升阶段。
具体地，每个从电子模块中的温度传感器12和加速度传感器13以每分钟三次测量的采样频率被激活，并且每个从电子模块的压力传感器14以每分钟一次测量的采样频率被激活。
由每个从电子模块的温度传感器12、加速度传感器13、和压力传感器14所进行的测量经由第一无线通信装置5传送到主电子模块，该主电子模块将这些测量存储在其存储器9中。
在攀爬结束时，飞行器的海拔较高且大气压力相对较低。主电子模块的压力传感器14(其类似地以每分钟一次测量的采样频率被激活)检测爬升阶段的结束并且因此检测巡航阶段的开始。
主电子模块使从电子模块同步在巡航模式上。
因此，主电子模块的压力传感器13充当检测器装置，该检测器装置适配成检测飞行器即将处于的飞行阶段。
随后，主电子模块控制从电子模块的测量装置，以将由测量装置8所进行的测量适配于巡航阶段。
具体地，每个从电子模块的温度传感器12和加速度传感器13以每分钟一次测量的采样频率被激活，并且每个从电子模块的压力传感器14以每分钟一次测量的采样频率被激活。温度传感器12的采样频率和加速度传感器13的采样频率较低，因为巡航阶段仅需要较少监视。因此，本发明的监视系统的电能耗较低。
由每个从电子模块的温度传感器12、加速度传感器13、和压力传感器14所进行的测量经由第一无线通信装置5传送到主电子模块，该主电子模块将这些测量存储在其存储器9中。
巡航阶段的结束标志着下降阶段的开始。下降阶段由主电子模块的压力传感器14检测，其检测机舱1所遭受的压力的增大，并且因此检测飞行器的海拔的降低。
主电子模块使从电子模块同步在下降、靠近、和着陆模式上。
因此，主电子模块的压力传感器14充当检测器装置，该检测器装置适用于检测飞行器即将处于的飞行阶段。
主电子模块控制从电子模块的测量装置8，以将由测量装置8所进行的测量适配于巡航阶段。
具体地，每个从电子模块的温度传感器12和加速度传感器13以每分钟三次测量的采样频率被激活，并且每个从电子模块的压力传感器14以1千赫兹(kHz)的采样频率被激活。压力传感器14的高采样频率提供了对诸如可能损坏机舱1的结构的压力的突然变化之类的事件的有效检测。此类事件主要发生在下降、靠近、和着陆阶段期间。
由每个从电子模块的温度传感器12、加速度传感器13、和压力传感器14所进行的测量经由第一无线通信装置5传送到主电子模块，该主电子模块将这些测量存储在其存储器9中。
在飞行结束时，主电子模块的压力传感器14检测到机舱1不再遭受由发动机2生成的振动。主电子模块控制从电子模块以使得各从电子模块切换成待机模式。因此，本发明的监视系统再次处于非操作性操作模式15。
一旦飞行已经结束，存储在主电子模块的存储器9中且在各个飞行阶段期间获取的测量集合由主电子模块经由该主电子模块的第二无线通信装置6传送到地面接收机终端11。主电子模块还将存储在其存储器9中的其他信息传送到地面接收机终端11，具体地：由本发明的监视系统进行的测量的结果、标识数据、包括关于机舱1的配置数据的配置参数等。
应当观察到，为了通过本发明的监视系统来优化电力消耗，仅在检测到着陆阶段时才激活主电子模块的用于与地面接收机终端11通信的第二无线通信装置6。在飞行器的其他飞行阶段期间，与地面的通信不被授权，并且主电子模块的第二无线通信装置6不被供电。
当然，本发明不限于所描述的各实施例，而是涵盖由权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。
本文陈述了从硬件的角度来看，电子模块(无论它们是“主”还是“从”模块)全部相同。当然，可以使用从硬件角度来看不同的主电子模块和从电子模块，甚至使用从硬件角度来看相互不同的从电子模块。
藉由示例，各从电子模块可包括取决于它们在装备上的位置而不同的测量装置。
藉由示例，可以作出规定，第二无线通信装置将不安装在从电子模块中。还可以作出规定，仅从电子模块在能量方面是独立的：随后，从电子模块具有相应的蓄电池并且有利地具有能量收集装置，而主电子模块被连接到板载电源。
还可以作出规定，某些从电子模块专用于测量温度并且因此仅包括温度传感器，而其他从电子模块专用于测量振动并且因此仅包括加速度传感器，而其他从电子模块专用于测量压力并且因此仅包括压力传感器。在此类情况下，在给定的操作模式中，主电子模块仅激活在该给定的操作性操作模式期间进行测量的那些从电子模块。
所提及的传感器自然可以不同：例如，主电子模块或从电子模块可设置有速度传感器、用于感测电参数(电流、电压等)的传感器、力传感器等。
尽管本说明书涉及其中机舱配备有主电子传感器和多个从电子传感器的特定架构，但是有可能提供不同的架构。具体而言，有可能具有用于单个机舱的多个主电子模块，或者实际上用于多个机舱的单个主电子模块。各电子模块(特别是主电子模块)不一定位于正被监视的装备上。
每个主电子模块或从电子模块在本发明的监视系统中的作用也可以与所描述的有所不同。例如，有可能想象，从电子模块中的一些从电子模块被用于将来自其他从电子模块的数据中继到主电子模块。
尽管第二无线通信装置被描述为将窄带型技术或超窄带型技术用于LPWAN网络，但是完全有可能使用某一其他技术，例如，LoRa或SigFox类型的技术。还有可能使用除了2.4GHz频率之外的频率，特别是位于无线航空电子设备内通信(WAIC)频带中的频率。藉由示例，可以使用868兆赫(MHz)、915MHz或4.2GHz的频率。类似地，第一无线通信装置可以利用除了2.4GHz频率之外的频率，特别是868MHz、915MHz或4.2GHz的频率。
采样频率也可以与说明书中所提及的采样频率不同。
陈述了由于主电子模块的(温度，加速度)传感器检测到温度和机舱所遭受的振动的增大而由主电子模块实现从本发明的监视系统的非操作性操作模式切换到滑行模式。
替换地，有可能作出规定，在本发明的监视系统处于非操作性操作模式的同时使主电子模块(就像从电子模块一样)处于待机模式。随后，通过能量收集装置“唤醒”主电子模块，该能量收集装置拾取由启动发动机导致的振动以产生电能，并且因此产生为主电子模块供电的电源电压。
最后，本发明的监视系统可以非常良好地用于监视飞行器中除了机舱之外的装备，例如飞行器的机翼元件或起落架。
Claims (13)
1.一种用于监视飞行器装备(1)的监视系统，所述系统包括各自配备有用于彼此通信的第一无线通信装置(5)的主电子模块和从电子模块，
所述从电子模块进一步包括包含用于对所述飞行器装备的参数进行测量的传感器的测量装置(8)，以及使得所述从电子模块在能量方面独立的电源装置，
所述主电子模块进一步包括适配成检测所述飞行器即将处于的飞行阶段的检测器装置，以及用于经由所述主电子模块和所述从电子模块的第一无线通信装置(5)来控制所述从电子模块的所述测量装置(8)以便将由所述测量装置所进行的测量适配于所检测到的飞行阶段的控制装置。
2.如权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述从电子模块的所述测量装置和/或所述主电子模块的所述检测器装置包括：温度传感器(12)和/或加速度传感器(13)和/或压力传感器(14)。
3.如权利要求1所述的监视系统，其特征在于，适配这些测量包括：使用另一传感器以便对另一参数进行测量和/或修改所述传感器的采样频率。
4.如权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述监视系统适配成根据所检测到的飞行阶段而在低能耗非操作性操作模式和操作性操作模式中操作。
5.如权利要求4所述的监视系统，其特征在于，所述主电子模块的所述控制装置适配成控制所述从电子模块从待机模式切换到正常模式，以便使得所述监视系统从所述非操作性操作模式切换到所述操作性操作模式。
6.如权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所检测到的飞行阶段是来自以下各项的阶段：滑出阶段、起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段、下降阶段、靠近阶段、着陆阶段、以及滑入阶段。
7.如权利要求6所述的监视系统，其特征在于，所述检测器装置通过测量所述飞行器装备正遭受的振动或温度来检测所述飞行器的发动机刚刚启动并且因此检测到所述飞行器即将处于滑出阶段。
8.如权利要求6所述的监视系统，其特征在于，所述检测器装置通过测量所述飞行器装备正遭受的振动来检测所述飞行器处于所述起飞阶段或处于所述着陆阶段。
9.如权利要求6所述的监视系统，其特征在于，所述检测器装置通过测量所述飞行器装备正遭受的压力来检测所述飞行器处于所述巡航阶段。
10.如权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述从电子模块的所述电源装置包括能量收集装置。
11.如权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述主电子模块包括：用于将所述测量传送到地面上的接收机终端(11)的第二无线通信装置(6)。
12.如权利要求11所述的监视系统，其特征在于，仅在检测到着陆阶段之后才激活所述第二无线通信装置(6)。
13.一种发动机舱，其包括根据前述任一项权利要求所述的监视系统。
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