CN110196600A - 用于自动旋翼飞行器尾部撞击保护的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于自动旋翼飞行器尾部撞击保护的系统和方法。实施方式的旋翼飞行器包括：主旋翼；一个或更多个飞行控制装置，其连接至主旋翼并且被操作成通过使旋翼飞行器的机头上仰来控制主旋翼的飞行特性；以及飞行控制计算机(FCC)，其能够操作成确定姿态命令并且通过根据旋翼飞行器的距离地面(AGL)高度调整姿态命令的大小来生成调整后姿态命令。FCC还能够操作成通过将调整后姿态命令发送到所述一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的飞行特性。

Description

用于自动旋翼飞行器尾部撞击保护的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及用于保护飞行器免受尾部撞击的系统和方法，并且 在特定实施方式中涉及用于自动地阻尼旋翼飞行器俯仰以防止尾段撞击 着陆表面的系统和方法。

背景技术

旋翼飞行器可以包括一个或更多个旋翼系统，所述旋翼系统包括一个 或更多个主旋翼系统。主旋翼系统产生气动升力以支承旋翼飞行器在飞行 中的重量并推动旋翼飞行器向前飞行。旋翼飞行器旋翼系统的另一示例是 尾旋翼系统。尾旋翼系统可以产生与主旋翼系统的旋转相同方向的推力， 以抵消由主旋翼系统产生的扭矩效应。为了使旋翼飞行器平稳且高效地飞 行，飞行员平衡发动机功率、主旋翼总距推力(collective thrust)、主旋翼 周期距推力(cyclic thrust)和尾旋翼推力，并且控制系统可以帮助飞行员 稳定旋翼飞行器并减少飞行员的工作负担。

发明内容

实施方式的旋翼飞行器包括：主旋翼；一个或更多个飞行控制装置， 其连接至主旋翼并且被操作成通过使旋翼飞行器的机头上仰来控制主旋 翼的飞行特性；以及飞行控制计算机(FCC)，其能够操作成确定姿态命 令并且通过根据旋翼飞行器的距离地面(AGL)高度调整姿态命令的大小 来生成调整后姿态命令。FCC还能够操作成通过将调整后姿态命令发送到 所述一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的飞行特性。

实施方式的飞行控制计算机FCC包括：处理器；以及非暂时性计算 机可读存储介质，其存储待由处理器执行的程序。该程序包括用于以下操 作的指令：确定姿态命令；确定距离地面(AGL)高度；响应于AGL高 度低于高度阈值通过限制姿态命令的大小来生成调整后姿态命令；以及通 过将调整后姿态命令发送到一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行 器的飞行特性。

实施方式方法包括：由飞行控制计算机(FCC)确定姿态命令；确定 距离地面(AGL)高度；由FCC并且响应于AGL高度低于高度阈值，通 过限制所述姿态命令的大小来生成调整后姿态命令；以及由FCC通过将 调整后姿态命令发送到一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的 飞行特性。

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示出了根据一些实施方式的旋翼飞行器；

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；

图3代表性地示出了根据一些实施方式的三环飞行控制系统；

图4A和图4B示出了根据一些实施方式的处于不同俯仰姿态的旋翼 飞行器；

图5示出了另一实施方式飞行控制系统的框图；以及

图6是示出根据一些实施方式的用于自动尾部撞击保护的方法的流 程图。

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工作。

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 且越来越复杂，飞行旋翼飞行器与固定翼飞行器之间的差异也变得越来越 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，例如周期距输入或总距输入，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前仰以增加前向速 度将通常使得旋翼飞行器失去高度。在这种情况下，可能会增加总距以 保持水平飞行，但总距的增加需要在主旋翼处增加的动力，这进而需要来 自尾旋翼的另外的反扭矩力。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(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周期距控制输入、踏板控制输入或总距控制输 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(flight control computer,FCC)中实现，向飞 行控制装置提供校正，这有助于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动力以匹配总距控制 输入、在周期距控制输入期间应用总距或动力校正、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系统控制的飞行参数提 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系统可以调整总距杆以提供建议的或FBW系统控制 的飞行参数，并且所述参数反映总距或动力设置。因此，当飞行员释放总 距杆并且FBW系统提供总距控制命令时，总距杆与实际动力或总距设置 有关地直观定位，使得当飞行员抓住总距杆以重新控制时，控制杆被定位 在飞行员所预计的针对主旋翼的实际总距设置杆被定位的位置处。类似 地，FBW系统使用周期距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系统补偿周期距控制时移动周期距杆。因此，当飞 行员抓住周期距杆以从FBW系统取得对飞行的控制时，周期距杆被定位 成反映实际的周期距设置。

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的桨距(pitch)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的桨距。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的桨距被集体地改变 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的桨距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121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和尾段123。尾段123可以具有用于 控制或稳定旋翼飞行器101的飞行的其他飞行控制设备，例如水平或竖直 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、控制装置和仪表。应该理解，即使旋翼飞行器 101被描绘为具有某些特征，旋翼飞行器101也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可以被配置成全功能驾驶舱以 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，这个 人将作为进行操作的飞行员，可以与远程副飞行员一起操作，或者这个人 将作为副飞行员或后备飞行员而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可以被配置成无人交通工具，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是根据一些实施方式的用于旋翼飞行器101的电传飞行控制系统 201的框图。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，例如周期 距控制组件217中的周期距杆231、总距控制组件219中的总距杆233以 及踏板控制组件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 够操作成改变旋翼飞行器101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操作成改变主旋翼桨叶105和尾旋翼桨 叶111的位置或迎角或者改变发动机115的动力输出的机械系统和/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 够操作成控制发动机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 (ECCU)203、飞行控制计算机(FCC)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FCC 205。在一些实施方式中， 提供多个FCC205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(instrument panel)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 输出动力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的输出动力，或者可以基于反馈 例如主旋翼桨叶的测量的每分钟转数(RPM)来控制发动机115的输出动 力。

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、竖直速度等的传感器。其他飞行器传感器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。

周期距控制组件217连接至周期距配平组件229，周期距配平组件229 具有：一个或更多个周期距位置传感器211、一个或更多个周期距止动 (detent)传感器235以及一个或更多个周期距致动器或周期距配平马达 209。周期距位置传感器211测量周期距杆231的位置。在一些实施方式 中，周期距杆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竖直角度，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，周期距控制组件217具有 分开测量滚转和俯仰的单独的周期距位置传感器211。用于检测滚转和俯 仰的周期距位置传感器211分别生成滚转信号和俯仰信号(有时分别被称 为周期距经度信号和周期距纬度信号)，滚转信号和俯仰信号被发送至 FCC 205，FCC 205控制斜盘107、发动机115、尾旋翼109或相关的飞行控制设备。

周期距配平马达209连接至FCC 205，并且从FCC 205接收信号以使 周期距杆231移动。在一些实施方式中，FCC 205根据以下中的一个或更 多个来确定对周期距杆231的建议周期距杆位置：总距杆位置、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。 建议周期距杆位置是由FCC 205确定以产生期望的周期距动作的位置。在 一些实施方式中，FCC 205向周期距配平马达209发送指示建议周期距杆 位置的建议周期距杆位置信号。虽然FCC 205可以命令周期距配平马达 209将周期距杆231移动至特定位置(其进而可以相应地驱动与斜盘107 相关联的致动器)，但是周期距位置传感器211检测由周期距配平马达209 设置的或由飞行员输入的周期距杆231的实际位置，从而允许飞行员改写 建议周期距杆位置。周期距配平马达209连接至周期距杆231，使得在配 平马达正在驱动周期距杆231的同时飞行员可以移动周期距杆231，以改 写建议周期距杆位置。因此，在一些实施方式中，FCC 205从周期距位置 传感器211接收指示实际周期距杆位置的信号，并且不依赖于建议周期距 杆位置来命令斜盘107。

类似于周期距控制组件217，总距控制组件219连接至总距配平组件 225，总距配平组件225具有：一个或更多个总距位置传感器215、一个 或更多个总距止动传感器237以及一个或更多个总距致动器或总距配平 马达213。总距位置传感器215测量总距控制组件219中的总距杆233的 位置。在一些实施方式中，总距杆233是沿单个轴移动或者具有杠杆式动 作的单个控制杆。总距位置传感器215检测总距杆233的位置，并且将总 距位置信号发送至FCC 205，FCC 205根据总距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竖直运动。 在一些实施方式中，FCC 205可以向ECCU 203发送动力命令信号并且向 主旋翼致动器或斜盘致动器发送总距命令信号，使得主桨叶的迎角集体地 升高或降低，并且发动机动力被设置为提供所需的动力以保持主旋翼 RPM大致恒定。

总距配平马达213连接至FCC 205，并且从FCC 205接收信号以使总 距杆233移动。类似于对建议周期距杆位置的确定，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总距杆233的建议总距杆位 置：周期距杆位置、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生成建议总距杆位置，并且将相应的建议总距 杆信号发送至总距配平马达213，以将总距杆233移动至特定位置。总距 位置传感器215检测由总距配平马达213设置的或由飞行员输入的总距杆 233的实际位置，从而允许飞行员改写建议总距杆位置。

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，FCC205控制尾旋翼109以使旋翼飞行器偏航或绕竖直轴旋转。

周期距配平马达209和总距配平马达213可以分别将周期距杆231和 总距杆233驱动至建议位置。虽然周期距配平马达209和总距配平马达 213可以分别将周期距杆231和总距杆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。当飞行员正在移动杆来指示特定 状况时，周期距配平马达209和总距配平马达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可以使周 期距配平马达209和总距配平马达213抵抗飞行员命令而推动，使得飞行 员感觉到阻力，或者可以命令一个或更多个摩擦设备来提供当飞行员移动 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，周期距控制组件217、总距控制组件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，周期距控制组件217可以具有确定飞行员正在握持周 期距杆231的周期距止动传感器235，而总距控制组件219具有确定飞行 员是否正在握持总距杆233的总距止动传感器237。该周期距止动传感器 235和总距止动传感器237检测由飞行员输入引起的相应控制杆的运动和 /或位置，而非检测由来自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FCC205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。

图3是根据一些实施方式的飞行控制系统201的框图。飞行控制系统 201的一些操作方面以高度示意性的方式示出。特别地，飞行控制系统201 被示意性地示出为被实现为运行某些控制律的一系列相互关联的反馈环 路。虽然飞行控制系统201被示出为三环飞行控制系统，但是应该理解的 是，飞行控制系统201可以以不同的方式例如利用不同数量的控制环路实 现。

在一些实施方式中，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，飞行控制系统201的部件(301、303、305、307)中 的所有部件、一些部件或没有部件可以位于旋翼飞行器100外部或远离旋 翼飞行器101，并且通过网络连接309与机载设备通信。

飞行控制系统201具有：飞行员输入311、外环路313、中环路315、 内环路317、解耦器319以及飞行器装备321(例如，对应于诸如斜盘107、 尾旋翼传动装置121等的飞行控制设备；驱动飞行控制设备的致动器(未 示出)；以及诸如飞行器传感器207、周期距位置传感器211、总距位置传 感器215、周期距止动传感器235、总距止动传感器237等的传感器等)。

在所示的示例中，三环设计将内稳定化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 相关任务分配给内环路317。接下来，中环路315(有时也被称为速率环 路)提供速率增强。外环路313集中于引导和跟踪任务。由于内环路317 和中环路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323以接通和关断外环路飞行增强。

在一些实施方式中，内环路317和中环路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。内环路和 速率环路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、 竖直速度环路、高度环路以及航向环路(heading loop)。根据一些实施方 式，在所示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，这进而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。

飞行控制系统201可以被实现为由FCC 205执行的程序。程序包括实 现飞行控制系统201的各个方面的指令。FCC 205可以包括存储程序的存 储器325，例如非暂时性计算机可读存储介质。一个或更多个处理器327 连接至存储器325并且可操作以执行程序。

在一些实施方式中，FCC 205监测来自自动系统的高度和俯仰命令以 确定俯仰命令是否过大而超过了阈值并且可能导致旋翼飞行器在着陆次 序期间撞击尾段。FCC可以调节或抑制来自自动系统的俯仰命令以保持尾 段成角度以避免旋翼飞行器着陆时尾部撞击着陆表面。

图4A和图4B示出了根据一些实施方式的处于不同俯仰姿态的旋翼 飞行器101。图4A示出根据一些实施方式的具有负尾段俯仰的旋翼飞行 器。在一些实施方式中，当旋翼飞行器101具有向下的飞行路径403时， 自动系统或飞行员可以向主旋翼105发送命令以使旋翼飞行器的机头上 仰以减小旋翼飞行器101的前向速度。使旋翼飞行器101的机头向上仰与 主旋翼桨叶105的平面成角度，使得由主旋翼105提供的推力向上和向后。 主旋翼推力的向后或后向分量抵消旋翼飞行器的前向速度。然而，在一些 情况下，旋翼飞行器的前向速度可能过大，使得足够抵消向前速度的上仰 可能将旋翼飞行器101的尾段123降低到尾段123在旋翼飞行器101着陆 时可能撞击着陆表面401的程度。在一些情况下，该机头向上可以通过自 动飞行过程自动例如通过速度或悬停保持过程并响应于阵风来执行。自动 过程可以检测旋翼飞行器101的运动并且可以使机头上仰以使旋翼飞行 器101向后移动以保持位置或向后移动旋翼飞行器。即使在不着陆时，在 靠近地面时使机头上仰也可能导致尾段123撞击着陆表面401。

旋翼飞行器可以具有起落架407，例如轮子、着陆滑板等。尾段撞击 平面409可以是延伸穿过起落架407到旋翼飞行器尾段123的最后部的平 面。尾段撞击平面409可以表示当旋翼飞行器101着陆时尾段123可能撞 击着陆表面401的平面或区域。尾段撞击平面可以是穿过起落架的平面以 例如说明减震起落架或类似物的压缩。在一些实施方式中，当尾段撞击平 面409具有负斜率时，尾段撞击平面409可以指示尾段123的一部分低于 起落架407。在一些着陆情况下，旋翼飞行器101在着陆期间可能具有前 向速度，自动系统使旋翼飞行器101机头上仰以降低旋翼飞行器101的前 向速度。由自动系统赋予的机头上仰可以使尾段撞击平面409具有负斜 率，使得尾段123的最下表面位于起落架407下方。在一些实施方式中， FCC可以监测旋翼飞行器101的高度并且可以抑制当旋翼飞行器101低于 预定阈值时由自动过程产生的上仰命令，以减少自动系统赋予旋翼飞行器 的俯仰量。例如，在诸如位置保持、自动悬停过程、自动着陆次序等的自 动过程的执行期间，FCC可以检测来自自动过程的超过俯仰阈值的俯仰命 令，并且可以修改或调整俯仰命令以减小旋翼飞行器101的绝对俯仰 (absolute pitch)，以避免尾段123撞击着陆表面401。

图4B示出了根据一些实施方式的具有正尾段俯仰的旋翼飞行器。在 一些着陆情况下，可以使旋翼飞行器101俯仰使得尾段撞击平面409具有 正斜率，其中尾段123的最下方或次下方的最后部分位于起落架407上方。 在该着陆情况下，可以通过自动过程来命令旋翼飞行器101的俯仰，然而， FCC可以确定俯仰低于俯仰阈值，并且允许旋翼飞行器101的俯仰通过自 动过程命令来实现而无需调整。尾段撞击平面409的正斜率使得起落架 407在尾段123之前接触着陆表面401。

图5示出了根据一些实施方式的飞行控制系统501。飞行员控制装置 505是例如旋翼飞行器的周期距控制器或杆的控制装置，并且可以生成飞 行员控制命令，例如由飞行员控制装置505的飞行员运动产生的俯仰命 令。在一些实施方式中，飞行员控制装置505与例如FCC等的飞行控制 器503对接。在各种实施方式中，飞行控制器503利用飞行计算机或其他 处理硬件来实现。飞行控制器503还与代表旋翼飞行器的各种致动器、传 感器以及物理控制装置的飞行器设备321对接并对其进行控制。在各种实 施方式中，飞行控制器503利用包括内环路、速率反馈环路和状态反馈环 路的三个逻辑环路来控制飞行器设备321。内环路稳定旋翼飞行器的动态， 速率环路控制旋翼飞行器的角速度，以及外环路向内环路和/或速率环路 提供控制信号以实现旋翼飞行器的期望姿态、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，并且可以基于飞行和 系统状况手动地或自动地禁用。另一方面，内环路和速率反馈环路仍然可 操作以提供对旋翼飞行器的稳定性。

为了说明的目的，相对于影响实施方式旋翼飞行器的旋转速率的一般 控制模块即影响旋翼飞行器的俯仰速率的控制模块示出飞行控制器503。 应该理解的是，飞行控制器503还可以包括除了俯仰速率之外还影响旋翼 飞行器的偏航、滚转和其他状态的其他控制器和控制路径。如所示出的， 内部稳定环路由内环路控制器317控制，中环路或速率环路由俯仰速率控 制器315控制，以及外环路由外环路控制器313结合提供俯仰和滚转控制 的姿态控制器509来控制。

内环路控制器317、解耦器319和速率控制器315中的每一个可以利 用本领域已知的飞行控制算法来实现。内环路控制器317接收来自旋翼飞 行器内的诸如陀螺仪和加速度计的传感器的传感器反馈，并将控制信号提 供给各种致动器例如斜盘致动器以稳定旋翼飞行器。速率控制器315接收 来自速率陀螺仪的所有轴上的速率反馈，并且基于速率反馈以及在一些操 作模式中的飞行员杆俯仰块401a和飞行员杆滚转块401b的位置向内环路控制器317提供速率命令信号。解耦器319接收各种速率命令并且近似地 将所有4轴(俯仰、滚转、偏航和竖直)解耦以使得例如前向纵向杆输入 不需要飞行员对角地推动杆。

外环路控制器313从飞行器设备321的传感器接收状态反馈。该状态 反馈可以包括例如速度、位置和姿态。在诸如速度保持过程、位置保持过 程、悬停保持过程、自动悬停方法、自动着陆方法等的自动飞行控制过程 期间，外环路控制器313可以提供补充旋翼飞行器的飞行员命令的导航或 运动过程。外环路控制器313可以提供俯仰姿态命令以及其他轴上的命令 作为自动飞行控制过程的一部分。在一些实施方式中，外环路控制器313 可以从飞行员控制装置505接收命令，并且可以取代自动飞行控制过程， 并且在其他实施方式中，姿态控制器509可以确定飞行员是否已经输入了 命令，并且取消或衰减来自外环路控制器313的命令，或者允许飞行员改 写(override)来自外环路控制器313的俯仰姿态命令的衰减。因此，飞 行员能够通过飞行员控制装置505输入手动命令，这可能会使旋翼飞行器俯仰超过俯仰阈值。

可以利用速度控制环路、姿态控制环路等来确定俯仰姿态命令。姿态 控制器509通过从俯仰姿态命令中减去俯仰姿态反馈来计算俯仰姿态误 差。在各种实施方式中，俯仰反馈是状态反馈的分量。姿态控制器509对 俯仰姿态误差应用动态控制算法以产生外环俯仰速率命令。通过将外环俯 仰速率命令与飞行员俯仰命令相组合，经由求和块507将外环俯仰速率命 令施加到解耦器319。虽然所示的实施方式示出了提供俯仰姿态校正的姿 态控制器509，但是姿态控制器509也可以用于提供关于滚转或偏航的姿 态控制。

外环路控制器313可以提供自动飞行控制过程来辅助飞行员，或者在 使旋翼飞行器飞行时减少飞行员的工作负担。例如，悬停保持过程可以包 括外环路控制器313在没有飞行员输入的情况下自动保持高度和位置。外 环路控制器313接收来自传感器等的姿态、速度、位置和高度数据，并确 定旋翼飞行器是否静止并将所期望的高度或位置保持在可接受范围内。当 例如风的外部因素使得旋翼飞行器漂移或改变高度时，外环路控制器313 可以检测姿态或高度的改变，并且可以生成对运动进行校正的命令例如俯 仰姿态命令等。然而，当旋翼飞行器接近地面或低于高度阈值时，俯仰姿 态命令可能过大导致旋翼飞行器的尾段具有撞击在着陆表面上的风险。姿 态控制器509可以利用来自传感器321的状态反馈或传感器数据来确定离 地高度，并且如果旋翼飞行器高度低于高度阈值，则可以调整俯仰姿态命 令。例如，如果在悬停保持过程中外环路检测到3节向前漂移，则外环路 控制器313可以生成与3节向后速度相关联的俯仰姿态命令。姿态控制器 509可以基于旋翼飞行器的高度确定达到期望向后速度所需的俯仰姿态过 高，并且可以限制俯仰姿态。对俯仰姿态的限制可以减小期望向后速度， 然而，外环路控制器313将仅维持俯仰姿态命令较长的时间段以重新获得 期望位置。外环路通过确定旋翼飞行器的实际速度或位置并找出相对于预期速度或预期位置的速度误差或位置误差并尝试校正速度误差或位置误 差来检测速度和位置运动。限制俯仰姿态可能会抑制外环路对速度差作或 位置误差作出反应的能力或者抑制校正速度误差或位置误差所需的响应 时间，但仍允许自动校正速度误差或位置误差同时防止尾部撞击损坏旋翼 飞行器。

图6是示出根据一些实施方式的用于自动尾部撞击保护的方法601的 流程图。在框603中，FCC监测旋翼飞行器的高度。在一些实施方式中， 根据从一个或更多个飞行器传感器接收的高度数据信号中的高度数据来 确定高度。高度数据可以由雷达传感器生成，并且可以提供距离地面 (above ground level,AGL)高度。在一些实施方式中，由于雷达高度数据 具有较高分辨率，而基于气压的高度计依赖于可能变化的大气压力，所以 在短距离处雷达高度可能比基于气压的高度计更准确。在其他实施方式 中，高度数据可以是雷达数据和气压高度计数据的组合，或者可以根据旋 翼飞行器的高度使用预定高度阈值以下使用的雷达高度计数据以及高度 阈值以上使用的气压高度计数据来确定。

在框607中，FCC接收姿态命令。在一些实施方式中，可以从例如周 期距杆的飞行员控制装置接收姿态命令，或者可以从在例如外环路中运行 的自动飞行控制程序接收姿态命令。在其他实施方式中，可以从在内环路 中运行的飞行稳定化过程、在解耦器中运行的控制解耦过程等接收姿态命 令。姿态命令可以生成作为移动命令等的结果。例如，当例如位置或悬停 保持过程的自动飞行控制过程正在运行时，自动飞行控制过程可以确定需要特定运动来由飞行员等校正关于风、漂移、飞行状况、旋翼飞行器的临 时运动。在位置或悬停保持命令中，FCC可以确定旋翼飞行器由于阵风、 作为飞行员输入的结果或者其他自动过程等的要保持的选定位置的变化 而需要以特定速度在特定方向上移动。FCC可以确定用于实现运动命令所 需的姿态。

在框605中，FCC确定高度是否低于高度阈值。在一些实施方式中， 高度阈值是预定阈值，例如，50英尺AGL或100英尺AGL。在其他实施 方式中，高度阈值是实时确定的或动态确定的，并且可以根据前向速度、 当前姿态(例如当前俯仰)、竖直速度或者根据姿态命令的大小等来确定。 如果FCC确定高度高于高度阈值，则FCC然后返回到框603并继续监测高度，直到接收到新的姿态命令为止。高度阈值可以指示不太可能发生尾 部撞击的高度。

如果FCC确定高度等于或低于高度阈值，则在框609中FCC然后确 定姿态命令是否高于姿态阈值。在一些实施方式中，姿态阈值是预定阈值， 并且在其他实施方式中，态度阈值是实时或动态确定的。姿态阈值可以根 据当前高度、当前前向速度等来确定。在一些实施方式中，姿态阈值可以 类似于阶梯函数，或者在不同的高度具有不同的固定的子阈值。例如，姿 态阈值可以是在100英尺AGL与50英尺AGL之间的9度的机头上仰/ 尾部下俯，并且可以是在50英尺AGL以下的2度的机头上仰/尾部下俯。 在其他实施方式中，姿态阈值可以与高度成比例。例如，姿态阈值可以是 在50英尺AGL以下的2度的机头上仰/尾部下俯，但在100英尺AGL与 50英尺AGL之间可以与高度成比例并限制在2度与9度之间。因此，在 50英尺AGL处，姿态阈值可以是2度，在75英尺AGL处，姿态阈值 可以是5.5度，并且在100英尺AGL处可以是9度。

在框611中，FCC可以确定姿态命令是否是飞行员命令。在一些实施 方式中，飞行员命令可以与由自动飞行过程产生的姿态命令分开，其中飞 行员命令由飞行员控制设备例如控制杆产生，而由自动飞行过程产生的命 令可以由FCC或旋翼飞行器的外环路、内环路或另外部分产生。在另一 实施方式中，FCC可以确定杆处于其中飞行员已经释放了对特定控制装置 的手动控制的止动状态，并且确定与处于止动的控制相关联的命令不是飞 行员生成的命令。确定姿态命令是否是飞行员生成的命令使得FCC避免 调整飞行员生成的姿态命令，使得飞行员改写由FCC提供的自动俯仰姿 态管理或衰减。当FCC确定特定的姿态命令是飞行员命令时，FCC然后 返回到框603并继续监测高度并重复进行姿态命令监测直到接收到新的 姿态命令为止。因此，FCC可以持续监测高度、姿态命令以及姿态的飞行 员控制，以基于飞行员控制装置的止动状态快速实施或终止自动的俯仰管 理。

在框613中，FCC调整姿态命令。在一些实施方式中，姿态命令可以 被限制为可以与相关联的姿态阈值相同的姿态限制值，或者被限制为与姿 态阈值不同的另一姿态限制值。例如，在框609中FCC动态确定姿态阈 值的实施方式中，FCC可以然后将姿态命令限制为姿态阈值以利用已经计 算的阈值。在其他实施方式中，可以通过将姿态限制与姿态阈值分开计算 来调整旋翼飞行器的性能，其中姿态限制是预定限制或动态计算的。因此， 姿态命令可以通过产生与姿态限制相当的调整后姿态命令来调整。

在其他实施方式中，姿态命令可以通过衰减或修改姿态命令中的俯仰 的大小来调整。姿态命令可以在特定阈值以上，并且姿态命令的大小可以 通过将姿态命令的大小减小设定量、设定百分比等来衰减。例如，在姿态 命令的大小大于姿态阈值的情况下，姿态命令的大小可以减半。因此，当 旋翼飞行器处于低AGL高度时姿态命令可以被阻尼以防止在着陆或悬停 在地面附近时对旋翼飞行器进行过度控制。

在框615中，将调整后命令发送到飞行控制装置。在一些实施方式中， 调整后姿态命令是发送到解耦器然后到达一个或更多个致动器的外环路 俯仰速率命令。在框617中，根据调整后姿态命令调整一个或更多个飞行 控制装置以控制旋翼飞行器的飞行特性。

实施方式的旋翼飞行器包括：主旋翼；一个或更多个飞行控制装置， 其连接至主旋翼并且被操作成通过使旋翼飞行器的机头上仰来控制主旋 翼的飞行特性；以及飞行控制计算机FCC，其能够操作成确定姿态命令并 且通过根据旋翼飞行器的距离地面AGL高度调整姿态命令的大小来生成 调整后姿态命令。FCC还能够操作成通过将调整后姿态命令发送到所述一 个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的飞行特性。

在一些实施方式中，旋翼飞行器还包括能够操作成在飞行期间检测旋 翼飞行器的AGL高度的雷达高度传感器。在一些实施方式中，姿态命令 是指示旋翼飞行器使其机头上仰的俯仰命令。在一些实施方式中，FCC还 能够操作成生成姿态命令作为自动飞行控制过程的一部分。在一些实施方 式中，FCC能够操作成通过限制俯仰命令的大小来生成调整后姿态命令以 避免尾部撞击。在一些实施方式中，FCC能够操作成响应于AGL高度小 于高度阈值而生成调整后姿态命令。在一些实施方式中，FCC能够操作成 通过根据姿态限制来限制俯仰命令的大小来生成调整后姿态命令。在一些 实施方式中，FCC能够操作成通过将俯仰命令的大小限制到姿态限制来生 成调整后姿态命令。

实施方式飞行控制计算机(FCC)包括：处理器；以及非暂时性计算 机可读存储介质，其存储待由处理器执行的程序。该程序包括用于以下操 作的指令：确定姿态命令；确定距离地面(AGL)高度；响应于AGL高 度低于高度阈值，通过限制姿态命令的大小来生成调整后姿态命令；以及 通过将调整后姿态命令发送到一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞 行器的飞行特性。

在一些实施方式中，用于确定AGL高度的指令包括用于接收指示 AGL高度的雷达高度传感器数据的指令。在一些实施方式中，姿态命令 是指示旋翼飞行器使其机头上仰的俯仰命令。在一些实施方式中，程序还 包括用于执行自动飞行控制过程的指令，以及用于确定姿态命令的指令包 括用于通过自动飞行控制过程来生成姿态命令的指令。在一些实施方式 中，用于生成调整后姿态命令的指令包括以下指令，其用于响应于AGL 高度低于高度阈值并且还响应于姿态命令的大小高于姿态阈值，通过限制 姿态命令的大小来生成调整后姿态命令。在一些实施方式中，用于生成调 整后姿态命令的指令包括以下指令，其用于响应于AGL高度低于高度阈 值并且还响应于姿态命令的大小高于姿态阈值，通过将姿态命令的大小限 制在姿态阈值来生成调整后姿态命令。

实施方式方法包括：由飞行控制计算机(FCC)确定姿态命令；确定 距离地面(AGL)高度；由FCC并且响应于AGL高度低于高度阈值，通 过限制姿态命令的大小来生成调整后姿态命令；以及由FCC通过将调整 后姿态命令发送到一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的飞行 特性。

在一些实施方式中，其中，确定AGL高度包括由FCC接收指示AGL 高度的雷达高度传感器数据。在一些实施方式中，其中，姿态命令是指示 旋翼飞行器使其机头上仰的俯仰命令。在一些实施方式中，该方法还包括 由FCC执行自动飞行控制过程，以及确定姿态命令包括通过自动飞行控 制过程生成姿态命令。在一些实施方式中，生成调整后姿态命令包括：响 应于AGL高度低于高度阈值并且还响应于姿态命令的大小高于姿态阈 值，通过限制姿态命令的大小来生成调整后姿态命令。在一些实施方式中， 生成调整后姿态命令包括：响应于AGL高度低于高度阈值并且还响应于 姿态命令的大小高于姿态阈值，通过将姿态命令的大小限制在姿态阈值来 生成调整后姿态命令。

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。通过参考本说明书，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 (20)

1.一种旋翼飞行器，包括：

主旋翼；

一个或更多个飞行控制装置，其连接至所述主旋翼并且被操作成通过使旋翼飞行器的机头上仰来控制所述主旋翼的飞行特性；以及

飞行控制计算机FCC，其能够操作成确定姿态命令并且通过根据所述旋翼飞行器的距离地面AGL高度调整所述姿态命令的大小来生成调整后姿态命令，其中，所述FCC还能够操作成通过将所述调整后姿态命令发送到所述一个或更多个飞行控制装置来控制所述旋翼飞行器的飞行特性。

2.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，还包括能够操作成在飞行期间检测所述旋翼飞行器的AGL高度的雷达高度传感器。

3.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述姿态命令是指示所述旋翼飞行器使其机头上仰的俯仰命令。

4.根据权利要求3所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC还能够操作成生成所述姿态命令作为自动飞行控制过程的一部分。

5.根据权利要求3所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC能够操作成通过限制所述俯仰命令的大小来生成所述调整后姿态命令以避免尾部撞击。

6.根据权利要求5所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC能够操作成响应于所述AGL高度小于高度阈值而生成所述调整后姿态命令。

7.根据权利要求5所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC能够操作成通过根据姿态限制来限制所述俯仰命令的大小来生成所述调整后姿态命令。

8.根据权利要求7所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC能够操作成通过将所述俯仰命令的大小限制到所述姿态限制来生成所述调整后姿态命令。

9.一种飞行控制计算机FCC，包括：

处理器；以及

非暂时性计算机可读存储介质，其存储待由所述处理器执行的程序，所述程序包括用于以下操作的指令：

确定姿态命令；

确定距离地面AGL高度；

响应于所述AGL高度低于高度阈值通过限制所述姿态命令的大小来生成调整后姿态命令；以及

通过将所述调整后姿态命令发送到一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的飞行特性。

10.根据权利要求9所述的FCC，其中，用于确定所述AGL高度的指令包括用于接收指示所述AGL高度的雷达高度传感器数据的指令。

11.根据权利要求9所述的FCC，其中，所述姿态命令是指示所述旋翼飞行器使其机头上仰的俯仰命令。

12.根据权利要求11所述的FCC，其中，所述程序还包括用于执行自动飞行控制过程的指令；以及

其中，用于确定所述姿态命令的指令包括用于通过所述自动飞行控制过程来生成所述姿态命令的指令。

13.根据权利要求12所述的FCC，其中，用于生成所述调整后姿态命令的指令包括用于以下操作的指令：响应于所述AGL高度低于高度阈值并且还响应于所述姿态命令的大小高于姿态阈值，通过限制所述姿态命令的大小来生成所述调整后姿态命令。

14.根据权利要求13所述的FCC，其中，用于生成所述调整后姿态命令的指令包括用于以下操作的指令：响应于所述AGL高度低于所述高度阈值并且还响应于所述姿态命令的大小高于所述姿态阈值，通过将所述姿态命令的大小限制在所述姿态阈值来生成所述调整后姿态命令。

15.一种方法，包括：

由飞行控制计算机FCC确定姿态命令；

确定距离地面AGL高度；

由所述FCC并且响应于所述AGL高度低于高度阈值，通过限制所述姿态命令的大小来生成调整后姿态命令；以及

由所述FCC通过将所述调整后姿态命令发送到一个或更多个飞行控制装置来控制旋翼飞行器的飞行特性。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述AGL高度包括由所述FCC接收指示所述AGL高度的雷达高度传感器数据。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述姿态命令是指示所述旋翼飞行器使其机头上仰的俯仰命令。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括由所述FCC执行自动飞行控制过程；以及

其中，确定所述姿态命令包括通过所述自动飞行控制过程生成所述姿态命令。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，生成所述调整后姿态命令包括：响应于所述AGL高度低于高度阈值并且还响应于所述姿态命令的大小高于姿态阈值，通过限制所述姿态命令的大小来生成所述调整后姿态命令。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，生成所述调整后姿态命令包括：响应于所述AGL高度低于高度阈值并且还响应于所述姿态命令的大小高于所述姿态阈值，通过将所述姿态命令的大小限制在所述姿态阈值来生成所述调整后姿态命令。