CN110658843A - 用于确定旋翼飞行器的速度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及操作旋翼飞行器的方法、用于旋翼飞行器的飞行控制系统和旋翼飞行器。旋翼飞行器包括飞行控制计算机(FCC)、被配置成基于第一载波信号计算地速的GPS接收器以及被配置成确定旋翼飞行器的加速度的姿态航向参考系统(AHRS)。AHRS能够进行操作以从GPS接收器接收地速的指示并基于地速的指示和加速度来计算旋翼飞行器的速度。FCC能够进行操作以从AHRS接收速度的指示，以根据速度的指示生成飞行控制装置控制信号，并将飞行控制装置控制信号发送到一个或更多个飞行控制装置。

Description

用于确定旋翼飞行器的速度的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及用于飞行控制的系统和方法，并且在特定实施方式中，涉及用于确定旋翼飞行器的速度的系统和方法。

背景技术

与机械控制系统相比，飞行器中的电传系统使用电子信号来控制飞行器中的飞行面和引擎。例如，代替通过液压系统将飞行员控件机械地链接到控制面，飞行员控件电子地链接到飞行计算机，飞行计算机进而通过电子信号控制飞行面致动器。通过进一步将飞行计算机接口连接到飞行器传感器，可以使用复杂的控制算法来提供自动驾驶仪功能，以及稳定和控制飞行器。

尽管电传系统已经在商用和民用固定翼飞行器中变得普遍，但是它们在旋翼飞行器(例如直升机)中的采用缓慢得多。然而，通过在直升机中采用电传系统，可以在诸如低速、低海拔、恶劣的视觉环境和恶劣天气等困难的飞行环境中实现更安全的操作。电传系统可能使旋翼飞行器受益的另一方面是减少飞行员的工作负荷。通过提供自动功能例如响应于风而进行的稳定化、控制轴解耦合、位置保持和航向保持功能，飞行员可以被解放出来专注于他或她飞行的环境。

发明内容

一种操作旋翼飞行器的实施方式的方法，其包括通过GPS传感器接收GPS载波信号，基于GPS载波信号的接收频率确定旋翼飞行器的地速，从惯性传感器接收加速度数据，基于地速和加速度数据确定速度，基于速度确定致动器命令；以及根据致动器命令控制飞行控制装置。在一种实施方式中，确定旋翼飞行器的地速包括确定GPS载波信号的第一接收频率，将第一接收频率与参考频率进行比较以确定多普勒频移，以及根据多普勒频移确定地速。在一种实施方式中，惯性传感器包括能够进行操作以基于地速和加速度数据确定速度的姿态航向参考系统(AHRS)。在一种实施方式中，该方法还包括能够进行操作以从AHRS接收速度的指示并且能够操作以基于速度确定致动器命令的飞行控制计算机(FCC)。在一种实施方式中，确定速度包括使用互补滤波器处理地速和加速度数据。在一种实施方式中，使用互补滤波器处理地速和加速度数据包括对加速度数据进行积分。在一种实施方式中，确定速度还包括使用互补滤波器处理GPS位置数据。在一种实施方式中，该方法还包括将致动器命令传送到旋翼飞行器的致动器。

一种用于旋翼飞行器的实施方式的飞行控制系统，其包括能够进行操作以控制旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制装置的飞行控制计算机(FCC)以及通信地连接到FCC的姿态航向参考系统(AHRS)。AHRS包括处理器和其上存储有可执行程序的非暂态计算机可读存储介质。可执行程序包括用于以下操作的指令：从GPS接收地速数据、接收加速度数据、使用互补滤波器处理地速数据和加速度数据以生成速度数据以及将速度数据传送到FCC，其中FCC能够进行操作以根据速度数据控制旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制装置。在一种实施方式中，地速数据是根据GPS信号的测量频率确定的。在一种实施方式中，加速度数据是从AHRS的惯性传感器接收的。在一种实施方式中，互补滤波器包括用于对地速数据进行滤波的低通滤波器和用于对加速度数据进行滤波的高通滤波器。在一种实施方式中，低通滤波器是二阶低通滤波器。在一种实施方式中，可执行程序还包括用于将加速度数据传送到FCC的指令，其中，FCC能够进行操作以根据加速度数据来控制旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制装置。

一种实施方式的旋翼飞行器，其包括飞行控制计算机(FCC)；GPS接收器，其被配置成检测第一载波信号并基于第一载波信号计算地速，GPS接收器耦合到FCC；姿态航向参考系统(AHRS)，其被配置成确定旋翼飞行器的加速度，AHRS耦合到GPS接收器系统且耦合到FCC，其中，AHRS能够进行操作以从GPS接收器接收地速的指示并基于地速的指示和加速度计算旋翼飞行器的速度；以及一个或更多个飞行控制装置，其耦合到FCC并且能够进行操作以响应于从FCC接收的飞行控制装置控制信号来控制旋翼飞行器的飞行参数，其中，FCC能够进行操作以从AHRS接收速度的指示，以根据速度的指示生成飞行控制装置控制信号，并将飞行控制装置控制信号发送到一个或更多个飞行控制装置。在一种实施方式中，飞行控制装置信号使旋翼飞行器保持在悬停模式。在一种实施方式中，飞行控制装置信号保持旋翼飞行器的预定速度。在一种实施方式中，GPS接收器被配置成基于第二载波信号确定位置数据，并且被配置成在基于第二载波信号无法确定位置数据的情况下，基于第一载波信号计算地速。在一种实施方式中，AHRS能够进行操作以使用应用于地速的指示的第一滤波器和应用于加速度的第二滤波器来计算旋翼飞行器的速度。在一种实施方式中，AHRS能够进行操作以使用包括第一滤波器和第二滤波器的互补滤波器来计算旋翼飞行器的速度。

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示出了展示实施方式的GPS、姿态/航向参考系统和飞行控制系统的框图；

图5示出了用于估计旋翼飞行器的速度的实施方式的互补滤波器的框图；

图6是示出确定旋翼飞行器的速度的方法的流程图；以及

图7示出了可以用于实现实施方式的控制算法的计算机系统。

除非另有指示，否则不同附图中的对应附图标记和符号通常指代对应的部分。附图被绘制以清楚地说明优选的实施方式的相关方面，而不一定按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施方式，指示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以接在附图标记之后。

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。为了清楚起见，在本说明书中可能没有描述实际实现的所有特征。当然，可以理解的是，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的决定以实现开发者的特定目标，如遵守系统相关和商业相关的约束，这些将随着实现而变化。此外，应该理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但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常规任务。

因为在附图中描绘了这些装置，因此在本文中可以参考各种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认识到的，本文中描述的装置、构件、设备等可以以任何期望的取向来定位。由于本文中描述的装置可以沿任何期望的方向来定向，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种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该被理解为：分别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(特别是商业和工业应用)引起对更大更复杂的旋翼飞行器的开发。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变得更加明显。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彼此紧密地耦合，因为主旋翼的空气动力特性影响每个控制和运动轴。例如，旋翼飞行器在巡航速度或高速下的飞行特性可能与悬停时或相对低速时的飞行特性显著不同。另外，针对主旋翼上的不同轴的不同飞行控制输入，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或飞行特性。例如，向前俯仰旋翼飞行器的机头，以增加前进速度通常会导致旋翼飞行器失去高度。在这种情况下，可以增加总距以保持水平飞行，但是总距的增加致使主旋翼处的动力增加，这转而需要来自尾旋翼的附加的反扭矩力。这与固定翼系统形成对比，在固定翼系统中，控制输入彼此关联较小，并且不同速度状况(speed regime)下的飞行特性彼此更紧密地相关。

近来，在旋翼飞行器中已引入了电传(FBW)系统，以辅助飞行员使旋翼飞行器稳定地飞行，并且减少飞行员的工作负荷。FBW系统可以在不同的飞行状况(flight regime)下为周期距、踏板或总距控制输入提供不同的控制特性或响应，并且可以通过解耦物理飞行特性来提供稳定性辅助或增强，从而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系统可以在设置在飞行员控件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，从而提供对飞行控制的校正，该校正有助于更有效地操作旋翼飞行器或者使旋翼飞行器进入稳定的飞行模式，同时仍然允许飞行员超驰(override)FBW控制输入。旋翼飞行器中的FBW系统可以例如自动调整引擎的动力输出以匹配总距控制输入，在周期距控制输入期间应用总距校正或动力校正，提供为默认或建议的控制定位等提供的一个或更多个飞行控制过程的自动化。

用于旋翼飞行器的FBW系统必须为FBW控制的飞行参数提供稳定飞行特性，同时允许飞行员超越或调整由FBW系统建议的任何建议飞行参数。此外，在为旋翼飞行器飞行提供增强的控制和自动功能时，FBW系统必须为飞行员保持直观且易于使用的飞行控制系统。因此，FBW系统调整飞行员飞行控件，使得该控件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(collective stick)以提供建议的或FBW控制的飞行参数，并且其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，总距杆关于实际动力或总距设置被直观地定位，使得当飞行员握持总距杆以获得重新控制时，控制杆位于飞行员预期该杆被定位用于主旋翼的实际总距设置的位置。类似地，FBW系统使用周期距杆来例如调整湍流、漂移或对飞行路径的其他干扰，并且可以在FBW系统补偿周期距控制时移动周期距杆。因此，当飞行员握持周期距杆以从FBW系统取得飞行的控制时，周期距杆被定位成反映实际的周期距设置。

将关于在特定背景下的优选的实施方式来描述本公开内容的实施方式，即用于确定旋翼飞行器的速度的系统和方法。该系统和方法的各方面包括使用机载全球定位系统(GPS)向旋翼飞行器的飞行控制系统提供地速数据。例如，GPS可以根据GPS载波频率的多普勒频移确定地速。可以将由GPS提供的地速数据与来自机载惯性传感器的加速度数据相结合，以确定提供给旋翼飞行器的飞行控制系统的旋翼飞行器速度的估计。例如，可以在互补滤波器中将地速数据与加速度数据相结合以计算旋翼飞行器速度的估计。加速度数据可以由旋翼飞行器的姿态/航向参考系统(AHRS)提供，并且速度的估计可以在AHRS内计算。通过使用来自GPS的数据来确定地速，不需要旋翼飞行器上的用于确定地速的单独传感器或单元。另外，通过将来自GPS的地速数据与来自在本文中所述的AHRS的加速度数据相结合，旋翼飞行器的速度的估计可以对变化更快速地响应。以这种方式，飞行控制系统能够更快地响应旋翼飞行器的速度变化，从而可以提高旋翼飞行器的稳定性。

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具有包括多个主旋翼桨叶105的主旋翼系统103。每个主旋翼桨叶105的桨距可以由倾斜盘107控制，以选择性地控制旋翼飞行器101的姿态、高度和运动。倾斜盘107可以用于共同地和/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的桨距被共同地改变，以改变反扭矩系统的推力，从而提供旋翼飞行器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。

由引擎115向主旋翼系统103和反扭矩系统提供电力。可以存在一个或更多个引擎115，可以根据来自FBW系统的信号来控制所述一个或更多个引擎115。引擎115的输出被提供至传动轴117，传动轴117分别通过主旋翼传动装置119和尾旋翼传动装置机械地且可操作地耦合至旋翼系统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可以具有其他飞行控制装置，如水平或垂直稳定器、方向舵、升降舵或用于控制或稳定旋翼飞行器101的飞行的其他控制面或稳定面。机身125包括驾驶舱127，该驾驶舱127包括显示器、控件和仪表。应当理解，即使旋翼飞行器101被描绘为具有某些示出的特征，旋翼飞行器101也可以具有各种特定于实现的配置。例如，在一些实施方式中，如所示的，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，还可以设想的是，旋翼飞行器101可以被远程操作，在这种情况下，驾驶舱127可以被配置为功能完备的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，或者可以被配置有具有有限功能的驾驶舱(例如，仅容纳一个人的驾驶舱，这一个人将充当可能与远程副飞行员一起进行操作的飞行员，或者在主驾驶功能被远程执行的情况下这一个人将充当副飞行员或后备飞行员)。在其他设想的实施方式中，旋翼飞行器101可以被配置为无人驾驶交通工具，在这种情况下，可以完全去除驾驶舱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件，以控制旋翼飞行器的飞行。飞行员飞行控件可以包括手动控件，如周期距控制组件217中的周期距杆(cyclic stick)231、总距控制组件219中的总距杆(collective stick)233和踏板组件221中的踏板239。飞行员向飞行员飞行控件提供的输入可以由飞行控制系统201机械地和/或电子地(例如，经由FBW飞行控制系统)传送至飞行控制装置。飞行控制装置可以表示能够操作成改变旋翼飞行器的飞行特性的装置。作为示例，旋翼飞行器上的飞行控制装置可以包括机械和/或电气系统，其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，或者改变引擎115的动力输出。飞行控制装置包括诸如倾斜盘107、尾旋翼致动器113以及能够操作成控制引擎115的系统之类的系统。飞行控制系统201可以独立于机组人员来调整飞行控制装置，以稳定旋翼飞行器、减少机组人员的工作负荷等。飞行控制系统201包括引擎控制计算机(ECCU)203、飞行控制计算机205和飞行器传感器207，它们共同调整飞行控制装置。

飞行控制系统201具有一个或更多个飞行控制计算机205(FCC)。在一些实施方式中，提供多个FCC 205用于冗余。FCC 205内的一个或更多个模块可以部分或全部实现为用于执行本文中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，并向ECCU 203、尾旋翼致动器113和/或用于倾斜盘107的致动器分派相应的命令。此外，FCC 205被配置并且通过与飞行员飞行控件中的每个相关联的传感器从飞行员控件接收输入命令。通过测量飞行员控件的位置来接收输入命令。FCC 205还控制飞行员控件的触觉提示命令或者例如仪表板241上的仪器中的显示信息。

ECCU 203控制引擎115。例如，ECCU 203可以改变引擎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的命令来控制引擎115的输出动力，或者可以基于诸如测量的主旋翼桨叶的每分钟转数(RPM)的反馈来控制引擎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、方向、温度、垂直速度等的传感器。飞行器传感器207可以包括例如姿态/航向参考系统(AHRS)，其包括加速度计、陀螺仪、磁力计和其他确定旋翼飞行器在其各个轴上的姿态、速度和加速度的其他传感器或系统。AHRS还可以处理从其传感器或其他传感器接收的数据。在一些情况下，可以存在多个AHRS以提供冗余。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全向测距传感器、仪表着陆系统(ILS)等。应当理解，本发明的实施方式可以针对利用其他基于卫星的导航系统例如俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)、中国北斗系统、欧洲伽利略系统和印度NAVIC系统的系统。

周期距控制组件217连接至周期距配平组件229，该周期距配平组件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测量周期距控制杆231的位置。在一些实施方式中，周期距控制杆231是沿两个轴移动并且允许飞行员控制俯仰和横滚的单个控制杆，其中，俯仰是旋翼飞行器的机头的垂直角，横滚是旋翼飞行器的侧向(side-to-side)角度。在一些实施方式中，周期距控制组件217具有分别测量横滚和俯仰的单独的周期距位置传感器211。用于检测横滚和俯仰的周期距位置传感器211分别生成横滚信号和俯仰信号(有时分别被称为周期距经度信号和周期距纬度信号)，所述横滚信号和俯仰信号被发送至控制倾斜盘107、引擎115、尾旋翼109或相关的飞行控制装置的FCC 205。

周期距配平马达209连接至FCC 205，并且从FCC 205接收信号以移动周期距控制杆231。在一些实施方式中，FCC 205根据总距杆位置、踏板位置、旋翼飞行器的速度、高度和姿态、引擎每分钟转数RPM、引擎温度、主旋翼RPM、引擎扭矩或其他旋翼飞行器系统状况或飞行状况中的一个或更多个来确定周期距杆231的建议的周期距杆位置。建议的周期距杆位置是由FCC 205确定以给出期望的周期距动作的位置。在一些实施方式中，FCC 205将指示建议的周期距杆位置的建议的周期距杆位置信号发送至周期距配平马达209。虽然FCC205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(其相应地又驱动与倾斜盘107相关联的致动器)，周期距位置传感器211检测由周期距配平马达206设置或由飞行员输入的周期距杆231的实际位置，从而允许飞行员超驰建议的周期距杆位置。周期距配平马达209连接至周期距杆231，使得飞行员可以在配平马达正在驱动周期距杆231的同时移动周期距杆231，以超驰建议的周期距杆位置。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，并且不依赖于建议的周期距杆位置来命令倾斜盘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，该总距配平组件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中的总距控制杆233的位置。在一些实施方式中，总距控制杆233是沿单个轴移动或具有杠杆式动作的单个控制杆。总距位置传感器215检测总距控制杆233的位置，并向FCC 205发送总距位置信号，FCC 205根据总距位置信号来控制引擎115、倾斜盘致动器或相关的飞行控制装置，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ECCU203发送动力命令信号，并且向主旋翼致动器或倾斜盘致动器发送总距命令信号，使得主桨叶的迎角共同升高或降低，并且引擎动力被设置成：提供所需的动力以保持主旋翼RPM基本恒定。

总距配平马达213连接至FCC 205，并且从FCC 205接收信号以移动总距控制杆233。类似于建议的周期距杆位置的确定，在一些实施方式中，FCC 205根据周期距杆位置、踏板位置、旋翼飞行器的速度、高度和姿态、引擎RPM、引擎温度、主旋翼RPM、引擎扭矩或其他旋翼飞行器系统状况或飞行状况中的一个或更多个来确定总距控制杆233的建议的总距杆位置。FCC 205生成建议的总距杆位置，并且将相应的建议的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设置或由飞行员输入的总距杆233的实际位置，从而允许飞行员超驰建议的总距杆位置。

踏板控制组件221具有的一个或更多个踏板传感器227，其测量踏板控制组件221中的踏板或其他输入元件的位置。在一些实施方式中，踏板控制组件221不具有配平马达或致动器，并且可能具有当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具有一个或更多个配平马达，其根据来自FCC 205的信号将踏板驱动到建议的踏板位置。踏板传感器227检测踏板239的位置，并向FCC 205发送踏板位置信号，FCC 205控制尾旋翼109以使旋翼飞行器绕竖直轴偏转或旋转。

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驱动到建议的位置。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驱动到建议的位置，但是这种运动能力也可以用于向飞行员提供触觉提示。当飞行员移动杆以指示特定状况时，配平马达209和213可以沿特定方向推动相应的杆。由于FBW系统机械地将杆与一个或更多个飞行控制装置断开连接，故飞行员可能感觉不到硬停止、振动或其他将是机械地连接到飞行控制组件的杆中固有的触觉提示。在一些实施方式中，FCC205可以致使配平马达209和213推斥飞行员命令，使得飞行员感觉到阻力，或者可以命令一个或更多个摩擦装置以提供当飞行员移动杆时被感觉到的摩擦力。因此，FCC 205通过在杆上提供压力和/或摩擦来控制杆的感觉。

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的控制装置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握持总距杆233的总距止动传感器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FCCs 205的命令、旋翼飞行器振动等引起的运动和/或位置，并向FCC提供指示这种情况的反馈信号。当FCC 205检测到飞行员已控制或正在操纵特定控件时，FCC 205可以确定杆脱离止动(OOD)。同样地，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(ID)中。FCC 205可以基于特定杆或飞行员控件的止动状态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以高度示意性的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一种实施方式的三环路飞行控制系统201。在一些实施方式中，三环路飞行控制系统201的元件可以至少部分地由FCC 205实现。然而，如图3所示，三环路飞行控制系统201的部件(301、303、305、307)中的全部、一些或没有一个部件可以位于旋翼飞行器100的外部或远离旋翼飞行器100，并且通过网络连接309与车载设备通信。

图3的三环路飞行控制系统201具有飞行员输入311、外环路313、速率(中)环路315、内环路317、解耦器319和飞行器设备321(例如，对应于诸如斜盘107、尾旋翼传动装置212等的飞行控制装置、驱动飞行控制装置的致动器(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，三环路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荷的相关任务分配给内环路317。接下来，中环路315提供速率加力。外环路313集中于引导和跟踪任务。由于内环路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工作。如图3中代表性地示出的，可以提供开关322以接通及断开外环路飞行加力，因为对于飞行稳定化来说外环路313的任务不是必需的。

在一些实施方式中，内环路317和速率环路315包括应用于从滚转/俯仰/偏航3轴速率陀螺仪和加速度反馈传感器接收的数据的一组增益和滤波器。传感器可以类似于传感器207。来自一些传感器的数据可以由AHRS提供，并且一些额外的增益或滤波器可以通过AHRS应用于AHRS数据。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、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允许其他方式耦合的飞行特性的解耦，这进而又可以提供更稳定的飞行特性和减少的飞行员工作负荷。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，从而进一步减少飞行员工作负荷并且允许飞行员集中于其他事项，包括周围地形的观察。在一些实施方式中，由飞行器设备321内的传感器生成的数据由传感器处理块330调节。传感器处理块330可以重新格式化和重新调整数据以使传感器数据与飞行控制算法兼容，提供传感器信号的动态预滤波，执行GPS位置数据从地球轴坐标到旋翼机本体坐标的坐标变换，或对传感器数据执行其他处理。

图4示出了示出根据实施方式的旋翼飞行器的GPS 402、AHRS 404和飞行控制系统201之间的功能关系的框图。如图所示，GPS 402向飞行控制系统201提供位置数据。GPS 402还向AHRS 404提供地速数据，下面将更详细地讨论。AHRS 404进而向飞行控制系统201提供惯性数据和速度数据。在操作期间，飞行控制系统201的传感器处理块330可以处理来自GPS402的位置数据以及来自AHRS 404的速度和惯性数据以供飞行控制系统201使用来确定对飞行控制装置的调节。

GPS 402包括天线401，并且被配置成基于从GPS卫星接收的信号确定位置和地速。基于从至少四个GPS卫星接收的信号确定高分辨率位置数据，然而可以使用较少的卫星确定地速数据。GPS系统402的功能可以由GPS系统402本身、飞行控制系统201或AHRS 404确定。例如，如果飞行控制系统201确定所接收的GPS数据格式错误、超出预期参数范围、噪声过大或无法识别，则飞行控制系统201可以将输入的位置数据指定为不可用。在一些实施方式中，GPS 402可以是航空电子设备或自动驾驶系统例如Garmin综合航空电子设备(GIA)系统的子系统，其中航空电子设备或自动驾驶系统除了确定GPS位置和地速测量之外，还提供各种飞行仪表、数据处理和无线电功能。

GPS 402可以通过分析所接收的GPS信号的载波频率或脉冲宽度来计算旋翼飞行器的地速。例如，可以根据由多个GPS卫星发送的载波频率的多普勒频移的测量值来确定地速。通常，多普勒频移涉及由一个本体生成并由被允许相对于第一本体移动的第二本体观察的波形的频率(或感知频率)的变化。近似地，多普勒频移与两个本体沿两个本体之间的方向的相对速度成比例。例如，如果两个本体彼此相向移动，则第二本体观察到的频率显得高于实际频率。如果两个本体反向移动，则频率显得较低。由于GPS接收器知道特定GPS载波信号的标称频率并且可以非常精确地测量接收频率，故可以基于这两个频率确定卫星与GPS接收器之间的相对速度。可以使用其他技术来确定多普勒频移，例如使用载波信号的相位偏移的测量。从多个GPS信号确定的多个相对速度可用于确定旋翼飞行器的地速。在某些情况下，该技术可能比其他技术例如通过获取位置的时间导数来计算地速具有更快的响应。

在一些实施方式中，AHRS 404还可以提供数据处理功能并且包括GPS 402与飞行控制系统201之间的接口电路。在各种实施方式中，AHRS 404、GPS 402与飞行控制系统201之间的数据通信根据ARINC-429航空电子设备数据总线标准操作。替选地，可以根据特定系统及其规范使用其他总线标准。

在各种实施方式中，由GPS 402确定的地速足够精确以用作稳态状况期间的旋翼飞行器速度的测量值。然而，对于动态状况，例如旋翼飞行器被快速前后推动的大风状况，GPS 402确定地速变化所需的响应时间可能比期望的响应时间慢。在一些实施方式中，AHRS404可以被配置成基于使用机载加速度计和其他传感器的输出调整由GPS 402确定的地速来估计速度。例如，AHRS 404可以通过将GPS 402提供的相对长期的地速测量值与根据AHRS404的惯性传感器测量的加速度确定的相对短期的速度估计相结合来向飞行控制系统201提供更快响应的速度数据。在一些实施方式中，可以使用互补滤波器将来自GPS 402的地速测量值与来自AHRS 404的加速度测量值结合。例如，可以通过使用高通滤波器对地速测量值进行滤波并使用低通滤波器对积分后的加速度测量值进行滤波，然后将滤波后的地速测量值与滤波且积分后的加速度测量值相加在一起来确定速度。

作为示例，图5示出了实施方式的互补滤波器500的框图，互补滤波器500可以由AHRS 404使用来基于由GPS 402确定的地速和由AHRS 404的惯性传感器进行的加速度测量来估计旋翼飞行器的速度。在一种实施方式中，使用增益K1和K2、积分器508和514以及提供增益K2的前馈路径的求和块510来表示地速的前向路径。在一些实施方式中，地速的前向路径用作低通滤波器。在一些情况下，前向路径可以用作一阶低通滤波器、二阶低通滤波器或另一种类型的滤波器。使用积分器514和求和块512表示加速度的前向路径，并且通过减法块502反馈输出的估计速度。在一些实施方式中，加速度的前向路径用作高通滤波器。互补滤波器500的动态响应使得所测量的加速度对估计速度的影响在较高频率处占主导地位，而由GPS 402确定的地速对估计速度的影响在较低频率处占主导地位。在一些实施方式中，可以将互补滤波器500的动态响应设置成使得

K1＝ω²和

其中，ω是固有频率，并且ζ是阻尼因子。在一些实施方式中，增益K1可以是介于约4.0E-4与约0.64之间的值，并且增益K2可以是介于约0与1.0之间的值，然而在其他实施方式中这些值可以是不同的。增益K1和K2可以被配置用于不同的值，例如，取决于特定应用或系统的特性。可以使用本领域中已知的数字和/或模拟信号处理技术以各种方式实现互补滤波器500。例如，可以使用累加器来实现积分器508和510，可以使用乘法器和求和块510和512来实现增益K1和K2，并且可以使用加法器来实现减法块502。在一些实施方式中，这些功能由执行软件代码的处理器实现。还应当理解，互补滤波器500仅是许多可能的可用于将来自GPS的地速数据和来自AHRS的加速度数据相结合以提供速度估计的滤波器结构中的一个示例。在其他实施方式中也可以使用其他类型的滤波器，例如其他类型的互补滤波器、卡尔曼滤波器、滤波器的组合、具有其他增益的滤波器、具有其他反馈配置的滤波器或其他滤波器或滤波器配置。在一些实施方式中，GPS位置数据还可以用于确定速度估计。例如，可以将GPS位置数据的时间导数与地速数据和加速度数据相结合。在一些情况下，可以包括其他数据处理技术，例如数据平均、数据平滑、噪声滤波等。

在本发明的实施方式中，即使在GPS位置数据不可用或者在GPS载波上发送的数据不准确或者以其他方式对于接收器而言无法理解的情况下，也可以通过监视GPS载波信号来得到速度。使用与在本文中所述的惯性测量结合的速度数据允许可用于在动态状况下稳定旋翼飞行器的快速速度反馈。例如，使用GPS载波信号来确定地速可能比使用GPS位置数据来确定地速更快。例如，在一些情况下，根据GPS位置数据计算地速可以具有大约3秒的响应时间，但是根据GPS载波信号计算地速可以具有大约1秒的响应时间。通过对地速滤波并将其与滤波后的加速度数据相结合，可以更快速地估计旋翼飞行器的速度并且还具有更好的精度。在保持在安全飞行状况内的同时，通过这些技术确定的速度可以由旋翼飞行器的FCC使用以确定发送到飞行控制装置的适当命令。以这种方式，在本文中描述的技术可以提供更稳定的飞行特性和减少的飞行员工作负荷。在本文中描述的技术可以允许在所有飞行状况下更稳定的旋翼飞行器飞行，包括巡航或悬停状况。另外，使用GPS载波信号来确定地速减少了对旋翼飞行器上的专用地速传感器或单元的需要。因为可能需要更少的布线、地速传感器逻辑和其他支持特征，所以这可以减少重量和系统复杂性。

图6是示出根据一些实施方式的确定旋翼飞行器的速度的方法600的流程图。最初，在框602中，可以通过旋翼飞行器的GPS接收GPS信号。GPS信号可以例如是从GPS卫星接收的GPS载波信号。在框604中，处理GPS信号以确定地速数据。可以处理GPS信号以确定GPS信号的测量频率，并且可以将测量的频率与参考频率进行比较。可以根据测量的频率与参考频率之间的差来确定指示旋翼飞行器的地速的地速数据。GPS信号可以由GPS处理。

在框606中，接收加速度数据。加速度数据可以指示旋翼飞行器的加速度。在一些实施方式中，旋翼飞行器的AHRS从惯性传感器接收加速度数据。在块608中，对地速数据进行滤波。在一些实施方式中，可以使用低通滤波器对地速数据进行滤波，并且可以由旋翼飞行器的AHRS对地速数据进行滤波。低速数据可以作为附加处理的一部分被滤波，并且可以使用多于一种类型的滤波器。在框610中，对加速度数据进行滤波。在一些实施方式中，可以使用高通滤波器对加速度数据进行滤波，并且可以由旋翼飞行器的AHRS对加速度数据进行滤波。加速度数据可以作为附加处理的一部分被滤波，并且可以使用多于一种类型的滤波器。

在框612中，将滤波后的地速数据和滤波后的加速度数据相结合以确定速度数据。速度数据可以指示旋翼飞行器的速度。在一些实施方式中，由AHRS将滤波后的地速数据和滤波后的加速度数据相结合以确定速度数据。在一些实施方式中，可以使用互补滤波器来将滤波后的地速数据和滤波后的加速度数据相结合。互补滤波器还可以执行框608和框610的滤波。将滤波后的地速数据和滤波后的加速度数据相结合可以包括对加速度数据进行积分。

在框614中，基于速度数据确定致动器命令。在一些实施方式中，旋翼飞行器的FCC使用速度数据来确定致动器命令。FCC可以使用速度数据来确定致动器命令以调整旋翼飞行器的飞行参数。在框616中，根据致动器命令控制飞行控制装置。致动器命令可以由FCC发送到一个或更多个飞行控制装置以调整旋翼飞行器的飞行参数。飞行控制装置基于致动器命令来移动或改变，以调整旋翼飞行器的飞行参数和所产生的飞行。

图7示出了计算机系统701。计算机系统701可以被配置成执行关于在本文中所描述的飞行控制系统201的操作的一个或更多个功能。此外，任何处理和分析可以由计算机系统701可以部分地或完全地执行。计算机系统701可以与其他飞行器计算机系统部分地或完全地集成，或者可以从旋翼飞行器中部分地或完全地移除。在一些实施方式中，计算机系统701可以在互补滤波器中处理地速数据和加速度数据以确定速度估计，这可以与先前描述的技术类似。

计算机系统701可以包括输入/输出(I/O)接口703、分析引擎705和数据库707。根据需要，替选实施方式可以组合或分布I/O接口703、分析引擎705和数据库707。计算机系统701的实施方式可以包括一个或更多个计算机，该计算机包括被配置成用于执行本文中描述的任务的一个或更多个处理器和存储器。这可以包括例如计算机，其具有中央处理单元(CPU)和存储用于指示CPU执行本文中所述的至少一些任务的软件指令的非易失性存储器。这还可以包括例如两个或更多个计算机，其经由计算机网络进行通信，其中，计算机中的一个或更多个包括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存储用于指示任何(一个或多个)CPU执行本文中描述的任意任务的软件指令。因此，尽管就离散机器而言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，并且本说明书同样适用于涉及在一个或更多个机器中以任何方式执行分布的任务的一个或更多个机器的许多其他布置。还应当理解，这样的机器不需要专用于执行本文中所述的任务，而是替代地可以是也适合于执行其他任务的多用途机器，例如计算机工作站。

I/O接口703可以提供外部用户、系统和数据源与计算机系统701的部件之间的通信链路。I/O接口703可以被配置成用于允许一个或更多个用户经由任何已知的输入装置向计算机系统701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装置。I/O接口703可以被配置成用于允许一个或更多个用户经由任何已知的输出装置接收从计算机系统701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装置。I/O接口703可以被配置成用于允许其他系统与计算机系统701通信。例如，I/O接口703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701执行本文中描述的一个或更多个任务。I/O接口703可以被配置成允许与一个或更多个远程数据源通信。例如，I/O接口703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701执行本文中描述的一个或更多个任务。

数据库707为计算机系统701提供持久数据存储。尽管主要使用术语“数据库”，但是存储器或其他合适的数据存储设备可以提供数据库707的功能。在替选实施方式中，数据库707可以与计算机系统701集成或分开，并且可以在一个或更多个计算机上操作。数据库707优选地为适合于支持飞行控制系统201的操作的任何信息(包括本文中进一步讨论的各种类型的数据)提供非易失性数据存储。分析引擎705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。

虽然已经参照所示实施方式描述了本发明，但是该描述并不意在被解释为限制性意义。在参考该描述时，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对于本领域普通技术人员而言将是明显的。因此，所附权利要求书意在包含任何这样的修改或实施方式。

Claims (20)

1.一种操作旋翼飞行器的方法，所述方法包括：

通过GPS传感器接收GPS载波信号；

基于所述GPS载波信号的接收频率确定所述旋翼飞行器的地速；

从惯性传感器接收加速度数据；

基于所述地速和所述加速度数据确定速度；

基于所述速度确定致动器命令；以及

根据所述致动器命令控制飞行控制装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述旋翼飞行器的地速包括：

确定所述GPS载波信号的第一接收频率；

将所述第一接收频率与参考频率进行比较以确定多普勒频移；以及

根据所述多普勒频移确定所述地速。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述惯性传感器包括姿态航向参考系统AHRS，其能够进行操作以基于所述地速和所述加速度数据确定所述速度。

4.根据权利要求3所述的方法，包括飞行控制计算机FCC，其能够进行操作以从所述AHRS接收所述速度的指示并且能够进行操作以基于所述速度确定所述致动器命令。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述速度包括：

使用互补滤波器处理所述地速和所述加速度数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用互补滤波器处理所述地速和所述加速度数据包括对所述加速度数据进行积分。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述速度还包括使用所述互补滤波器处理GPS位置数据。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述致动器命令传送到所述旋翼飞行器的致动器。

9.一种用于旋翼飞行器的飞行控制系统，包括：

飞行控制计算机FCC，其能够进行操作以控制所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制装置；以及

姿态航向参考系统AHRS，其通信地连接到所述FCC，所述AHRS包括：

处理器和其上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以下操作的指令：

从GPS接收地速数据；

接收加速度数据；

使用互补滤波器处理所述地速数据和所述加速度数据以生成速度数据；以及

将所述速度数据传送到所述FCC，其中，所述FCC能够进行操作以根据所述速度数据控制所述旋翼飞行器的所述一个或更多个飞行控制装置。

10.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中，所述地速数据是根据GPS信号的测量频率确定的。

11.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中，所述加速度数据是从所述AHRS的惯性传感器接收的。

12.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中，所述互补滤波器包括用于对所述地速数据进行滤波的低通滤波器和用于对所述加速度数据进行滤波的高通滤波器。

13.根据权利要求12所述的飞行控制系统，其中，所述低通滤波器是二阶低通滤波器。

14.根据权利要求9所述的飞行控制系统，其中，所述可执行程序还包括用于将所述加速度数据传送到所述FCC的指令，其中，所述FCC能够进行操作以根据所述加速度数据来控制所述旋翼飞行器的所述一个或更多个飞行控制装置。

15.一种旋翼飞行器，包括：

飞行控制计算机FCC；

GPS接收器，其被配置成检测第一载波信号并基于所述第一载波信号计算地速，所述GPS接收器耦合到所述FCC；

姿态航向参考系统AHRS，其被配置成确定所述旋翼飞行器的加速度，所述AHRS耦合到所述GPS接收器系统且耦合到所述FCC，其中所述AHRS能够进行操作以从所述GPS接收器接收所述地速的指示并基于所述地速的指示和所述加速度计算所述旋翼飞行器的速度；以及

一个或更多个飞行控制装置，其耦合到所述FCC并且能够进行操作以响应于从所述FCC接收的飞行控制装置控制信号来控制所述旋翼飞行器的飞行参数；

其中，所述FCC能够进行操作以从所述AHRS接收所述速度的指示，以根据所述速度的指示生成所述飞行控制装置控制信号，并将所述飞行控制装置控制信号发送到所述一个或更多个飞行控制装置。

16.根据权利要求15所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制装置信号使所述旋翼飞行器保持在悬停模式。

17.根据权利要求15所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制装置信号保持所述旋翼飞行器的预定速度。

18.根据权利要求15所述的旋翼飞行器，其中，所述GPS接收器被配置成基于第二载波信号确定位置数据，并且被配置成在基于所述第二载波信号无法确定位置数据的情况下基于所述第一载波信号计算地速。

19.根据权利要求15所述的旋翼飞行器，其中，所述AHRS能够进行操作以使用应用于所述地速的指示的第一滤波器和应用于所述加速度的第二滤波器来计算所述旋翼飞行器的速度。

20.根据权利要求19所述的旋翼飞行器，其中，所述AHRS能够进行操作以使用包括所述第一滤波器和所述第二滤波器的互补滤波器来计算所述旋翼飞行器的速度。

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