CN110750105A

CN110750105A - 用于旋翼飞行器飞行控制的系统和方法

Info

Publication number: CN110750105A
Application number: CN201910207868.1A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·厄尔·沃沙姆二世; 卢克·道菲德·吉莱特; 克里斯托弗·M·博思韦尔
Original assignee: Bell Helicopter Textron Inc
Current assignee: Bell Helicopter Textron Inc
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-02-04
Also published as: EP3599160B1; US20200023955A1; EP3599160A1

Abstract

公开了用于旋翼飞行器飞行控制的系统和方法。包括电传操纵控制系统的旋翼飞行器还包括飞行控制计算机(FCC)，其能够操作成通过向旋翼飞行器的飞行控制元件发送控制信号来控制旋翼飞行器的飞行。旋翼飞行器包括飞行指引仪系统，其耦合至FCC并且被配置成向FCC发送目标信号。目标信号指示旋翼飞行器的期望飞行特性。FCC被配置成从飞行指引仪系统接收目标信号，基于目标信号确定控制信号，并将控制信号发送至旋翼飞行器的飞行控制元件以基于目标信号控制旋翼飞行器的飞行。

Description

用于旋翼飞行器飞行控制的系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及用于旋翼飞行器中的自动飞行控制的系统和方法，并且在特定实施方式中涉及用于使用飞行指引仪系统进行旋翼飞行器控制的系统和方法。

背景技术

旋翼飞行器可以包括一个或更多个旋翼系统，所述一个或更多个旋翼系统包括一个或更多个主旋翼系统。主旋翼系统产生用以支撑旋翼飞行器在飞行中的重量的空气动力升力和用以使旋翼飞行器向前飞行的推力。旋翼飞行器旋翼系统的另一示例是尾旋翼系统。尾旋翼系统可以在与主旋翼系统的旋转相同的方向上产生推力，以抵消由主旋翼系统产生的扭矩效应。为了旋翼飞行器平稳并且高效地飞行，飞行员平衡发动机动力、主旋翼总距推力、主旋翼周期距推力和尾旋翼推力，并且控制系统可以辅助飞行员稳定旋翼飞行器并且减少飞行员工作量。

发明内容

一个实施方式的旋翼飞行器包括电传操纵控制系统，该电传操纵控制系统包括飞行控制计算机(FCC)，FCC能够操作成通过向旋翼飞行器的飞行控制元件发送控制信号来控制旋翼飞行器的飞行。旋翼飞行器还包括耦合至FCC的飞行指引仪系统，其中，飞行指引仪系统被配置成向FCC发送目标信号，目标信号指示旋翼飞行器的期望飞行特性。FCC被配置成从飞行指引仪系统接收目标信号，基于目标信号确定控制信号，并将控制信号发送至旋翼飞行器的飞行控制元件以基于目标信号控制旋翼飞行器的飞行。在一个实施方式中，飞行指引仪系统还被配置成接收输入的飞行路径数据并确定旋翼飞行器的期望飞行特性，其中，确定期望飞行特性基于飞行路径数据。在一个实施方式中，电传操纵控制系统包括控制律，并且FCC使用电传操纵控制系统的控制律来确定控制信号。在一个实施方式中，期望飞行特性包括旋翼飞行器的期望速度。在一个实施方式中，飞行指引仪系统还被配置成确定飞行特性的期望值与飞行特性的当前值之间的差，其中，目标信号指示该差。在一个实施方式中，FCC还被配置成将飞行指引仪系统与FCC解耦，解耦基于旋翼飞行器的当前飞行状况。在一个实施方式中，飞行指引仪系统还被配置成从一个或更多个旋翼飞行器传感器接收传感器信号并向FCC发送更新的目标信号，其中，更新的目标信号基于传感器信号。在一个实施方式中，FCC被配置成基于FCC的飞行模式确定控制信号。

另一个实施方式的旋翼飞行器包括用于旋翼飞行器的飞行指引仪系统，该飞行指引仪系统耦合至旋翼飞行器的飞行控制计算机(FCC)。飞行指引仪系统包括处理器和存储要由处理器执行的程序的非暂态计算机可读存储介质。该程序包括用于以下操作的指令：接收飞行员输入；基于飞行员输入生成飞行路径，飞行路径包括一个或更多个期望飞行特性；以及将表示一个或更多个期望飞行特性的信号发送至旋翼飞行器的FCC。FCC包括处理器和存储要由处理器执行的程序的非暂态计算机可读存储介质，该程序包括用于提供对旋翼飞行器的控制的指令。用于提供对旋翼飞行器的控制的指令包括用于以下操作的指令：从旋翼飞行器的飞行指引仪系统接收表示一个或更多个期望飞行特性的信号；基于期望飞行特性生成控制信号；以及将控制信号发送至旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制元件以控制旋翼飞行器的飞行。在一个实施方式中，FCC包括控制律，并且用于基于期望飞行特性生成控制信号的指令包括基于控制律生成控制信号的指令。在一个实施方式中，一个或更多个期望飞行特性包括旋翼飞行器的期望航向。在一个实施方式中，一个或更多个期望飞行特性包括旋翼飞行器的期望倾斜角。在一个实施方式中，飞行员输入包括选择旋翼飞行器的飞行模式，其中，飞行路径基于所选择的飞行模式而生成。在一个实施方式中，飞行模式包括复飞模式。

一种实施方式的方法包括由旋翼飞行器的导航系统生成旋翼飞行器的期望飞行路径。该方法还包括：由旋翼飞行器的导航系统将表示期望飞行路径的信号发送至旋翼飞行器的飞行控制计算机(FCC)，该FCC包括用于控制旋翼飞行器的多个控制律；由FCC接收所述信号；以及由FCC控制旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制元件以控制旋翼飞行器，其中，对一个或更多个飞行控制元件的控制基于期望飞行路径和多个控制律。在一个实施方式中，旋翼飞行器的导航系统是飞行指引仪系统。在一个实施方式中，表示期望飞行路径的信号包括表示期望飞行路径的一个或更多个期望飞行特性的信号。在一个实施方式中，期望飞行路径包括飞行器的竖直速度的变化。在一个实施方式中，控制律包括用于第一旋翼飞行器速度范围的第一组控制律和用于第二旋翼飞行器速度范围的第二组控制律。在一个实施方式中，该方法包括：响应于FCC控制旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制元件，由旋翼飞行器的导航系统生成另一期望飞行路径。

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操纵(fly-by-wire)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4示出了根据一些实施方式的用于旋翼飞行器的自动飞行控制的流程图；以及

图5示出了可以用于实现实施方式控制算法的计算机系统。

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，在本说明书中可能未描述实际实现的所有特征。当然，可以理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，可以作出许多特定于实现的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关约束和商业相关约束，这些约束将随着实现而改变。此外，应当理解，这样的开发工作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常规任务。

在本文中可以参考各部件之间的空间关系以及部件的各方面的空间取向，因为在附图中描绘了这些装置。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，本文描述的装置、构件、设备等可以以任何期望的取向定位。因此，使用术语诸如“上方”、“下方”、“上”、“下”或其他类似术语来描述各部件之间的空间关系或者描述这些部件的各方面的空间取向应当被分别理解成描述部件之间的相对关系或者这些部件的各方面的空间取向，因为本文描述的装置可以以任何期望的方向取向。

旋翼飞行器越来越多的使用，特别是用于商业和工业应用，已引起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和越来越复杂，飞行旋翼飞行器和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、控制姿态以及提供横向或位置移动，因此不同飞行参数和控制彼此紧密地耦合，因为主旋翼的空气动力学特性影响每个控制和移动轴。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低速时的飞行特性明显不同。另外，用于主旋翼上的不同轴的不同飞行控制输入例如周期距(cyclic)输入或总距(collective)输入影响旋翼飞行器的其他飞行控制或飞行特性。例如使旋翼飞行器的机头向前俯仰以增大向前速度通常会导致旋翼飞行器下降。在这种情形下，可以增大总距以保持水平飞行，但是总距的增大需要主旋翼处的动力增大，这转而需要来自尾旋翼的另外的反扭矩力。这与固定翼系统相反，在固定翼系统中，控制输入彼此不紧密地联系，并且不同速度状况下的飞行特性彼此更紧密地相关。

近来，在旋翼飞行器中引入了电传操纵(FBW)系统，以辅助飞行员稳定地驾驶旋翼飞行器并且减少飞行员的工作量。FBW系统可以对于不同飞行状况下的周期距控制输入、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，并且可以通过解耦物理飞行特性来提供稳定性辅助或增强，使得飞行员免于需要补偿发送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件和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，这帮助更有效地操作旋翼飞行器或者使旋翼飞行器进入稳定飞行模式，同时仍允许飞行员超驰FBW控制输入。旋翼飞行器中的FBW系统可以例如自动调整由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校正或动力校正，提供一个或更多个飞行控制过程的自动化，提供默认或建议的控制定位等。

用于旋翼飞行器的FBW系统必须提供用于FBW控制的飞行参数的稳定飞行特性，同时允许飞行员超驰或调整由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控制和自动化功能中，FBW系统必须保持飞行控制系统对飞行员而言直观且容易使用。因此，FBW系统调整飞行员飞行控件，使得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)以提供建议飞行参数或FBW控制飞行参数，并且总距杆反映总距设置或动力设置。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设置或总距设置直观地定位，使得当飞行员抓住总距杆以重新取得控制时，控制杆位于针对主旋翼的实际总距设置飞行员期望杆被定位的位置处。类似地，FBW系统使用周期距杆(cyclic stick)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，主旋翼系统103包括多个主旋翼桨叶105。每个主旋翼桨叶105的俯仰可以由斜盘107控制，以选择性地控制旋翼飞行器101的姿态、高度和移动。斜盘107可以用于集体地和/或周期地改变主旋翼桨叶105的俯仰。旋翼飞行器101还具有反扭矩系统，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的俯仰被集体地改变，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的俯仰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和反扭矩系统供应动力。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的输出被提供给驱动轴117，驱动轴117分别通过主旋翼传动装置119和尾旋翼传动装置机械地和操作地耦合至主旋翼系统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可以具有用于控制或稳定旋翼飞行器101的飞行的其他飞行控制装置，例如水平或竖直稳定器、方向舵、升降舵或其他控制或稳定面。机身125包括驾驶舱127，驾驶舱127包括显示器、控件和仪表。应理解的是，虽然旋翼飞行器101被描绘为具有某些示出的特征，但是旋翼飞行器101也可以具有各种特定于实现的构造。例如，在一些实施方式中，驾驶舱127被构成成容纳飞行员或者飞行员和副飞行员，如图所示。然而，还预期旋翼飞行器101可以被远程操作，在这种情况下，驾驶舱127可以被构造成容纳飞行员(并且可能还有副飞行员)以提供更大的使用灵活性的全功能驾驶舱，或者可以被构造成具有有限功能的驾驶舱(例如，仅容纳一个人的驾驶舱，这一个人可以作为进行操作的飞行员，但可能还有远程副飞行员，或者这一个人将用作副飞行员或后备飞行员，其中主驾驶功能远程地执行)。在又一其他预期的实施方式中，旋翼飞行器101可以被配置成无人交通工具，在这种情况下驾驶舱127可以被完全取消以节省空间和成本。

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便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，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件提供的输入可以通过飞行控制系统201机械地和/或电子地(例如经由FBW飞行控制系统)传送至飞行控制元件。飞行控制元件可以表示可操作成改变旋翼飞行器101的飞行特性的装置。作为示例，旋翼飞行器上的飞行控制元件可以包括可操作成改变主旋翼桨叶105和尾旋翼桨叶111的位置或攻角或者改变发动机115的动力输出的机械和/或电气系统。飞行控制元件包括诸如斜盘107、尾旋翼致动器113的系统和可操作成控制发动机115的系统。飞行控制系统201可以独立于飞行机组人员来调整飞行控制元件，以便稳定旋翼飞行器，减少飞行机组人员的工作量等。飞行控制系统201包括集体地调整飞行控制元件的发动机控制计算机(EECU)203、飞行控制计算机(FCC)205和飞行器传感器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实施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诸如EECU 203、尾旋翼致动器113、用于斜盘107的致动器、或用于控制旋翼飞行器的操作的其他部件的飞行控制元件分派相应的命令。此外，FCC205被配置并且通过与每个飞行员飞行控件相关联的传感器来接收来自飞行员控件的输入命令。通过测量飞行员控件的位置来接收输入命令。FCC 205还控制对飞行员控件的触觉提示命令或者在例如仪表板241上的仪表中显示信息。

在一些实施方式中，仪表板241包括飞行管理系统(FMS)243。FMS 243可以包括GPS、地图绘制系统、导航系统或其他类型的系统。在一些实施方式中，可以包括飞行指引仪系统(“FD”)250作为FMS 243的一部分，例如FMS 243的子系统或FMS 243的导航系统。在一些实施方式中，FD 250和/或FMS 243可以与FCC 205通信地耦合，并且可以将数据发送至FCC 205或者从FCC 205接收数据。FD 250可以包括诸如键盘、触摸屏等的输入装置(未单独示出)，输入装置可以由飞行员使用以将命令、数据等输入至FMS 243的FD 250中。DF 250还可以包括可以用于向飞行员提供信息例如用于执行Cat-A起飞过程的引导提示的显示器。

在一些实施方式中，FD 250可以被配置成将表示飞行控制目标的信号发送至FCC205，并且可以被配置成从FCC 205接收耦合逻辑信号。FD 250和FCC 205能够发送或接收其他信号，例如传感器信号、目标误差信号、命令信号或其他类型的信号。在一些实施方式中，FD 250通过诸如串行总线、CAN总线的通信总线或其他类型的有线或无线通信系统通信地耦合至FCC。在一些实施方式中，FD 250包括为飞行器提供自动飞行控制的自动驾驶功能。

EECU 203控制发动机115。例如，EECU 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。EECU 203可以根据来自FCC 205的命令控制发动机115的输出动力，或者可以基于诸如所测量的主旋翼桨叶的每分钟转数(RPM)的反馈来控制发动机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。在一些情况下，一些飞行器传感器207是FD250的一部分或连接至FD 250。

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制动传感器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测量周期距杆231的位置。在一些实施方式中，周期距杆231是沿着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，其中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角。在一些实施方式中，周期距控制组件217具有单独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控制斜盘107、发动机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杆231。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确定以给出期望周期距动作的位置。在一些实施方式中，FCC205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FCC205可以命令周期距配平马达209将周期距杆231移动到特定位置(这进而相应地驱动与斜盘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设置或者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驱动周期距杆231时移动周期距杆231以超驰建议周期距杆位置。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。

与周期距控制组件217类似，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、一个或更多个总距制动传感器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是沿单个轴移动或利用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的位置并向FCC 205发送总距位置信号，FCC 205根据总距位置信号控制发动机115、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移动。在一些实施方式中，FCC 205可以向EECU 203发送动力命令信号并且向主旋翼或斜盘致动器发送总距命令信号，使得主桨叶的攻角集体地被升高或降低，并且发动机动力被设置为提供保持主旋翼RPM基本恒定所需的动力。

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杆233。与对建议周期距杆位置的确定类似，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，允许飞行员超驰建议总距杆位置。

踏板控制组件221具有一个或更多个踏板传感器227，其测量踏板或踏板控制组件221中的其他输入元件的位置。在一些实施方式中，踏板控制组件221没有配平马达或致动器，并且可以具有机械返回元件，机械返回元件在飞行员释放踏板时使踏板居中。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以使旋翼飞行器偏航或绕竖直轴旋转。

配平马达209和213可以分别将周期距杆231和总距杆233驱动到建议位置。配平马达209和213可以分别将周期距杆231和总距杆233驱动到建议位置，但是这种移动能力也可以用于向飞行员提供触觉提示。当飞行员正移动杆来指示特定状况时时，配平马达209和213可以沿特定方向推动相应的杆。由于FBW系统将杆与一个或更多个飞行控制装置机械上断开连接，因此飞行员可能不会感觉到与飞行控制组件机械上连接的杆中固有的急停、振动或其他触觉提示。在一些实施方式中，FCC 205可以使配平马达209和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装置提供当飞行员移动杆时感觉到的摩擦。因此，FCC 205通过对杆提供压力和/或摩擦来控制对杆的感觉。

此外，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装置的一个或更多个制动传感器。例如，周期距控制组件217可以具有确定飞行员正握住周期距杆231的周期距制动传感器235，而总距控制组件219具有确定飞行员是否正握住总距杆233的总距制动传感器237。这些制动传感器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FCC 205提供指示这样的情况的反馈信号。当FCC 205检测到飞行员已控制着或正在操纵特定控制时，FCC 205可以确定该杆脱离制动(out-of-detent，OOD)。同样地，当来自制动传感器的信号向FCC 205指示飞行员已释放了特定杆时，FCC可以确定杆在制动中(in-detent，ID)。FCC 205可以基于特定杆或飞行员控件的制动状态向一个或更多个飞行系统提供不同的默认控制或自动命令。

周期距控制组件217和/或总距控制组件219还可以包括周期距杆231和/或总距杆233上的至少一个蜂鸣开关(未示出)。蜂鸣开关通常用于调节旋翼飞行器101在从中立位置向偏转位置移位时的稳态功能。蜂鸣开关可以在沿x轴和沿y轴的平面内偏转。蜂鸣开关可以同时具有x轴和y轴的非零偏转值。在一些实施方式中，蜂鸣开关被配置成当飞行员从蜂鸣开关移除操纵力或不再与蜂鸣开关接触时返回到中心x/中心y中立位置。在这个意义上，蜂鸣开关以与操纵杆或控制柱(例如，具有杆的输入装置，该杆在基座上枢转并且报告远离中立位置的偏转的角度或方向)类似的方式和功能进行操作。

现在转到飞行控制系统201的操作方面，图3以高度示意性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(有时在本文中被称为“CLAWS”)的一系列相互关联的反馈环的方式。图3代表性地示出了根据实施方式的三环飞行控制系统201。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实现。然而，如图3所示，飞行控制系统201的或耦合至飞行控制系统201的部件(301、303、305、307)中的全部、一些或者没有一个可以位于旋翼飞行器101的外部或远离旋翼飞行器101，并且通过网络连接309与机载装置通信。

图3的飞行控制系统201具有飞行员输入311、外环313、速率(中)环315、内环317、解耦器319和飞行器设备321(对应于例如：诸如斜盘107、尾旋翼传动装置121等的飞行控制元件；驱动飞行控制元件的致动器(未示出)；诸如飞行器传感器207、位置传感器211、215、制动传感器235、237等的传感器)。

在图3的示例中，三环设计将内稳定环和速率反馈环与外引导和跟踪环分开。控制律结构主要将整体稳定任务和减少飞行员工作量的相关任务分配给内环317。接下来，中环315提供速率增强。外环313集中于引导和跟踪任务。由于内环317和速率环315提供了大部分的稳定性，因此在外环层面上需要较少的控制努力。如图3中代表性地示出的，可以设置开关323以开启和关闭外环飞行增强，外环313的任务对于飞行稳定性来说不是必需的。

在一些实施方式中，内环317和速率环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。内环和速率环二者均可以独立于各种外环保持模式而保持激活。外环313可以包括级联的环层，包括姿态环、速度环、位置环、竖直速度环、高度环和航向环。根据一些实施方式，在所示的环中运行的控制律允许将以其他方式耦合的飞行特性解耦，这进而可以提供更稳定的飞行特性和减少的飞行员工作量。此外，外环313可以允许某些高级别任务或飞行模式的自动或半自动操作，从而进一步减轻飞行员工作量并允许飞行员专注于其他事项，包括观察周围地形。

在一些实施方式中，FD 250耦合至飞行控制系统201的外环313。FD 250可以通过通信地耦合至实现飞行控制系统201的相关特征(例如，环313、315、317、解耦器319等)中的一些或全部的FCC 205以该方式耦合至飞行控制系统201。在一些实施方式中，FD 250通过与FCC 205通信并允许FCC 205控制飞行器的飞行操作来实现自动飞行控制。FCC 205可以被配置成接收和分析来自FD 250的输入并将相应的命令分派给飞行控制元件，例如ECCU203、尾旋翼致动器113、用于斜盘107的致动器、或用于控制旋翼飞行器的操作的其他部件。例如，FD 250可以向FCC 205发送关于期望飞行特性或飞行路径目标的信息，并且FCC 205然后可以根据CLAWS向飞行控制元件发送控制信号以实现由FD 250确定的期望飞行特性或飞行路径目标。

在一些飞行器中，飞行指引仪(“FD”)可以使用根据俯仰和滚转姿态和总距命令生成的命令或者根据自动油门命令直接控制飞行器的飞行。然而，使用FD直接控制飞行器可以将飞行模式限制到特定轴线，或者可以限制FD控制律应用于高速飞行。然而，如本文所述，使用FCC基于被发送至FCC的FD命令来控制飞行器飞行允许FCC根据CLAWS的飞行包线来控制飞行器。以这种方式，为所有飞行状况设计的CLAWS可以用于FD的不同飞行模式。例如，CLAWS可以用于FD的用于低速和/或低高度操作的飞行模式，或其他类型的FD飞行模式。

图4示出了根据实施方式的用于控制飞行器的飞行特性的流程图。图4中所示的流程图指示当操作FD 250的自动飞行控制时由FD 250和FCC 205执行的操作。在步骤401中，为FD 250设置期望飞行路径。飞行路径可以例如由飞行员使用FD 250的交互式控件来设置。在一些情况下，飞行路径可以包括多于一个航路点、多于一个位置，或者包括多个子路径。在具有多个位置、航路点或子路径的飞行路径的一些情况下，设置飞行路径可以包括例如在到达当前航路点之后或在完成当前子路径之后设置下一个航路点或下一个子路径。在一些实施方式中，设置的飞行路径可以包括一个或更多个特定飞行特性，例如特定高度、空速、地面速度、竖直速度、速率、航向、倾斜角、这些的组合等。

在步骤403中，FD 250根据步骤401的设置的飞行路径确定一个或更多个飞行特性目标。目标包括由FD 250确定以实现设置的飞行路径的一个或更多个期望飞行特性。飞行特性目标可以与设置的飞行路径的飞行特性相同，或者可以包括不同的、更少的或更多的飞行特性。例如，目标可以包括期望高度、期望竖直速度、期望空速、期望倾斜角、期望航向等中的一个或更多个。在一些情况下，目标可以被输入作为在步骤401中设置的飞行路径的一部分，例如由飞行员设置的特定高度或速度。在一些情况下，可以基于设置的飞行路径确定目标。例如，设置的飞行路径可以包括目的地航路点，并且目标可以包括飞行器在其接近航路点时实现的目标空速。在一些情况下，可以根据飞行模式确定目标。示例性飞行模式包括保持高度(例如，高度保持模式)、速度(例如，空速保持模式、竖直速度保持模式)、航向(例如，航向保持模式)、位置等。在一些情况下，一些飞行模式可以包括预定的飞行路径，例如复飞模式、接近模式、悬停模式等。在一些情况下，飞行模式可以由飞行员例如通过FD250的接口来选择。在一些情况下，可以使用导航数据或地形数据来确定目标。在一些情况下，可以使用由FD 250实现的算法来确定目标。这些是示例，并且其他飞行特性目标可以由FD 250使用其他技术来确定并且在本公开内容的范围内。

在步骤405中，FD 250向FCC 205发送表示在步骤403中确定的飞行特性目标的信号。例如，如果在步骤403中确定目标竖直速度，则FD 250然后向FCC 205传送目标竖直速度的指示。以这种方式，FD 250“指示”FCC 205控制飞行器以实现由FD 250确定的目标。

在一些实施方式中，FD 250可以在步骤407中确定目标误差，并且在步骤409中将表示目标误差的信号发送至FCC 205。FD 250可以基于在步骤403中确定的目标与由飞行器上的传感器接收的反馈之间的差异来确定目标误差。例如，对于在步骤403中确定的空速目标，在飞行期间，FD 250可以从飞行器传感器接收指示飞行器的当前空速的信号，并从空速目标中减去当前空速的指示以生成空速目标误差。然后FD 250将空速目标误差的指示发送至FCC 205(在步骤409中)。这是一个示例，并且可以确定其他类型的目标误差或者可以执行另外的处理。代替步骤405的目标信号或者除了步骤405的目标信号之外，FD 250可以发送步骤407的目标误差信号。

在步骤411中，FCC 205从FD 250接收指示飞行特性目标(来自步骤405)和/或飞行特性目标误差(来自步骤409)的信号，并根据所接收到的信号控制飞行器的飞行特性。FCC205能够根据飞行控制系统201的CLAWS控制飞行器的飞行控制元件。例如，FCC 205可以从FD 250接收目标倾斜角，并且基于CLAWS，向飞行器的飞行控制元件发送控制信号以实现该目标倾斜角。这是一个示例，并且可以由FCC 205基于来自FD 250的信号控制其他类型的飞行特性。

在一些实施方式中，该过程然后可以返回到步骤403，然后如步骤403-411中所述，FD 250可以确定新的飞行特性目标并向FCC 205发送适当的信号。例如，FD 250可以基于飞行器的改变的飞行特性、基于在步骤401中设置的飞行路径的一部分的完成、或者基于对设置的飞行路径的改变来更新目标。在一些情况下，FD 250可以基于来自FCC 205的反馈信号确定新目标。

通过使FD 250向FCC 205发送信号以控制飞行器而不是FD 250直接控制飞行器，飞行控制系统201的CLAWS可以用于提供更有效的自动飞行控制。例如，通过使用FCC 205来生成用于飞行器的飞行控制元件的适当控制信号而不是由FD 250生成控制信号，减少了FD250执行的处理量或计算量。以这种方式，可以提高FD 250的响应速度或带宽，并且可以提高FD 250的自动飞行控制的效率。

使用CLAWS来生成适当的控制信号还可以提高FD 250的自动飞行控制的稳定性或安全性。例如，飞行控制系统201的CLAWS可以包括不同飞行状态下的不同飞行控制操作，例如，用于较低的飞行器速度和较高的飞行器速度的不同的飞行控制操作。以这种方式，FD250的自动飞行控制可以在例如较低的飞行器速度下提供更稳定的飞行，因为CLAWS被配置成以适合于较低飞行器速度的方式控制飞行器的飞行特性。因此，FCC 205可以根据CLAWS的飞行模式和从FD 250接收的信号来控制飞行特性。另外，这还可以使得能够在比在不使用CLAWS可用的飞行条件更广泛的飞行条件下(例如，更低的飞行器速度、更高的高度等)安全地(或更安全地)使用FD 250的自动飞行控制。在一些情况下，CLAWS的使用可以在尝试实现由FD 250确定的飞行特性目标时减小飞行器进入不安全飞行状况(例如，涡环状态)的可能性。以这种方式将FD 250耦合至FCC 205可以提高飞行器控制的效率，因为CLAWS可以在飞行器的当前状况下针对特定的期望飞行特性变化利用最有效的轴。另外，在一些情况下，FCC 205可以比FD 250更可靠，因此使用FCC 205来控制飞行器还可以提高使用FD 250时的安全性。

在一些实施方式中，允许FD 250的自动飞行控制的操作的逻辑也可以包括在CLAWS中或基于CLAWS。例如，CLAWS可以确定飞行器处于允许FD 250的自动飞行控制的不安全状况，并且向FD 250发送信号以终止或禁止自动飞行控制。可以给出飞行器处于自动飞行的安全或不安全状况的指示(例如，在FD 250或仪表板241上)。

此外，通过使用FCC 205将控制信号发送至飞行控制元件而不是使用FD 250，FD250单元可能需要较少的适应性以与特定类型的飞行器一起使用。例如，FD 250单元可能不需要被预编程以发送安装FD 250的特定类型的飞行器所需的特定控制信号，因为飞行器的飞行控制系统201的CLAWS被配置成执行该任务。此外，由于飞行器的飞行控制系统201的CLAWS被配置用于该特定类型的飞行器，所以单个类型的FD 250单元可以更容易地适于在各种类型的飞行器上使用。如果需要较少的适应性，则在飞行器上安装FD 250单元可能需要较少的时间或费用。在不同的飞行器上使用相同类型的FD 250单元可以为飞行不同飞行器的飞行员提供更一致的体验。对于熟悉使用FD 250的飞行员而言，各种飞行器之间FD250单元的一致性可以使飞行员体验在较新的和较旧的旋翼飞行器之间保持一致。在高工作量情况下，为飞行员提供更一致和熟悉的用户体验可以提高飞行安全性。

图5示出了计算机系统501。计算机系统501可以被配置用于执行关于如本文所述的飞行控制系统201或FD 250的操作的一个或更多个功能。此外，计算机系统501可以部分地或完全地执行任何处理和分析。计算机系统501可以部分地或完全地与其他飞行器计算机系统集成，或者可以部分地或完全地从旋翼飞行器中移除。

计算机系统501可以包括输入/输出(I/O)接口503、分析引擎505和数据库507。根据需要，替选实施方式可以对I/O接口503、分析引擎505和数据库507进行组合或分配。计算机系统501的实施方式可以包括一个或更多个计算机，所述一个或更多个计算机包括被配置用于执行本文描述的任务的一个或更多个处理器和存储器。这可以包括例如具有中央处理单元(CPU)和存储用于指示CPU执行本文所述的任务中的至少一些的软件指令的非易失性存储器的计算机。这还可以包括例如通过计算机网络进行通信的两个或更多个计算机，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CPU执行本文描述的任何任务的软件指令。因此，尽管根据分立机器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包括一个或更多个机器中的以任何方式分布的执行任务的一个或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所述的任务，而是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503可以在外部用户、系统和数据源与计算机系统501的部件之间提供通信链路。I/O接口503可以被配置成允许一个或更多个用户经由任何已知的输入设备向计算机系统501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设备。I/O接口503可以被配置成允许一个或更多个用户经由任何已知的输出设备接收从计算机系统501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设备。I/O接口503可以被配置成允许其他系统与计算机系统501通信。例如，I/O接口503可以允许一个或更多个远程计算机获取信息，输入信息和/或远程指示计算机系统501执行本文描述的任务中的一个或更多个。I/O接口503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503可以允许一个或更多个远程数据源获取信息，输入信息和/或远程指示计算机系统501执行本文描述的任务中的一个或更多个。

数据库507为计算机系统501提供持久数据存储。虽然主要使用术语“数据库”，但是存储器或其他合适的数据存储装置也可以提供数据库507的功能。在替选实施方式中，数据库507可以与计算机系统501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507优选地为适合于支持飞行控制系统201和方法500的操作的任何信息——包括本文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505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。

尽管已经参照说明性实施方式描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制性含义来解释。对于本领域技术人员而言，在参照说明书时，对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，所附权利要求书旨在涵盖任何这样的修改或实施方式。

Claims

1.一种旋翼飞行器，包括：

电传操纵控制系统，其包括飞行控制计算机FCC，所述FCC能够操作成通过向所述旋翼飞行器的飞行控制元件发送控制信号来控制所述旋翼飞行器的飞行；以及

耦合至所述FCC的飞行指引仪系统，其中，所述飞行指引仪系统被配置成向所述FCC发送目标信号，所述目标信号指示所述旋翼飞行器的期望飞行特性；

其中，所述FCC被配置成：

从所述飞行指引仪系统接收所述目标信号；

基于所述目标信号确定控制信号；以及

将所述控制信号发送至所述旋翼飞行器的所述飞行控制元件以基于所述目标信号控制所述旋翼飞行器的飞行。

2.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行指引仪系统还被配置成：

接收输入的飞行路径数据；以及

确定所述旋翼飞行器的所述期望飞行特性，其中，确定所述期望飞行特性基于所述飞行路径数据。

3.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述电传操纵控制系统包括控制律，并且其中，所述FCC使用所述电传操纵控制系统的所述控制律来确定所述控制信号。

4.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述期望飞行特性包括所述旋翼飞行器的期望速度。

5.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行指引仪系统还被配置成确定飞行特性的期望值与所述飞行特性的当前值之间的差，其中，所述目标信号指示所述差。

6.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC还被配置成将所述飞行指引仪系统与所述FCC解耦，所述解耦基于所述旋翼飞行器的当前飞行状况。

7.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行指引仪系统还被配置成从一个或更多个旋翼飞行器传感器接收传感器信号并且向所述FCC发送更新的目标信号，其中，所述更新的目标信号基于所述传感器信号。

8.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC被配置成基于所述FCC的飞行模式来确定控制信号。

9.一种旋翼飞行器，包括：

用于所述旋翼飞行器的飞行指引仪系统，其耦合至所述旋翼飞行器的飞行控制计算机FCC，其中，所述飞行指引仪系统包括：

处理器；以及

非暂态计算机可读存储介质，其存储要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：

接收飞行员输入；

基于所述飞行员输入生成飞行路径，所述飞行路径包括一个或更多个期望飞行特性；以及

将表示所述一个或更多个期望飞行特性的信号发送至所述旋翼飞行器的所述FCC；

其中，所述FCC包括：

处理器；以及

非暂态计算机可读存储介质，其存储要由所述处理器执行的程序，所述程序包括用于提供对所述旋翼飞行器的控制的指令，用于提供对所述旋翼飞行器的控制的指令包括用于以下操作的指令：

从所述旋翼飞行器的所述飞行指引仪系统接收表示一个或更多个期望飞行特性的信号；

基于所述期望飞行特性生成控制信号；以及

将所述控制信号发送至所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制元件以控制所述旋翼飞行器的飞行。

10.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其中，所述FCC包括控制律，并且其中，用于基于所述期望飞行特性生成控制信号的指令包括基于所述控制律生成控制信号的指令。

11.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其中，所述一个或更多个期望飞行特性包括所述旋翼飞行器的期望航向。

12.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其中，所述一个或更多个期望飞行特性包括所述旋翼飞行器的期望倾斜角。

13.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行员输入包括选择所述旋翼飞行器的飞行模式，并且其中，所述飞行路径基于所选择的飞行模式而生成。

14.根据权利要求13所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行模式包括复飞模式。

15.一种方法，包括：

由旋翼飞行器的导航系统生成所述旋翼飞行器的期望飞行路径；

由所述旋翼飞行器的所述导航系统将表示所述期望飞行路径的信号发送至所述旋翼飞行器的飞行控制计算机FCC，所述FCC包括用于控制所述旋翼飞行器的多个控制律；

由所述FCC接收所述信号；以及

由所述FCC控制所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制元件以控制所述旋翼飞行器，其中，对所述一个或更多个飞行控制元件的控制基于所述期望飞行路径和所述多个控制律。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述旋翼飞行器的所述导航系统是飞行指引仪系统。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，表示所述期望飞行路径的所述信号包括表示所述期望飞行路径的一个或更多个期望飞行特性的信号。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述期望飞行路径包括所述飞行器的竖直速度的变化。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述控制律包括用于第一旋翼飞行器速度范围的第一组控制律和用于第二旋翼飞行器速度范围的第二组控制律。

20.根据权利要求15所述的方法，还包括：响应于所述FCC控制所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行控制元件，由所述旋翼飞行器的所述导航系统生成另一期望飞行路径。