CN110914153A - 飞行器稳定系统 - Google Patents
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Abstract
本主题涉及一种飞行器稳定系统(200)。除其他组件外,飞行器稳定系统(200)可包括多个传感器(202)、处理单元(206)和多个稳定单元(208)。传感器(202)提供传感器数据(204)。传感器数据(204)由处理单元(206)接收,处理单元(206)可基于传感器数据(204)计算飞行器稳定参数。稳定单元(208)可基于飞行器稳定参数产生信号。所产生的信号可发送至另一稳定单元(208),该稳定单元可包括至少一个微控制器和至少一个致动器,诸如伺服马达、液压锁、充气筏等。在接收到所产生的信号时,致动器操作为抵消由于机动引起的倾斜或由于湍流引起的振动。
Description
技术领域
本主题大体涉及稳定系统,具体涉及飞行器稳定系统。
背景技术
飞行器的诸如乘客、货物的有效载荷在飞行器起飞、着陆或飞行中时会受到倾斜、振动等的影响。另外,在飞行期间,飞行器可能会经历侧倾、俯仰和偏航运动,从而在飞行中对有效载荷造成损坏或使有效载荷不稳定。在某些情况下,飞行器的过度运动可使飞行器机内的货物移位。
附图说明
参照附图来描述详细说明。在附图中,附图标记的最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。在所有附图中,相同的附图标记用于指代相似的特征和部件。
图1示出了根据本主题的示例性实施方式的具有可分离的机舱模块的飞行器;
图2示出了根据本主题的示例性实施方式的飞行器稳定系统的各个组件;
图3示出了根据本主题的示例性实施方式的可拆卸地附接至飞行器框架的机舱模块的俯视图;
图4示出了根据本主题的示例性实施方式的用于飞行器稳定的方法。
具体实施方式
通常,为了向飞机提供稳定性以防滑行和/或飞行期间的倾斜和振动,使用了各种稳定装置,诸如减震器和防振垫。然而,这样的稳定装置为飞机的有效载荷提供稳定性,如乘客座位、有效载荷保持单元等,但不能为整个飞机提供稳定性。使用惯性测量单元(IMU)、陀螺仪和加速度计以及万向架的其他稳定设备可用于稳定飞机的不同有效载荷。然而,对于飞行器的每个有效载荷使用稳定装置会在飞行器中占用相当大的空间,从而影响飞机的有效载荷承载能力。另外,也增加了飞行器的重量,从而导致飞行期间燃料的消耗增加,从而增加了飞行器的运行成本。
根据本主题的示例性实施方式,描述了一种飞行器稳定系统,以使飞行器稳定以抵抗诸如振动、冲击、倾斜等的干扰。在示例性实施方式中,除其他组件之外,飞行器稳定系统可包括多个传感器、处理单元和多个稳定单元。在示例性实施方式中,飞行器可包括用于诸如乘客、货物和其他组件的有效载荷的模块化机舱模块,以及飞行器稳定系统可联接至模块化机舱模块以稳定飞机的机舱模块。
在本主题的示例性实施方式中,传感器可包括IMU、高度和航向参考系统(AHRS)、雷达传感器、气压计、激光传感器、接近传感器、加速器、运动传感器、陀螺仪传感器等。传感器可在飞机的运行期间监视飞行器的飞行参数。在示例中,飞行参数可包括飞行动力学数据,诸如飞行器的侧倾角、俯仰角和偏航角、飞行器的高度和速度、飞行器内部和外部的温度等。另外,基于所监视的飞行参数,传感器可提供指示飞机运行期间的飞行参数的传感器数据。
如前所述,飞行器稳定系统还可包括处理单元。处理单元从传感器接收传感器数据以计算飞行器的稳定参数。在示例中,飞行器稳定参数可包括抵消角、旋转速度和用于稳定飞机的机舱模块的力中的一个或多个。在示例性实施方式中,稳定单元可包括至少一个微处理器和至少一个致动器,其中致动器诸如为伺服马达、液压锁、降落伞、液压支架、充气筏等。对于机舱模块的稳定,稳定单元接收至少一个飞行器稳定参数,因此,稳定单元进行操作以抵抗振动倾斜等的影响,从而稳定机舱模块。在示例性实施方式中,基于至少一个飞行器稳定参数的稳定单元产生脉宽调制信号,该脉宽调制信号传输至至少一个致动器以稳定机舱模块。由于飞行器的整个机舱模块由飞行器稳定系统稳定,因而无需单独的稳定组件,从而降低了飞行器的制造成本和重量。机舱模块的稳定性可稳定有效载荷以确保安全运输,其中有效载荷诸如为乘客和货物,可能很脆弱。
参照图1至图4进一步描述飞行器稳定系统。应注意的是,说明书和附图仅示出了本主题的原理以及本文中所描述的示例,并且不应将其解释为对本主题的限制。因而,应当理解的是,尽管在这里没有明确描述或示出,但是可设计包括本主题的原理的各种布置。另外,本文中引用本主题的原理、各方面和示例以及其示例的所有陈述均旨在涵盖其等同物。
图1示出了飞行器102,该飞行器102包括机舱模块104、乘员舱106以及将机舱模块104连接至乘员舱106的桥接部108。另外,应当理解的是,飞行器102还可包括用于飞行器102的操作的其他模块,诸如图1中未示出的着陆模块、推进模块。在示例中,飞行器102可为用于将诸如卫星和太空探测器的有效载荷发射至外空间中的空间发射运载工具。在另一示例中,飞行器102可用于将诸如乘客和货物的易碎有效载荷从一个位置承载至另一位置。在一个示例中,机舱模块104固定在飞行器102内部,从而为机舱模块104内部的有效载荷提供足够的机舱空间。在示例性实施方式中,机舱模块104可从飞行器102拆卸。因此,诸如乘客、行李或货物之类的有效载荷可独立于飞行器102容易地转移至机舱模块104。机舱模块可容纳在飞行器102的机身部分内。在示例中,机舱模块104可借助于液压锁安装在飞行器内部。在另一个示例中,机舱模块104可从液压锁卸下,并且可在运输至飞行器102之前集成在运输载具中。
在示例性实施方式中,机舱模块104可安装在用于运载可能是易碎的有效载荷的飞行车中。在另一示例中,机舱模块104可安装用于在诸如无人机的无人驾驶飞行器(UAV)中携带诸如乘客和货物的有效载荷。在又一示例性实施方式中,机舱模块104可用于在宇宙飞船、太空探索飞行器等中运载诸如卫星、太空探测器、机器人的有效载荷。
在示例性实施方式中,在诸如发动机故障的紧急情况下,机舱模块104可从飞行器102自动拆卸。在示例性实施方式中,在紧急情况下,机舱模块104可通过较低板门(图1中未示出)从飞行器102释放。在示例中,诸如充气筏、降落伞和液压支架的致动器可联接至机舱模块104的外表面,以确保在紧急情况下安全着陆。
在示例性实施方式中,飞行器稳定系统(未在图1中示出)可直接联接至飞行器102的机舱模块104,以使机舱模块104抵抗振动、倾斜、冲击等而稳定,这些振动、倾斜、冲击等是飞行器102在起飞、降落和飞行中所经历的。飞行器稳定系统可包括多个传感器、处理单元和多个稳定单元。在操作中,多个传感器在起飞、降落和飞行中监视飞行参数,并提供指示飞行参数的传感器数据。由多个传感器监视的飞行参数传送至处理单元,该处理单元计算飞行器稳定参数,飞行器稳定参数包括抵消角、旋转速度和用于稳定机舱模块的力中的至少一个。然后,将飞行器稳定参数传送至多个稳定单元,该稳定单元基于飞行器稳定参数使机舱模块稳定而免受振动、猛击、倾斜等的影响。
图2示出了根据本主题的示例性实施方式的飞行器稳定系统200的组件。飞行器稳定系统200可包括多个传感器202,其可监视飞行参数以提供传感器数据204。另外,飞行器稳定系统200可包括处理单元206和多个稳定单元208。在示例中,飞行器稳定系统200可联接至飞行器102的机舱模块104。在示例性实施方式中,多个传感器202可包括诸如IMU、AHRS、雷达传感器、激光传感器、接近传感器、运动传感器、陀螺仪传感器等的传感器。另外,如先前所述,由多个传感器202监视的飞行参数可包括飞行动力学数据、飞行器的侧倾角、俯仰角和偏航角、飞机的高度和速度、飞机内部和外部的温度等。多个传感器202还可基于监视的飞行参数来提供传感器数据,其中,传感器数据指示在飞行器102操作期间的飞行参数。
在示例性实施方式中,处理单元206可基于传感器数据204来计算飞行器稳定参数,以稳定飞行器102的机舱模块104。另外,在示例中,多个稳定单元208中的每个还可包括诸如高速无刷伺服马达的至少一个致动器、液压锁、充气筏、液压支架(图2中未示出)。在示例中,每个稳定单元的至少一个微处理器可进一步包括比例积分微分(PID)协处理器。在示例中,多个稳定单元208直接联接至飞行器102的机舱模块104。
在操作中,多个传感器202监视飞行参数,并将传感器数据204提供给处理单元206。处理单元206在接收到传感器数据204后,计算飞行器稳定参数,该飞行器稳定参数可包括抵消角、速度和力量中的至少一个。然后,可将飞行器稳定参数发送至多个稳定单元208中的每个。
另外,基于所接收的飞行器稳定参数,每个稳定单元的微处理器可生成用于稳定单元的致动器的脉宽调制信号,其中,脉宽调制信号可包括用于致动器的力、抵消角和速度中的一个或多个。另外,在示例性实施方式中,每个稳定单元的PID协处理器可调节脉宽调制信号,以提供校正的脉宽调制信号。在示例性实施方式中,校正的脉宽调制信号由PID协处理器基于至少一个飞行器稳定参数和由于飞行器湍流和飞行参数的快速变化中的至少一个引起的误差来计算。在示例性实施方式中,PID协处理器考虑到由于飞行器湍流引起的误差,将校正后的信号提供给致动器,以实现所需的抵消角和转速,以稳定机舱模块104。
另外,校正后的脉宽调制信号可包括校正后的抵消角度、抵消转速和抵消力中的至少一个,以减轻倾斜、湍流和振动的影响。另外,将校正后的信号发送至每个稳定单元的致动器。如前所述,多个稳定单元208直接联接至飞行器102的机舱模块104。因此,在接收到校正的信号后,多个稳定单元208的致动器操作为抵消由操纵或湍流引起的倾斜、晃动和振动,从而使飞行器102的机舱模块104稳定。
在示例场景中,当飞行器102在飞行期间倾斜时或当飞行器102滑行至跑道时,诸如IMU和陀螺仪传感器的多个传感器202可确定飞行器102的侧倾角、俯仰角和偏航角,以提供传感器数据204。然后,传感器数据204发送至处理单元206,处理单元206可进一步确定飞行器稳定参数,以稳定飞行器102的机舱模块104。飞行器稳定参数可包括用于多个稳定单元208的不同致动器的抵消角度。然后,将飞行器稳定参数传输至多个稳定单元208,在接收到飞行器稳定参数后,该稳定器操作诸如例如伺服马达的致动器来通过抵消角来稳定机舱模块104。
在示例性实施方式中,由处理单元206接收的传感器数据204可进一步包括紧急信号,诸如飞行器发动机中的火灾。在接收到紧急信号后,飞行器稳定系统200可在多个稳定单元208的帮助下解锁诸如液压锁的致动器,以将机舱模块104与飞行器102的框架分离。另外,如果机舱模块104在飞行期间分离,则多个稳定单元208可部署多个降落伞。降落伞帮助机舱模块104缓慢下降,并且进一步取决于降落表面,可通过多个稳定单元208激活诸如液压支架的其他致动器的组合,以使机舱模块104安全着陆。
在示例中,如果机舱模块104降落在水体上,则附接至机舱模块104的外表面的一组充气筏可进行充气。在该示例中,可充气筏可由存在于它们中的叠氮化钠产生的氮气来充气。在操作中,当机舱模块104在着陆期间碰到任何障碍物时,位于机舱模块104上的传感器发送电子信号,该电子信号引爆存在于可充气筏中的叠氮化钠,因而,释放出氮气,使筏充气。可充气的筏用作减震器,并在从飞行器102分离之后帮助机舱模块104安全着陆。
在示例性实施方式中,GPS传感器也可安装在机舱模块104上。在示例性实施方式中,GPS传感器可连接至卫星,并且可用于GPS跟踪机舱模块104的位置。在示例中,无线电发射器可用于从机舱模块104发送SOS消息。在另一示例中,MORSE代码发射器可用于发送SOS消息。
在示例性实施方式中,飞行器稳定系统可附接至飞行车的机舱模块,以稳定承载诸如乘客的有效载荷的机舱模块,从而抵抗由于机动或湍流引起的倾斜、晃动和振动。在另一示例性实施方式中,飞行器稳定系统可附接至诸如无人驾驶飞机的无人机的机舱模块,并稳定由无人机的机舱模块承载的可能是易碎的有效载荷。在又一示例性实施方式中,飞行器稳定系统可联接至飞船、空间探索载具等的机舱模块,并且使诸如卫星、空间探测器、机器人等的有效载荷稳定,以防由于机动或湍流引起的倾斜、晃动和振动。因而,飞行器稳定系统允许安全运输易碎的有效载荷,诸如乘客、货物、卫星、空间探测器等。
图3示出了根据本主题的示例性实施方式的附接至飞行器102的框架302的机舱模块104。图3描绘了通过多个稳定单元304-1、304-2、304-3、304-4、……、304-n附接至框架302的机舱模块104的俯视图,稳定单元是飞行器稳定系统200的一部分。尽管未在图3中示出,但是飞行器稳定系统200的其他组件也可直接联接至机舱模块104。另外,如前所述,每个稳定单元304-1、304-2、304-3、304-4、……、304-n均可包括至少一个微处理器和至少一个致动器,诸如高速伺服马达、液压锁、降落伞、液压支架、充气筏等。另外,每个稳定单元304-1、304-2、304-3、304-4、……、304-n还可包括用于致动器的速度控制器,诸如高速伺服马达。
如先前所解释的,多个传感器202可监视飞行参数并且提供传感器数据204,其由处理单元206用来计算飞行器稳定参数,该参数可包括抵消角、速度和力中的至少一个。每个稳定单元304-1、304-2、304-3、304-4、……、304-n可进一步使用飞行器稳定参数,以使机舱模块104稳定,以防止由于机动或湍流引起的倾斜、晃动和振动。
图4示出了根据本主题的示例性实施方式的飞行器稳定方法400。在方框402处,从多个传感器202接收传感器数据204。在示例中,传感器数据204可指示飞行参数,该飞行参数包括飞行动力学数据,诸如飞机的侧倾角、俯仰角和偏航角、飞行器的高度和速度、飞行器邻近度数据等。
另外,在方框404处,基于传感器数据204计算飞行器稳定参数。在示例性实施方式中,可由处理单元206基于传感器数据204计算飞行器稳定参数。在示例中,飞行器稳定参数可包括用于减轻飞行器102的机舱模块104所经历的倾斜或振动的抵消角、旋转速度和力中的至少一个。
另外,在方框406处,每个稳定单元均接收至少一个飞行器稳定参数,以稳定机舱模块104。在示例中,每个稳定单元均可包括至少一个微处理器和至少一个致动器。
然后,在方框408中,基于至少一个飞行器稳定参数,为每个稳定单元208的至少一个致动器生成脉宽调制信号。在示例性实施方式中,由多个稳定单元208的每个生成脉宽调制信号。
然后,在方框410中,操作稳定单元的至少一个致动器以稳定机舱模块104。在接收到信号后,致动器操作为减轻飞行器的侧倾、俯仰和偏航运动。由此,稳定飞行器以抵抗由于湍流和其他外部因素引起的倾斜和振动。
尽管已经以特定于结构特征和/或应用的语言描述了根据本主题的飞行器稳定系统的实施方式,但应理解的是,本主题不限于描述的特定特征或应用。而是将特定特征和应用公开为示例性实施方式。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种飞行器稳定系统(200),包括:
多个传感器(202),用于确定传感器数据(204),其中,所述传感器数据(204)指示飞行参数;
处理单元(206),用于接收所述传感器数据(204),其中,所述处理单元(206)基于所述传感器数据(204)计算飞行器稳定参数;以及
多个稳定单元(208),能够联接至飞行器(102)的机舱模块(104),其中,所述多个稳定单元(208)中的每个稳定单元均包括至少一个微处理器和至少一个致动器,所述至少一个微处理器会:
接收至少一个飞行器稳定参数;
基于所述至少一个飞行器稳定参数,为所述稳定单元的所述至少一个致动器生成脉宽调制信号;以及
基于所述至少一个飞行器稳定参数和由于飞行器湍流和所述飞行参数的快速变化中的至少一个引起的误差,向所述至少一个致动器提供校正信号,以稳定稳定所述飞行器(102)的机舱模块(104)。
2.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述多个传感器(202)包括惯性测量单元(IMU)、高度和航向参考系统(AHRS)、雷达传感器、气压计、激光传感器、接近传感器、加速器、运动传感器和陀螺仪传感器中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述飞行参数包括飞行动力学数据,所述飞行动力学数据包括所述飞行器的侧倾角、俯仰角和偏航角、所述飞行器的高度和速度、所述飞行器(102)内部和外部的温度。
4.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述飞行器稳定参数包括抵消角、旋转速度和力中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述至少一个致动器是伺服马达、液压锁、降落伞、液压支架和充气筏中的一个。
6.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述至少一个微处理器包括比例-积分-微分(PID)协处理器。
7.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),所述飞行器稳定系统(200)能够联接至飞行车、UAV、星系探索载具、宇宙飞船、太空气垫船等中的一个。
8.一种用于稳定飞行器(102)的机舱模块(104)的方法,所述方法包括:
从多个传感器(202)接收传感器数据(204),所述传感器数据(204)指示飞行参数;
基于所述传感器数据(204)计算飞行器稳定参数;
通过多个稳定单元(208)中的每个稳定单元接收至少一个飞行器稳定参数,其中,每个稳定单元均包括至少一个微处理器和至少一个致动器;
基于所述至少一个飞行器稳定参数,为每个稳定单元的所述至少一个致动器产生脉宽调制信号;
基于所述至少一个飞行器稳定参数和由于飞行器湍流和所述飞行参数的快速变化中的至少一个引起的误差,计算用于所述至少一个致动器的校正信号;以及
操作所述至少一个致动器以稳定所述飞行器(102)的机舱模块(104)。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述飞行器稳定参数包括抵消角、旋转速度和力中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,操作所述至少一个致动器包括:向所述至少一个致动器提供校正信号,其中,所述校正信号由每个稳定单元的PID协处理器提供。
11.根据权利要求8所述的方法,其中,所述飞行参数包括飞行动力学数据,所述飞行动力学数据包括所述飞行器的侧倾角、俯仰角和偏航角、所述飞行器的高度和速度、所述飞行器(102)内部和外部的温度。
Claims (16)
1.一种飞行器稳定系统(200),包括:
多个传感器(202),用于确定传感器数据(204),其中,所述传感器数据(204)指示飞行参数;
处理单元(206),用于接收所述传感器数据(204),其中,所述处理单元(206)基于所述传感器数据(204)计算飞行器稳定参数;以及
多个稳定单元(208),联接至飞行器(102)的机舱模块(104),其中,所述多个稳定单元(208)中的每个稳定单元均接收至少一个飞行器稳定参数,并稳定所述飞行器(102)的机舱模块(104)。
2.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述多个传感器(202)包括惯性测量单元(IMU)、高度和航向参考系统(AHRS)、雷达传感器、气压计、激光传感器、接近传感器、加速器、运动传感器和陀螺仪传感器中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述飞行参数包括飞行动力学数据,所述飞行动力学数据包括所述飞行器的侧倾角、俯仰角和偏航角、所述飞行器的高度和速度、所述飞行器(102)内部和外部的温度。
4.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述飞行器稳定参数包括抵消角、旋转速度和力中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述多个稳定单元(208)中的每个稳定单元均包括至少一个微处理器和至少一个致动器。
6.根据权利要求4所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述至少一个致动器是伺服马达、液压锁、降落伞、液压支架和充气筏中的一个。
7.根据权利要求5所述的飞行器稳定系统(200),其中,稳定单元的至少一个处理器基于所述至少一个飞行器稳定参数,为所述稳定单元的至少一个致动器生成脉宽调制信号,以及其中,所述脉宽调制信号传送至所述至少一个致动器以稳定所述飞行器(102)的机舱模块(104)。
8.根据权利要求5所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述多个稳定单元(208)中的每个稳定单元均包括比例-积分-微分(PID)协处理器。
9.根据权利要求8所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述PID协处理器考虑由于飞行器湍流和飞行参数的快速变化中的至少一个引起的误差,以向每个稳定单元的所述至少一个致动器提供校正信号,以稳定所述飞行器(102)的机舱模块(104)。
10.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),其中,所述机舱模块(104)能够与所述飞行器(102)分离。
11.根据权利要求1所述的飞行器稳定系统(200),所述飞行器稳定系统(200)联接至飞行车、UAV、星系探索载具、宇宙飞船、太空气垫船等中的一个。
12.一种用于稳定飞行器(102)的机舱模块(104)的方法,所述方法包括:
从多个传感器(202)接收传感器数据(204),所述传感器数据(204)指示飞行参数;
基于所述传感器数据(204)计算飞行器稳定参数;
通过多个稳定单元(208)中的每个稳定单元接收至少一个飞行器稳定参数,其中,每个稳定单元均包括至少一个微处理器和至少一个致动器;
基于所述至少一个飞行器稳定参数,为每个稳定单元的所述至少一个致动器产生脉宽调制信号;以及
操作所述至少一个致动器以稳定所述飞行器(102)的机舱模块(104)。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述飞行器稳定参数包括抵消角、旋转速度和力中的至少一个。
14.根据权利要求12所述的方法,其中,操作所述至少一个致动器包括:向所述至少一个致动器提供校正信号,其中,所述校正信号由每个稳定单元的PID协处理器提供。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,所述校正信号由所述PID协处理器基于所述至少一个飞行器稳定参数和由于飞行器湍流和所述飞行参数的快速变化中的至少一项引起的误差来计算。
16.根据权利要求12所述的方法,其中,所述飞行参数包括飞行动力学数据,所述飞行动力学数据包括所述飞行器的侧倾角、俯仰角和偏航角、所述飞行器的高度和速度、所述飞行器(102)内部和外部的温度。
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