CN111352437A - 用于飞行器的纵向控制的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
公开了在飞行期间用于飞行器的纵向控制的方法和系统。一种方法包括：接收所述飞行器的命令的法向加速度；以及基于所述命令的法向加速度来计算用于所述飞行器的目标俯仰率。在用于控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面的控制技术中使用所述目标俯仰率，以实现用于所述飞行器的所述目标俯仰率。所述控制技术可包括(例如，增量)非线性动态逆。
Description
技术领域
本公开总地涉及飞行器，并且更具体地涉及飞行器在飞行期间的纵向控制。
背景技术
飞行器飞行员依靠俯仰率和法向加速度线索(cue)进行纵向控制。在较低速率下，法向加速度线索是微弱的，并且主要线索是俯仰率。在轻微的俯仰可以产生相对大的法向加速度变化的较高速率下，法向加速度线索占支配地位。因此，俯仰率和法向加速度的比率根据飞行器的响应中的自然变化而变化。基于此，包括法向加速度和俯仰率的混合(blend)的、称为C*(读作C-star)的操纵品质指标(handling quality criterion)可用于在验证过程中评估飞行器的操纵品质，并且也可通过控制律来跟踪。为了跨越飞行器的整个工作包络实现期望性能，现有解决方案包括根据诸如姿态和飞行器速度这样的若干参数来调度C*控制回路增益。考虑所有飞行条件来调度并调谐这些增益是一项费时的复杂而艰巨的任务。
发明内容
在一个方面中，本公开描述一种用于飞行器在飞行期间的纵向控制的方法。所述方法包括：
接收所述飞行器的命令的(commanded)法向加速度；
基于所述命令的法向加速度来计算所述飞行器的目标俯仰率；
在用于控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面的控制技术中使用所述目标俯仰率；以及
使用所述控制技术来控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面，以实现用于所述飞行器的所述目标俯仰率。
所述控制技术可以包括增量非线性动态逆。
所述控制技术可以包括非线性动态逆。
所述方法可以包括使用前馈控制器来计算所述目标俯仰率。
所述方法可以包括使用反馈控制器来计算所述目标俯仰率。
计算所述目标俯仰率可以包括：使用前馈控制器来计算俯仰率前馈命令；使用反馈控制器来计算俯仰率反馈命令；以及计算所述俯仰率前馈命令和所述俯仰率反馈命令的总和，以计算所述目标俯仰率。
所述方法可以包括：
计算与所述飞行器的命令的法向加速度相关联的操纵品质指标的值，所述操纵品质指标包括作为所述飞行器的速度的函数的、所述飞行器的法向加速度和俯仰率的混合；以及
使用所述操纵品质指标的值作为用于所述反馈控制器的设定点。
所述方法可以包括使用所述飞行器的命令的法向加速度作为用于所述反馈控制器的设定点。
所述方法可以包括：接收所述飞行器的俯仰加速度；以及在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
所述方法可以包括：基于经由一个或多个传感器获取的数据来计算所述飞行器的俯仰加速度；以及在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
所述方法可以包括：接收所述飞行器的飞行控制面中的至少一个飞行控制面的位置；以及在所述控制技术中使用所述至少一个飞行控制面的位置。
所述飞行器的命令的法向加速度可以是基于源自在所述飞行器上的飞行员输入设备的输入命令。
可以为了速度稳定性而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
可为了转弯补偿而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
实施例可包括以上特征的组合。
在另一方面中，本公开描述一种用于飞行器在飞行期间的纵向控制的系统。所述系统包括：
一个或多个计算机，所述一个或多个计算机在操作上耦合以接收指示所述飞行器的命令的法向加速度的一个或多个信号，所述一个或多个计算机被配置成：
基于所述命令的法向加速度来计算用于所述飞行器的目标俯仰率；
在用于控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面的控制技术中使用所述目标俯仰率；并且
使用所述控制技术来控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面，以实现用于所述飞行器的所述目标俯仰率。
所述控制技术可以包括增量非线性动态逆。
所述控制技术可以包括非线性动态逆。
所述一个或多个计算机可以被配置成使用前馈控制器来计算所述目标俯仰率。
所述一个或多个计算机可以被配置成使用反馈控制器来计算所述目标俯仰率。
计算所述目标俯仰率可以包括：使用前馈控制器来计算俯仰率前馈命令；使用反馈控制器来计算俯仰率反馈命令；以及对所述俯仰率前馈命令和所述俯仰率反馈命令进行求和，以计算所述目标俯仰率。
所述一个或多个计算机可以被配置成：
计算与所述飞行器的命令的法向加速度相关联的操纵品质指标的值，所述操纵品质指标包括作为所述飞行器的速度的函数的、所述飞行器的法向加速度和俯仰率的混合；以及
使用所述操纵品质指标的值作为用于所述反馈控制器的设定点。
所述一个或多个计算机可以被配置成使用所述飞行器的命令的法向加速度作为用于所述反馈控制器的设定点。
所述一个或多个计算机可以被配置成：接收所述飞行器的俯仰加速度；并且在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
所述一个或多个计算机可以被配置成：基于经由一个或多个传感器获取的数据来计算所述飞行器的俯仰加速度；并且在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
所述一个或多个计算机可以被配置成：接收所述飞行器的飞行控制面中的至少一个飞行控制面的位置；并且在所述控制技术中使用所述至少一个飞行控制面的位置。
所述飞行器的命令的法向加速度可以是基于源自在所述飞行器上的飞行员输入设备的输入命令。
可以为了速度稳定性而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
可为了转弯补偿而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
实施例可包括以上特征的组合。
在另一方面中，本公开内容描述一种飞行器，所述飞行器包括如本文所描述的系统。
在另一方面中，本公开内容描述一种包括如本文所描述的系统的翼身融合飞行器。
根据在下面包括的详细描述和附图，本申请的主题的这些和其它方面的进一步细节将是明显的。
附图说明
现在参考附图，在附图中：
图1是包括如本文所描述的用于飞行器在飞行期间的纵向控制的系统的示例性飞行器的立体图；
图2是用于图1的飞行器的纵向控制的系统的示例性示意表示；
图3是图2的系统的另一示例性示意表示；
图4是图3的系统的示例性部分的示意表示；
图5是图3的系统的另一示例性部分的示意表示；
图6是图3的系统的另一示例性部分的示意表示；以及
图7是图示用于飞行器在飞行期间的纵向控制的方法的流程图。
具体实施方式
在各种实施例中，本文描述的系统和方法可便于飞行器的纵向控制系统的开发，并且还改进这种纵向控制系统的鲁棒性。本文描述的系统和方法可允许将飞行员的纵向控制命令与飞行器的纵向控制的增量非线性动态逆(INDI)或其它控制技术互连。例如，本文描述的系统和方法可与飞行器的纵向控制的INDI控制技术相结合地利用基于操纵品质指标(例如，C*)的控制技术。INDI的使用可显著地减少遍及飞行器的整个工作包络调度/调谐一个或多个控制器增益的需要，因为INDI控制技术可吸收遍及工作包络的飞行动力学的变化。因此，操纵品质指标的使用可在飞行包络(例如，高度、速度)上并在载荷包络(例如，质量、重心(CG)位置、惯性)上更一致。在一些实施例中，本文描述的系统和方法可许可使用诸如C*这样的操纵品质指标的益处与INDI或其它控制技术的益处组合。
本公开的各方面可与各种控制技术一起使用，所述各种控制技术包括但不限于非线性动态逆(NDI)和INDI。如本文所引用的术语“(I)NDI”旨在指代NDI或INDI。NDI是允许实现非线性系统的控制器的设计的已知控制技术。NDI利用允许使用线性控制技术来控制非线性系统的反馈线性化。在飞行器控制系统的背景下，反馈线性化可能需要飞行器的相对高保真空气动力学模型以使用状态反馈和变换来消除非线性。因此，NDI控制器的性能可能取决于所使用的空气动力学模型的准确性。可通过使用INDI来减少对这种空气动力学模型的依赖性而弥补NDI控制器的灵敏度。这可通过在INDI控制回路中使用角加速度反馈来实现。INDI(有时称作“改进的NDI”或“改良的NDI”)是基于计算控制输入中的所需增量变化以使飞行器朝向期望状态转向的控制技术。INDI基于如下假设：对于小时间增量，系统对控制输入的响应大于其对变化状态的响应。这种假设允许仅根据系统的输入相关动力学来计算控制输入中的增量，并且忽视系统的状态相关动力学。
C*指标是考虑飞行员的感觉并且可被并入在反馈C*控制器中以进行飞行器的纵向(即，俯仰)控制的操纵品质指标。在飞行期间，飞行员对俯仰率和法向加速度的混合做出响应，并且比率可取决于飞行器的速度而变化。在较低速度下，法向加速度线索是微弱的，并且主要线索是俯仰率。在轻微的俯仰可以产生大法向加速度的较高速度下，法向加速度线索占支配地位。因此，C*指标是包括法向加速度和俯仰率的混合的无量纲参数。例如，可将C*指标表达为C*＝Nz+KqQ，其中Nz是在飞行员的工位处或在飞行器的CG处的法向加速度，Q是俯仰率，并且Kq是混合增益。
通过参考附图来描述各种实施例的各方面。
图1是示例性飞行器10的立体图，所述示例性飞行器10可包括用于在飞行期间控制飞行器10的操作的一些方面的系统12(示意性地示出)。飞行器10可以是任何类型的有人驾驶或无人驾驶飞行器(例如，无人机)，诸如公司飞行器、私人飞行器、商用飞行器和客机。例如，飞行器10可以是涡轮螺旋桨飞行器、(例如，超远程)商用喷气飞行器或窄体双发动机喷气大型客机。飞行器10可以是包括一个或多个发动机14的固定机翼飞行器。图1中所示的示例性飞行器10是翼身融合(BWB)飞行器。本文公开的系统和方法的使用对于具有非线性飞行动力学的BWB飞行器来说可以是特别有利的，所述非线性飞行动力学也可基于这种飞行器的飞行期间的CG的位置变化而变化。然而，应理解的是，本文描述的系统12和方法也适用于其它类型的飞行器。
参考图1，飞行器10可具有中央机身16，所述中央机身16具有驾驶舱所位于的前端和相对的尾端。中央机身16可以是翼型形状的，以便能够产生升力。在所示的实施例中，飞行器10是无尾的。然而，可以替换地在中央机身16的尾端处设置尾部结构，并且/或者可以在中央机身16的前端处设置鸭翼。机翼18从中央机身16的相反侧横向地突出。可将发动机14安装到中央机身16的尾端。替换地或此外，可将发动机14安装到机翼18，或者可将它们完全地或部分地嵌入在中央机身16或机翼18内。BWB飞行器设计有时也被称为“翼身融合”飞行器设计。如本文所引用的，术语“翼身融合”和“BWB”旨在包含被称为“混合翼身”设计的设计。
飞行器10可包括被配置成在飞行期间与在飞行器10周围流动的空气相互作用的适合的飞行控制面20。控制系统12可在操作上耦合到这种飞行控制面20。这种飞行控制面20可被可移动地安装到飞行器10的机翼18和/或其它部分，并且可被配置成使飞行器10在飞行期间绕轴线A1(即，横滚)、A2(即，俯仰)和/或A3(即，偏航)旋转。例如，飞行器10的一个或多个飞行控制面20可以是纵向控制飞行控制面(例如，升降舵、升降副翼)，其在BWB飞行器的情况下可移动地安装到机翼18，或者在传统飞行器配置情况下可移动地安装到尾翼的水平稳定器。可将这种纵向控制飞行控制面认为是使飞行器10在飞行期间绕水平或横向轴线A2移动(即，旋转)的主飞行控制面。换句话说，纵向控制飞行控制面在飞行中的移动可使飞行器10向上或向下俯仰。每个纵向控制飞行控制面可被铰接到机翼18或水平稳定器的后缘，并且能够可控制地移动。
取决于飞行器10的姿态，当提及法向加速度Nz时的法向方向可以是相对于飞行器10而言，且不一定是竖直的。法向方向可以是飞行器10的对称平面中的矢量，并朝向飞行器10的腹部(即，垂直于飞行器10的纵向轴线A1)定向。法向方向可以平行于偏航轴线A3。法向加速度Nz有时被称为“载荷因素”，并且可用于定义飞行器10的结构的结构极限。
图2是飞行器10的控制系统12的示例性示意表示。控制系统12可包括用于接收来自在飞行器10上的飞行员的输入的一个或多个飞行员输入设备22(在下文中以单数提及)。这种输入可指示引起飞行器10的一个或多个飞行控制面20的移动的期望纵向控制(即，俯仰)命令。控制系统12可包括一个或多个计算机24(在下文中以单数提及)，其在操作上耦合到飞行员输入设备22，以接收指示飞行员的期望命令的输入信号26。飞行员输入设备22例如可以是侧杆、中杆或控制柱，并且被配置成接收来自飞行员的期望俯仰命令。在一些实施例中，本文描述的系统和方法还可与由飞行器10的自动飞行(例如，自动驾驶仪)系统生成的纵向控制命令一起使用，或者与基于来自飞行员或与飞行器10远程地定位的其它操作员的输入而生成的纵向控制命令一起使用。因此，本文公开的系统和方法可被用于有人驾驶或无人驾驶飞行器(例如，无人机)的纵向控制。
计算机24可包括一个或多个数据处理器28(在下文中以单数提及)，以及包括可由数据处理器28执行的机器可读指令32的一个或多个非暂时性存储器30(即，数据存储设备)(在下文中以单数提及)。指令32可被配置成使计算机24执行一个或多个步骤以便实现计算机实现的过程，使得指令32当由数据处理器28或其它可编程装置执行时，可使本文描述的方法中指定的功能/行为被执行。存储器30可包括适合于可检索地存储可由计算机24的数据处理器28执行的机器可读指令32的任何存储手段(例如，设备)。
可将本公开的各个方面具体实现为系统、设备、方法和/或计算机程序产品。因此，本公开的各方面可采取完全硬件实施例、完全软件实施例或组合软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本公开的各方面可采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品被具体实现为一个或多个非暂时性计算机可读介质(例如，存储器30)，其上具体实现有计算机可读程序代码。计算机程序产品可例如由计算机24执行，以完全或部分地执行本文公开的一种或多种方法。应理解的是，基于本公开，相关领域的技术人员能容易地编写用于实现本文公开的方法的计算机程序代码。
计算机24可直接地或间接地在操作上耦合到致动器34(在下文中以单数提及)以便控制，并可选地接收来自与一个或多个飞行控制面20相关联的致动器34的反馈。例如，由控制器24提供的输出信号36(例如，命令信号)能用于控制致动器34。可将计算机24认为是飞行器10的电传飞行系统的一部分。例如，计算机24可被配置成除执行本文描述的那些功能外还执行附加功能。在一些实施例中，计算机24可以是被称为飞行器10的飞行控制计算机(FCC)的类型。可在飞行器10的FCC中以控制律(CLAWS)的形式实现指令32。计算机24的输入26还可包括指示飞行器10的(例如，感测或导出的)工作参数(即，状态)的信号。因此，可在操作上连接计算机24，以接收经由一个或多个传感器38获取的数据。
图3是飞行器10的系统12的另一示例性示意表示。系统12可包括布置在一个或多个(I)NDI控制器42(或其它类型的控制器)上游的一个或多个控制器40。控制器40和(I)NDI控制器42可在单独的计算机和单独的软件中实现，或者其功能性可在公共计算机24中实现。计算机24可在操作上耦合到飞行员输入设备22，并且经由致动器34耦合到一个或多个飞行控制面20。控制器40和(I)NDI控制器42可各自包括反馈和/或前馈控制器。
在系统12的操作期间，可经由飞行员输入设备22从人类飞行员接收输入命令
或者可从飞行器10的自动飞行系统接收输入命令
输入命令
可指示实现飞行器10的期望俯仰变化(即，纵向控制)所需要的法向加速度。控制器40可基于输入命令
来计算用于飞行器10的目标俯仰率QC。(I)NDI控制器42可被配置成然后使用目标俯仰率QC作为用于控制一个或多个飞行控制面20的(I)NDI内控制回路或其它控制技术的输入(例如，用于受控变量的设定点)。换句话说，系统12可允许将来自上游过程(飞行员或自动驾驶仪)的形式为法向加速度的输入命令
转换为用于诸如(I)NDI这样的下游控制技术的目标俯仰率QC。
系统12可包括用于向外回路控制器40并还向(I)NDI内回路控制器42提供输入(例如，形式为飞行器动力学状态变量
的反馈)的一个或多个传感器38。这种输入可指示与飞行器10相关联的一个或多个工作参数。在一些实施例中，传感器38可包括一个或多个角加速度计，用于获取与飞行器10相关联的俯仰加速度、横滚加速度和/或偏航加速度。在一些实施例中，传感器38可包括一个或多个位置传感器，用于获取一个或多个飞行控制面20的位置。如上面所说明的，在系统12中利用INDI控制技术的情况下，俯仰加速度和/或飞行控制面位置的这种反馈可由(I)NDI控制器42使用，来计算表示适当的飞行控制面20的位置δ的所需增量变化的一个或多个致动器命令δcmd，以便使飞行器10朝向通过输入命令
所请求的期望状态转向。
在一些实施例中，不是直接地从(例如，加速度)传感器获取，而是可从对计算机24可用的其它信息导出/计算飞行器动力学状态变量
诸如俯仰、横滚和偏航加速度，俯仰、横滚和偏航位置，飞行控制面20的偏转及其它状态。可通过包括直接测量和/或状态估计的任何机载确定技术来获得飞行器动力学状态变量
中的一个或多个。在一些实施例中，一个或多个动力学状态变量
可以是伪测量结果。例如，可基于来自陀螺仪的一个或多个信号来计算适合的加速度信息。然后可将俯仰加速度用作用于由(I)NDI控制器42所执行的INDI控制技术的反馈。应理解的是，对于使用NDI控制技术的实施例，还会需要飞行器10的适合的空气动力学机载模型。
图4是系统12的示例性部分的示意表示。在一些实施例中，控制器40可包括前馈控制器40A。可在前馈控制技术中使用适合的运动学关系来计算俯仰率前馈命令QFFW，所述前馈控制技术可用于定义俯仰率前馈命令QFFW，所述俯仰率前馈命令QFFW通过适合的增益被转换为目标俯仰率QC，使得然后可通过(I)NDI控制器42来跟踪目标俯仰率QC。这种运动学关系可包括表示飞行器10的模型的方程，特别是当与INDI控制技术相结合地使用时，可以不必跨越整个飞行包络准确地定义飞行器10的模型。可基于法向加速度NZ与俯仰率Q之间的运动学关系来计算俯仰率前馈命令QFFW，所述俯仰率Q可以是飞行器10的空速、俯仰和横滚角、攻角及潜在其它参数的函数。这种运动学关系可取决于飞行器10的类型，并且通过刚性机身的运动学关系的分析推导来确定。运动学关系或方程可以是通过执行一些简化所获得的近似值。
可使用作为示例在下面列举的方程1，基于法向加速度NZ与俯仰率Q之间的运动学关系(即，近似值)来计算俯仰率前馈命令QFFW：
其中
表示飞行器10的真实空速的机载知识(onboard knowledge)，
表示在飞行器10的CG处的比力(specific force)的纵向分量的机载知识，
分别表示俯仰角和横滚角的机载知识，
表示飞行器10的攻角的机载知识，
表示在飞行器10的CG处的比力的命令的法向分量，并且g表示重力加速度。
在一些实施例中，输入命令
可对应于被提供给前馈控制器40A以用于生成目标俯仰率QC的命令的法向加速度
替换地，命令的法向加速度
可以是基于
以及与飞行器10的纵向控制相关联的一个或多个因素而计算的值。在一些实施例中，命令的法向加速度
可以是基于其它控制考虑事项对输入命令
的修改。例如，系统12可包括可选的速度稳定性组件/算法44。中性稳定的飞行器在俯仰姿态变化之后不会自然地返回到其先前的空速。然而，速度稳定性组件/算法44可实现允许飞行员通过使用修整设备来设置参考空速的方法。速度稳定性组件/算法44可产生项
所述项
可在加法器46处与输入命令
组合，以产生考虑速度稳定性的命令的法向加速度
速度稳定性项
可以是对在飞行器10的重心处的比力的法向分量的命令的偏移。
在一些实施例中，系统12可包括可选的转弯补偿组件/算法48。转弯补偿组件/算法48可对标称
(例如，对于直线和水平飞行来说NZ＝1g)自动地应用机头向上偏置(即，俯仰补偿)，以补偿当转弯时由于横滚角而导致的升力损失。这种补偿可确保飞行器10在不失姿态的情况下转弯。转弯补偿组件/算法48可产生项
所述项
可在加法器46处与输入命令
组合，以产生考虑转弯补偿的命令的法向加速度
在一些实施例中，系统12可包括速度稳定性和转弯补偿组件44、48中的一个或两个。参考图4，可在加法器50处将转弯补偿项
与
相加，并且然后可在加法器46处将这种和的结果与
相加，以便产生考虑速度稳定性和转弯补偿两者的命令的法向加速度
系统12还可包括飞行包络保护组件52，所述飞行包络保护组件52可包括软件模块，所述软件模块可防止飞行器10的飞行员做出可能使飞行器10超过其结构和/或空气动力学工作极限的控制命令(例如，输入命令
)。例如飞行包络线保护组件52可供应不应超过的法向加速度极限
其基于飞行器10的一个或多个状态
来计算，并被供应给前馈控制器40A。飞行包络保护组件52还可包括大攻角保护、俯仰姿态保护和/或最小修整速度保护。
系统12还可包括飞行控制面分配组件54，所述飞行控制面分配组件54可基于(I)NDI输出
来确定如何采用飞行控制面来实现来自飞行器10的期望反应。例如，飞行控制面分配组件54可从(I)NDI控制器42接收(I)NDI输出
并且识别要致动哪一个飞行控制面20和对应的致动量，以便实现期望反应(例如，飞行器10的期望法向加速度NZ和/或俯仰变化)。
在一些实施例中，系统12还可被配置成执行对飞行器10绕一个或多个其它旋转轴线的控制。例如，系统12可用于在飞行期间控制飞行器10绕除了轴线A2(即，俯仰)之外的轴线A1(即，横滚)和A3(即，偏航)的运动。因此，(I)NDI控制器42可以是多轴线控制器，并且在操作上耦合以接收目标偏航率PC和目标横滚率RC，并且经由(I)NDI输出
和飞行控制面分配组件54，引起适当的飞行控制面20的致动，以实现期望反应(例如，飞行器10的俯仰、横滚和/或偏航变化)。在一些实施例中，可将飞行器10的纵向控制耦合到飞行器10的其它旋转轴线，使得控制器40和(I)NDI控制器42可考虑与其它轴线相关联的信息，以便执行与飞行器10的纵向控制相关联的功能。
图5是系统12的另一示例性部分的示意表示。在一些实施例中，可使用前馈控制器40A和反馈控制器40B两者来计算目标俯仰率QC。前馈控制器40A可像上面关于图4所描述的那样计算俯仰率前馈命令QFFW。反馈控制器40B可计算俯仰率反馈命令QFB。俯仰率前馈命令QFFW和俯仰率反馈命令QFB可在加法器56处相加，以计算被提供给(I)NDI控制器42的目标俯仰率QC。在此实施例中，反馈控制器40B可实现这样一种反馈控制技术，其中设定点对应于命令的法向加速度
并且反馈控制器40B考虑飞行器10的响应来基于该设定点调整俯仰率反馈命令QFB。在一些实施例中，提供给反馈控制器40B的设定点可能受到由飞行包络线保护组件52供应的法向加速度极限
限制。提供给反馈控制器40B的受限设定点在图5中被示出为
利用系统12，组合了用INDI在法向加速度NZ方面命令飞行器的好处，这允许与考虑诸如速度稳定性、转弯补偿和飞行包络保护这样的其它控制分量的外回路控制技术一起使用INDI。这些控制分量不必是鲁棒的或者根据飞行动力学中的变化被调整和调度，因为INDI可吸收这些变化。
图6是系统12的另一示例性部分的示意表示。在此实施例中，还可使用前馈控制器40A和反馈控制器40B两者来计算目标俯仰率QC。前馈控制器40A可像上面关于图4所描述的那样计算俯仰率前馈命令QFFW。反馈控制器40B可计算俯仰率反馈命令QFB。俯仰率前馈命令QFFW和俯仰率反馈命令QFB可在加法器56相加，以计算被提供给(I)NDI控制器42的目标俯仰率QC。在此实施例中，反馈控制器40B可实现这样一种反馈控制技术，其中设定点对应于命令的C*值
并且反馈控制器40B考虑飞行器10的响应来基于设定点调整俯仰率反馈命令QFB。
不是直接地根据命令的C*值
命令一个或多个飞行控制面20，而是可以可选地与前馈控制器40A一起使用反馈控制器40B来计算目标俯仰率QC，所述目标俯仰率QC被用作用于(I)NDI控制器42(例如，在INDI控制回路中)的设定点。可基于根据命令的法向加速度
计算的命令的C*值
来计算目标俯仰率QC。反馈控制器40B可实施反馈控制，输入是命令的C*值
与C*的伪测量结果(即，机载知识)(在图6中引用并在下面作为
根据实测法向加速度
和实测俯仰率
计算)之间的误差。可使用在下面作为示例提供的方程2来计算俯仰率反馈命令QFB：
其中在
情况下
在
情况下
Kc·(s)表示比例积分(PI)控制器增益，
表示在飞行器10的CG的位置处的比力的命令的法向分量，
表示在飞行器10的CG的位置处的比力的法向分量的机载知识，并且其中Knz和Kq是增益。
利用系统12，使用基于C*的纵向控制的好处可被保持并与INDI组合，所述INDI可吸收跨越工作包络的变化。因此，在INDI控制器42上游的各种控制增益(包括C*反馈/前馈增益)不需要跨越整个工作包络进行调度。速度稳定性组件/算法44的使用可允许反馈控制器40B利用有时称为“C*U”的指标，所述指标将使用C*的期望俯仰响应与长期速度稳定性组合。
应理解的是，在一些实施例中，反馈控制器40B能跟踪除法向加速度NZ或C*以外的变量。
图7是图示用于飞行器在飞行期间的纵向控制的方法100的流程图。可使用本文描述的系统12或者使用其它系统来执行方法100。例如，机器可读指令32(参见图2)可被配置成使计算机24执行方法100的至少一部分。应理解的是，方法100的各方面可与本文描述的其它方法的各方面组合。在各种实施例中，方法100可包括：
接收飞行器10的命令的法向加速度(例如，
)(参见框102)；
基于命令的法向加速度
来计算用于飞行器10的目标俯仰率QC(参见框104)；
在用于控制飞行器10的一个或多个飞行控制面20的控制技术中使用目标俯仰率QC(参见框106)；以及
使用控制技术来控制飞行器10的一个或多个飞行控制面20，以实现用于飞行器10的目标俯仰率QC(参见框108)。
在方法100的一些实施例中，控制技术可包括INDI。在方法100的一些实施例中，控制技术可包括NDI。
方法100可包括使用前馈控制器40A来计算目标俯仰率QC。
方法100可包括使用反馈控制器40B来计算目标俯仰率QC。
方法100可包括：使用前馈控制器40A来计算俯仰率前馈命令QFFW；使用反馈控制器40B来计算俯仰率反馈命令QFB；以及对俯仰率前馈指令QFFW和俯仰率反馈指令QFB进行求和，以计算目标俯仰率QC(即，QFFW+QFB＝QC)。
方法100可包括使用飞行器10的命令的法向加速度
作为用于反馈控制器40B的设定点。
方法100可包括计算与飞行器10的命令的法向加速度
相关联的操纵品质指标(例如，
)的值。操纵品质指标
的值可包括作为飞行器10的速度的函数的飞行器10的法向加速度NZ和俯仰率Q的混合。操纵品质指标
的值可被用作用于反馈控制器40B的设定点。
方法100可包括接收飞行器10的俯仰加速度，并且在控制技术中使用飞行器10的俯仰加速度。
方法100可包括基于经由一个或多个传感器获取的数据来计算飞行器10的俯仰加速度，并且在控制技术中使用飞行器的俯仰加速度。
方法100可包括接收飞行器10的飞行控制面20中的至少一个的位置，并且在控制技术中使用至少一个飞行控制面20的位置。
在各种实施例中，飞行器10的命令的法向加速度
可基于经由输入设备22从在飞行器上的飞行员接收到的输入命令
替换地或此外，飞行器10的命令的法向加速度
可基于从与飞行器10相关联(例如，在飞行器10上或者远离飞行器10)的自动飞行设备接收到的输入命令
在一些实施例中，可为了速度稳定性(例如，经由速度稳定性项
)而修改飞行器10的命令的法向加速度
在一些实施例中，可为了转弯补偿(例如，经由转弯补偿项
)而修改飞行器10的命令的法向加速度
在一些实施例中，与INDI相结合地使用NZ和/或C*可导致对非线性动力学变化的鲁棒性提高，并且可改进跨越飞行器10的工作包络的性能一致性。飞行器10的跨越整个飞行包络准确的数值模型可能是相对复杂的，并依赖于若干变量，诸如姿态、速度、有效载荷、燃料量和分布、CG位置、惯性、天气状况(例如，冰是否已形成在机翼18上)、攻角…等等。这种数值模型可包括一个或多个非线性动力学方程，并且可能难以定义且费时。在本文描述的系统和方法的一些实施例中，INDI的使用可显著地减少对本文所说明的这种数值模型的依赖。
以上描述仅意在为示例性的，并且相关领域的技术人员将认识到，可以在不脱离所公开的本发明的范围的情况下对所描述的实施例做出变化。在不脱离权利要求的主题的情况下，可以以其它具体形式具体实现本公开。本公开旨在涵盖并包含技术方面的所有适合的变化。鉴于对本公开的回顾，落入本发明的范围内的修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且这种修改旨在落入所附权利要求内。另外，权利要求的范围不应该受到示例中阐述的优选实施例限制，而是应该被给予总体上与说明书一致的最广泛解释。
Claims (30)
1.一种用于飞行器在飞行期间的纵向控制的方法，所述方法包括：
接收所述飞行器的命令的法向加速度；
基于所述命令的法向加速度来计算用于所述飞行器的目标俯仰率；
在用于控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面的控制技术中使用所述目标俯仰率；以及
使用所述控制技术来控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面，以实现用于所述飞行器的所述目标俯仰率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制技术包括增量非线性动态逆。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制技术包括非线性动态逆。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的方法，包括使用前馈控制器来计算所述目标俯仰率。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的方法，包括使用反馈控制器来计算所述目标俯仰率。
6.根据权利要求1至3中的任何一项所述的方法，其中，计算所述目标俯仰率包括：
使用前馈控制器来计算俯仰率前馈命令；
使用反馈控制器来计算俯仰率反馈命令；以及
对所述俯仰率前馈命令和所述俯仰率反馈命令进行求和，以计算所述目标俯仰率。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，包括：
计算与所述飞行器的命令的法向加速度相关联的操纵品质指标的值，所述操纵品质指标包括作为所述飞行器的速度的函数的、所述飞行器的法向加速度和俯仰率的混合；以及
使用所述操纵品质指标的值作为用于所述反馈控制器的设定点。
8.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，包括使用所述飞行器的命令的法向加速度作为用于所述反馈控制器的设定点。
9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的方法，包括：
接收所述飞行器的俯仰加速度；以及
在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
10.根据权利要求1至8中的任何一项所述的方法，包括：
基于经由一个或多个传感器获取的数据来计算所述飞行器的俯仰加速度；以及
在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
11.根据权利要求1至10中的任何一项所述的方法，包括：
接收所述飞行器的飞行控制面中的至少一个飞行控制面的位置；以及
在所述控制技术中使用所述至少一个飞行控制面的位置。
12.根据权利要求1至11中的任何一项所述的方法，其中，所述飞行器的命令的法向加速度是基于源自在所述飞行器上的飞行员输入设备的输入命令。
13.根据权利要求1至12中的任何一项所述的方法，其中，为了速度稳定性而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
14.根据权利要求1至13中的任何一项所述的方法，其中，为了转弯补偿而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
15.一种用于飞行器在飞行期间的纵向控制的系统，所述系统包括：
一个或多个计算机，所述一个或多个计算机在操作上耦合以接收指示所述飞行器的命令的法向加速度的一个或多个信号，所述一个或多个计算机被配置成：
基于所述命令的法向加速度来计算用于所述飞行器的目标俯仰率；
在用于控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面的控制技术中使用所述目标俯仰率；并且
使用所述控制技术来控制所述飞行器的一个或多个飞行控制面，以实现用于所述飞行器的所述目标俯仰率。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制技术包括增量非线性动态逆。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制技术包括非线性动态逆。
18.根据权利要求15至17中的任何一项所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成使用前馈控制器来计算所述目标俯仰率。
19.根据权利要求15至18中的任何一项所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成使用反馈控制器来计算所述目标俯仰率。
20.根据权利要求15至17中的任何一项所述的系统，其中，计算所述目标俯仰率包括：
使用前馈控制器来计算俯仰率前馈命令；
使用反馈控制器来计算俯仰率反馈命令；以及
对所述俯仰率前馈命令和所述俯仰率反馈命令进行求和，以计算所述目标俯仰率。
21.根据权利要求19或权利要求20所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成：
计算与所述飞行器的命令的法向加速度相关联的操纵品质指标的值，所述操纵品质指标包括作为所述飞行器的速度的函数的、所述飞行器的法向加速度和俯仰率的混合；以及
使用所述操纵品质指标的值作为用于所述反馈控制器的设定点。
22.根据权利要求19或权利要求20所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成使用所述飞行器的命令的法向加速度作为用于所述反馈控制器的设定点。
23.根据权利要求15至22中的任何一项所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成：
接收所述飞行器的俯仰加速度；并且
在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
24.根据权利要求15至22中的任何一项所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成：
基于经由一个或多个传感器获取的数据来计算所述飞行器的俯仰加速度；并且
在所述控制技术中使用所述飞行器的俯仰加速度。
25.根据权利要求15至24中的任何一项所述的系统，其中，所述一个或多个计算机被配置成：
接收所述飞行器的飞行控制面中的至少一个飞行控制面的位置；并且
在所述控制技术中使用所述至少一个飞行控制面的位置。
26.根据权利要求15至25中的任何一项所述的系统，其中，所述飞行器的命令的法向加速度是基于源自在所述飞行器上的飞行员输入设备的输入命令。
27.根据权利要求15至26中的任何一项所述的系统，其中，为了速度稳定性而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
28.根据权利要求15至27中的任何一项所述的系统，其中，为了转弯补偿而修改所述飞行器的命令的法向加速度。
29.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求15至28中的任何一项所述的系统。
30.一种翼身融合飞行器，所述翼身融合飞行器包括根据权利要求15至28中的任何一项所述的系统。
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