CN111532438B - 一种双侧杆叠加保护控制和告警系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双侧杆叠加保护控制和告警系统，包括：信号过滤模块接收PF侧杆和PM侧杆产生的操纵信号进行信号过滤，将非0的有效操纵信号传输至加权系数与阈值模块；侧杆优先逻辑模块根据对优先按钮按压所产生的输入信号给PF侧杆和PM侧杆分配操纵权限，输出优先权信号；加权系数与阈值模块根据侧优先权信号设置加权系数，并根据操纵信号和加权系数生成用于传输给飞控计算机的指令信号；告警模块根据各输入信号和根据飞机传感器提供的飞行姿态信息，确定是否进行双侧杆叠加告警和/或近地擦地告警。本发明实施例解决了现有民航中由于侧杆叠加的人为差错而导致飞机近地擦地的问题，提高了大型商用民航飞机的飞行安全性。

Description

一种双侧杆叠加保护控制和告警系统

技术领域

本申请涉及但不限于民用航空控制系统技术领域，为自动控制技术在民用航空领域中的应用，尤指一种双侧杆叠加保护控制和告警系统。

背景技术

民航飞机在起飞和降落的过程中都是采用的人工操纵模式，侧杆叠加行为主要发生在近地拉平阶段。由于被动侧杆缺乏反驱装置，所以极易产生人机信息阻塞以及主副驾驶之间信息交互的失误，从而导致瞬时输入操纵量叠加，出现过量错误的情况。操纵杆的过量错误，会导致飞机姿态角的过量，在近地情况下，飞机可能出现机尾、机头和机翼翼尖的擦地现象。被动侧杆的“叠加操纵”是很多擦地事故产生的主要原因，也是容易产生飞机近地飞行擦地的主要人为因素。

空客公司关于人/机权限的分配采用的是一种“硬限制”，即在飞行员的操纵和控制系统的数据产生分歧时，空客的飞行控制系统会对飞行员的操纵进行实际干预，从而削弱飞行员的操纵权限。而波音采取的是一种“软限制”的措施，比如飞行员在飞行过程中接近飞行包线时，波音的飞行控制系统会通过操纵装置的力反馈对飞行员进行提醒，如果飞行员继续操纵，操纵的指令不会被干预，飞行员被允许“超控飞机”。

主飞飞行员(简称为：PF)和监控飞行员(简称为：PM)的飞行协作也是飞行过程中的重要环节。波音公司的飞机由于双杆之间是联动关系，所以PF和PM有着近乎等同的操纵权限，PF和PM之间也可以随时通过操纵杆的变化互相交换操纵信息，所以在波音机械结构的操纵系统下PF/PM的协作比较容易进行。而空客飞机的被动侧杆之间缺乏联动，侧杆和舵面之间也无反驱装置，所以PF和PM之间的信息交互相对困难，经常出现PF和PM同时进行相似操纵的情况，而这种操纵产生的指令信号会以代数方式叠加。

此外，当前的近地告警系统设计时主要将飞机看成一个质点，并未考虑飞机本身几何外形引发的更精细颗粒度的撞击现象，因此很难解决当前民航飞机进近阶段的擦地告警问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种双侧杆叠加保护控制和告警系统，以解决现有民航飞机的操纵中，由于侧杆叠加的人为差错而导致飞机近地擦地的问题，通过减少人为差错，避免可能发生的双侧杆叠加导致的飞机擦地现象的发生，从而提高大型商用民航飞机的飞行安全性。

本发明实施例提供一种双侧杆叠加保护控制和告警系统，所述双侧杆叠加保护控制和告警系统中的主控PF侧杆和监控PM侧杆上均设置有优先按钮，所述双侧杆叠加保护控制和告警系统包括：

信号过滤模块，用于接收PF侧杆和PM侧杆产生的操纵信号，对过滤阈值范围内的操纵信号进行信号过滤，并将过滤结果为非0的有效操纵信号传输至加权系数与阈值模块；

侧杆优先逻辑模块，用于根据对优先按钮按压所产生的输入信号给PF侧杆和PM侧杆分配操纵权限，并将操纵权限所匹配的优先权信号传输至加权系数与阈值模块；

加权系数与阈值模块，用于根据侧杆优先逻辑模块输入的优先权信号设置叠加结果的加权系数，并根据信号过滤模块输入的操纵信号和已设置的加权系数，生成用于传输给飞控计算机的指令信号，并设置指令信号的指令阈值；所述加权系数用于在确定PF侧杆和PM侧杆输入的操纵信号出现不合理叠加的情况下，对叠加信号进行加权处理；

告警模块，用于根据侧杆优先逻辑模块和侧杆优先逻辑模块提供的输入信号，以及根据飞机传感器提供的飞行姿态信息，确定是否进行双侧杆叠加告警和近地擦地告警中的至少一项告警，并执行相应的告警提示。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，所述过滤阈值为操纵量小于2度、且操纵的持续时间小于500毫秒；

所述信号过滤模块，用于过滤PF侧杆和PM侧杆输入的操纵量小于2度、且持续时间小于500毫秒的操纵信号。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，设置于PF侧杆和PM侧杆上的优先按钮均包括：接管按钮和锁定按钮；

所述侧杆优先逻辑模块，用于在其中一个接管按钮被按压、且锁定按钮均未被按压时，得到该接管按钮所属侧杆的输入信号为1；还用于在其中一个锁定按钮被按压时，得到该锁定按钮所属侧杆的输入信号为2，输入信号2的优先级高于输入信号1；

所述侧杆优先逻辑模块，还用于将通过对“接管”按钮和“锁定”按钮按压操作得到的输入信号转换为PF侧杆和PM侧杆的优先权信号。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，

通过侧杆优先逻辑模块控制优先权，得到双侧杆的优先权规则包括：

优先级相同情况下获得同等优先权；

优先级高的一方获得优先权；

前一时刻的优先级和优先按钮的输入决定了下一时刻双侧杆的优先权分配，决定了实时优先级；

失去优先权的一方优先级直接归零；

优先按钮的输入为实时优先级的预输入。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，所述加权系数与阈值模块中预先设置有PF侧杆和PM侧杆出现叠加操纵时的加权系数；

所述加权系数与阈值模块，还用于在无叠加操纵的情况下，将预先设置的加权系数置为无效。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，所述告警模块包括：叠加告警单元和擦地告警单元；

所述叠加告警单元，用于在PF侧杆和PM侧杆的优先权同时为1、且主控侧杆和监控侧杆发出的操纵信号经过信号过滤模块过滤后为非0的有效操纵信号，确认发生叠加告警，并向飞行记录仪发出叠加告警提示；

所述擦地告警单元，用于根据飞机的机头、机尾和机翼翼尖的离地高度判断飞机是否即将擦地，并在判断出具有擦地风险时进行近地擦地告警提示。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，

所述擦地告警单元，还用于计算得到主起落架机轮高度分别与左机翼翼尖高度、右机翼翼尖高度、机头高度或机尾高度之间的关系：

其中，h_g为主起落架机轮最低点的离地高度，h_ζl为左机翼翼尖高度，h_ζr为右机翼翼尖高度，h_ζt为纵向离地最低点高度，即机头或机尾离地最低点高度，θ为飞机的俯仰角、φ为飞机的滚转角，ψ为飞机的偏航角；其中，左、右机翼翼尖的坐标分别为ξl＝(-ξx，-ξy，0)和ξr＝(-ξx，ξy，0)，主起落架机轮最低点坐标为：ξg＝(-δx，0，δz)，机头坐标为ξh＝(εx，0，0)，机尾坐标为ξt＝(-ε_x，0，0)。

可选地，如上所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，PF侧杆和PM侧杆上还分别设置有超控按钮；

所述超控按钮，用于在按压状态下，将其所属侧杆的操纵信号直接传输至飞控计算机，并断开侧杆优先逻辑模块和加权系数与阈值模块。

本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统，通过信号过滤模块有效地避免频繁地告警提醒，通过侧杆优先逻辑模块实现操纵权限切换的同时有效解决了侧杆叠加操纵的问题，通过加权系数和阈值模块实现在叠加发生时有效保证不出现过量或者过大操纵的情况，通过告警模块可以有效提供相应的安全告警信息；另外，该系统可以提供叠加操纵信号告警和近地姿态告警等不同告警内容，并且根据实际危险任务段的特征，合理设置了超控按钮的功能，实现了既不影响飞行员使用权限，也不产生由于人为因素导致的严重后果。因此，本发明实施例的双侧杆叠加保护控制和告警系统减小了侧杆叠加的人为差错产生的飞机擦地事故的可能，有效提升了带有双侧杆的飞行控制系统的安全性。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为现有民航空客飞机的双侧杆的工作原理示意图；

图2本发明实施例提供的一种双侧杆叠加保护控制和告警系统的结构示意图；

图3为图2所示双侧杆叠加保护控制和告警系统的工作原理示意图；

图4为本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中侧杆优先逻辑模块的逻辑功能的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中侧杆优先逻辑模块的优先权仿真结果；

图6为本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中一种加权系数与阈值模块的工作原理示意图；

图7为A320-100飞机的基本构型的侧视图；

图8为图7所示A320-100飞机的基本构型的俯视图；

图9为通过本发明实施例中的告警模块得到的不同质心高度下的近地擦地安全区域的示意图；

图10为采用本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统在飞行控制中的原理示意图；

图11为本发明实施例中PF侧杆(或PM侧杆)的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，为现有民航空客飞机的双侧杆的工作原理示意图，现有民航空客飞机采用双被动侧杆的前向通道，可能将叠加的操纵信号传输给飞行控制系统，从而输出叠加操纵结果。本发明实施例针对带有侧杆操纵的大型民航飞机由于双侧杆叠加的人为差错而导致的起飞和降落阶段的擦地问题，提出解决方案。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

针对双侧杆系统的操纵特点及任务需求，本发明实施例所设计的双侧杆叠加保护控制和告警系统应该满足以下功能：

(1)、叠加发生时应当从视觉和听觉等角度对飞行员进行提醒；

(2)、为了避免频繁告警，时间短幅值小的信号将不予提醒；

(3)、PF和PM可以通过优先逻辑模块转换操纵优先权；

(4)、单一飞行员的操纵权限不应被限制；

(5)、通过超控按钮可以解除双侧杆叠加保护控制和告警系统的作用，飞行员获得最大操纵权限。

满足了上述设计要求的功能，双侧杆叠加保护控制和告警系统就可以在叠加操纵产生时不造成瞬时过大的输入，而且单一飞行员的权限一直可以保证。飞行员通过优先逻辑模块自由切换操纵权限，通过超控按钮获得操纵的最大权限，这样就可以较好地处理被动侧杆下的PF/PM权限分配和人/机权限问题。

本发明实施例针对被动侧杆的操纵特点，充分考虑操纵中的人为因素，结合波音和空客当前设计中的优势，进而设计相应的双侧杆叠加保护控制和告警系统中的各模块以及相应的功能，并通过实现提醒功能，以减少人为差错，避免可能发生的双侧杆叠加导致的飞机擦地问题的发生，最终提高大型商用民航飞机的飞行安全性。本发明实施例是自动控制技术在民用航空领域中的应用，属于民用航空控制系统技术领域，其中涉及到飞行动力学、控制理论、系统工程等专业知识领域。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种双侧杆叠加保护控制和告警系统的结构示意图，图3为图2所示双侧杆叠加保护控制和告警系统的工作原理示意图，图2中仅示意出双侧杆叠加保护控制和告警系统中各模块，PF侧杆和PM侧杆，以及飞控计算机和记录仪等，图3在图2的基础上，还示意出整个系统工作过程中的数据信息，例如操纵信号和优先权信号汇总以及预设的加权系数。

本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，主控PF侧杆和监控PM侧杆上均设置有优先按钮，该系统可以包括：信号过滤模块、侧杆优先逻辑模块、加权系数与阈值模块和告警模块；如图2和图3可以看出，加权系数与阈值模块分别与信号过滤模块和侧杆优先逻辑模块连接，告警模块也别与信号过滤模块和侧杆优先逻辑模块连接；加权系数与阈值模块和告警模块都可以接收到来自信号过滤模块和侧杆优先逻辑模块的4路信号。

本发明实施例中的信号过滤模块，用于接收PF侧杆和PM侧杆产生的操纵信号，对过滤阈值范围内的操纵信号进行信号过滤，并将过滤结果为非0的有效操纵信号传输至加权系数与阈值模块；

侧杆优先逻辑模块，用于根据对优先按钮按压所产生的输入信号给PF侧杆和PM侧杆分配操纵权限，并将操纵权限所匹配的优先权信号传输至加权系数与阈值模块；

加权系数与阈值模块，用于根据侧杆优先逻辑模块输入的优先权信号设置叠加结果的加权系数，并根据信号过滤模块输入的操纵信号和已设置的加权系数，生成用于传输给飞控计算机的指令信号，并设置指令信号的指令阈值；其中，加权系数用于在确定PF侧杆和PM侧杆输入的操纵信号出现不合理叠加的情况下，对叠加信号进行加权处理；

告警模块，用于根据侧杆优先逻辑模块和侧杆优先逻辑模块提供的输入信号，以及根据飞机传感器提供的飞行姿态，确定是否进行双侧杆叠加告警和近地擦地告警中的至少一项告警，并执行相应的告警提示。

实际应用中，本发明实施例中的告警模块包括用于进行双侧杆叠加告警的叠加告警单元和用于进行近地擦地告警的擦地告警单元，以实现不同内容的告警提示。另外，本发明实施例的双侧杆中还可以设置一超控按钮。以下分别对本发明实施例中的几个功能进行说明。

1、双侧杆叠加保护控制功能

本发明实施例中双侧杆叠加保护控制功能，主要为了实现避免双侧杆叠加与意外叠加告警方案的目的。结构和功能的设计中考虑到人为因素的产生方式，显然基于状态量偏差的闭环反馈控制由于人工操纵的干涉很难达到预期的控制效果。因此，通过观察系统工作状况，然后收集信息并掌握系统规律，进而预测系统变化趋势，从而正确预计未来可能出现的问题，最后提前采取措施，将可能发生的偏差消除，避免在未来可能发生的差错是一种解决双侧杆叠加问题的可行的方法。

2、近地擦地告警功能

该告警功能主要解决即将发生擦地危险前的告警问题。在近地阶段，飞机飞行高度变化缓和，所以由于大幅度的过量操纵可能产生的姿态角的大幅度变化将成为飞机机头、机尾以及机翼翼尖是否擦地的决定性因素。

3、双侧杆中的超控按钮

本发明实施例的系统中的超控按钮实际上解决的是飞行员飞行权限的分配问题，需要根据实际危险任务段的特征，合理设计超控按钮的功能，可以既不影响飞行员使用权限，也不产生由于人为因素导致的严重后果。

以下分别对本发明实施例的双侧杆叠加保护控制和告警系统中的各模块实现的功能和实现方式进行详细说明。

(1)信号过滤模块，用于接收PF侧杆和PM侧杆产生的操纵信号，并对过滤阈值范围内的操纵信号进行信号过滤，并将过滤结果为非0的有效操纵信号传输至加权系数与阈值模块。信号过滤模块过滤得到的信号可能包括PF侧杆的有效操纵信号或/和PM侧杆的有效操纵信号。

在实际飞行中，主控/监控飞行员(PF和PM)偶尔会无意间触碰操纵杆，产生较小的信号。通常地，空客公司在处理无意触碰的扰动时采用的是通过在侧杆上增加一个初始杆力，以减少触碰带来的影响。虽然，现行解决方法可以减少“无意型”和“有意型”叠加带来的影响，不过这种方式实际上限制了飞行员的操纵权限，减少了飞行员进行微调操纵的灵敏度，影响侧杆操纵的品质。

本发明实施例中的信号过滤模块的作用是为加权系数与阈值模块和告警模块提供信息，不会对输入信号进行限制，只是将是否进行提醒的判据信息传递给告警模块以提供相应的告警内容。一方面，根据空客的飞行手册以及机场飞行经验，在操纵杆操纵量小于2°持续时间小于500毫秒(ms)时，产生的信号不会对飞行产生重大影响，这种信号在空客的体系中属于“无意型”叠加，所以过滤这一部分的信号可以减少频繁提醒告警，而2°、500ms也将成为双侧杆叠加保护控制和告警系统的过滤阈值。另一方面，对于“有意型”叠加，由于该种类型多数情况下是PM为了飞行舒适微调的作用，并且大多数情况下会和PF的操纵抵消，因此可以不进行专门处理。过滤的结果中如果操纵信号为0则不需要提醒和处理，不为0就说明是有效操作，需要继续判定，等待后续告警模块的告警处理。

基于被动侧杆(即指PF侧杆和PM侧杆)不操纵时稳定在中立位的特点，该信号过滤模块通过延迟环节将各个有效操纵信号的持续时间与过滤阈值作比较，以此为依据，对操纵信号持续时间进行有效滤波。具体实现中，以操纵信号两个零点之间的积分值进行有效操纵量阈值滤波。这样就实现了对不需要提供提醒的输入信号的过滤功能。通过信号过滤模块的上述过滤处理，可以有效地避免频繁地提醒。

(2)侧杆优先逻辑模块

侧杆优先逻辑模块的作用是根据对优先按钮的按压操作所产生的输入给PF侧杆和PM侧杆分别操纵权限，避免出现叠加操纵。目前，空客公司关于PF侧杆和PM侧杆的操纵权限分配设计了一个接管按钮，该接管按钮的功能是在保持按压接管按钮的时候屏蔽另一方的输入，保持按压40秒(s)之后，锁定优先权。如果出现同时按压的情况，后按压的一方获得优先权。上述现行优先权交换方式的缺陷在于飞行员想要获得操纵优先权就必须保持按压接管按钮，长时间操作会导致疲劳。本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，侧杆优先逻辑模块改进了现行空客的侧杆逻辑，使得PF侧杆和PM侧杆的权限分配更加地明确合理并且利于操作。具体改进如表1所示：

表1现行空客优先逻辑与本发明实施例中优先逻辑对比

为了实现PF侧杆和PM侧杆能够快速切换优先权，该侧杆优先逻辑模块在PF侧杆和PM侧杆的硬件上设置的按钮都设置为短操作形式。双侧杆上都设置“接管”和“锁定”两种按钮，“接管”按钮的作用是让PF侧杆和PM侧杆在一般情况下可以方便地切换操纵优先权。

举例来说，假设PF侧杆短暂按压“接管”按钮，Simulink中PF的侧杆逻辑模块输入信号为1，此时PF侧杆获得操纵优先权，PM侧杆的输入被屏蔽；随后，如果PM侧杆短暂按压“接管”按钮，那么PF侧杆的输入会被屏蔽而PM侧杆的操纵权限会恢复；如果PF侧杆按压“锁定”按钮，效果和“接管”按钮相同，不过此时如果PM侧杆按压“接管”按钮将不会恢复操纵权，达到锁定操纵权限的功能，“锁定”按钮的输入信号为2；此时如果PM侧杆想要获得操纵权限，也必须按压本侧的“锁定”按钮。实现了以上的侧杆逻辑，就可以在该侧杆优先逻辑模块开始生效时永远只有一方侧杆拥有优先权，从理论上杜绝了叠加操纵的产生。本发明实施例的双侧杆中采用“接管”按钮和“锁定”按钮的设计，并通过侧杆优先逻辑模块对双侧杆的分配操纵的优先权，使得PF侧杆和PM侧杆的权限切换快速便捷，舒适安逸，很好地处理了一般情况下的PF侧杆和PM侧杆的权限分配问题。

本发明实施例根据优先权逻辑功能的需要，定义中间变量优先级，即定义“接管”按钮和“锁定”按钮的优先级，“锁定”按钮(输入信号2)的优先级高于“接管”按钮(输入信号2)，定义域为(0,1,2)，相应地，控制优先权的定义域为(0,1)。在逻辑计算中为布尔型，在输出加权时可以转化为实数型。控制优先权分配逻辑如下：

1)、优先级相同情况下获得同等优先权；

2)、优先级高的一方获得优先权；

3)、前一时刻优先级和优先权按钮输入决定了下一时刻双侧杆的优先权分配；

4)、失去优先权的一方优先级直接归零；

5)、优先按钮的输入就是实时优先级的预输入，实时优先级取决于第3条逻辑。

如图4所示，为本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中侧杆优先逻辑模块的逻辑功能的原理示意图。如图5所示，为本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中侧杆优先逻辑模块的优先权仿真结果。

(3)加权系数与阈值模块

该加权系数与阈值模块的功能是根据侧杆优先逻辑模块输入的优先权信号设置叠加结果的加权系数，并信号过滤模块输入的操纵信号和已设置的加权系数，生成用于传输给飞控计算机的指令信号，并设置指令信号的指令阈值以防止指令信号过大。举例来说，PF侧杆获得优先权时，加权系数为：PF侧为1，PM侧为0，PM侧杆获得优先权时，加权系数为：PF侧为0，PM侧为1，PF侧和PM侧的优先权相同时，加权系数可以设置为：PF侧为0.5，PM侧为0.5，加权系数也可以设置为：PF侧为0.7，PM侧为0.3。

本发明实施例中加权系数的作用是在确定PF侧杆和PM侧杆的操纵信号出现不合理叠加的情况下，对叠加信号进行加权处理，即系统会根据预设的加权系数给PF和PM的输入信号进行调整。PF侧杆和PM侧杆的加权系数的设置也就是明确了在叠加产生时二者的权限分配，例如，如果PF侧杆加权系数为1，PM侧杆加权系数为0，那么PF侧杆此时的操纵信号的100％将会输入飞控计算机，而PM侧杆输入的操纵信号则无效。如果二者加权系数都为0.5，那么二者输入操纵信号的50％叠加后作为最终传输给飞控计算机的指令信号。

为了使得叠加操纵出现时的权限和责任分配可以明确，初始设置PF和PM的加权系数的和应该为1。在无叠加操纵时，加权系数的设置无效，以保证单一飞行员的输入权限。此外，为了保证飞行的安全，在把信号输入飞行控制计算机之前，本发明实施例在加权系数与阈值模块中设置单一侧杆偏转产生的指令信号的最大值作为指令阈值，以确保整个系统的其余功能失效时，不会出现过大操纵指令的情况。如图6所示，为本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统中一种加权系数与阈值模块的工作原理示意图。

(4)告警模块，本发明实施例中的告警类型包括：叠加告警和近地擦地告警；相应地，告警模块包括：叠加告警单元和擦地告警单元。

告警模块的作用是收集与处理相关告警信息，为是否进行提醒、如何提醒提供依据。本发明实施例认为在操纵量较大的叠加发生时以及飞机机尾或者机翼即将擦地时，双侧杆叠加保护控制和告警系统需要给飞行员提供必要的告警提醒。

4-1)叠加告警单元

发生叠加的判据是：如果PF侧杆和PM侧杆的优先权同时为1并且双侧杆发出的操纵信号通过信号过滤模块的过滤后依旧不为0，即认为出现叠加事件。实际应用中，如果PF侧杆和PM侧杆的操纵信号判断为有效操纵信号并且同时拥有优先权，即满足叠加操纵的判据，那么叠加告警单元会将叠加告警信息传递给飞行记录仪表以及声音告警装置。另外，在叠加告警单元中，视觉提醒依靠Simulink中的scope输出完成，如果需要提醒，scope中会产生一个幅值为1的阶跃，此时就可以知道叠加操纵已经发生；声音提醒依靠Simulink中的ToAudio Device模块将告警信号通过接口传递给计算机声卡，得到是否提醒告警的声音信息。

4-2)擦地告警单元

在近地阶段，飞机飞行高度变化缓和，所以由于大幅度的过量操纵可能产生的姿态角的大幅度变化将成为飞机机头、机尾以及机翼翼尖是否擦地的决定性因素，以下推导飞机近地擦地判据。如图7所示，为A320-100飞机的基本构型的侧视图，图8为图7所示A320-100飞机的基本构型的俯视图。结合图7和图8所示，以飞机质心为原点，假设飞机机尾和机头易擦地部位在机体轴坐标xb轴上，xb轴指机体轴坐标系下的x轴，以飞机正前方为；左、右机翼翼尖和飞机质心在同一水平面内，并且由于机翼后掠在质心之后；主起落架机轮在飞机质心下方偏后位置。在机体轴坐标系内假设左、右机翼翼尖的坐标分别为ξl＝(-ξx，-ξy，0)和ξl＝(-ξx，-ξy，0)，主起落架机轮最低点坐标为ξg＝(-δx，0，δz)，机头坐标为ξh＝(ε_x，0，0)，机尾坐标为ξt＝(-ε_x，0，0)，在飞机的俯仰角θ、滚转角φ以及偏航角ψ作用下，机尾和机翼的离地高度将成为是否即将擦地的依据。已知机体坐标到地面坐标的转换矩阵为：

假设飞机质心在地面坐标系中的坐标为(x，y，z)，并且主起落架机轮最低点在地面坐标系中的坐标，可以通过传感器测量得到为(0，0，zg)。那么根据定义和坐标转换关系，飞机质心和主起落架机轮最低点之间的关系满足：

上述式(2)中，(ζ_g)_b为：以飞机为视角时，主起落架最低点与飞机质心的坐标关系，(ζ_g)_g为：以地面为视角时，主起落架最低点与地面坐标原点的坐标关系；

即：

展开得：

z_g＝z+sinθδ_x+cosθcosφδ_z； (4)

其中，Z_g为主起落架机轮最低点的地面坐标z方向的坐标数值。

由于机体轴坐标和地面坐标的z轴都是向下为正。因此质心高度和起落架机轮高度之间的关系为：

h＝h_g+sinθδ_x+cosθcosφδ_z； (5)

同理可以得到质心高度分别与左、右机翼翼尖端高度，机头高度或机尾高度的关系为：

将式(3)和式(4)分别代入式(6)到式(8)，得到主起落架机轮高度分别与左机翼翼尖高度、右机翼翼尖高度、机头高度或机尾高度之间的关系为：

/>

上述式(5)到式(11)中，h为质心高度，h_g为主起落架机轮最低点的离地高度，h_ζl为左机翼翼尖高度，h_ζr为右机翼翼尖高度，h_ζt为纵向离地最低点高度，即机头(或机尾)离地最低点高度。

计算出的机头、机尾或者机翼翼尖高度如果等于0，擦地就发生了，因此可以在机头、机尾或者机翼翼尖离地有一定距离的时候就进行提示，给飞行员反应的时间，减少飞机擦地的概率。关于公式(9)～(11)中的参数，在实际飞行中起落架机轮高度可以通过安装的高度传感器测得，系统中可由导航方程解算质心高度，姿态角可以通过欧拉角方程解算得到，而机翼翼尖、起落架以及尾翼的坐标则取决于飞机的几何参数。假设这些参数已知，则通过公式(6)～(11)计算得到飞机最低点的信号，得到飞机告警的依据。如果(6)～(11)解算的结果都不满足擦地判据，那么可以认为是安全飞行的姿态，进而可以作出飞机近地安全姿态区域，如图9所示，为通过本发明实施例中的告警模块得到的不同质心高度下的近地擦地安全区域的示意图。

如图10所示，为采用本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统在飞行控制中的原理示意图。该双侧杆叠加保护控制和告警系统接收到来自PF侧杆和PM侧杆的信号(包括PF和PM的操纵信号和操纵权限信号)并进行过滤和优先权分配后，将最终用于操纵的指令信号发给飞行控制系统解算，并将出现叠加操纵情况下的叠加报警反馈给PF侧杆和PM侧杆。

本发明实施例的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，PF侧杆和PM侧杆上还分别设置有超控按钮。

本发明实施例中超控按钮的作用主要是处理紧急状况下的飞行决策。飞行员在按压超控按钮时应当获得最大操纵权限，此时，PF侧杆和PM侧杆的操纵信号直接提供给飞行控制计算机，而且自动驾驶仪和相关保护系统应当被断开。为了保证操纵权限，本发明实施例中超控按钮的功能是在按压情况下，侧杆优先逻辑模块和加权系数与阈值模块断开，使得阈值模块不起作用。即这样可以达到双侧杆叠加保护控制和告警系统断开的目的，使飞行员的操纵权限就达到了最大，并能够根据自己的飞行经验无限制地处理紧急状况。此时的被动侧杆设计如下图11所示，为本发明实施例中PF侧杆(或PM侧杆)的结构示意图，上述侧杆中不仅设置有接管按钮和锁定按钮，还设置有超控按钮。

本发明实施例解决了飞行安全中由于侧杆叠加的人为因素而导致的飞机擦地问题，该系统中有效结合波音和空客二者的设计理念，提出了解决侧杆叠加人为因素问题的新方法，提出了双侧杆叠加保护控制和告警系统的结构和各模块功能，包括信号滤波模块、侧杆优先逻辑模块、加权系数与阈值模块，以及告警模块；通过告警模块实现叠加操纵信号告警和近地姿态告警的功能，并且对双侧杆配置了超控按钮。

本发明实施例的双侧杆叠加保护控制和告警系统中，信号过滤模块可以避免频繁地提醒；侧杆优先逻辑模块可以满足操纵权限切换的同时有效解决了侧杆叠加操纵的问题；加权系数和阈值模块可以在叠加发生时有效保证不出现过量或者过大操纵的情况；叠加告警单元和擦地告警单元可以有效提供相应的安全告警信息。另外，该系统可以提供叠加操纵信号告警和近地姿态告警等不同告警内容，并且根据实际危险任务段的特征，合理设置了超控按钮的功能，实现了既不影响飞行员使用权限，也不产生由于人为因素导致的严重后果。因此，本发明实施例的系统减小了侧杆叠加的人为差错产生的飞机擦地事故的可能，有效提升了带有双侧杆的飞行控制系统的安全性。

另外，本发明实施例提供的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其需求来源于新一代飞机座舱人为因素领域的重要问题，可以应用于未来多项采用侧杆操纵的飞机座舱中；本发明实施例的技术方案是对当前近地告警系统的一种升级，在考虑了飞机本身几何结构的情况下，可提升近地防撞系统的精度，这属于本发明实施例中的创新点；本发明实施例中的输入输出简单可呈现，具备较好的工程化实现基础；本发明实施例通过建立数学模型的方式实现系统结构和功能的设计，具备较好的跨平台可移植性，市场价值高；本发明实施例采用保护加告警的方式进行人为因素问题的解决，使得人机关系进一步融合，具备较好的应用前景。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，所述双侧杆叠加保护控制和告警系统中的主控PF侧杆和监控PM侧杆上均设置有优先按钮，所述双侧杆叠加保护控制和告警系统包括：

信号过滤模块，用于接收PF侧杆和PM侧杆产生的操纵信号，对过滤阈值范围内的操纵信号进行信号过滤，并将过滤结果为非0的有效操纵信号传输至加权系数与阈值模块；

侧杆优先逻辑模块，用于根据对优先按钮按压所产生的输入信号给PF侧杆和PM侧杆分配操纵权限，并将操纵权限所匹配的优先权信号传输至加权系数与阈值模块；

加权系数与阈值模块，用于根据侧杆优先逻辑模块输入的优先权信号设置叠加结果的加权系数，并根据信号过滤模块输入的操纵信号和已设置的加权系数，生成用于传输给飞控计算机的指令信号，并设置指令信号的指令阈值；所述加权系数用于在确定PF侧杆和PM侧杆输入的操纵信号出现不合理叠加的情况下，对叠加信号进行加权处理；

告警模块，用于根据侧杆优先逻辑模块和侧杆优先逻辑模块提供的输入信号，以及根据飞机传感器提供的飞行姿态信息，确定是否进行双侧杆叠加告警和近地擦地告警中的至少一项告警，并执行相应的告警提示。

2.根据权利要求1所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，所述过滤阈值为操纵量小于2度、且操纵的持续时间小于500毫秒；

所述信号过滤模块，用于过滤PF侧杆和PM侧杆输入的操纵量小于2度、且持续时间小于500毫秒的操纵信号。

3.根据权利要求1所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，设置于PF侧杆和PM侧杆上的优先按钮均包括：接管按钮和锁定按钮；

所述侧杆优先逻辑模块，用于在其中一个接管按钮被按压、且锁定按钮均未被按压时，得到该接管按钮所属侧杆的输入信号为1；还用于在其中一个锁定按钮被按压时，得到该锁定按钮所属侧杆的输入信号为2，输入信号2的优先级高于输入信号1；

所述侧杆优先逻辑模块，还用于将通过对“接管”按钮和“锁定”按钮按压操作得到的输入信号转换为PF侧杆和PM侧杆的优先权信号。

4.根据权利要求3所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，

通过侧杆优先逻辑模块控制优先权，得到双侧杆的优先权规则包括：

优先级相同情况下获得同等优先权；

优先级高的一方获得优先权；

前一时刻的优先级和优先按钮的输入决定了下一时刻双侧杆的优先权分配，决定了实时优先级；

失去优先权的一方优先级直接归零；

优先按钮的输入为实时优先级的预输入。

5.根据权利要求1所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，所述加权系数与阈值模块中预先设置有PF侧杆和PM侧杆出现叠加操纵时的加权系数；

所述加权系数与阈值模块，还用于在无叠加操纵的情况下，将预先设置的加权系数置为无效。

6.根据权利要求1所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，所述告警模块包括：叠加告警单元和擦地告警单元；

所述叠加告警单元，用于在PF侧杆和PM侧杆的优先权同时为1、且主控侧杆和监控侧杆发出的操纵信号经过信号过滤模块过滤后为非0的有效操纵信号，确认发生叠加告警，并向飞行记录仪发出叠加告警提示；

所述擦地告警单元，用于根据飞机的机头、机尾和机翼翼尖的离地高度判断飞机是否即将擦地，并在判断出具有擦地风险时进行近地擦地告警提示。

7.根据权利要求6所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，

所述擦地告警单元，还用于计算得到主起落架机轮高度分别与左机翼翼尖高度、右机翼翼尖高度、机头高度或机尾高度之间的关系：

h_ξr＝h_g+sinθδ_x+cosθcosφδ_z-sinθξ-cosθsinφξ_y；

其中，h_g为主起落架机轮最低点的离地高度，h_ζl为左机翼翼尖高度，h_ζr为右机翼翼尖高度，h_ζt为纵向离地最低点高度，即机头或机尾离地最低点高度，θ为飞机的俯仰角、φ为飞机的滚转角，ψ为飞机的偏航角；其中，左、右机翼翼尖的坐标分别为ξi＝(-ξx，-ξy，0)和ξr＝(-ξx，ξy，0)，主起落架机轮最低点坐标为：ξg(-δx，0，δz)，机头坐标为ξ_h＝(εx，0，0)，机尾坐标为ξ_t＝(ε_x，0，0)。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的双侧杆叠加保护控制和告警系统，其特征在于，PF侧杆和PM侧杆上还分别设置有超控按钮；

所述超控按钮，用于在按压状态下，将其所属侧杆的操纵信号直接传输至飞控计算机，并断开侧杆优先逻辑模块和加权系数与阈值模块。

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