CN111556841A - 飞机控制系统 - Google Patents

Abstract

飞机控制系统，以实现共享的输入控制。单个感受器可以提供输出以控制陆基飞机控制和空中飞机控制，从而减少所需感受器的数量。在一个实施例中，侧操纵杆提供俯仰和飞机前轮转向的控制。主动感受器技术可用于向操作员提供有关控制系统状态的反馈。

Description

飞机控制系统

技术领域

本发明涉及飞机的控制系统，尤其涉及具有动态功能的控制系统。

背景技术

飞机具有广泛的控制系统，用于将操作员指令传达到飞机控制系统。飞行控制是一组这样的控制系统，其使操作员能够在飞行过程中(空中或地面上)控制飞机的各个方面。飞行控制系统的特定实例是用于在空中或地面上控制飞机的俯仰、横滚和偏航的系统。

在典型的飞机中，俯仰和横滚由操作员握持的杆或轭控制。飞机控制装置通常被称为感受器(inceptors)。感受器的一个特定示例是位于操作员一侧的侧向杆，侧向杆具有两个运动方向(向前/向后和向左/向右)，每个用于俯仰和横滚中的一个。飞机在空中(以及在地面上以一定速度移动时)的偏航是由方向舵控制的，方向舵通常由使用者的脚部控制。副翼、升降舵和方向舵是空气动力学控制表面的实例，这些表面通过与飞机上的气流相互作用来控制飞机。

在地面上，飞机使用前轮转向和车轮制动器进行控制。前轮转向通常使用舵杆控制来进行控制，而制动则通过不同的踏板或踩下舵踏板的制动区域来控制。

因此，在常规系统中，尽管在任何时候仅使用控件的子集，但每个控件方面都具有单独的输入控件。这样的多个系统增加了成本和复杂性，但是每个系统的特性和要求都非常不同。

因此，需要降低复杂性和成本的飞机控制系统。

发明内容

提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细说明中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

提供了一种用于控制飞机的控制系统，该控制系统包括感受器以及一种处理系统，该处理系统具有第一输入以及至少第一和第二输出，该第一输入被构造为接收所述感受器在第一轴线上的运动的输入指令，每个输出用于控制飞机的不同方面；其中，在第一状态下，处理系统被构造为基于第一输入仅控制第一输出，而在第二状态下，处理系统被构造为基于第一输入仅控制第二输出。

感受器可以是主动感受器装置，处理系统被构造为控制感受器的运动阻力，其中运动阻力至少取决于处理系统的状态。

第一输出可以控制飞机的空气动力学控制表面，而第二输出可以控制飞机的前轮转向。

感受器可以是侧操纵杆控件，而第一轴线是侧操纵杆控件的左右轴。

第一输出可以控制飞机的空气动力学控制表面，而第二输出可以控制飞机的车轮制动。

感受器可以是侧操纵杆控件，而第一轴线是侧操纵杆控件的前后轴线。

处理系统可以被构造为：如果飞机在空中，则采用第一状态，而仅当飞机在地面上时才采用第二状态。

处理系统可以被构造为基于至少飞机是否在地面上的输入指令在两个状态之间切换。

在第三状态下，处理系统可以被构造为基于第一输入来控制第一输出和第二输出两者。

处理系统可以被构造为基于相对于至少一个预定值的飞机地面速度的输入指令在各个状态之间切换。

处理系统状态可以由飞机操作员的输入来控制。

在第二状态下，运动阻力可以包括止动件，以指示前轮转向的预定角度。

感受器可以是侧操纵杆；第一输出可以控制飞机的空气动力学控制面，而第二输出可以控制飞机的前轮转向，第一轴线是侧操纵杆输入控制器的左右轴。并且在第一状态下，处理系统可以基于第二输入来控制第三输出，其中第三输出控制飞机的第二空气动力学控制面，而在第二状态下，处理系统基于第二输入来控制第四输出，其中第四输出控制飞机的车轮制动器，其中第二输入是侧操纵杆输入控制器的前后轴线。

感受器的运动特性可以向飞机操作员提供触觉反馈，以指示处理系统的状态。

处理系统提供的控制率可以根据飞机的地面速度而变化。

由处理系统提供的控制率可以是变化的，并且运动阻力取决于有效控制率。

由处理系统提供的控制率可以根据感受器的位置而变化。

可以在具有不同控制率的区域之间设置移动止动件。

在感受器的第一运动区域中，输出可以与感受器位置成比例，而在第二运动区域中，输出根据相对于预定的感受器位置的感受器位置而变化，但是其中输出与位置不成比例。

运动阻力可以至少取决于感受器的位置。

感受器零位可能会根据操作员的输入而有所不同。

运动阻力可以向操作员提供反馈以使得能够遵循路线。

还提供了一种用于控制飞机的方法，该方法包括以下步骤：在处理系统，接收指示感受器在第一轴线运动的第一输入信号；处理系统处理第一输入信号；并且在第一状态下，根据第一输入信号从处理系统输出第一输出信号以仅控制第一输出，而在第二状态下，根据第一输入信号从处理系统输出第二输出信号以仅控制第二输出。

感受器可以是主动感受器装置，处理系统被构造为控制感受器的运动阻力，其中运动阻力至少取决于处理系统的状态。

第一输出可以控制飞机的空气动力学控制表面，而第二输出可以控制飞机的前轮转向。

该处理系统可以被构造为，在飞机飞行时处于第一状态，而在飞机位于地面时处于第二状态。

处理系统可以被构造为基于至少飞机是否在地面上的输入指示在各个状态之间切换。

当处于第三状态时，输出来自处理系统的控制信号以基于第一输入来控制第一输出和第二输出。

该方法可以进一步包括：接收至少一个指示飞机地面速度的输入；以及根据地面速度相对于至少一个预定值改变状态。

该方法可以还包括：接收来自操作员的至少一个输入；以及根据来自操作员的输入来改变状态。

该方法可以进一步包括以下步骤：从处理系统向主动感受器输出指令，以在主动感受器的运动范围内限定止动件。

该方法可以进一步包括改变处理系统的控制率和主动感受器的运动阻力的步骤。

控制率可以根据主动感受器的位置而变化。

该方法可以进一步包括从处理系统输出指令的步骤。

附图说明

具体实施方案将参考以下附图，以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1表示飞机控制系统的示意图；和

图2和图3显示了控制状态。

具体实施方式

现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的进一步的细节、方面和实施例。为了简单和清楚地示出附图中的元件，并且不一定按比例绘制。相似的附图标记已经包括在各个附图中以易于理解。

图1表示飞机控制系统的示意图，该图仅显示了系统的相关部分。输入控件10a～10d代表操作员使用的输入，例如，侧操纵杆轴、油门、舵踏板、操纵杆等，其通常被称为感受器。输出11a～11d表示飞机控制装置，例如副翼、升降机、发动机、方向舵、前轮转向和制动器。处理系统12从输入控件10a～10d接收信号，处理该信号，并将控制信号输出到输出11a～11d。处理系统12可以是连接到所有相关组件并具有执行所需功能的程序的计算机系统。输入和输出的数量仅作为示例显示。

处理系统12从控件10a～10d接收输入，并根据处理系统配置激活输出11a～11d。例如，处理系统可以被构造为响应来自侧操纵杆的前进/后退轴(通常称为俯仰轴)的输入来激活飞机的升降机。控制输入与输出的关系是预定义的，并可以是静态或动态的。处理系统12可以被构造为基于用户设置13或基于从其接收输入的传感器14来改变输入与输出的关系。

处理系统12限定输入和输出之间的比率或传动比。该比率限定了由输入中给定的运动或变化可提供输出中的多少运动或变化。

例如，升降机的输入输出比率可以根据飞机的速度而变化(通常，对于给定的控制输入运动，升降机随着速度的增加而移动得较少)。处理系统12还可以接收飞机状态的指示，例如飞机是否正在飞行或处于地面接触。这样的指示可以从与飞机相关的各种传感器(例如，飞机轮子上的重量)或操作员的输入中得出，这些传感器和输入共同由标号15表示。

在特定构造中，飞机状态可以用于改变由特定输入控制的输出。即，输入的功能被改变。例如，在飞行过程中，左右侧操纵杆轴(通常称为横滚轴)可控制副翼，从而控制飞机的横滚，而当飞机在地面上时，侧操纵杆轴可控制飞机的前轮转向。这样的系统认识到某些输出仅在某些飞机状态下使用。在此实施例中，仅在飞机位于地面上时使用前轮转向，而副翼仅在飞机位于空中时使用。因此，这些互斥输出可以映射到单个控制输入，因为它们不会同时需要。

在输出不是互斥的，而是期望的输出以可预测的方式变化的情况下，也可以实现改变输入的功能。例如，在着陆期间从副翼使用过渡到前轮转向可能是一个较为渐进的过渡，如图2所示。在步骤20，在飞行过程中和在高地面速度下，只有副翼由侧操纵杆控制。在步骤21，当飞机位于地面上并且地面速度下降到第一阈值以下时，如传感器15所示，处理系统12修改控制系统以控制副翼和前轮转向。在步骤22，当地面速度进一步下降到第二阈值以下时，处理系统12仅控制前轮转向。

图2的实施例显示了两个阈值，但是可以提供任意数量的此类阈值，或者可以有一个转换阈值。此外，相位之间的过渡可以是连续的而没有限定的阈值。例如，随着地面速度降低，前轮转向的控制率可能会增加。即，由给定的侧操纵杆运动提供的前轮运动量随着地面速度的降低而增加。类似地，副翼的控制率可以随着地面速度的降低而降低。输入的使用模式之间的过渡也可能在它们之间具有离散的静区阈值(deadbanded threshold)，以使控制不会影响任何输出。例如，随着地面速度的降低，输入可能会关闭控制副翼，然后随着地面速度的进一步降低而发生输入，输入可能会打开前轮的控制，而这两个地面速度之间存在离散的静区。

在传统的飞机控制系统中，前轮转向由舵柄控制。但是，基于上述实施例，其中副翼和前轮转向均由侧操纵杆控制，舵柄控制不是必需的，因此减少了所需的输入控制系统。

图3显示了一个共享控制输入实施例，该输入用于在飞行中进行俯仰控制，而在地面上则用于飞机轮子制动。在步骤30，在飞行期间，侧操纵杆的前/后轴控制飞机升降机并因此控制飞机俯仰。在步骤31，处理系统12检测到飞机在地面上，并修改控制系统以控制飞机轮子制动器和升降机。在步骤32，当地面速度下降到预定阈值以下时，仅飞机轮子制动器被控制。如上面在常规控制系统中所述，飞机轮子制动器由制动踏板控制，该制动踏板可以是方向舵控制踏板的区域。但是，在此共享控制系统实施例中，不再需要那些控制输入。

在以上实施例中，在飞机运行的情况下，控制输出之间的过渡可能会发生相对较长的时间。例如，在着陆期间，从副翼到前轮控制的过渡可以在沿着跑道的着陆运行的基本整个长度上发生。尽管这可能仅是几秒钟的量级，但相对于操作员正在执行的动作而言并不快。因此，操作员能够直观地了解控制系统的变化并适当地修改其控制输入。还可以提供指示器以向操作员指示控制系统处于哪种模式，从而向操作员提供进一步的信息。

当用于侧操纵杆控制的控制系统输出变化时，可以采用主动杆技术来改善用户体验。主动杆是控制杆输入，其中运动阻力可以动态变化。即，可以控制移动杆所需的力以向使用者提供不同的感觉。在一个简单的实施例中，可以将操纵杆整个运动范围内的阻力设置为不同的水平。例如，可以为三种模式提供不同的运动阻力。在图2和图3的实施例中，一种模式可以用于控制系统的每个阶段，从而向操作员提供关于控制输出被控制的触觉输入。

主动杆的阻力也可以在其整个运动范围内变化，以在使用者移动杆时向其提供触觉反馈。例如，可以在运动范围内限定“止动件”，这些“止动件”是阻力增大的区域，通过该区域很难移动操纵杆。阻力可能会相对于位置而迅速增加，从而使用户感觉到操纵杆好像在抵制运动极限。可以改变阻力的大小以定义将操纵杆移动通过止动区域有多困难。止动件可与可变控制率结合使用，以改善触觉反馈和控制系统对用户的反馈。

在第一实施例中，主动侧操纵杆被构造为既控制飞机在空中时的横滚，又控制在地面上时的前轮转向。在空中进行的控制是根据标准控制系统进行的，根据上述过程之一，一旦在地面上，控制就转换为前轮。例如，控制可以在空中和地面控制之间进行切换，或者可以如上所述逐渐过渡。

在用于前轮转向的第一构造中，利用止动件和/或变化的阻力来区分控制率之间的变化。对于+/-x°的小杆运动，可以提供第一控制率和第一运动阻力。可以在操纵杆运动的x°处设置一个止动件，以指示已经达到第一比率的终点。止动件的大小可以使得杆可以不明显费力地移动通过，但是足以使操作员注意到。在杆运动的x°以上，可以改变运动阻力(例如，与第一运动阻力相比增加或减少，但在任何情况下都比止动阻力减小)，以实现更大的杆运动。在x°以上，控制率变为第二控制率。从第一运动阻力到第二运动阻力的停止和/或改变向操作员指示控制系统已经改变。在实施例中，x可以是10°。对于小于10°的摇杆运动，第一控制率可以是1:1，使得将10°的摇杆运动传递为10°的前轮转向。摇杆运动超过10°时，第二个控制率可能会更大，以便10°～(最大摇杆运动–例如20°)摇杆运动提供10°～(最大转向角–例如78°)的前轮转向。因此，该比率增加以产生更大的杆挠曲。

在第二构造中，摇杆运动的+/-x°(例如10°)提供前轮转向的第一比率(例如1:1)，并具有第一运动阻力，使得摇杆运动为x°转向角最初为y°。可以在摇杆运动的x°处设置一个止动件。将操纵杆移动到大于x°会增加转向角，然后将操纵杆保持在x°即可保持当前的转向角(包括大于y°的情况)。如果操纵杆的角度大于y°，则将操纵杆移到小于x°的位置会减小转向角。一旦移动到y°，控制移动到小于x°的第一比例，以使转向角与操纵杆位置成比例。即，一旦获得了y°的转向角，则侧操纵杆可以提供非比例响应，由此杆的运动指示输出的改变而不是特定的请求的输出。在该实施例中，可以提供零位而不是在x°处停止，以使得当移除压力时杆保持在该位置，使得杆感觉在该位置为中心。这向用户提供触觉反馈，以了解当前构造。

在第三构造中，可以根据前轮转向角来设置运动阻力。例如，可以按照前轮转向的度数设置+/-z lbf的阻力。此外，该关系可以是非线性的，以允许前轮转向运动比操纵杆运动更大。例如，一组坐标可以定义为((lbf)，(操纵杆运动))为(0,0)、(5,10)、(10,15)、(40,20)。

在第四构造中，零位操纵杆可以沿与操纵杆的运动相反的方向移动。松开后，操纵杆移回到零位(不再位于操纵杆运动的几何中心)，并且转向保持在设定位置。例如，向右施加10lbf的力可能会使转向装置向右移动20°。释放后，零位已移至几何中心的左侧。

以上构造不旨在被解释为个别的实施例，而是特征的可能的组合。来自每个构造的方面可以适当地、或期望地与其他构造的方面结合使用。

可比较的构造可以用于其他控制系统，例如通过主动侧操纵杆控制飞机轮子制动器。非线性梯度可用于制动控制，使得控制率随着操纵杆运动而增加。这种变化的比率可以允许在较长的跑道上进行更优雅、更精细地控制制动，而在较短的跑道上进行更积极的制动。

处理系统12可以接收来自其他飞机系统的输入，这些输入用于限定主动操纵杆行为。例如，可以修改操纵杆行为以辅助沿着地面上的预定路线(例如，沿着滑行道行驶)。例如，如果操作员指示将飞机从定义的行进路线上移开的动作向操作员指示其输入可能不正确，则操纵杆阻力可能会增加(例如，限定一个止动件)。但是，可以通过止动件进行侧操纵杆运动，从而使操作员可以超越控制系统的建议。另一个实施例是当飞机接近转弯或停止点以向飞行员建议控制输入时，可以进一步修改制动行为。

上面的描述主要是关于侧操纵杆控制给出的，但是可以理解，所讨论的原理适用于任何类型或构造的感受器。特别地，侧操纵杆和轭架的功能可比较，并且对侧操纵杆的引用应被解释为对该类型的控制输入的引用，而不管其相对于操作员的位置或如何握持。

尽管已经结合一些实施例描述了本发明，但是本发明并不旨在限于这里阐述的特定形式。而是，本发明的范围仅由所附权利要求书限制。另外，尽管看起来可能结合特定实施例描述了特征，但是本领域技术人员将认识到，可以根据本发明组合所描述的实施例的各种特征。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤的存在。

此外，权利要求中的特征的顺序并不暗示必须执行特征的任何特定顺序，并且特别地，方法权利要求中的各个步骤的顺序并不暗示必须以该顺序执行步骤。而是，可以以任何合适的顺序执行步骤。另外，单数引用不排除多个。因此，对“一”，“一个”，“第一”，“第二”等的引用并不排除多个。在权利要求中，术语“包括”或“包含”不排除其他要素的存在。

Claims (34)

1.一种用于控制飞机的控制系统，包括

感受器；和

处理系统，其具有第一输入以及至少第一和第二输出，该第一输入被构造为接收该感受器在第一轴线上的运动的输入指令，每个输出用于控制飞机的不同方面；

其中，在第一状态下，该处理系统被构造为基于该第一输入仅控制该第一输出，而在第二状态下，该处理系统被构造为基于该第一输入仅控制第二输出。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，该感受器为主动感受器装置，该处理系统被构造为控制该感受器的运动阻力，其中，

该运动阻力至少取决于该处理系统的状态。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，该第一输出控制该飞机的空气动力学控制表面，而该第二输出控制该飞机的前轮转向。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其中，该感受器为侧操纵杆控制器，并且所述第一轴线是该侧操纵杆控制器的左右轴线。

5.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，该第一输出控制该飞机的空气动力学控制表面，而该第二输出控制该飞机的飞机轮子制动器。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，该感受器为侧操纵杆控制器，并且所述第一轴线是该侧操纵杆控制器的前后轴线。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的控制系统，其中，该处理系统被构造为：如果该飞机在空中飞行时，则采用该第一状态，而仅当该飞机处于地面上时才采用该第二状态。

8.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，该处理系统被构造为基于至少该飞机是否在地面上的输入指令在状态之间切换。

9.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中在第三状态下，该处理系统被构造为基于该第一输入来控制该第一输出和该第二输出两者。

10.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，该处理系统被构造为基于相对于至少一个预定值的飞机地面速度的输入指令在状态之间切换。

11.根据权利要求1～9中任一项所述的控制系统，其中，该处理系统状态由来自飞机的操作员的输入来控制。

12.根据权利要求3或4所述的控制系统，在从属于权利要求2时，其中，在该第二状态下，所述运动阻力包括用于指示前轮转向的预定角度的止动件。

13.根据权利要求1所述的控制系统，其中

该感受器为侧操纵杆控制；

该第一输出控制飞机的空气动力学控制表面，而该第二输出控制飞机的前轮转向，该第一轴线为该侧操纵杆输入控制器的左右轴，和

在该第一状态下，该处理系统基于第二输入来控制第三输出，其中该第三输出控制飞机的第二空气动力学控制表面，而在该第二状态下，该处理系统基于该第二输入来控制第四输出，其中该第四输出控制飞机的轮子制动器，其中该第二输入是侧操纵杆输入控制器的前后轴线。

14.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，该感受器的运动特性向该飞机操作员提供触觉反馈，以指示该处理系统的状态。

15.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，由该处理系统提供的控制率取决于所述飞机的地面速度而变化。

16.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，由该处理系统提供的控制率是可变的，并且该运动阻力取决于该主动控制率。

17.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，由该处理系统提供的控制率根据该感受器的位置而变化。

18.根据权利要求16所述的控制系统，其中，在具有不同控制率的区域之间设置移动止动件。

19.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，在该感受器的第一运动区域中，输出与感受器位置成比例，而在第二运动区域中，该输出根据相对于预定感受器位置的感受器位置而变化，但是其中该输出与位置不成比例。

20.根据权利要求2所述的控制系统，其中，该运动阻力至少取决于该感受器的位置。

21.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，该感受器零位取决于操作员的输入而变化。

22.根据权利要求2所述的控制系统，其中，该运动阻力向操作员提供反馈以使得能够遵循路线。

23.一种用于控制飞机的方法，该方法包括以下步骤：

在处理系统，接收指示感受器在第一轴线上的运动的第一输入信号；

该处理系统处理第一输入信号；和

在第一状态下，从该处理系统输出第一输出信号以仅基于该第一输入信号控制第一输出，而在第二状态下，从该处理系统输出第二输出信号以仅基于第一输入信号控制第二输出。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，该感受器为主动感受器装置，该处理系统被构造为控制该感受器的运动阻力，其中，

该运动阻力至少取决于该处理系统的状态。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，该第一输出控制该飞机的空气动力学控制表面，而该第二输出控制该飞机的前轮转向。

26.根据权利要求23～25中任一项所述的方法，其中，该处理系统被构造为在该飞机处于空中飞行时采用该第一状态，而在该飞机处于地面上时采用该第二状态。

27.根据权利要求23～26中任一项所述的方法，其中，该处理系统被构造为基于至少所述飞机是否在地面上的输入指令在状态之间切换。

28.根据权利要求23～27中任一项所述的方法，其中，当处于第三状态时，从该处理系统输出控制信号以基于该第一输入来控制第一输出和该第二输出。

29.根据权利要求23～28中任一项所述的方法，还包括

接收至少一个指示飞机地面速度的输入，以及

根据地面速度相对于至少一个预定值改变状态。

30.根据权利要求23～28中任一项所述的方法，还包括

从操作员处接收至少一个输入，并且

根据操作员的输入来改变状态。

31.根据权利要求24所述的方法，还包括以下步骤：从该处理系统向该主动感受器输出指令，以在该主动感受器的运动范围内限定止动件。

32.根据权利要求24所述的方法，还包括改变该处理系统的控制率和该主动感受器的运动阻力的步骤。

33.根据权利要求32所述的方法，其中，该控制率根据该主动感受器的位置而变化。

34.根据权利要求24所述的方法，还包括以下步骤：将指令从该处理系统输出到该主动感受器，以移动该主动感受器的零位。

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