CN112306074B - 一种用于自动驾驶仪的超控断开装置和超控断开方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于自动驾驶仪的超控断开装置和超控断开的方法。超控断开装置包括：检测单元，其在驾驶员实施操控断开操作时检测驾驶员施加在驾驶杆/盘上的作用力，生成和发出实际载荷数据；超控断开控制器，其和检测单元通信连接并且根据驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，并与从检测单元接收到的实际载荷数据进行比较，当预期的载荷数据和实际的载荷数据之差超过预定的阈值时，发送超控断开信号；通断状态判断机构，其与超控断开控制器通信连接，并在接收到来自超控断开控制器的超控断开信号时，判断自动驾驶仪是否为接通状态并且在确定自动驾驶仪已经接通了预设的时间长度后，将断开请求信号发送给伺服电机，使伺服电机和自动驾驶仪断开。

Description

一种用于自动驾驶仪的超控断开装置和超控断开方法
技术领域
本发明涉及飞机控制领域，尤其涉及一种用于自动驾驶仪的超控断开装置和使自动驾驶仪超控断开的方法，其适用于自动驾驶仪的接通断开逻辑设计。
背景技术
现代民用飞机通常采用电传飞控系统，驾驶员的操作方式大致可以分为如下两种：一种是杆/盘方式，另一种是侧杆方式。杆/盘的方式是一种传统的方式，在调整飞机姿态过程中，驾驶杆/盘运动能直观的给驾驶员提供视觉和触觉的舵面运动的感受。当自动驾驶仪接通时，驾驶杆/盘也能跟着自动驾驶仪指令进行随动。而侧杆的方式不是直接通过机械连杆连接驾驶杆/盘和舵面，而是通过侧杆将驾驶员的指令转换为电信号，直接传递到舵面的作动器上。所以在侧杆方式下，自动驾驶仪接通时，侧杆锁定在中立位，无法给驾驶员提供直观的感受。尤其当自动驾驶仪指令舵面运动到某个位置，而侧杆还保持在中立位时，若自动驾驶仪突然断开，则可能会在侧杆控制和舵面位置有个突然的调整，容易造成乘客的不舒适。
在自动驾驶仪接通情况下，当出现紧急时，应提供多种能断开自动驾驶仪的方式。正常的断开方式是使用自动驾驶仪断开按钮。当然也可以使用飞行控制板上的自动驾驶仪按钮，或者某些飞机提供了断开伺服电机供电的方式。这些方式都需要额外的断路器、电源或线路等，降低了系统正常工作的可靠性。
发明内容
在现有技术的基础上，本发明的目的是提供一种用于自动驾驶仪的超控断开装置，该超控断开装置能够使得在自动驾驶仪断开按钮失效的情况下，当出现紧急情况时需要驾驶员在驾驶杆上施加足够的力来克服自动驾驶仪的输出轴运动，由此驾驶员可以通过超控的方式断开自动驾驶仪，确保驾驶员能够进行人工操作。
该目的通过发明以下形式的一种用于自动驾驶仪的超控断开装置，所述自动驾驶仪在接通时驱动驾驶杆/盘运动，模拟驾驶员的操作，所述超控断开装置包括：
检测单元，所述检测单元被设置成能够在驾驶员实施操控断开操作时检测驾驶员施加在驾驶杆/盘上的作用力，并生成和发出实际载荷数据；
超控断开控制器，所述超控断开控制器和所述检测单元通信连接，并且被配置成能够根据驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，并与从检测单元接收到的实际载荷数据进行比较，当预期的载荷数据和实际的载荷数据之差超过预定的阈值时，发送超控断开信号；
通断状态判断机构，所述通断状态判断机构被配置成能够与所述超控断开控制器通信连接，并在接收到来自所述超控断开控制器的超控断开信号时，判断自动驾驶仪是否为接通状态并且在确定自动驾驶仪已经接通了预设的时间长度后，将断开请求信号发送给伺服电机，以使得伺服电机断开，从而断开自动驾驶仪。
通过在普通的自动驾驶仪控制回路中加入根据本发明的超控断开装置，可在自动驾驶仪断开按钮失效的情况下，当出现紧急情况时驾驶员通过施加力就可借助超控断开装置实现从自动驾驶到人工驾驶的转换。由此提高了系统正常工作的可靠性和安全性。
根据本发明的一种优选实施方式，所述超控断开控制器包括杆/盘位移-载荷模型、比较器和判断模块，所述杆/盘位移-载荷模型基于接收到的驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，所述比较器比较所述预期的载荷数据与实际载荷数据并得出所述预期的载荷数据与实际载荷数据的载荷差值，将所述载荷差值传递给判断模块，所述判断模块被构造成，当所述载荷差值超过阈值时生成超控断开信号。
根据本发明的一种优选实施方式，所述杆/盘位移-载荷模型符合以下公式：
Figure GDA0003648051780000031
其中，T为载荷，trim为配平量，[-x0,x0]为杆/盘位移的中立位区间，[-y0,y0]为扭矩的中立位区间，x为杆/盘位移，k1和k2为系数。借助该模型可更简单且可靠地实现自动驾驶仪的断开。
根据本发明的一种优选实施方式，k1大于k2。该杆/盘位移-载荷模型符合实际杆/盘的力走向。
根据本发明的一种优选实施方式，在杆位移的情况下所述配平量为升降舵配平量，在盘位移的情况下所述配平量为副翼配平量。通过引入配平量能够即使在杆/盘位移的中立位没有位于零点位置中时，也可实现对中立位配平。
根据本发明的一种优选实施方式，所述预设时间为2秒。通过设置延迟时间可防止在自动驾驶接通瞬间，载荷突然增大并且与杆/盘位移信号不一致造成误断开。
根据本发明的一种优选实施方式，所述载荷为扭矩。由此使得能够更简单地实现该杆/盘位移-载荷模型。
本发明还提出一种利用根据本发明的超控断开装置超控断开自动驾驶仪的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：在需要超控断开所述自动驾驶仪时，检测单元检测驾驶员施加在驾驶杆/盘上的作用力，并生成和发出实际载荷数据，
步骤二：超控断开控制器从所述检测单元接收实际载荷数据，并且接根据驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，并比较实际载荷数据与预期的载荷数据，当二者的差值超过阈值时生成超控断开信号并且发送给通断状态判断机构，
步骤三：所述通断状态判断机构在接收到超控断开信号之后，判断自动驾驶仪是否为接通状态，并且在确定自动驾驶仪已经接通了预设的时间长度后，将断开请求信号发送给伺服电机，以使得伺服电机断开，从而断开自动驾驶仪。
根据本发明的一种优选实施方式，所述超控断开控制器包括杆/盘位移-载荷模型、比较器和判断模块；在所述步骤二中，通过所述杆/盘位移-载荷模型基于接收到的驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，利用所述比较器比较所述预期的载荷数据与实际载荷数据并得出所述预期的载荷数据与实际载荷数据的载荷差值，将所述载荷差值传递给判断模块，当所述扭矩差值超过阈值时借助所述判断模块生成超控断开信号。
根据本发明的利用超控断开装置超控断开自动驾驶仪的方法具有根据本发明的超控断开装置的所有优点。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1示出了飞机自动驾驶仪工作原理图；
图2示出了根据本发明的自动驾驶仪进行超控断开的控制原理图；
图3示出了根据本发明的杆/盘位移-载荷模型图。
附图标记列表
检测系统 100
计算机构 200
伺服电机 300
机械传动机构 400
驾驶杆/盘 500
旋转可变位移传感器 600
飞行控制计算机 700
舵面作动器机构 800
飞机 900
超控断开控制器中的比较器 11
位置传感器 12
放大器 13
超控断开控制器 14
杆/盘位移-载荷模型 16
判断模块 17
通断状态判断机构 18
超控断开装置 20
线段 A
线段 B
线段 C
具体实施方式
接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。
驾驶员在人工飞行时，驾驶员控制驾驶杆/盘的位移，将驾驶杆/盘的位移信号传输到飞控计算机中，然后飞控计算机算出舵面的偏转指令，根据该偏转指令最终控制飞机的姿态。在例如升降舵和副翼机械连接处分别连接有伺服电机。该伺服电机在自动驾驶仪未接通情况下，输出轴在电机内部可以随升降舵或副翼进行空转，从而不影响驾驶员的正常操作。当接通自动驾驶仪后，自动驾驶仪将输出俯仰和滚转指令给伺服电机并且同时接通伺服内部的离合器。伺服电机主动驱动输出轴的转动，带动驾驶杆/盘的运动，最终通过飞控计算机驱动舵面的运动。
图1示出了飞机自动驾驶仪工作原理图。自动驾驶仪在接通时，自动驾驶仪是驱动驾驶杆运动，模拟驾驶员的操作。通过这种方式，给驾驶员提供情景意识，如了解当前飞机是在爬升还是下降。
在飞机自动驾驶仪工作时首先通过检测系统100检测飞机的姿态信息，检测系统100例如可为传感器、尤其大气数据传感器或惯性基准系统等。作为飞机姿态信息例如检测飞机高度、速度、航向和垂直速度。
然后将检测系统检测到的飞机姿态信息传递到包括自动驾驶仪控制律的计算机构200中。自动驾驶仪控制律包括例如用于升降舵的计算俯仰方向的俯仰控制通道和例如用于副翼的计算横滚方向的横滚控制通道。在计算机构中还将根据飞机驾驶员期望的目标参数与在此计算出的当前参数进行比较、生成自动驾驶仪指令并且将该自动驾驶仪指令传递到伺服电机300中。伺服电机驱动机械传动机构400以带动驾驶杆/盘500运动。
该驾驶杆/盘的运动可通过传感器、尤其旋转可变位移传感器(RVDT)600检测并且将检测到的驾驶杆/盘的位移信号传递给飞行控制计算机700。飞行控制计算机700根据驾驶杆/盘的位移信号控制舵面作动器机构800，舵面作动器机构800操纵相应舵面运动、例如偏转，使得飞机900发生姿态变化。而飞机的该姿态变化作为飞机的姿态信息又通过检测系统100检测到并且将其传递到计算机构200中。由此在形成自动驾驶仪的闭环控制。
当遇到紧急情况需要驾驶员人工控制飞机时，则需要断开自动驾驶仪。正常断开自动驾驶仪的方式是通过驾驶杆上的自动驾驶仪断开按钮。当断开按钮失效，则驾驶员可以通过超控的方式断开自动驾驶仪，即需要驾驶员在驾驶杆上施加足够的力以克服自动驾驶仪的输出轴运动。
下面根据图2阐述根据本发明的使自动驾驶仪超控断开的控制原理图。根据本发明的自动驾驶仪还包括超控断开装置20，其中，超控断开装置包括检测单元、超控断开控制器和通断状态判断机构。
如上所述，在自动驾驶仪工作时通过上述自动驾驶仪控制律生成伺服电机位移的伺服指令给伺服电机300。在伺服电机内部将上述伺服指令与所述伺服电机内部的传感器、例如位置传感器12检测到的伺服电机的实际位移进行比较，该实际位移例如可作为伺服位移信号。如果比较之后在实际位移和自动驾驶仪提供的伺服电机位移的伺服指令之间有偏差，该偏差通过放大器13之后用于驱动伺服电机转动。在此，通过伺服电机内部的闭环回路保证伺服电机转动的实际位移和自动驾驶仪提供的伺服电机位移的伺服指令保持一致。
如果此时驾驶员有意愿要断开飞机的自动驾驶仪，例如如果自动驾驶仪断开按钮发生故障而不起作用时，驾驶员希望通过对驾驶杆/盘施加作用力来断开自动驾驶仪。此时，虽然驾驶杆/盘位移没有变化，但是由于驾驶员施加的作用力而使得伺服电机上的载荷增大。在这种情况下，检测单元在驾驶员实施操控断开操作时检测驾驶员施加在驾驶杆/盘上的作用力，并生成和发出实际载荷数据给超控断开装置的超控断开控制器，其中，检测单元与超控断开装置之间为通信连接。超控断开控制器14包括杆/盘位移-载荷模型16、比较器11和判断模块17。超控断开控制器14还通过例如传感器接收驾驶杆/盘当前的位移信号和配平信号，并且将这些该驾驶杆/盘当前的位移信号和配平信号输入杆/盘位移-载荷模型，从而在杆/盘位移-载荷模型中生成理想的伺服载荷数据。在杆位移的情况下配平信号为升降舵配平信号，在盘位移的情况下所述配平信号为副翼配平信号。载荷在此可为扭矩，因此杆/盘位移-载荷模型也可为杆/盘位移-扭矩模型。
此时通过在超控断开控制器中的比较器将伺服电机中的实际载荷数据与在杆/盘位移-载荷模型中生成的预期的载荷数据进行比较，并且将比较结果发送给判断模块17。在实际载荷数据和预期的载荷数据的比较结果、即载荷差值超过预设阈值时，判断模块发出超控断开信号，否则不发出超控断开信号。该超控断开信号被发送到通断状态判断机构18中，超控断开控制器与通断状态判断机构之间通信连接。在通断状态判断机构18中判断，如果此时自动驾驶仪处于接通状态并且已经接通满足预设时间，则发送断开请求信号给伺服电机，使得伺服电机断开，从而断开自动驾驶仪。该预设时间例如可为2秒。通断状态判断机构18可通过逻辑判断的形式来构造。
图3示出了根据本发明的杆/盘位移-载荷模型图。其中，横坐标为杆/盘位移，纵坐标为预期的载荷。杆/盘位移-载荷模型符合以下公式：
Figure GDA0003648051780000081
其中，T为载荷，trim为配平量，[-x0,x0]为杆/盘位移的中立位区间，[-y0,y0]为扭矩的中立位区间，x为杆/盘位移，k1和k2为系数。其中，杆/盘位移可为转动角度。载荷在此可为扭矩。
考虑到驾驶杆/盘位于中立位和非中立位的杆力特性，该杆/盘位移-载荷模型的特征线分为三个线段A、B、C。线段A和线段C的斜率相等，其中k1为线段B的斜率，k2为线段A和线段C的斜率。由于在杆/盘位于中立位附近时需要一定的启动力，因此k1大于k2。
此外，在以上杆/盘位移-载荷模型中考虑到在飞行过程中可能出现的驾驶杆/盘中立位的调整，还引入了配平量trim，在此将借助配平量调整后的位置作为中立位或者说原点。即当驾驶杆/盘位移为配平量时，此时杆/盘上没有力。例如该配平量为副翼配平信号时，由于副翼的中立位发生了变化，因此理想的伺服扭矩随杆/盘位移变化特征线的零点位置也发生变化，因此零点位置与配平量一致。
此外，在有超控断开信号时，还需要在通断状态判断机构18中进行判断和处理。由此防止在自动驾驶仪接通瞬间由于伺服载荷突然增大，由此生成的比较结果超过预设阈值而造成自动驾驶仪误断开。因此在通断状态判断机构18中增加了时间延迟判断，只有当自动驾驶仪处于接通状态并且已经接通满足预设时间之后，通断状态判断机构才能基于该超控断开信号发送断开请求信号给伺服电机，使自动驾驶仪断开。
根据本发明的用于自动驾驶仪的超控断开装置和使自动驾驶仪超控断开的方法使得在自动驾驶仪断开按钮失效的情况下，当出现紧急情况时需要驾驶员在驾驶杆上施加足够的力来克服自动驾驶仪的输出轴运动，由此驾驶员可以通过超控的方式断开自动驾驶仪，确保驾驶员能够进行人工操作。
得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式。

Claims (8)

1.一种用于自动驾驶仪的超控断开装置，所述自动驾驶仪在接通时驱动驾驶杆/盘运动，模拟驾驶员的操作，所述超控断开装置包括：
检测单元，所述检测单元被设置成能够在驾驶员实施超控断开操作时检测驾驶员施加在驾驶杆/盘上的作用力，并生成和发出实际载荷数据，其中，超控断开前所述驾驶杆/盘的位移基本没有变化；
超控断开控制器，所述超控断开控制器和所述检测单元通信连接，并且被配置成能够根据驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，并与从检测单元接收到的实际载荷数据进行比较，当预期的载荷数据和实际的载荷数据之差超过预定的阈值时，发送超控断开信号，所述载荷为扭矩；
通断状态判断机构，所述通断状态判断机构被配置成能够与所述超控断开控制器通信连接，并在接收到来自所述超控断开控制器的超控断开信号时，判断自动驾驶仪是否为接通状态并且在确定自动驾驶仪已经接通了预设的时间长度后，将断开请求信号发送给伺服电机，以使得伺服电机断开，从而断开自动驾驶仪。
2.根据权利要求1所述的超控断开装置，其特征在于，所述超控断开控制器包括杆/盘位移-载荷模型、比较器和判断模块，所述杆/盘位移-载荷模型基于接收到的驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，所述比较器比较所述预期的载荷数据与实际载荷数据并得出所述预期的载荷数据与实际载荷数据的载荷差值，将所述载荷差值传递给判断模块，所述判断模块被构造成，当所述载荷差值超过阈值时生成超控断开信号。
3.根据权利要求1或2所述的超控断开装置，其特征在于，所述杆/盘位移-载荷模型符合以下公式：
Figure FDA0003648051770000011
其中，T为载荷，trim为配平量，[-x0,x0]为杆/盘位移的中立位区间，[-y0,y0]为扭矩的中立位区间，x为杆/盘位移，k1和k2为系数。
4.根据权利要求3所述的超控断开装置，其特征在于，k1大于k2。
5.根据权利要求3所述的超控断开装置，其特征在于，在杆位移的情况下所述配平量为升降舵配平量，在盘位移的情况下所述配平量为副翼配平量。
6.根据权利要求1或2所述的超控断开装置，其特征在于，所述预设的时间长度为2秒。
7.一种利用根据权利要求1至6中任一项所述的超控断开装置超控断开自动驾驶仪的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：在需要超控断开所述自动驾驶仪时，检测单元检测驾驶员施加在驾驶杆/盘上的作用力，并生成和发出实际载荷数据，其中，超控断开前所述驾驶杆/盘的位移基本没有变化，
步骤二：超控断开控制器从所述检测单元接收实际载荷数据，并且根据驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，通过比较实际载荷数据与预期的载荷数据，当二者的差值超过阈值时生成超控断开信号并且发送给通断状态判断机构，其中，所述载荷为扭矩，
步骤三：所述通断状态判断机构在接收到超控断开信号之后，判断自动驾驶仪是否为接通状态，并且在确定自动驾驶仪已经接通了预设的时间长度后，将断开请求信号发送给伺服电机，以使得伺服电机断开，从而断开自动驾驶仪。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超控断开控制器包括杆/盘位移-载荷模型、比较器和判断模块；在所述步骤二中，通过所述杆/盘位移-载荷模型基于接收到的驾驶杆/盘当前的位移生成预期的载荷数据，利用所述比较器比较所述预期的载荷数据与实际载荷数据并得出所述预期的载荷数据与实际载荷数据的载荷差值，将所述载荷差值传递给判断模块，当所述扭矩差值超过阈值时借助所述判断模块生成超控断开信号。
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