CN113120227A - 用于防止涡环状态的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于防止涡环状态的系统和方法。该方法包括：监测旋翼飞行器的垂直速度，将该垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较，以及响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值而执行涡环状态(VRS)避免。执行VRS避免包括：确定可从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量，响应于功率裕量超过阈值而限制旋翼飞行器的垂直速度，以及响应于功率裕量未超过阈值而增加旋翼飞行器的前向空速。

Description

用于防止涡环状态的系统和方法

本申请要求在2019年12月31日提交的美国临时申请第62/955,855号的权益，该美国临时申请通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容的实施方式涉及用于旋翼飞行器例如直升机、斜旋翼飞行器、垂直起降(VTOL)飞行器等的飞行控制系统。

背景技术

旋翼飞行器有可能进入飞行包线的危险区域，在该区域中，如果在低空速处产生过大的垂直速度，则垂直性能受到损害。传统上，飞行器飞行手册已经警告机组人员关于这种被称为涡环状态(VRS)的飞行状况，并且飞行员培训已经教导他们避免进入这样的情况。在操作上，尤其在能见度差的情况下，在高工作负荷(例如接近着陆)时，或者如果诸如自动驾驶仪的辅助系统被误操作并且引起前向或垂直速度的无意变化，则对于机组人员来说VRS即将发生并不总是显而易见的。VRS的出现可能导致控制局限性和受限制的抑制高下降率的能力。

发明内容

一种实施方式方法包括：监测旋翼飞行器的垂直速度；将垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较；以及响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值而执行涡环状态(VRS)避免。执行VRS避免包括：确定能够从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量；响应于功率裕量超过阈值而限制旋翼飞行器的垂直速度；以及响应于功率裕量未超过阈值而增加旋翼飞行器的前向空速。

一种实施方式设备包括：至少一个处理器；非暂态计算机可读介质，其存储用于由至少一个处理器执行的程序，该程序包括用于以下操作的指令：监测旋翼飞行器的垂直速度、将垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较、以及响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值而执行涡环状态(VRS)避免，其中执行VRS避免包括确定能够从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量、响应于功率裕量功率超过阈值而限制旋翼飞行器的垂直速度、以及响应于功率裕量功率未超过阈值而增加旋翼飞行器的前向空速。

一种实施方式方法包括：由旋翼飞行器的计算机系统监测旋翼飞行器的垂直下降率和前向速度；由计算机系统根据旋翼飞行器的垂直下降率和前向空速确定是否执行涡环状态(VRS)避免；以及由计算机系统响应于确定执行VRS避免而根据能够从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量与功率裕量阈值之间的关系来执行对旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整。

附图说明

在所附权利要求中阐述了被认为是本公开内容的系统和方法的特性的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考以下具体实施方式，将最好地理解该系统和方法本身以及优选使用模式，以及其进一步的目的和优点，在附图中：

图1是根据一个示例实施方式的旋翼飞行器的侧视图；

图2是根据一个示例实施方式的系统的示意图；

图3是根据一个示例实施方式的系统的示意图；

图4是根据一个示例实施方式的阈值的图形表示；

图5是根据一个示例实施方式的计算机系统的示意图；

图6示出了根据一些实施方式的具有受限飞行区域的飞行包线；

图7A示出了根据一些实施方式的具有安全飞行包线阈值的飞行包线；

图7B示出了根据一些实施方式的具有安全飞行包线阈值的飞行包线；

图8示出了根据一些实施方式的具有由于操纵(maneuver)而偏移的操纵VRS边界的飞行包线；以及

图9是示出用于根据旋翼飞行器的功率裕量来实现VRS保护的实施方式方法的流程图。

具体实施方式

下面描述本公开内容的系统和方法的说明性实施方式。为了清楚起见，在本说明书中可能没有描述实际实现方式的所有特征。当然，应当理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须做出许多实现方式特定决策以实现将随实现方式不同而变化的开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员来说，这不过是常规任务。

在说明书中，当在附图中描绘设备时，可能提及各种部件之间的空间关系和部件的各个方面的空间取向。然而，如本领域技术人员在完全阅读本公开内容之后将认识到的，本文描述的设备、构件、装置等可以不同地被配置并且以任何期望的取向定位。因此，使用术语诸如“上方”、“下方”、“上”、“下”或其他类似术语来描述各种部件之间的空间关系或描述这样的部件的方面的空间取向应当被理解为分别描述部件之间的相对关系或这样的部件的方面的空间取向，因为本文描述的设备可沿任何期望的方向取向。

现在参照附图中的图1，示出了旋翼飞行器101。旋翼飞行器101可以包括具有多个旋翼桨叶105的旋翼系统103。每个旋翼桨叶105的桨距可以被管理，以便选择性地控制旋翼飞行器101的方向、推力和升力。例如，倾斜盘机构123可以用于总体地和/或周期地改变旋翼桨叶105的桨距。应当理解，倾斜盘机构123仅是用于选择性地控制旋翼桨叶105的桨距的一种可能系统的示例；例如，独立桨叶控制系统是用于选择性地控制旋翼桨叶105的桨距的另一示例性系统。旋翼飞行器101可以包括机身107、反扭矩系统109和尾翼111。可以通过至少一个引擎113将扭矩供应到旋翼系统103和反扭矩系统109。主旋翼变速箱115可操作地与引擎主输出传动轴121和主旋翼主轴(mast)相关联。

旋翼飞行器101可以包括总体杆131，其被配置成允许飞行员做出总体输入以总体地改变旋翼桨叶105的桨距。总体杆131可以采用任何各种实现方式特定配置。在一个实施方式中，总体杆131是杠杆，并且通过抬起或推下总体杆131来进行总体输入。在这样的实施方式中，抬起总体杆131可以通过一致地增加每个旋翼桨叶105的桨距来启动旋翼飞行器101的爬升率。类似地，推下总体杆131可以通过一致地减小每个旋翼桨叶105的桨距来启动下降率。应当理解，总体杆131可以采用其他实现方式特定实施方式，并且总距输入可以通过其他机构和移动来进行。

旋翼飞行器101还可以包括周期杆133，其被配置成允许飞行员做出周期输入以在旋翼桨叶旋转中的不同位置处改变旋翼桨叶105的桨距。周期杆133也可以采用任何各种实现方式特定配置。在一个实施方式中，周期杆133是操纵杆式控制装置，并且通过在两个维度上移动周期杆133来进行周期输入，以控制旋翼飞行器101的横向和前向或后向移动。例如，向前移动周期杆133在旋翼桨叶沿着旋翼飞行器的右侧或前进侧摆动时降低旋翼桨叶的桨距，并且在旋翼桨叶的旋转使每个桨叶移动越过旋翼飞行器101的左侧或后退侧时提高桨叶的桨距。桨叶桨距的这种周期性变化导致旋翼盘的翼尖路径平面使其前缘向下倾斜并且使其后缘向上倾斜，并且旋翼飞行器101机头下倾。与总体输入相结合，周期输入使旋翼飞行器101向前移动。

旋翼飞行器101仅仅是说明特别适于利用本公开内容的方法和系统的各种飞行器和交通工具。应当理解，其他类型的旋翼飞行器，例如斜旋翼、纵列旋翼、共轴旋翼、四旋翼、六旋翼飞行器(hexacopter)等，也可以利用本公开内容的方法和系统。

现在还参照附图中的图2，将系统201与旋翼飞行器101结合示出。应当理解，尽管系统201是关于旋翼飞行器101示出的，但是系统201在其他飞行器上也是可实现的。此外，应当理解，系统201可以以多种配置来实现——这部分地取决于飞行器的飞行控制配置。

系统201特别适合于在具有电传操纵飞行控制计算机例如飞行控制计算机125的飞行器中实现；然而，部分授权电传操纵飞行器也可以利用系统201。例如，系统201可以与具有可以从配平马达(trim motor)、自动驾驶系统或允许总体命令由总体致动器124a、124b和124c实现的任何其他系统接收命令的致动器124a、124b和124c的飞行控制系统一起使用。结合总体杆131示意性地示出总体配平马达127，并且周期配平马达129或多个周期配平马达可以与周期杆133相关联。总体配平马达127和周期配平马达129可以是任何机构、设备、系统等，其可以经由飞行控制计算机125接收命令，并且响应于这些命令移动相应的总体杆131或周期杆133，使得飞行员知道由飞行控制计算机做出的动作。总体杆131的运动将向一个或更多个总体致动器例如致动器124a、124b和124c提供适当的输入。类似地，周期杆133的运动将向由总体杆131和周期杆133共享的致动器124a、124b和124c，或者向与总体致动器分离并且由周期杆133控制的一个或更多个致动器提供适当的输入。此外，总体配平马达127和周期配平马达129可以是任何机构、设备、系统等，其能够选择性地将力、阻力、移动等传给相应的总体杆131或周期杆133，通常来向飞行员提供附加的触觉提示。

现在还参照图3，本公开内容的系统201涉及用于旋翼飞行器101的控制增强系统，该增强系统可以利用空速感测(或空速的前向分量)和垂直速度感测，并且至少部分地与飞行控制计算机125集成。在一个实施方式中，将系统201结合到旋翼飞行器101的电传操纵控制系统中。尝试的进入飞行包线的危险部分的飞行操纵可以导致系统201自动地升高旋翼桨叶105的总距以避免潜在的危险情况，但是如果需要的话可以被飞行员超控。根据情况，自动响应可以通过增加前向周期距来增加前向空速。

系统201可以包括控制律，其被图示为垂直速度环路203。垂直速度环路203可以包括垂直轴控制律，其被配置成产生控制命令，使得旋翼飞行器101可以实现期望的垂直轴状态，例如诸如垂直速度或垂直高度。此外，垂直速度环路203可以针对命令的垂直状态与实际的垂直状态之间的差异进行调整。一个示例可以是，如果旋翼飞行器101被引导以将旋翼飞行器101保持在命令的高度，但是旋翼飞行器经历突然的向下阵风，则垂直速度环路203将向总体致动器124a至124c生成命令，以便增加桨距(因此增加推力)，从而维持命令的高度。

垂直速度保持命令205是可以由飞行员或自动驾驶系统产生的命令。在一个实施方式中，飞行员垂直速度保持命令可以是飞行员对总体杆131的物理定位，其产生下降率。在另一实施方式中，垂直速度保持命令205可以是自动驾驶系统，其自动地使飞行器飞行。例如，自动驾驶系统可以尝试产生到着陆点的进近，并且因此产生垂直速度保持命令205。下降率的一个示例量化可以是英尺/分钟(fpm)下降率。例如，-2500fpm垂直轴下降率大于-800fpm下降率。

前向空速数据207是关于旋翼飞行器101的前向空速的数据。在一个实施方式中，前向空速数据207是从传感器211测量的实时数据，传感器例如为皮托探头，其可以将冲压空气和静压读数转换为前向空速测量。在另一示例实施方式中，前向空速数据207可以例如根据GPS卫星数据得到。

选择器209被配置成分析垂直速度保持命令205和前向空速数据207，并且允许垂直速度保持命令205前进到垂直速度环路203并进一步作为到总体致动器124a至124c的桨距命令，或者替选地以增加总距的方式修改垂直速度保持命令，使得旋翼飞行器101不会经历超过阈值的垂直轴下降率。现在还参照图4，示出了示例阈值401。阈值401是垂直速度和前向空速的函数。阈值401是对于给定前向空速在垂直轴上的最大可允许下降率，目的是避免诸如VRS的潜在危险飞行状况。在示例实施方式中，当旋翼飞行器101具有40节(kts)或更小的前向空速时，系统201将阻碍总体控制位置，否则该总体控制位置将引起大于800fpm的垂直轴下降率。随着旋翼飞行器101的前进速度增加并且VRS不再成为问题，垂直下降速度的阈值401也增加。一旦旋翼飞行器101的前向速度获得75节，垂直下降速度的阈值401处于上限2500fpm处。应当理解，所示阈值401仅仅是实现方式特定阈值曲线的示例。

选择器209被配置成识别将超过阈值401的垂直速度保持命令205，并且用针对给定前向空速的阈值替换垂直速度保持命令205。阈值命令由垂直速度环路203控制律接收和处理，并且进一步向总体致动器124a至124c进行命令。此外，命令可以从垂直速度环路203发送到配平马达127，使得阻止总体杆131相比于阈值401再进一步减小总距。在一个实施方式中，对于给定的前向空速，飞行员可以超控系统201并且通过克服由系统提供的总距的增加或由配平马达127提供的总体杆131上的阻碍力来将总距减小超过阈值401。

系统201被有利地配置成使得尝试进入飞行包线的禁止部分的飞行将导致垂直速度保持命令被修改到阈值401，其是在那特定前向空速处的预定垂直速度限制。系统201可以被配置成不仅修改总体杆131的位置以获取垂直速度阈值，而且向飞行员产生听觉警报和/或视觉警报。飞行员可以通过向总体杆131施加力/位移而在任何时候超控垂直速度阈值401。作为结果，系统201自动地调制总体输入以阻止旋翼飞行器无意地进入危险高垂直速度状况，否则该高垂直速度条件可能导致VRS或碰撞。本公开内容的系统201的一个优点是它是自主的，减少了飞行员的工作量，并且不需要飞行员知道有关情况，知道有关情况是固有危险之一。

现在还参照图5，示意性地示出了计算机系统501。计算机系统501可以被配置用于执行关于本文进一步公开的系统和方法的操作的一个或更多个功能。此外，任何处理和分析可以部分地或全部地由计算机系统501执行。计算机系统501可以部分地或全部地与其他飞行器计算机系统集成。

系统501可以包括输入/输出(I/O)接口503、分析引擎505以及数据库507。替选实施方式可以根据需要将输入/输出(I/O)接口503、分析引擎505以及数据库507组合或分开。系统501的实施方式可以包括一个或更多个计算机，其包括被配置用于执行本文描述的任务的一个或更多个处理器和存储器。这可以包括例如具有中央处理单元(CPU)和非易失性存储器的计算机，非易失性存储器存储用于指示CPU执行本文描述的任务中的至少一些任务的软件指令，例如为非暂态计算机可读介质。这也可以包括例如经由计算机网络进行通信的两个或更多个计算机，其中计算机中的一个或更多个计算机包括CPU和非易失性存储器，并且计算机的非易失性存储器中的一个或更多个非易失性存储器存储用于指示CPU中的任何CPU执行本文描述的任务中的任何任务的软件指令。因此，虽然示例性实施方式是依据离散机器来描述的，但是应当理解，该描述是非限制性的，并且本描述同样适用于涉及冗余地执行任务的一个或更多个机器或以任何方式分布在一个或更多个机器之间的多个其他布置。还应当理解，这样的机器不需要专用于执行本文描述的任务，而是可以是适于也执行其他任务的多用途机器，例如计算机工作站。

I/O接口503可以提供外部用户、系统以及系统501的部件和数据源之间的通信链路。I/O接口503可以被配置用于允许一个或更多个用户经由任何已知的输入设备向系统501输入信息。示例可以包括键盘、鼠标、触摸屏和/或任何其他期望的输入设备。I/O接口503可以被配置用于允许一个或更多个用户经由任何已知的输出设备接收从系统501输出的信息。示例可以包括显示监视器、打印机、驾驶舱显示器和/或任何其他期望的输出设备。I/O接口503可以被配置用于允许其他系统与系统501通信。例如，I/O接口503可以允许一个或更多个远程计算机访问信息、输入信息和/或远程地指示系统501执行本文描述的一个或更多个任务。I/O接口503可以被配置用于允许与一个或更多个远程数据源通信。例如，I/O接口503可以允许一个或更多个远程数据源访问信息、输入信息和/或远程地指示系统501执行本文描述的一个或更多个任务。

数据库507为系统501提供持久性数据存储。虽然主要使用了术语“数据库”，但是存储器或其他合适的数据存储装置可以提供数据库507的功能。在替选实施方式中，数据库507可以与系统501集成或从系统501分离，并且可以在一个或更多个计算机上操作。数据库507优选地为适于支持本文所公开的系统和方法的操作的任何信息(包括本文进一步讨论的各种类型的数据)提供非易失性数据存储。分析引擎505可以包括一个或更多个处理器、存储器和软件部件的各种组合。

在一些实施方式中，系统501可以被实施为飞行控制计算机(FCC)、飞行指引仪、部分授权飞行控制系统等。FCC可以包括存储器，该存储器具有存储在其上的程序，该程序在由处理器执行时使得处理器实现禁止飞入飞行包线的禁止部分的控制律。在一些实施方式中，FCC可以根据旋翼飞行器的功率裕量修改旋翼飞行器的飞行参数。FCC可以具有与飞行包线的危险部分相关联的数据。可以修改将使旋翼飞行器进入飞行包线的危险部分或受限飞行区域的飞行命令或参数，以避免将旋翼飞行器置于危险中。

图6示出了根据一些实施方式的具有受限飞行区域608的飞行包线600。前向空速602和垂直速度604限定了飞行包线600。在飞行包线600的相关部分中，垂直速度604为负，这是因为飞行包线600的相关部分是飞行包线600的旋翼飞行器下降的部分。飞行路径606示出了各种飞行路径角度，以及相关联的前向空速602和垂直速度604。该图表示出了前向空速602和下降率或垂直速度604的受限飞行区域608的示例，在受限飞行区域608存在涡环状态(VRS)。受限飞行区域608可以是由前向空速和垂直速度或垂直下降率限定的区域，在该区域，当在特定高度、重量和温度飞行时，诸如直升机、斜旋翼飞行器、垂直起降飞行器等的旋翼飞行器可能经历VRS。当旋翼飞行器以与其涡尾流(vortex wake)相同的速度下降时，引起VRS。尾流(wake)合并成强力的涡环，并且旋翼经历比通常更高的穿过旋翼的向下流的空气。相对于向下流的空气，尽管旋翼飞行器正迅速下降，旋翼也实际上被置于爬升状态。旋翼飞行器通常缺乏足够的动力和桨叶总距来克服这些穿过旋翼的高速向下流的空气，导致不能抑制下降率。在一些实施方式中，FCC可以防止旋翼飞行器进入可能是飞行包线600的危险部分的受限飞行区域608。

受限飞行区域608可以由VRS边界610来界定。值得注意的是，当考虑VRS时，超过特定速度的前向飞行完全避免了受限飞行区域608。在检查VRS边界610时，可以通过增加前向速度或通过降低下降率来避免VRS。FCC可以使用算法来基于例如空气密度和飞行器总重量计算VRS边界610。当飞行器低于某一前向空速(即，35节)时，FCC检查是否存在足够的功率以避免当速度进一步降低时的非命令的高下降率。应当注意，旋翼飞行器需要增加功率水平以在其降低空速时维持水平飞行，(对于水平飞行的)最高功率状况是悬停。在高海拔处，旋翼飞行器可以具有足够的功率以在特定的空气速度处维持水平飞行，但是由于空气密度降低而不能悬停。在高海拔处，空气密度的降低提高了悬停所需的功率，同时降低了可用的引擎功率。可用功率和所需功率之间的差被称为功率裕量。如果针对悬停或降低的飞行速度的功率裕量是正的，则下降率仍然必须被管理以避免VRS，并且FCC可以向飞行控制系统提供信号以防止下降率超过极限垂直速度下降率或垂直速度极限，诸如800英尺/分钟或1000英尺/分钟。如果针对悬停或降低的飞行速度的功率裕量是负的，例如，当引擎不能提供足够的功率来抑制下降率时，FCC可以向飞行控制系统提供信号以抑制空速的进一步降低或增加空速，从而保持或获得功率裕量。在负功率裕量的情况下，如果空速未增加，则旋翼飞行器下降率将增加，并且旋翼飞行器可能进入不安全的VRS边界610。

在一些实施方式中，在旋翼飞行器缺乏功率裕量以在飞行速度降低时管理其垂直下降率的情况下，FCC可以防止进一步的空速降低或增加前向速度以避免负功率裕量并且防止进入受限飞行区域608，从而完全避免VRS。例如，FCC可以确定在请求或预期的减小空速处的功率裕量将启动非命令的下降率。然后，FCC可以例如通过增加旋翼系统中的前向周期距来使旋翼飞行器增加其前向速度。在低空速处，增加前向空速增加了功率裕量，从而给予旋翼飞行器管理下降率和避开受限飞行包线的能力。在另一实施方式中，FCC可以向飞行员生成提示以指示用于避免负功率裕量/VRS的最佳方法(总体或前向周期)，或者警告飞行员FCC正在执行或者将要执行VRS避免操纵、或者飞行器正在接近VRS区域。该提示可以是触觉(杆力)、视觉指示或音频命令，并且可以在FCC执行VRS避免操纵的情况下、在FCC执行VRS避免操纵之前或与FCC执行VRS避免操纵一起被适当地执行。飞行员可以响应于该提示以增加前向速度、降低垂直速度或实施另一操纵以避免VRS。另外，可以提供提示直到旋翼飞行器飞行参数指示旋翼飞行器没有进入VRS的危险。

图7A示出了根据一些实施方式的具有安全飞行包线阈值704的飞行包线700。FCC可以确定用于安全飞行区域702的具有高于VRS边界610的垂直速度裕量706的安全飞行包线阈值704。安全飞行包线阈值704可以具有可变的垂直速度安全阈值708A和前向速度安全阈值708B。在一些实施方式中，可以根据VRS边界610的一部分来计算垂直速度裕量706。垂直速度裕量706可以是可变垂直速度安全阈值708A与VRS边界610之间的间隔，并且可以是大体上恒定的。因此，可变垂直速度安全阈值708A可以随着前向空速602而变化。前向速度安全阈值708B可以是不需要VRS保护的速度，并且可以是比VRS边界610的边缘更大的前向速度，并且可以是不需要VRS保护的前向速度。

图7B示出了根据一些实施方式的具有安全飞行包线阈值754的飞行包线750。在一些实施方式中，安全飞行包线阈值754可以具有恒定垂直速度安全阈值758A和前向速度安全阈值758B，并且可以限定安全飞行区域752。恒定垂直速度安全阈值758A可以被设置在预定义的垂直速度处，例如800英尺/分钟下降率，1000英尺/分钟下降率或另一速率。恒定垂直速度安全阈值758A可以被设置成使得对于所有潜在的旋翼飞行器操作参数，恒定垂直速度安全阈值758A将在受限飞行区域608和VRS边界610的所有部分之上。因此，可以设置恒定垂直速度安全阈值808A和前向速度安全阈值758B，使得旋翼飞行器具有裕量进行反应并且避免在穿透VRS边界610的飞行环境中的操作。在恒定垂直速度安全阈值758A大体上恒定的情况下，垂直速度裕量756取决于前向速度和VRS边界610并且可以根据该前向速度和VRS边界被确定。

图8示出了根据一些实施方式的具有由于操纵而偏移的加速飞行VRS边界810A、810B的飞行包线800。通常，可以通过操纵旋翼飞行器来中断VRS，这是因为如果旋翼飞行器正在加速，则旋翼尾流更加难以合并到涡环中。通常，VRS边界610是针对1g推力和相对稳定的下降率来限定的。然而，已经确定最大VRS边界610与一致的飞行器姿态相关联，而操纵倾向于将VRS边界610偏移到较低的加速飞行VRS边界810A、810B。另外，更激进的操纵倾向于更大程度地缩小VRS边界601。例如，诸如空速加速的相对温和的操纵可能导致VRS边界偏移到低于或小于正常VRS边界的第一加速飞行VRS边界810A。更激进的操纵，例如具有显著偏航率的下降倾斜转弯，可能导致VRS边界610偏移至低于或小于第一VRS边界的第二加速飞行VRS边界810B。

在一些实施方式中，安全飞行区域802可以由与正常或稳态VRS边界610相关联的前向速度安全阈值808B和稳态垂直速度安全阈值808A来限定。在操纵期间，加速飞行垂直速度安全阈值814A、814B可以限定安全飞行区域802，这是因为VRS边界被偏移到加速飞行VRS边界810A、810B。因此，垂直速度安全阈值可以根据VRS边界的变化而变化，VRS边界可以由于旋翼飞行器的操作参数而变化，所述操作参数例如操纵、横向速度、偏航率、姿态等。在一些实施方式中，稳态VRS边界610偏移了偏移量812A、812B，从而产生相应的加速飞行VRS边界810A、810B。在一些实施方式中，稳态垂直速度安全阈值808A偏移至加速飞行垂直速度安全阈值814A、814B，加速飞行垂直速度安全阈值814A、814B可以取决于相关联的VRS边界610、810A、810B。在一些实施方式中，从稳态垂直速度安全阈值808A到相关的加速飞行垂直速度安全阈值814A、814B的偏移的幅度与VRS边界610和加速飞行VRS边界810A、810B之间的偏移812A、812B的幅度有关、成比例、相关联或相同。

如果需要或期望在低前向空速处的较高的下降率，则FCC可以启动预编程的VRS抑制技术，例如倾斜转弯、横滚-反转(roll-reversal)速率、增加的横向速度、或增加的偏航和横向速度的组合例如下降螺旋操纵。VRS抑制技术可以利用VRS边界610中由于操纵而引起的偏移。这允许飞行器在通常会处于正常VRS边界610或稳态VRS边界内的飞行参数区域中操作，同时避免不能抑制下降率的VRS征兆。

图9是示出了用于根据旋翼飞行器的功率裕量来实现VRS保护的实施方式方法900的流程图。在块902中，旋翼飞行器的FCC监测旋翼飞行器的垂直速度。在块904中，FCC将垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值是可变的垂直速度安全阈值，并且取决于前向空速。在其他实施方式中，垂直速度安全阈值是恒定的垂直速度安全阈值，并且基本上恒定且独立于前向空速。垂直速度安全阈值是处于在相关前向空速处在VRS边界之上的垂直速度。

在块906中，FCC将前向空速与前向空速安全阈值进行比较。在块908中，FCC确定是否需要VRS避免。对VRS避免的需要是基于前向速度低于前向速度安全阈值，并且在一些实施方式中，还基于垂直速度超过垂直速度安全阈值。因此，在一些实施方式中，FCC可以在下述情况下确定需要VRS避免：前向速度低于前向速度安全阈值，并且垂直速度超过垂直速度安全阈值，其中，下降率大于由垂直速度安全阈值指示的最大下降率。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值可以取决于前向速度，并且在一些实施方式中，垂直速度阈值可以是基本上恒定的。

在一些实施方式中，关于是否需要VRS避免的确定也可以取决于垂直速度的变化率或改变垂直速度的命令。例如，处于500英尺/分钟下降的中等下降率的旋翼飞行器可能从飞行员接收到大幅减小总体设置的命令，其中，大幅减小总体设置将迅速地增加下降率。类似地，旋翼飞行器可能经历上升气流、风、空气密度或压力的变化等，这引起垂直速度的快速实际变化。FCC可以基于飞行员命令或垂直速度的改变来确定预期的下降率或垂直速度，并且可以根据预期的垂直速度确定是否需要VRS避免。如果FCC确定不需要VRS避免，那么FCC可以在块902中继续监测垂直速度。

如果需要VRS避免，则FCC可以执行VRS避免，并且可以在块910中确定可用功率或功率裕量。在一些实施方式中，功率裕量或可用功率可能取决于大气状态、旋翼飞行器等的总重量或推力，并且因此可以根据这些因素被确定。FCC可以从例如环境状况传感器(诸如高度、空气密度、温度等)和引擎控制计算机(ECC)等接收一个或更多个信号，以确定针对存在VRS的低前向空速飞行状态的旋翼飞行器的功率裕量。在一些实施方式中，如果旋翼飞行器功率裕量是正的，FCC可以命令降低旋翼飞行器的垂直速度以避免VRS。如果用于抑制下降率的功率裕量是负的，则FCC可以命令前向速度增加以避免VRS。在一些实施方式中，FCC可以确定功率裕量的大小以及阈值或预期的功率要求，以将旋翼飞行器的总体设置、周期设置和/或功率设置增加到期望的设置，以避开垂直速度安全阈值或保持在垂直速度安全阈值之上。FCC可以通过将功率裕量与功率裕量阈值或功率需求进行比较来确定功率裕量是否足以实现期望的总体设置。在一些实施方式中，阈值可以是大体上恒定的值，或者可以由FCC根据例如垂直速度安全阈值、垂直速度、垂直速度的变化率、垂直速度与垂直速度安全阈值之间的关系、前述项中的一个或更多个的组合、大气状况等来确定。在一些实施方式中，FCC可以根据功率裕量与阈值之间的关系来调整旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数，例如空速。在一些实施方式中，如果功率裕量高于阈值，则FCC可以调整第一飞行参数，并且如果功率裕量低于阈值，则可以调整不同的第二飞行参数。在一些实施方式中，功率裕量可以为零或负，因此可以对在一些实施方式中包括前向空速的第一飞行参数进行调整以获得功率裕量，直到功率裕量为正或零，并且如果功率裕量是负，则可以对第二飞行参数进行调整。在一些实施方式中，由FCC根据功率裕量调整的飞行参数可以是垂直速度、前向空速以及垂直速度和前向空速的组合，或者一个或更多个其他飞行参数，例如航向、偏航率、横滚或俯仰角等。

如果功率裕量足以实现期望的总体设置，则在块912中，FCC通过提供调整的总体设置信号或命令以改变或修改当前总体设置或修改来自飞行员的总体命令来限制垂直速度。应当注意，在低前向速度状态下，功率裕量将随着前向速度的增加而增加。

如果功率裕量不足以实现期望的总体设置，则在块914中，FCC通过提供调整的周期设置信号或命令以改变或修改当前周期设置或修改来自飞行员的周期命令来增加旋翼飞行器的前向速度或空速。在这样的情况下，在一些实施方式中，FCC也可以拒绝或限制垂直速度的进一步变化，以防止旋翼飞行器增加其垂直下降率。由FCC实现的受限的垂直速度或增加的前向速度可以持续，直到垂直下降率或垂直速度移动到垂直速度安全阈值以上达预定的量或预定的时间，或者直到旋翼飞行器前向空速达到或超过前向速度安全阈值。FCC还可以在块902中继续监测垂直速度，以提供防止旋翼飞行器进入VRS的连续保护。

另外，在一些实施方式中，FCC可以实现VRS抑制或VRS恢复技术作为VRS避免的一部分，其中，VRS抑制或VRS恢复技术可以增加横向速度、偏航率或的其他飞行参数。例如，在旋翼飞行器是直升机的实施方式中，作为增加前向速度的替选方案替代或除了增加前向速度之外，FCC还可以通过以下操作来执行VRS避免或者启动从VRS的恢复：维持旋翼每分钟转数(RPM)，并且在维持直升机航向的同时增加直升机在尾旋翼推力的方向上的横向速度。因此，FCC可以生成周期命令，其增加前向或横向速度、偏航率等，以避免VRS或从VRS恢复。FCC可以维持或增加总距以加速从VRS状况的恢复。

在一些实施方式中，FCC可以结合周期命令来使用旋翼或主轴倾斜的组合，作为VRS避免或VRS恢复的一部分。例如，在旋翼飞行器是斜旋翼飞行器的实施方式中，FCC可以维持引擎处的功率或推力，并且除了应用前向周期距之外还应用机舱(nacelle)前倾。在一些实施方式中，FCC可以响应于确定需要VRS避免而应用约10度与20度之间的机舱前倾，或者在其他实施方式中，应用约16度的机舱倾斜。除了由前向周期距产生的前向推力之外，机舱前倾也提供前向推力，以更快地实现期望的增加的前向速度。

一种实施方式方法包括监测旋翼飞行器的垂直速度，将垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较，以及响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值而执行涡环状态(VRS)避免。执行VRS避免包括确定可从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量，响应于功率裕量超过阈值而限制旋翼飞行器的垂直速度，以及响应于功率裕量未超过阈值而增加旋翼飞行器的前向空速。

在一些实施方式中，执行VRS避免包括响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值并且进一步响应于旋翼飞行器的前向空速低于前向空速安全阈值而执行VRS避免。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值中为约800英尺/分钟下降率，并且/或者前向空速安全阈值为约35节。在一些实施方式中，其中，垂直速度安全阈值小于VRS边界，该VRS边界限定旋翼飞行器的飞行包线的受限飞行区域。在一些实施方式中，限制旋翼飞行器的垂直速度包括提供调整的总体设置信号，该调整的总体设置信号修改当前总体设置或来自旋翼飞行器的飞行员的总体命令中的至少一个，并且增加旋翼飞行器的前向空速包括提供调整的周期设置信号，该调整的周期设置信号修改当前周期设置或来自飞行员的周期命令中的至少一个。在一些实施方式中，执行VRS避免还包括关于避免VRS给旋翼飞行器的飞行员提示。

一种实施方式设备包括至少一个处理器、非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质存储用于由至少一个处理器执行的程序，该程序包括用于以下操作的指令：监测旋翼飞行器的垂直速度、将垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较、以及响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值而执行涡环状态(VRS)避免，其中执行VRS避免包括确定可从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量、响应于功率裕量功率超过阈值而限制旋翼飞行器的垂直速度、以及响应于功率裕量功率未超过阈值而增加旋翼飞行器的前向空速。

在一些实施方式中，用于执行VRS避免的指令包括用于以下操作的指令：响应于垂直速度超过垂直速度安全阈值并且进一步响应于旋翼飞行器的前向空速低于前向空速安全阈值而执行VRS避免。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值为约800英尺/分钟下降率，并且其中前向空速安全阈值为约35节。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值小于VRS边界，并且前向速度安全阈值大于VRS边界，该VRS边界限定旋翼飞行器的飞行包线的受限飞行区域。在一些实施方式中，用于限制旋翼飞行器的垂直速度的指令包括用于提供调整的总体设置信号的指令，该调整的总体设置信号修改当前总体设置或来自旋翼飞行器的飞行员的总体命令中的至少一个，并且用于增加旋翼飞行器的前向空速的指令包括用于提供调整的周期设置信号的指令，该调整的周期设置信号修改当前周期设置或来自飞行员的周期命令中的至少一个。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值是根据旋翼飞行器的前向空速而变化的可变垂直速度安全阈值。

一种实施方式方法包括：由旋翼飞行器的计算机系统监测旋翼飞行器的垂直下降率和前向速度；由计算机系统根据旋翼飞行器的垂直下降率和前向空速确定是否执行涡环状态(VRS)避免；以及由计算机系统响应于确定执行VRS避免而根据可从旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量与功率裕量阈值之间的关系来执行对旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整。

在一些实施方式中，一个或更多个飞行参数包括旋翼飞行器的垂直下降率和旋翼飞行器的前向空速。在一些实施方式中，执行对旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整包括响应于功率裕量超过功率裕量阈值而限制旋翼飞行器的垂直下降率。在一些实施方式中，执行对旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整包括响应于功率裕量功率未超过功率裕量阈值而增加旋翼飞行器的前向空速。在一些实施方式中，增加旋翼飞行器的前向空速包括增加旋翼飞行器的前向空速，直到旋翼飞行器的前向空速超过前向空速安全阈值。在一些实施方式中，确定是否执行VRS避免包括由计算机系统响应于垂直下降率超过垂直速度安全阈值而确定执行VRS避免。在一些实施方式中，确定是否执行VRS避免包括由计算机系统响应于垂直下降率超过垂直速度安全阈值并且进一步响应于旋翼飞行器的前向空速低于前向空速安全阈值而确定执行VRS避免。在一些实施方式中，垂直速度安全阈值是小于VRS边界的垂直下降率，该VRS边界限定旋翼飞行器的飞行包线的受限飞行区域，并且前向速度阈值大于限定受限飞行区域的VRS边界。

本文所公开的特定实施方式仅为说明性的，这是因为系统及方法可以以对于受益于本文教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改及实践。在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以对本文描述的系统进行修改、添加或省略。系统的部件可以是集成的或分离的。此外，系统的操作可以由更多、更少或其他部件来执行。

此外，除了所附权利要求中所描述的之外，不旨在对本文所示的构造或设计的细节进行限制。因此，显然可以改变或修改上文所公开的特定实施方式，并且所有这样的变型均视为在本公开内容的范围及精神内。

为了帮助专利局和就本申请发出的任何专利的任何读者解释所附权利要求，申请人希望指出，除非在特定权利要求中明确地使用了词语“用于......的装置”或“用于......的步骤”，否则申请人不旨在所附权利要求中的任何权利要求援引在本申请的提交日生效的35U.S.C.§112第6款。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

监测旋翼飞行器的垂直速度；

将所述垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较；以及

响应于所述垂直速度超过所述垂直速度安全阈值而执行涡环状态VRS避免，其中执行VRS避免包括：

确定能够从所述旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量；

响应于所述功率裕量超过阈值而限制所述旋翼飞行器的垂直速度；以及

响应于所述功率裕量不超过所述阈值而增加所述旋翼飞行器的前向空速。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行VRS避免包括：响应于所述垂直速度超过所述垂直速度安全阈值并且进一步响应于所述旋翼飞行器的前向空速低于前向空速安全阈值而执行所述VRS避免。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述垂直速度安全阈值为约800英尺/分钟下降率，并且/或者所述前向空速安全阈值为约35节。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述垂直速度安全阈值小于VRS边界，所述VRS边界限定所述旋翼飞行器的飞行包线的受限飞行区域。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，限制所述旋翼飞行器的垂直速度包括：提供调整的总体设置信号，所述调整的总体设置信号修改当前总体设置或来自所述旋翼飞行器的飞行员的总体命令中的至少一个；并且

其中，增加所述旋翼飞行器的前向空速包括：提供调整的周期设置信号，所述调整的周期设置信号修改当前周期设置或来自所述飞行员的周期命令中的至少一个。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，执行所述VRS避免还包括：

关于避免VRS给所述旋翼飞行器的飞行员提示。

7.一种设备，包括：

至少一个处理器；

非暂态计算机可读介质，其存储用于由所述至少一个处理器执行的程序，所述程序包括用于以下操作的指令：

监测旋翼飞行器的垂直速度；

将所述垂直速度与垂直速度安全阈值进行比较；以及

响应于所述垂直速度超过所述垂直速度安全阈值而执行涡环状态VRS避免，其中，执行VRS避免包括：

确定能够从所述旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量；

响应于功率裕量功率超过阈值而限制所述旋翼飞行器的垂直速度；以及

响应于所述功率裕量功率不超过所述阈值而增加所述旋翼飞行器的前向空速。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，用于执行所述VRS避免的指令包括：用于响应于所述垂直速度超过所述垂直速度安全阈值并且进一步响应于所述旋翼飞行器的前向空速低于前向空速安全阈值而执行所述VRS避免的指令。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述垂直速度安全阈值为约800英尺/分钟下降率，并且其中，所述前向空速安全阈值为约35节。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述垂直速度安全阈值小于VRS边界，并且所述前向速度安全阈值大于VRS边界，所述VRS边界限定所述旋翼飞行器的飞行包线的受限飞行区域。

11.根据权利要求8所述的设备，其中，用于限制所述旋翼飞行器的垂直速度的指令包括用于提供调整的总体设置信号的指令，所述调整的总体设置信号修改当前总体设置或来自所述旋翼飞行器的飞行员的总体命令中的至少一个；并且

其中，用于增加所述旋翼飞行器的前向空速的指令包括用于提供调整的周期设置信号的指令，所述调整的周期设置信号修改当前周期设置或来自所述飞行员的周期命令中的至少一个。

12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述垂直速度安全阈值是根据所述旋翼飞行器的前向空速而变化的可变垂直速度安全阈值。

13.一种方法，包括：

由旋翼飞行器的计算机系统监测所述旋翼飞行器的垂直下降率和前向速度；

由所述计算机系统根据所述旋翼飞行器的垂直下降率和前向空速确定是否执行涡环状态VRS避免；以及

由所述计算机系统响应于确定执行VRS避免而根据能够从所述旋翼飞行器的一个或更多个引擎获得的功率裕量与功率裕量阈值之间的关系来执行对所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或更多个飞行参数包括所述旋翼飞行器的垂直下降率和所述旋翼飞行器的前向空速。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，执行对所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整包括：响应于所述功率裕量超过所述功率裕量阈值而限制所述旋翼飞行器的垂直下降率。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，执行对所述旋翼飞行器的一个或更多个飞行参数的调整包括：响应于所述功率裕量功率不超过所述功率裕量阈值而增加所述旋翼飞行器的前向空速。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，增加所述旋翼飞行器的前向空速包括：增加所述旋翼飞行器的前向空速，直到所述旋翼飞行器的前向空速超过前向空速安全阈值。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，确定是否执行VRS避免包括：由所述计算机系统响应于所述垂直下降率超过垂直速度安全阈值而确定执行所述VRS避免。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，确定是否执行VRS避免包括：由所述计算机系统响应于所述垂直下降率超过垂直速度安全阈值并且进一步响应于所述旋翼飞行器的前向空速低于前向空速安全阈值而确定执行所述VRS避免。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述垂直速度安全阈值是小于VRS边界的垂直下降率，所述VRS边界限定所述旋翼飞行器的飞行包线的受限飞行区域，并且其中，所述前向速度阈值大于限定受限飞行区域的VRS边界。

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