CN113148122B - 飞机的刹车控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刹车控制方法及系统，该刹车控制方法包括以下步骤：在飞机在地面上滑行期间，监测并获取飞机的机轮上的垂直载荷；将获得的垂直载荷作为前馈控制信号发送给刹车防滑控制单元，刹车防滑控制单元直接基于前馈控制信号同步调节施加在飞机的刹车装置上的刹车压力的大小。根据本发明的刹车控制方法及系统以及包括该系统的飞机，能够利用前馈控制机制针对飞机的机轮载荷变化进行主动调节，以实时响应于机轮载荷的变化，从而至少缓解或部分解决飞机在机轮载荷发生显著变化或者处于不稳定的状态的情况下出现机轮打滑的问题。

Description

飞机的刹车控制方法及系统

技术领域

本发明涉及飞机的刹车防滑控制技术，尤其涉及一种飞机的刹车控制方法及系统。

背景技术

飞机在跑道上起飞和着陆时最大时速超过200英里/小时，为了对飞机进行制动，通常由刹车系统、扰流板、发动机反推装置一起在飞机起飞和着陆时进行减速控制，其中刹车系统是控制飞机减速的主要方式。

当对飞机施加刹车时，轮胎由于刹车力矩的阻滞导致其相对跑道产生摩擦力，所有具有制动能力的机轮与跑道之间的摩擦力的合力构成飞机的刹车制动力，刹车制动力的大小取决于飞机机轮施加给跑道道面的垂直载荷和轮胎与跑道之间的摩擦系数(也称为结合系数)。在飞机的减速过程中，轮胎与跑道之间的摩擦系数会随着轮胎与跑道之间的滑移率、飞机速度、跑道表面状态等因素的变化而变化，特别是滑移率的变化会导致摩擦系数发生剧烈的变化或者说显著的变化。目前使用的较为传统的刹车防滑控制系统主要围绕着控制滑移率保持稳定这一目标实现刹车防滑控制，这样的刹车防滑控制方式实质上是在滑移率改变的情况下通过和某一种或几种参数相关的反馈机制对刹车压力进行被动式调节。

然而，飞机机轮与跑道道面之间的垂直载荷也不是一成不变的，受到飞机起落架减震支柱的气弹簧特性、液压阻尼、飞机升力变化、跑道道面坡度变化等多个因素的影响，特别是当例如起落架的减震支柱的内外筒发生卡滞时，飞机与跑道地面之间如果仅靠轮胎进行缓冲，那么轮胎与跑道道面之间的垂直载荷(轮载)会出现明显的波动，这一现象也会导致机轮的深度打滑，深度打滑一般可理解为机轮速度的急剧变化，即例如在较短的预设时长阈值内机轮速度的变化量超过预设的速度变化阈值，或者例如机轮加速度值在某一时刻的突然增大。

如上所述的较为传统的飞机刹车控制系统所采用的被动式刹车压力控制技术难以针对这一现象进行有效的防滑控制，这将造成一些情形下飞机的刹车效率明显降低。这一问题在飞机的机轮载荷发生显著变化或者处于不稳定的状态的情况下，显得尤为显著，进而对飞机刹车效率造成明显的不利影响。

因此，亟需提供一种新的刹车控制方法及系统，以至少部分地缓解或消除现有技术存在的上述缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有的飞机的刹车防滑控制系统在机轮载荷发生显著变化或者处于不稳定的状态的情况下，无法及时针对飞机轮载的变化进行刹车压力的调节和控制，因而造成飞机的刹车效率明显降低的问题，提出一种新的刹车控制方法及系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种刹车控制方法，所述飞机包括具有刹车防滑控制单元的刹车控制系统，其特点在于，所述刹车控制方法包括以下步骤：

在所述飞机在地面上滑行期间，监测并获取所述飞机的机轮上的垂直载荷；

将获得的所述垂直载荷作为前馈控制信号发送给所述刹车防滑控制单元，所述刹车防滑控制单元直接基于所述前馈控制信号同步调节施加在所述飞机的刹车装置上的刹车压力的大小。

根据本发明的一种实施方式，所述同步调节刹车压力的步骤包括：

以与所述前馈控制信号的变化趋势相一致地同步调节所述刹车压力的大小。

根据本发明的一种实施方式，所述同步调节刹车压力的步骤包括：

根据监测到的所述垂直载荷的变化，以与所述垂直载荷的变化呈正比的方式计算所述刹车压力的前馈调节值，并根据所述前馈调节值同步调节所述刹车压力。

根据本发明的一种实施方式，所述同步调节刹车压力的步骤包括：

基于监测到的所述垂直载荷生成前馈电信号；

将所述前馈电信号乘以预设的比例系数，从而得到控制电流信号；

基于所述控制电流信号控制所述刹车装置的控制阀，从而调节所述刹车压力。

根据本发明的一种实施方式，所述刹车装置控制方法还包括以下步骤：

在所述滑行期间，基于实时监测得到的所述飞机的脚蹬行程信息和/或实时滑移率信息，确定所述刹车压力的基准值；

基于所述前馈调节值实时修正所述基准值，从而同步调节所述刹车压力。

根据本发明的一种实施方式，所述监测垂直载荷的步骤包括：

通过载荷传感器监测所述机轮的轮轴上的固定位置处的应力，并基于所述应力和所述固定位置距离所述机轮和所述轮轴的连接点的距离，计算所述垂直载荷。

根据本发明的一种实施方式，所述监测垂直载荷的步骤中，通过预设的换算关系式将所述应力转换为所述垂直载荷；

其中，所述换算关系式通过对所述固定位置处的所述载荷传感器测得的一系列应力值与对应的一系列所述垂直载荷的值进行标定试验确定。

本发明还提供了一种刹车控制系统，所述飞机包括具有机轮的起落架，其特点在于，所述刹车控制系统包括：

检测装置，所述检测装置被配置为能够监测并获取所述机轮上的垂直载荷；

刹车防滑控制单元，所述刹车防滑控制单元被配置为能够自所述检测装置获取其监测到的所述垂直载荷作为前馈控制信号，并直接基于所述前馈控制信号的变化同步调节所述飞机的刹车装置的刹车压力的大小。

根据本发明的一种实施方式，所述刹车防滑控制单元被配置为能够根据所述检测装置监测到的所述垂直载荷的变化，以与所述垂直载荷的变化呈正比的方式计算所述刹车压力的前馈调节值，并根据所述前馈调节值同步调节所述刹车压力。

根据本发明的一种实施方式，所述刹车装置设有被构造为能够调节所述刹车压力的控制阀；以及

所述刹车防滑控制单元被配置为能够基于所述垂直载荷生成前馈电信号，将所述前馈电信号乘以预设的比例系数以得到控制电流信号，并基于所述控制电流信号控制所述控制阀，以调节所述刹车压力。

根据本发明的一种实施方式，所述刹车防滑控制单元还被配置为能够获取所述飞机的脚蹬行程信息和/或实时滑移率信息，并根据获取的所述信息确定所述刹车压力的基准值，以及能够基于所述前馈调节值实时修正所述基准值，从而同步调节所述刹车压力。

根据本发明的一种实施方式，所述起落架还包括连接机轮的轮轴，所述检测装置包括：

布置于所述轮轴上的固定位置的载荷传感器，所述载荷传感器被配置为能够测量所述轮轴上的固定位置处的应力值；

处理单元，所述处理单元预设有所述应力值和所述垂直载荷的换算关系式，并被配置为能够基于所述换算关系式将所述应力值转换为所述垂直载荷。

根据本发明的一种实施方式，所述起落架还包括纵向减震支柱，所述纵向减震支柱的下端连接至所述轮轴的中心，在所述轮轴的中心的两侧对称地布置有两个所述载荷传感器。

根据本发明的一种实施方式，所述载荷传感器为桥式应变片或压电型传感器。

本发明还提供了一种飞机，其包括如上所述的刹车控制系统。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

根据本发明的刹车控制方法及系统以及包括该系统的飞机，能够利用前馈控制机制针对飞机的机轮载荷变化进行主动调节，以实时响应于机轮载荷的变化，从而至少缓解或部分解决飞机在机轮载荷发生显著变化或者处于不稳定的状态的情况下出现机轮打滑的问题。

附图说明

图1为本发明涉及的飞机及其起落架布置的示意图。

图2示意性地示出了根据本发明的优选实施方式的刹车控制方法及系统中，传感器在起落架上的布置方式。

图3示出了根据本发明的优选实施方式的基于飞机的机轮载荷提供前馈控制的刹车控制系统的刹车防滑控制单元和各传感器、制动机轮的电气连接关系及液压连接关系。

具体实施方式

下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。

在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

图1示出了带有前起落架120、主起落架110和130的飞机100，该飞机在地面可运行于机场跑道20之上，飞机安装有刹车装置及刹车防滑控制单元。该刹车防滑控制单元可例如主要围绕着控制滑移率保持稳定这一目标实现刹车防滑控制，更具体地，该刹车防滑控制单元可例如在滑移率改变的情况下通过和某一种或几种参数相关的反馈机制对刹车压力进行被动式调节。其中，具有制动能力的刹车装置可例如安装于主起落架110和130的机轮内。

可以理解的是，由于跑道20不可避免会存在一定的坡度变化，以及飞机随着水平速度的变化而变化的升力、起落架减震支柱的气弹簧特性，这些因素可能共同影响着机轮上的垂直载荷，使其不断发生变化。

基于如图1所示的飞机，根据本发明的优选实施方式的刹车控制方法，其采用基于飞机的机轮载荷提供前馈控制的方式对刹车进行控制。该刹车控制方法可包括以下步骤：

在飞机在地面上滑行期间，监测并获取飞机的机轮上的垂直载荷；

将获得的垂直载荷作为前馈控制信号发送给刹车防滑控制单元，刹车防滑控制单元直接基于前馈控制信号同步调节施加在飞机的刹车装置上的刹车压力的大小。

该控制指令能够在机轮垂直载荷发生较大变化的情况下低延时响应轮载变化引起的扰动并主动改变刹车压力，从而避免制动机轮发生深度打滑。基于前馈控制信号同步调节刹车压力大小的一个显著的技术优势在于，相比于传统的基于某一种或几种参数相关的反馈机制对刹车压力进行被动式调节的防滑控制机理，上述这种基于前馈控制信号同步调节刹车压力大小的这种方式，并非在监测到机轮发生深度打滑或者滑移率发生明显改变的情况下通过反馈机制对刹车压力进行调节，而是通过实时监测机轮载荷的变化情况进而通过前馈机制进行主动调节或者主动补偿来调节刹车压力。由此，通过上述刹车控制方法将得以实现，避免因刹车压力过大造成机轮深度打滑。

其中，更为具体地，该同步调节刹车压力的步骤包括：

以与前馈控制信号的变化趋势相一致地同步调节刹车压力的大小。

或者，优选地，该同步调节刹车压力的步骤包括：

根据监测到的垂直载荷的变化，以与垂直载荷的变化呈正比的方式计算刹车压力的前馈调节值，并根据前馈调节值同步调节刹车压力。

根据本发明的一些优选实施方式，刹车装置采用电控的控制阀，相应的，同步调节刹车压力的步骤可具体包括：

基于监测到的垂直载荷生成前馈电信号；

将前馈电信号乘以预设的比例系数，从而得到控制电流信号；

基于控制电流信号控制刹车装置的控制阀，从而调节刹车压力。

根据本发明的一些优选实施方式，监测垂直载荷的步骤包括：

通过载荷传感器监测机轮的轮轴上的固定位置处的应力，并基于应力和固定位置距离机轮和轮轴的连接点的距离，计算垂直载荷。

进一步优选地，监测垂直载荷的步骤中，通过预设的换算关系式将应力转换为垂直载荷；

其中，换算关系式通过对固定位置处的载荷传感器测得的一系列应力值与对应的一系列垂直载荷的值进行标定试验确定。

更为具体地，该换算关系式可作为系统参数写入刹车控制软件代码中，从而将相应的换算功能预置在刹车防滑控制单元中。上述优选实施方式的一个优点在于，基于换算关系式的这种对于垂直载荷的间接测量方式，利用标定的关系间接得到机轮垂直载荷，因而载荷传感器得以布置于轮轴上而非机轮上，这对于硬件布置而言难度和硬件成本大大降低。

根据本发明的一些优选实施方式，该刹车装置控制方法还包括以下步骤：

在滑行期间，基于实时监测得到的飞机的脚蹬行程信息和/或实时滑移率信息，确定刹车压力的基准值；

基于前馈调节值实时修正基准值，从而同步调节刹车压力。

根据本发明的一些优选实施方式，该刹车控制方法中还包括，使用一阶低通滤波方法对监测到的垂直载荷的信号或者轮轴的应力信号进行滤波处理，并由刹车防滑控制单元基于滤波处理后的电信号作为前述前馈控制信号同步调节刹车压力。在一些实施方式中，由于跑道道面存在一定的粗糙度，导致轮载信号或直接测得的垂直载荷的信号可能存在高频噪声，而一阶低通滤波方法可以在相当程度上消除这类高频噪声的影响。容易理解的是，与此对应的，在下文描述的刹车控制系统中可设置用于实施一阶低通滤波的一阶低通滤波器，下文不在赘述。

根据本发明的一些优选实施方式的刹车控制系统，可基于飞机的机轮载荷为刹车装置提供前馈控制。该刹车控制系统可包括检测装置和刹车防滑控制单元。其中，检测装置被配置为能够监测并获取机轮上的垂直载荷。刹车防滑控制单元被配置为能够自检测装置获取其监测到的垂直载荷作为前馈控制信号，并直接基于前馈控制信号的变化同步调节飞机的刹车装置的刹车压力的大小。

根据本发明的一些优选实施方式，该刹车防滑控制单元被配置为能够根据检测装置监测到的垂直载荷的变化，以与垂直载荷的变化呈正比的方式计算刹车压力的前馈调节值，并根据前馈调节值同步调节刹车压力。

根据本发明的一些优选实施方式，该刹车装置设有被构造为能够调节刹车压力的控制阀；以及

该刹车防滑控制单元被配置为能够基于垂直载荷生成前馈电信号，将前馈电信号乘以预设的比例系数以得到控制电流信号，并基于控制电流信号控制控制阀，以调节刹车压力。

根据本发明的一些优选实施方式，该刹车防滑控制单元还被配置为能够获取飞机的脚蹬行程信息和/或实时滑移率信息，并根据获取的信息确定刹车压力的基准值，以及能够基于前馈调节值实时修正基准值，从而同步调节刹车压力。应理解的是，该刹车防滑控制单元除上述功能以外，还可兼容地配置有根据现有技术的任意被动式调节刹车压力的技术，并在此基础上结合上述基于垂直载荷(也可简称为轮载)信号对刹车压力进行补偿性调节的技术。

根据本发明的一些优选实施方式，起落架还包括连接机轮的轮轴，该检测装置包括：

布置于轮轴上的固定位置的载荷传感器，载荷传感器被配置为能够测量轮轴上的固定位置处的应力值；

处理单元，处理单元预设有应力值和垂直载荷的换算关系式，并被配置为能够基于换算关系式将应力值转换为垂直载荷。

以下结合图2和图3对在飞机上布置基于飞机的机轮载荷进行前馈控制的上述刹车控制系统的具体示例进行说明，以便于进一步理解本发明的原理及其如何具体实施。应理解的是，尽管在图2和图3及下文的举例说明中描述了具体的起落架构造、传感器形式以及与之相关的电气连接关系等，但并不以此限制本发明的范围。

参照图2所示，图2中详细地示出了前起落架120和主起落架110上各种传感器的布置。其中，前起落架120大致由减震支柱123和机轮124、125组成，减震支柱123包含外筒1231、内筒1232和轮轴1233，其中内筒1232和轮轴1233可以是整体加工的单个结构件，也可以作为两个独立结构件分别加工再进行装配。

参考图2并结合图3所示，前轮轮速传感器121、122(图2中未示出，而在图3中示出)分别位于轮轴1233的两个末端伸出机轮124、125的中心位置。其中前轮轮速传感器121和122可以采用机械电磁感应式计数器，也可以采用光电式计数器。

主起落架110大致包括减震支柱119、机轮117和118、刹车装置(图中未示出)。减震支柱119包含外筒1191、内筒1192和轮轴1193，内筒1192和轮轴1193可以是整体加工的单个结构件，也可以作为两个独立结构件分别加工再进行装配。

主轮轮速传感器111、112(图2中未示出，而在图3中示出)可分别位于轮轴1193的两个末端伸出机轮117、118的中心位置，主轮轮速传感器111和112同样可以采用机械电磁感应式计数器或光电式计数器。载荷传感器113、114可布置在机轮轮轴的适当位置，其中，载荷传感器可以采用诸如桥式应变片或者压电型传感器。参考图2所示，纵向减震支柱123的下端可连接至轮轴1233的中心，在轮轴1233的中心的两侧可对称地布置有两个载荷传感器(图2中未示出)。其中，载荷传感器的读数与机轮垂直载荷的关系通过预先进行的标定试验获得，换算关系式则可作为系统参数写入刹车控制软件代码中。其中，相关刹车控制软件代码可例如被预置于刹车防滑控制单元中。

接下来主要参考图3所示，图3中，虚线大致表示电气连接关系，实线大致表示液压回路的连接关系，附图标记111、112、131、132表示制动机轮上的轮速传感器(即主轮轮速传感器)，附图标记121、122表示前轮轮速传感器，附图标记113、114、133、134表示载荷传感器，附图标记141、142、143、144表示刹车液压压力传感器，附图标记150表示刹车防滑控制单元，附图标记160表示驾驶舱中的飞行员脚蹬行程传感器。

图3中主要示例性地示出了刹车控制系统中的刹车防滑控制单元150与各个传感器的电气连接关系以及刹车防滑控制单元150与制动机轮的液压连接关系。

当飞机100在跑道20上运行时，载荷传感器113、114、133、134可测量得到各个制动机轮轮载(即机轮的垂直载荷)的动态变化，前轮轮速传感器121、122可测量得到各个前轮的转动速度，结合前轮的转动半径，可以计算得到飞机100的水平参考速度。

如果该飞机100没有装配前轮轮速传感器，那么可以基于飞机100的空速数据或者通过飞机加速度结合制动机轮轮速推算飞机的水平参考速度。制动机轮的轮速传感器(即主轮轮速传感器111、112、131、132)可测量得到制动机轮的转动速度，结合制动机轮的转动半径，可以计算制动机轮与跑道道面20接触部分的转动线速度。

刹车防滑控制单元150可以利用飞行员脚蹬行程信息、实时滑移率信息、实时的轮载信息，刹车控制系统输出刹车指令信号综合运算后实施对制动机轮上的刹车装置的刹车压力的调节。在此基础上，利用刹车液压压力传感器141、142、143、144测量得到的实际刹车压力信号，还可进一步通过反馈调节机制对刹车压力进行微调。

根据本发明的上述刹车控制方法及系统，能够利用前馈控制机制针对飞机的机轮载荷变化进行主动调节，以实时响应于机轮载荷的变化，从而至少缓解或部分解决飞机在机轮载荷发生显著变化或者处于不稳定的状态的情况下出现机轮打滑的问题。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种飞机的刹车控制方法，所述飞机包括具有刹车装置以及刹车防滑控制单元的刹车控制系统，其特征在于，所述刹车控制方法包括以下步骤：

在所述飞机在地面上滑行期间，监测并获取所述飞机的机轮上的垂直载荷；

在所述滑行期间，基于实时监测得到的所述飞机的脚蹬行程信息和/或实时滑移率信息，确定施加在所述刹车装置上的刹车压力的基准值；

将获得的所述垂直载荷作为前馈控制信号发送给所述刹车防滑控制单元，所述刹车防滑控制单元直接基于所述前馈控制信号同步调节施加在所述刹车装置上的所述刹车压力的大小，

其中，同步调节所述刹车压力的步骤包括：根据监测到的所述垂直载荷的变化，以与所述垂直载荷的变化呈正比的方式计算所述刹车压力的前馈调节值，并根据所述前馈调节值实时修正所述基准值，从而同步调节所述刹车压力；

其中，监测并获取所述垂直载荷的步骤包括：

通过载荷传感器监测所述机轮的轮轴上的固定位置处的应力，并基于所述应力和所述固定位置距离所述机轮和所述轮轴的连接点的距离，通过预设的换算关系式将所述应力转换为所述垂直载荷以计算所述垂直载荷，其中，所述换算关系式通过对所述固定位置处的所述载荷传感器测得的一系列应力值与对应的一系列所述垂直载荷的值进行标定试验确定。

2.如权利要求1所述的刹车控制方法，其特征在于，所述同步调节刹车压力的步骤包括：

以与所述前馈控制信号的变化趋势相一致地同步调节所述刹车压力的大小。

3.如权利要求1所述的刹车控制方法，其特征在于，所述同步调节刹车压力的步骤包括：

基于监测到的所述垂直载荷生成前馈电信号；

将所述前馈电信号乘以预设的比例系数，从而得到控制电流信号；

基于所述控制电流信号控制所述刹车装置的控制阀，从而调节所述刹车压力。

4.一种飞机的刹车控制系统，所述飞机包括具有机轮的起落架，其特征在于，所述起落架还包括连接机轮的轮轴，所述刹车控制系统包括：

刹车装置；

检测装置，所述检测装置被配置为能够监测并获取所述机轮上的垂直载荷；

刹车防滑控制单元，所述刹车防滑控制单元被配置为能够自所述检测装置获取其监测到的所述垂直载荷，并根据所述检测装置监测到的所述垂直载荷的变化，以与所述垂直载荷的变化呈正比的方式计算施加在所述刹车装置上的刹车压力的前馈调节值；

所述刹车防滑控制单元还被配置为能够获取所述飞机的脚蹬行程信息和/或实时滑移率信息，并根据获取的所述信息确定所述刹车压力的基准值，并能够基于所述前馈调节值实时修正所述基准值，从而同步调节所述刹车压力；

其中，所述检测装置包括：

布置于所述轮轴上的固定位置的载荷传感器，所述载荷传感器被配置为能够测量所述轮轴上的固定位置处的应力值；

处理单元，所述处理单元预设有所述应力值和所述垂直载荷的换算关系式，并被配置为能够基于所述换算关系式将所述应力值转换为所述垂直载荷，其中，所述换算关系式通过对所述固定位置处的所述载荷传感器测得的一系列应力值与对应的一系列所述垂直载荷的值进行标定试验确定。

5.如权利要求4所述的刹车控制系统，其特征在于，所述刹车装置设有被构造为能够调节所述刹车压力的控制阀；以及

所述刹车防滑控制单元被配置为能够基于所述垂直载荷生成前馈电信号，将所述前馈电信号乘以预设的比例系数以得到控制电流信号，并基于所述控制电流信号控制所述控制阀，以调节所述刹车压力。

6.如权利要求4所述的刹车控制系统，其特征在于，所述起落架还包括纵向减震支柱，所述纵向减震支柱的下端连接至所述轮轴的中心，在所述轮轴的中心的两侧对称地布置有两个所述载荷传感器。

7.如权利要求4所述的刹车控制系统，其特征在于，所述载荷传感器为桥式应变片或压电型传感器。

8.一种飞机，其特征在于，所述飞机包括如权利要求4-7中任意一项所述的刹车控制系统。