CN113727913B - 用于监测直升机的健康的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测直升机的健康的系统，包括：直升机和用于确定发动机的状态改变的设备，该设备被配置为在稳定飞行阶段期间收集由发动机传感器和外部条件传感器测量的数据并且以如下方式处理所述测量数据：将所述测量数据与发动机的参考模型进行比较；在每个时间间隔，确定每个测量数据项和由发动机的参考模型所估计的每个数据项之间的瞬时歧异；在整个稳定飞行阶段，确定测量数据与由发动机的参考模型所估计的数据之间的总歧异；在稳定飞行阶段的每个时间间隔，确定与瞬时歧异和总歧异之间的差异相对应的固有残差；确定与不满足预定标准的固有残差的部分相对应的偏差部分，每个偏差部分包含与未记录的飞行员动作相关的信息项；并且确定与瞬时歧异相对应的校正残差，校正残差中已去除偏差部分；分析校正残差以便确定发动机的状态是否已改变。

Description

用于监测直升机的健康的系统

技术领域

本发明涉及一种用于监测直升机的健康的系统，特别地使得可以检测直升机的发动机的状态改变。本发明还涉及由该系统实施的方法。

本发明在航空器特别是直升机的地面维护领域中得到应用。

背景技术

在直升机的地面维护领域中，已知对直升机的发动机的健康(也就是说，发动机的工作状态)进行控制以便确定特别是何时需要维修。通常，用于控制发动机的健康的方法包括：在等外部条件下将发动机的输入和输出与参考模型进行比较。参考模型可以是基于物理定律的物理模型，也可以是根据真实数据构建的学习模型，或者可以是依赖于物理模型和学习模型相结合的模型。

因此，对于进行的每次飞行，计算发动机的真实温度与由所选择的参考模型所估计的温度之间的平均歧异是已知的。该歧异是在稳定飞行阶段期间计算的，也就是说，当发动机达到巡航速度(或标称速度)时，在此期间变量变化很小，从而变量在整个飞行阶段期间理论上是相同的。监测每次飞行之间的这种平均歧异的时间演变。

这样的方法需要知道发动机的输入和输出，以及在大多数情况下已知或者借助于传感器测量的外部条件(外部温度、外部压力等)。参考模型具有将变量相对于外部条件归一化的功能。理论上，发动机的温度的歧异是由于发动机的状态改变引起的。事实上，发动机是一个热力学系统，这种歧异不可能是偶然的，众所周知，发动机温度的变化是由发动机的状态改变或其他变量引起的。因此，当其他变量的影响由于参考模型而被中和时，只有发动机状态才能解释这种变化。

然而，取决于发动机，飞行员所需的并且被称为“飞行员动作”的某些动作可能会突然出现，诸如例如，飞行员命令的放气，以使得发动机供应不同的系统(空调、加热等等)。这些飞行员的动作并不总是被记录下来，因此在变量的中和中不会被考虑在内，即使它们在等条件下对发动机的行为产生了相当大的偏移。这个偏移然后被错误地解释为发动机的状态改变。

文献FR3003032提出了一种方法，该方法使得可以根据输入数据对航空器的飞行数据进行归一化。飞行数据通过平均值与数字模型之间的比较来进行分析。然而，这种方法不可以自动检测未记录的飞行员动作。

因此，在文献FR3003032的方法中，如在用于监测发动机的健康的大多数已知方法中，飞行员动作被解释为发动机的状态改变，这样的后果是产生错误警报和发送直升机进行维修而发动机实际上没有任何需要维修的故障。

发明内容

为了应对上述发动机的状态改变的错误警报问题，申请人提出了一种用于监测直升机的健康的系统，其中检测未记录的飞行员动作并将其与发动机的状态改变区分开来。

根据第一方面，本发明涉及一种用于监测直升机的健康的系统，包括：

-直升机，该直升机包括：至少一个发动机、测量发动机变量的至少一个发动机传感器、测量发动机外部的变量的至少一个外部条件传感器以及用于存储由传感器测量的数据的设备，以及

-用于确定发动机的状态改变的设备，该设备被配置为从存储设备收集在第一次飞行的至少一个稳定飞行阶段期间由发动机传感器和外部条件传感器测量的数据，并且实施以下操作：

a)将所述测量数据与发动机的参考模型进行比较，

b)在稳定飞行阶段的每个时间步长处，确定每个测量数据和由发动机的参考模型所估计的每个数据之间的瞬时偏移，

c)在整个稳定飞行阶段，确定测量数据和由发动机的参考模型所估计的数据之间的总偏移，

d)在稳定飞行阶段的每个时间步长处，确定与瞬时偏移和总偏移之间的差异相对应的固有残差，

e)确定与不满足预定标准的固有残差的部分相对应的一个或多个偏差部分，每个偏差部分包含与未记录的飞行员动作相关的信息，以及

f)确定与瞬时偏移相对应的校正残差，在校正残差从中已去除偏差部分，

校正残差被分析以确定发动机的状态是否已经改变。

该系统具有使用参考模型和真实数据之间的整个时间序列残差的优点，这使得可以不受外部条件的影响并且将发生未记录的飞行员动作的时刻与发生发动机的状态改变的时刻解耦。

有利地，校正残差的分析包括：由用于确定发动机的状态改变的设备收集在至少一个第二次飞行的稳定飞行阶段期间测量的数据，并且将与第一次飞行相关的校正残差和与第二次飞行相关的校正残差进行比较。

除了上述特征之外，根据本发明的系统可以具有以下特征中的一个或多个补充特征，补充特征单独地考虑或根据其所有技术上可能的组合来考虑：

-由发动机传感器测量的数据是发动机内部的温度的真实值，并且由外部条件传感器测量的数据是发动机外部的温度的真实值；

-直升机包括连接到存储设备的能够测量发动机的扭矩或转速的至少一个驾驶数据传感器；

-由模型估计的数据是发动机内部的温度；

-由模型估计的数据是发动机的扭矩或转速；

-用于确定发动机的状态改变的设备通过分析发动机的扭矩或转速来实施对稳定飞行阶段的确认的操作；

-在与至少一个预定标准进行比较之前，对固有残差进行去噪；

-与固有残差相比较的预定标准是温度阈值；

-在多个稳定飞行阶段期间由发动机传感器和外部条件传感器测量数据，在整个稳定飞行时段上实施步骤a)至f)；

-飞行员动作是放气。

根据第二方面，本发明涉及一种用于监测直升机的健康的方法。该方法的特征在于，它是由上文定义的监测系统来实施的。

附图说明

通过阅读由附图所图示出的说明书，本发明的其他优点和特征将变得清楚，在附图中：

图1表示根据本发明的用于监测直升机的健康的系统的示意性示例；

图2以曲线的形式示意性地表示由根据本发明的用于监测直升机的健康的系统所测量和计算的值和数据的示例；以及

图3表示由图1的系统所实施的操作的功能图的示例。

具体实施方式

下面参考附图详细描述用于监测直升机的健康的系统的示例性实施例。这个示例说明了本发明的特征和优点。然而，应记得本发明不限于该示例。

在附图中，相同的元件由相同的附图标记来标记。出于附图易读性的原因，未考虑所表示的元件之间的尺寸比例。

图1示意性地表示用于监测直升机的健康的示例性系统。该系统100包括直升机110和用于确定发动机的状态改变的设备120，以下简称为确定设备。直升机110特别地配备有发动机111和传感器112-113。直升机尤其包括至少一个发动机传感器112，其被安装得尽可能靠近发动机并且适合于测量发动机内部的温度。直升机还包括至少一个外部条件传感器113，例如位于直升机的一侧上并且适合于测量发动机外部的变量，诸如外部温度。在一个实施例中，直升机110还包括用于测量诸如例如发动机的扭矩或转速之类的驾驶数据的传感器115(在图3中表示)，传感器的类型(扭矩或转速)被确定为直升机类型的函数。其他传感器显然可以被安装在直升机上，以测量与飞行条件相关的其他变量或参数，诸如例如用于外部压力、湿度、速度、加速度、高度等的传感器，和/或与发动机相关的其他变量或参数，诸如例如用于内部压力、振动等的传感器。

直升机还包括用于存储由传感器112-113测量的数据的设备114。该存储设备114通过有线连接或无线连接而被连接到每个传感器，并存储在稳定飞行阶段的至少一部分期间(或在整个稳定飞行阶段期间，或者甚至在整个飞行持续时间期间)由这些传感器测量的不同数据。

“稳定飞行阶段”指明飞行条件基本稳定的飞行阶段。当飞行参数不变化或变化很小时，例如当它们在百分比值或预定幅度的值范围内变化时，飞行条件被认为是基本稳定的。

用于确定直升机110的发动机111的状态改变的设备120适合于在预定义的时间段内(尤其是在稳定飞行阶段的过程中)收集由传感器112、113和/或115测量的数据。它被配置为通过连接(在图1中被标记为130)连接到直升机的存储设备114，该连接可以是有线连接或例如Wifi或蓝牙类型的无线连接。

确定设备120例如可以是计算单元或计算机，其被配置为使用由在直升机中实施的传感器所测量的数据来实施该方法的步骤(如下所述)。确定设备120可以在直升机上；它也可以被安装在地面上，例如安装在维护单位的场地中，以免在直升机中产生附加的重量。

确定设备120承载发动机111的参考模型。该参考模型是表示发动机的正常行为的数字模型，也就是说，在至少一次稳定飞行阶段期间健康良好的发动机的行为。参考模型特别是根据被测量并由存储设备记录的飞行参数而为每个发动机构建的，飞行参数包括扭矩或旋转速度。这可以是遵循物理定律而构建的所谓“物理”模型，也可能是通过分析多个真实数据而构建的所谓“学习”模型，或者可以是物理模型和学习模型相结合而构建的模型。

参考模型链接发动机的变量和发动机外部的变量以确定当所述发动机处于健康良好时发动机的预期行为。它特别表示发动机的预期内部温度，该内部温度是标准化温度，指示发动机的状态并且通常根据制造商而被指明为T45、TC、TGT等。

本发明的系统的确定设备120实施将结合图3描述的一系列操作。首先，确定设备120收集由发动机内部的传感器和发动机外部的传感器所测量的数据，并且特别是由传感器112、113和115所测量的数据。在图3的示例中，确定设备120记录由发动机传感器112以预定义的时间步长测量的与发动机111的温度相关的数据。它还记录与环境相关的数据140，例如由传感器113所测量的发动机外部的温度。它还记录驾驶数据，例如由传感器115所测量的发动机的扭矩或转速。

无论它们与环境、发动机还是驾驶相关，由传感器112、113、115所测量的数据可能对发动机的行为有影响。类似地，未测量和未记录的飞行员动作150，诸如例如放气，可能对发动机的行为有影响。本发明的系统通过将这些不同的测量结果与发动机的参考模型进行比较并通过对这种比较的分析来检测未记录的飞行员动作，以便能够将它们与发动机的状态改变区分开来成为可能。典型的飞行员动作是放气。

为此，确定设备120在步骤215处确保将由发动机传感器112所测量的数据与被标记为210的发动机的参考模型进行比较。根据该比较，在步骤220处确定，由发动机传感器112所测量的每个数据与由参考模型210所估计的每个数据之间的瞬时偏移。针对预定义的时间步长计算瞬时偏移，该时间步长可以是例如几秒(通常十秒左右)。因此，在每个时间步长处，由传感器112所测量的真实值与由参考模型210所估计的值之间的所谓瞬时偏移被确定。因此，在已知时间间隔期间，例如在稳定飞行阶段的持续时间内，有规律地计算多个瞬时偏移。

确定设备120进一步在步骤230处确定由发动机传感器112所测量的数据与由参考模型210所估计的数据之间的总偏移。该总偏移是根据上面确定的所有或部分瞬时偏移来计算的。

通过发动机的真实内部温度(由发动机传感器112测量)和发动机的估计内部温度(由参考模型确定)之间的差异，针对每个时间步长计算瞬时偏移。

总偏移或综合偏移是在预定义时间段上计算的，诸如例如稳定飞行阶段的一部分或全部。例如，可以通过平均、通过模式(mode)或通过最小化来计算总偏移。在图3的示例中，总偏移是在预定义时段期间计算的瞬时偏移在此时段上的平均值。

确定设备120接下来执行瞬时偏移和总偏移之间的比较以确定固有残差240。该固有残差240是在每个时间步长处在瞬时偏移和总偏移之间的差异。该固有残差240是模拟与现实之间对齐的重要数据。接下来将在预定义时段上处理和分析的是这种固有残差，以使得可以确定发动机的状态的演变。

确定设备120接下来执行确定固有残差的偏差部分的操作250。这些偏差部分是通过将固有残差与至少一个预定标准进行比较而获得的，固有残差中没有对应于预定标准的部分构成偏差部分。预定标准可以是一个预定义值、一组预定义值、一个或多个航空规则等。它可以被选择为发动机和直升机的函数。例如，预定标准可以是被定义为先前飞行的函数的阈值。在图3的示例中，预定标准是温度阈值，其示例将结合图2进行描述。很显然，针对每个时间步长计算出的每个固有残差240不产生偏差部分。偏差部分，当它存在时，对应于包含与未记录的飞行员动作相关的信息的信号部分。

在步骤260处，将在步骤250处确定的偏差部分从对应的瞬时偏移中去除，以便生成校正残差270。换言之，步骤260包括：重新计算没有偏差部分的残差，其被称为校正残差。该校正残差270接下来可以被分析，以便确定它是对发动机有影响的飞行员动作的结果还是说它是发动机的状态改变的结果。

如前面所解释的，对在稳定飞行阶段期间检测到的残差进行校正残差的这种分析。为此，确定设备120在步骤280处验证所处理的数据确实是在稳定飞行阶段期间测量的数据。该验证是通过分析由发动机传感器112和驾驶数据传感器115所测量的数据来进行的。如果确认确实已针对稳定飞行时段计算出校正残差270，那么确定设备120在步骤290处根据校正残差确定所谓的“真实”裕度。例如借助于自动分类算法，分类操作295使得可以记录可能需要发动机维修的发动机的状态改变。该分类操作295可以在生成校正残差(步骤270)之后或替代地在去除偏差部分的操作260之前进行干预。

已经描述的方法可以借助于诸如图2中表示的那些曲线之类的曲线来图示。实际上，从前面可以理解，确定设备120将数据处理为时间序列；数据，尤其是残差，因此可以以曲线的形式来表示。曲线C1至C4表示对于所测量的或者由确定设备120计算的不同信号的作为时间函数的温度。曲线C5表示作为时间函数的与被记录的命令相关的信号。更精确地说，曲线C1表示由发动机传感器112所测量的真实温度的示例。曲线C2表示根据曲线C5的被记录命令而用参考模型估计的温度。箭头F1表示在方法的步骤220处计算出的瞬时偏移。箭头F2表示在该方法的步骤230处计算出的总偏移。由瞬时偏移与总偏移之间的差异所获得的固有残差240由曲线C3表示。该曲线C3因此表示发动机的真实温度和估计温度之间的差异。曲线C4表示校正残差270。该校正残差270包括温度值大于预定义温度阈值S(温度阈值S是该方法的预定标准)的部分CS。这部分CS对应于未记录的飞行员动作。通过分析可以理解，这部分CS不可能是发动机变化的结果，因为它包括上升沿CS1和下降沿CS2。然而，当信号中的跳跃(例如上升沿)是发动机的状态改变的结果时，不可能存在相反的跳跃(下降沿)允许信号返回到其先前状态，因为发动机的故障永远不会自行修理。因此，部分CS必然是由于未记录的飞行员动作引起的。

由确定设备120实施的方法还可以包括可选的操作。对在步骤250处获得的偏差部分的整合(consolidation)操作310可以通过检测信号中与偏差部分相关的跳跃(上升沿和/或下降沿)来实施。如关于图2所解释的，该操作310使得可以通过对跳跃的分析来确定校正残差是由发动机的状态的改变还是由未记录的飞行员动作而生成的。

除了整合操作310之外或代替整合操作310，还可以实施整合操作320，以确认对发动机的状态改变的检测。该整合操作320包括：将第一次飞行期间获得的结果与至少一个第二次飞行期间获得的结果进行比较。特别地，将在第一次飞行期间计算出的偏差部分与在第二次飞行或后续飞行期间计算出的校正残差进行比较。如果第一次飞行的偏差部分的值和第二次飞行的校正残差的值相近，那么偏差部分对应于发动机的状态改变。如果值不同，则偏差部分是未记录的飞行员动作的结果。实际上，发动机的状态改变是永久性的，而未记录的飞行员动作是一次性的。

还可以添加附加的整合操作(图中未表示出)——特别是在测量发动机的扭矩和/或转速时。这种附加的整合操作包括：比较温度以外的其他变量(诸如发动机的扭矩或转速)上的瞬时残差的波动，以便确认偏差部分是飞行员动作还是发动机状态的改变。实际上，在发动机的状态改变的情况下，其他变量上的瞬时残差将同时偏离。

由确定设备120实施的方法还可以包括，在确定固有残差240的操作之后，对所述固有残差进行去噪的附加操作。例如，可以通过平均或中值进行平滑来实施这种去噪操作，目的是促进步骤310、320、260和290。

之前已经在由发动机传感器112所测量的发动机参数是发动机的内部温度的情况下描述了由确定设备120实施的方法。很显然，代替发动机的内部温度或者除了发动机的内部温度之外，还可以考虑其他参数，无论选择什么参数，该方法都保持相同。例如，代替发动机的内部温度或者除了发动机的内部温度之外，还可以处理与发动机的扭矩或转速相关的数据。

尽管通过一定数量的示例、替代方案和实施例进行了描述，但是根据本发明的用于监测直升机的健康的系统包括对本领域技术人员而言将变得显而易见的各种替代方案、修改和改进，应当理解，这些替代、修改和改进落入本发明的范围内。

Claims (12)

1.用于监测具有至少一个发动机(111)的直升机(110)的健康的系统，所述系统包括：

-测量发动机变量的至少一个发动机传感器(112)、测量发动机外部的变量的至少一个外部条件传感器(113)以及用于存储由传感器测量的数据的设备(114)，以及

-用于确定所述发动机的状态改变的设备(120)，所述设备(120)被配置为从所述存储设备(114)收集在第一次飞行的至少一个稳定飞行阶段期间由所述发动机传感器和所述外部条件传感器测量的数据，并且实施以下操作：

a)将所述测量数据与所述发动机的参考模型(210)进行比较(215)，

b)在所述稳定飞行阶段的每个时间步长处，确定(220)每个测量数据和由所述发动机的所述参考模型(210)所估计的每个数据之间的瞬时偏移，

c)在整个所述稳定飞行阶段，确定(230)所述测量数据和由所述发动机的所述参考模型所估计的数据之间的总偏移，所述总偏移是根据在步骤b)中确定的所述瞬时偏移的至少一部分来计算的，

d)在所述稳定飞行阶段的每个时间步长处，确定与所述瞬时偏移和所述总偏移之间的差异相对应的固有残差(240)，

e)确定与不满足预定标准的固有残差(240)的部分相对应的一个或多个偏差部分(250)，每个偏差部分当它存在时包含与未记录的飞行员动作相关的信息，以及

f)确定(260)与所述瞬时偏移相对应的校正残差(270)，在所述校正残差中已去除一个或多个偏差部分，

对所述校正残差(270)进行分析以便确定它是否是对所述发动机有影响的飞行员动作的结果，或者它是否是所述发动机的状态改变的结果。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述校正残差(270)的分析包括：由用于确定所述发动机的状态改变的设备收集在至少一个第二次飞行的稳定飞行阶段期间测量的数据，并且将与所述第一次飞行相关的所述偏差部分和与所述第二次飞行相关的所述校正残差进行比较(310)。

3.根据权利要求1或2所述的监测系统，其特征在于，所述直升机包括连接到所述存储设备(114)的能够测量所述发动机的扭矩或转速的至少一个驾驶数据传感器(115)。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统，其特征在于，由所述发动机传感器(112)测量的数据是所述发动机(111)内部的温度的真实值，并且由所述外部条件传感器(113)测量的数据是所述发动机外部的温度的真实值。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统，其特征在于，由所述发动机的参考模型估计的数据是所述发动机内部的温度。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统，其特征在于，由所述发动机的参考模型估计的数据是所述发动机的扭矩或转速。

7.根据权利要求3所述的监测系统，其特征在于，用于确定所述发动机的状态改变的设备(120)通过分析由所述驾驶数据传感器(115)测量的所述发动机的扭矩或转速来实施对稳定飞行阶段的确认的操作(280)。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统，其特征在于，在与至少一个预定标准进行比较之前，对所述固有残差(240)进行去噪。

9.根据权利要求8所述的监测系统，其特征在于，与所述固有残差(240)相比较的所述预定标准是温度阈值(S)。

10.根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统，其特征在于，在多个稳定飞行阶段期间由所述发动机传感器和所述外部条件传感器测量数据，在整个稳定飞行时段上实施步骤a)至f)。

11.根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统，其特征在于，所述飞行员动作是放气。

12.用于监测直升机的健康的方法，其特征在于所述方法包括由根据权利要求1至2中任一项所述的监测系统实施的根据权利要求1所述的步骤a)至f)。