CN114084343B - 一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制方法，驾驶舱操纵杆包括红色按钮、黄色按钮、滚轮和前侧按压开关，驾驶舱操纵杆设置两个，两个驾驶舱操纵杆其中一个控制高度率和转弯率，另一个驾驶舱操纵杆控制纵向和横向速度，两个驾驶舱操纵杆功能能够进行切换，切换功能只在驻留地面情况下实现，eVTOL飞机的驾驶舱控制方法采用闭环控制；驾驶舱控制系统通过主控计算机获取并计算飞机状态数据并与飞控计算机和驾驶舱操纵设备形成闭环回路，闭环回路分为飞行控制内环回路和飞行控制外环回路，故障运行系统通过飞行控制计算机、主动/辅助控制单元的安全功能和足够的冗余为驾驶舱操纵提供降级的辅助。本发明的有益效果是加强安全控制、简化操作难度。
Description
技术领域
本发明属于控制方法领域，尤其是涉及一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制方法。
背景技术
现在城市发展一直是社会发展的重要环节。随着国民经济的快速发展和城市化水平的逐步提高，超大城市交通建设和环境问题越来越成为制约城市发展的重要问题之一。
对我们的环境保护和控制力度提出了更高的要求，发展绿色能源交通产业，应用新能源技术势在必行。可是随着生活水平的提高，城市汽车保有量的增长速度愈发加快，道路建设无法满足日益增长的交通需求，常规交通萎缩，轨道交通起步较晚导致城市交通拥堵日益严重，同时导致交通事故频发，环境污染加剧恶化。
为了解决城市交通问题，发展绿色交通，实现节能减排并缓解交通拥挤，采用eVTOL飞机构建绿色的UAM/AMM系统，已经成为下一代城市交通解决方案的选择之一，但是在进行实施的过程中需要加大安全控制避免发生危险，确保eVTOL飞机构建绿色的UAM/AMM系统能够安全稳定的运行，缺少针对性的飞机故障处理系统，无法针对不同危险状况采取多种应对方法，并且现有的eVTOL飞机都是采用不同型号的操纵杆，一旦操纵杆故障就无法进行功能切换或者替代。
发明内容
本发明的目的是提供一种加强安全控制、简化操作难度的基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置及利用其的驾驶舱实施控制方法，尤其适合城市内eVTOL飞机构建的绿色UAM/AMM系统。
本发明的技术方案是：一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，驾驶舱操纵杆包括红色按钮、黄色按钮、滚轮和前侧按压开关，所述驾驶舱操纵杆设置两个，两个驾驶舱操纵杆采用同一型号和种类的操纵杆，两个驾驶舱操纵杆其中一个控制高度率和转弯率，另一个驾驶舱操纵杆控制纵向和横向速度，两个驾驶舱操纵杆功能能够进行切换，切换功能只在驻留地面情况下实现，所述eVTOL飞机的驾驶舱控制装置采用闭环控制，eVTOL飞机的驾驶舱控制装置包括驾驶舱控制系统和故障运行系统。
驾驶舱控制系统为飞行控制的基本单元，通过主控计算机获取并计算飞机状态数据并与飞控计算机和驾驶舱操纵设备形成闭环回路，闭环回路分为飞行控制内环回路和飞行控制外环回路，飞行控制内环回路包括飞机状态数据，所述飞行控制外环回路包括飞行控制内环回路、驾驶舱操纵设备控制信号，驾驶舱控制系统的飞行控制逻辑为三台飞控计算机和一个独立的自动着陆通道組成。具有高冗余度设计的三台飞控计算机负责飞机控制逻辑的计算和控制。一个独立的自动着陆通道保证故障状态下的飞机安全飞行。控制计算机的安全冗余满足了最高的航空交全标准。
故障运行系统通过系统联动，依靠飞行控制计算机、主动/辅助控制单元的安全功能和足够的冗余为驾驶舱操纵提供降级的辅助，故障运行系统的故障情形包括单一驾驶舱操纵杆故障、两侧驾驶舱操纵杆均故障和飞机失稳或姿态异常。
进一步的，所述驾驶杆采用FBW电控操纵杆。
进一步的，所述飞行控制内环回路的飞机状态数据包括飞机位置数据、机身数据、力和力矩、重量和平衡。
基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置的实施控制方法，其中，所述故障运行系统在单一驾驶舱操纵杆故障的情况，激活备用仪表飞行控制，飞机显示器上提示单一驾驶舱操纵杆故障警告，由飞行员重新指定飞行计划，由正常运行的驾驶舱操纵杆实现全部飞行功能，控制信号由正常运行的驾驶舱操纵杆提供，飞行控制计算机切换为单一驾驶舱操纵杆控制功能，飞行控制计算机重新根据驾驶舱操纵杆信号进行数据计算。
进一步的，所述故障运行系统在两侧驾驶舱操纵杆均故障的情况，飞机显示器上显示所有驾驶舱操纵杆故障警告，激活备用仪表飞行控制，执行紧急着陆程序，采集飞机状态数据。
进一步的，所述故障运行系统在飞机失稳或姿态异常情况，飞机显示器显示飞行姿态异常警示信息，激活备用仪表飞行控制，由飞行员重新制定飞行计划，按压黄色按钮激活自动平飞功能，飞行控制计算机将重新计算飞机状态数据，并且将保持空速、俯仰坐标归零、横滚坐标归零。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、由于采用了驾驶舱操纵杆和驾驶舱控制系统，可以降低飞机的操作难度，两个操作杆操作简单，配合故障运行系统可以针对各种情况提供应急备份，降低飞行难度，使其操作简便，避免过度控制和超负荷操作，提升安全裕度，两个相同型号的驾驶舱操纵杆能够降低飞行难度，提升飞行效率，降低操作难度。
2、由于采用了eVTOL飞机在城市内作为交通载体，对异常情况的处理质量、冗余条件和安全水平比起普通直升机提升3-4倍，降低了城市内的影响，降低了能耗，保障了环境控制能力，能够预先设定路线，避免了机桶拥堵和长距离的绕行，避免了环境影响，提高运输效果。
3、由于采用了故障运行系统，在进行实际运行时可以在故障时针对不同的状况启动备用仪表飞行控制策略，可以在单一操纵杆故障时通过同型号的驾驶舱操纵杆接过故障操纵杆的控制功能，在完全失去操纵型号后能够通过紧急操作让计算机进行自动着陆，保障飞行人员的安全，并且能够在飞机失稳后通过计算机迅速恢复平稳，故障运行系统大大加快故障和风险的处理速度，快速稳定飞行状态，通过飞行员与计算机的配合保证安全飞行。
附图说明
图1是本发明的eVTOL飞机的飞行控制回路；
图2是本发明的驾驶舱操纵杆右视图示意图；
图3是本发明的驾驶舱操纵杆俯视图示意图；
图4是本发明的单侧驾驶舱操纵杆失效后故障运行逻辑简图（以#1失效为例）；
图5是本发明的两侧驾驶舱操纵杆全部失效后故障运行逻辑简图；
图6是本发明的飞机自动平飞控制功能逻辑简图。
图中：
1红色按钮、2黄色按钮、3滚轮、4前侧按压开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1-6所示：一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，驾驶舱操纵杆包括红色按钮1、黄色按钮2、滚轮3和前侧按压开关4，所述驾驶舱操纵杆设置两个，两个驾驶舱操纵杆采用同一型号和种类的操纵杆，两个驾驶舱操纵杆其中一个控制高度率和转弯率，另一个驾驶舱操纵杆控制纵向和横向速度，两个驾驶舱操纵杆功能能够进行切换，切换功能只在驻留地面情况下实现，所述eVTOL飞机的驾驶舱控制装置采用闭环控制，eVTOL飞机的驾驶舱控制装置包括驾驶舱控制系统和故障运行系统；
驾驶舱控制系统为飞行控制的基本单元，通过主控计算机获取并计算飞机状态数据并与飞控计算机和驾驶舱操纵设备形成闭环回路，闭环回路分为飞行控制内环回路和飞行控制外环回路，飞行控制内环回路包括飞机状态数据，所述飞行控制外环回路包括飞行控制内环回路、驾驶舱操纵设备控制信号；
故障运行系统通过飞行控制计算机、主动/辅助控制单元的安全功能和足够的冗余为驾驶舱操纵提供降级的辅助，故障运行系统的故障情形包括单一驾驶舱操纵杆故障、两侧驾驶舱操纵杆均故障和飞机失稳或姿态异常。
所述驾驶杆采用FBW电控操纵杆。
所述飞行控制内环回路的飞机状态数据包括飞机位置数据、机身数据、力和力矩、重量和平衡。
基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置的实施控制方法，其中，所述故障运行系统在单一驾驶舱操纵杆故障的情况，激活备用仪表飞行控制，飞机显示器上提示单一驾驶舱操纵杆故障警告，由飞行员重新指定飞行计划，由正常运行的驾驶舱操纵杆实现全部飞行功能，控制信号由正常运行的驾驶舱操纵杆提供，飞行控制计算机切换为单一驾驶舱操纵杆控制功能，飞行控制计算机重新根据驾驶舱操纵杆信号进行数据计算。
所述故障运行系统在所有驾驶舱操纵杆均故障的情况，飞机显示器上显示所有驾驶舱操纵杆故障警告，激活备用仪表飞行控制，执行紧急着陆程序，采集飞机状态数据。
所述故障运行系统在飞机姿态异常情况，飞机显示器显示飞行姿态异常警示信息，激活备用仪表飞行控制，由飞行员重新制定飞行计划，按压黄色按钮2激活自动平飞功能，飞行控制计算机将重新计算飞机状态数据，并且将保持空速、俯仰坐标归零、横滚坐标归零。
飞行控制回路从飞行计划的输入开始，通过飞行控制计算机的内环控制回路和外环控制回路的共同计算，生成了飞机应有的状态数据，包括飞机的运动参数方程，飞机的位置数据包括飞行计划中规定的经纬度和目标高度，生成控制飞机的横向和纵向速度以及高度率的指令，来完成飞机的姿态控制。同时，飞机的机身数据，飞行中力和力矩的计算总成以及飞机重量和平衡的数据也納入飞行控制逻辑回路中，以保证飞机的数据链的安全性。这些数据将实时反馈给飞行控制计算机用于实时计算当前的飞行姿态以便进行动态调整。
本实例的工作过程：
正常运行状态下，两个驾驶舱操纵杆分别为CONTROL #1和CONTROL #2，CONTROL #1控制高度率和转弯率，CONTROL #2控制纵向和横向速度，红色按钮1均用于紧急自动着陆，黄色按钮2均用于实现eVTOL飞机的平飞功能，CONTROL #1的滚轮3用于调节飞机的高度，CONTROL #2的滚轮3用于调节飞机在X-Y平面内的空速，前侧按压开关4均用于飞机驻留地面时的刹车控制。
实施例一：单侧驾驶舱操纵杆失效，如图3所示（以CONTROL #1失效为例）：当CONTROL #1发生故障，正常运行的操纵杆将实现CONTROL #1的全部功能。此功能将在失效触发时有飞行控制系统自动切换完成。
飞行员通过显示器获得“操纵杆#1或#2失效”的系统警示信息，同时，飞行员可根据此失效发生后的飞机状态和获取自AOC的着陆信息进行综合判断，动态调整新的飞行计划。
实施例二：两个驾驶舱操纵杆全部失效，如图4所示：飞行员通过显示器获得“操纵杆全部失效”的系统警告信息，飞机立即进入紧急状态，激活备用仪表飞行控制，进入紧急自动着陆程序，并且采集飞行状态数据。
如果某一侧的操纵杆上红色按钮1仍具有控制功能，可按压此按钮或点击触控显示屏上的“紧急自动着陆”开关控件，立即进入紧急自动着陆程序；如果全部操纵杆功能丢失，则只能点击触控显示屏上的“紧急自动着陆”开关控件进入紧急自动着陆程序。
根据飞机状态和获取自AOC的着陆信息，动态产生新的飞行计划并自动获取建议降落点，进入紧急着陆程序，保证飞行员在此高负荷的应急状况下，无须过度操控，即可让飞机安全着陆于最适合的着陆点，最大限度地保证飞行乘组和地面人员的安全。
实施例三：eVTOL飞机失稳或姿态异常，如图5所示：eVTOL飞机存在的其他失效条件也能导致飞行状态异常。这些状态异常包括被动条件下状态异常和飞行员操纵导致的状态异常。
被动条件下的飞行状态异常主要为传感器或导航信号异常导致的飞行姿态异常，环境（风、雨、雪、湍流等）引起的飞行姿态异常；飞行员操纵导致的状态异常主要为飞行员误操作导致的飞行姿态异常。
实施例一、实施例二和实施例三中，当故障运行系统一定时间无法收到驾驶员的操作信息或者紧急危险情况时会自动进入悬停状态，当悬停到电量预警值会自动着陆到附近的着陆点，以确保人员安全。
在飞行姿态异常时，激活备用仪表飞行控制程序，显示器显示导致飞行姿态异常的信息，飞行员根据信息重新指定飞行计划，并且按压黄色按钮2，启动自动平飞功能，通过飞行控制逻辑控制，可在保持空速的情况下，将飞机的俯仰和横滚状态清零，使飞机自动进入平飞状态。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，其特征在于：驾驶舱操纵杆包括红色按钮（1）、黄色按钮（2）、滚轮（3）和前侧按压开关（4），所述驾驶舱操纵杆设置两个，两个驾驶舱操纵杆功能能够进行切换，两个驾驶舱操纵杆采用同一型号和种类的操纵杆，切换功能只在驻留地面情况下实现，所述eVTOL飞机的驾驶舱控制装置采用闭环控制，eVTOL飞机的驾驶舱控制装置包括驾驶舱控制系统和故障运行系统；
驾驶舱控制系统为飞行控制的基本单元，通过主控计算机获取并计算飞机状态数据并与飞控计算机和驾驶舱操纵设备形成闭环回路，闭环回路分为飞行控制内环回路和飞行控制外环回路，飞行控制内环回路包括飞机状态数据和驾驶舱操纵设备控制信号，所述飞行控制外环回路包括飞行控制内环回路和飞行计划；
故障运行系统通过系统联动，依靠飞行控制计算机、主动/辅助控制单元的安全功能和足够的冗余为驾驶舱操纵提供降级的辅助，故障运行系统的故障情形包括单一驾驶舱操纵杆故障、两侧驾驶舱操纵杆均故障和飞机失稳或姿态异常。
2.根据权利要求1所述的一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，其特征在于：所述驾驶舱操纵杆采用FBW电控操纵杆。
3.根据权利要求1所述的一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，其特征在于：所述飞行控制内环回路的飞机状态数据包括飞机位置数据、机身数据、力和力矩、重量和平衡。
4.根据权利要求1所述的一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，包含利用该驾驶舱控制装置的驾驶舱实施控制方法，其特征在于：所述故障运行系统在单一驾驶舱操纵杆故障的情况，激活备用仪表飞行控制，飞机显示器上提示单一驾驶舱操纵杆故障警告，由飞行员重新指定飞行计划，由正常运行的驾驶舱操纵杆实现全部飞行功能，控制信号由正常运行的驾驶舱操纵杆提供，飞行控制计算机切换为单一驾驶舱操纵杆控制功能，飞行控制计算机重新根据驾驶舱操纵杆信号进行数据计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，包含利用该驾驶舱控制装置的驾驶舱实施控制方法，其特征在于：所述故障运行系统在两侧驾驶舱操纵杆均故障的情况，飞机显示器上显示所有驾驶舱操纵杆故障警告，激活备用仪表飞行控制，执行紧急着陆程序，采集飞机状态数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于eVTOL飞机的驾驶舱控制装置，包含利用该驾驶舱控制装置的驾驶舱实施控制方法，其特征在于：所述故障运行系统在飞机失稳或姿态异常情况，飞机显示器显示飞行姿态异常警示信息，激活备用仪表飞行控制，由飞行员重新制定飞行计划，按压黄色按钮（2）激活自动平飞功能，飞行控制计算机将重新计算飞机状态数据，并且将保持空速、俯仰坐标归零、横滚坐标归零。
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