CN114202989A - 用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，包括仿真主控制程序、主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手，所述主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手均与仿真主控制程序相连接，所述仿真主控制程序上主要包括有发动机、电池、飞行管理即飞管、飞行控制即飞控；本发明还公开了用于不同电动垂直起降飞机的通用培训方法，包括以下步骤：S1，教练通过场景设置软件设置待培训的场景和飞机构型；S2，然后动态的控制仿真主控程序，调节仿真主控程序中的算法和参数。本发明在保障模拟和培训实施的质量的前提下大幅的降低空中城市交通所需的模拟培训设备的数量和成本。

Description

用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备及方法

技术领域

本发明涉及飞行培训设备技术领域，尤其涉及用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备。

背景技术

城市空中交通

城市空中交通，通常指以即飞即停、安全高效的有人驾驶/无人驾驶为特征的按需自动化航空客运或货运服务，旨在在人口稠密的地区建立一个安全高效的空中运输系统，包括小包裹运送无人机和载客空中出租车等。

电动垂直起降飞机

eVTOL（Electric Vertical Take-Off and Landing）飞机被称为“电动垂直起降飞机”，它使用电力来垂直悬停、起飞和着陆。这项技术的出现得益于电动推力系统（电机、电池、电子控制器）的重大进步以及城市空中交通如空中出租车对新型车辆日益增长的需求。

全球范围内能源及产业发展低碳化趋势已经形成,绿色低碳已成为中国能源发展的大趋势。在这个全球的大趋势下，国际社会普遍认为，二氧化碳过度排放是引起气候变化的主要因素,截止目前从石油中提炼的化石燃料仍然是绝大多数航空器的动力来源，每次飞行，民航客机都会消耗几吨到几十吨甚至上百吨燃油，因此电动垂直起降飞机也是为航空业带来了历史性的时刻。

同时随着我们全球人口的快速增长以及加速城市中心化的趋势，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，预计未来几年交通拥堵还将成为一个更大的问题。作为城市交通拥堵、事故和空气污染问题的最终解决方案，城市空中交通(UAM, Urban Air Mobility)，是一个安全高效的航空运输系统，从小型包裹递送无人机到载客空中出租车，一切都在人口稠密的地区运行，从小镇到大城市。技术的融合以及数字革命带来的新商业模式，使探索这种人员和货物在我们城市内移动的新方式成为可能。相比其他类型飞行器，eVTOL使用电池作为能源，飞行时噪音更小，操作系统更加安全可靠，不依赖跑道并且体积较小，飞行和停放的时候自由度更大，更有利于在城市内进行交通作业，是未来UAM市场的主流方案。

但是，在您期望在市中心办公楼屋顶搭乘空中的士之前，还有很多研究要做、进行测试、进行演示以及编写和采用操作规则和规定。为了让城市更高效、更智能、更具竞争力，城市空中交通行业需要构建完整的生态系统，并克服重重困难，

目前基于eVTOL的城市空中交通发展中的主要挑战包括：

使UAM运输系统具有用户和广大公众都可接受的安全水平的挑战；

定义技术、政策和推荐做法以确保UAM系统所有元素可接受的物理和网络安全方面的挑战；

开发自动化能力和相关法规、政策、标准和推荐做法方面的挑战；

创建一个与其他常见运输方式相比具有成本竞争力的UAM运输系统，以便许多个人和企业可以使用它的挑战；

以对乘客及其运营所在社区产生可接受的噪音；

开发和运营UAM飞机和机队的挑战，包括影响运营频率或同时在头顶上运行的众多飞机的影响的空域设计；

制定、实施和执行各级政府的法规和认证流程所涉及的挑战，这些流程共同确保安全和社区对UAM的接受，而不会不必要地限制运营。

在设计、选址和建造UAM机场方面的挑战。

为了保障飞行的安全性，仿真和培训设备是其中必不可少的部分，它既可以提高飞行器的可靠性，更是承担着培训飞行员的重要的责任。目前的主流发展方向是在飞行器实现完全自主之前，飞行员依然作为保障飞行安全的重要一环，但是飞行员的培训费用一直是一笔可观的开销，在一定程度上是影响UAM成本竞争力的最重要的因素之一，培训费用主要来自于培训设备的成本以及飞行员培训时间的成本。而现在的飞行培训设备是基于飞行型号进行设计和运营的，也就是说对于特定的飞行型号需要单独研制，飞行员也需要针对不同的飞行型号进行不同的培训，需要培训的内容繁多。而有别于传统飞行培训行业的地方是，eVTOL飞机的设计更加的琳琅满目，如今已有的在研的eVTOL飞机就高达数百种，且不同的飞机之间存在较大的差异，如果采取传统的培训模式，即培训设备具有机型的针对性，显然是不合理的。因此不同于传统的飞行员培训行业，在UAM中必须要通过先进的培训设备在缩短飞机员培训的时间的同时还能够通过一种设备来完成多种机型的培训。基于简化飞行器操纵（SVO，Simplified Vehicle Operation）的未来飞行器的控制方式也让这一目标成为可能。综上所述，一种可以适应不同电动垂直起降飞机的仿真培训设备几乎是城市空中交通成功的必要因素之一。

发明内容

本发明的目的是为了提出用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，包括仿真主控制程序、主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手，所述主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手均与仿真主控制程序相连接，所述仿真主控制程序上主要包括有发动机、电池、飞行管理即飞管、飞行控制即飞控，所述发动机、电池、飞管与主、副飞行显示屏相连接，所述飞管和飞控系统与左、右飞行控制手相连接，所述场景设置软件主要包括有选择培训场景、设置飞机构型和设定飞机参数的功能。

优选地，所述左飞行控制手为左侧操作杆，所述左侧操作杆控制飞机的爬升率和转弯率。

优选地，所述右飞行控制手为右侧操作杆，所述右侧操作杆控制飞机的纵向和横向速度。

但两者的控制率可以左右交换，即左手控制纵向和横向速度，右手控制爬升率和转弯率。

优选地，所述主飞行显示屏基于SVO-2的理念进行设计，所述主飞行显示屏功能目的类似于现在飞机上的PFD，包含如下性质：没有姿态指示，飞控将完全自主控制飞机姿态；没有飞行指引，仿真主控制程序控制飞机自行跟随飞行计划飞行，飞行员无需任何控制飞机姿态的行为；没有速度或高度的趋势指示，仿真主控制程序将对高度和速度进行管理，只有数字化的速度和高度指示；没有水平和垂直的差距指示，飞控将自动进行修正；没有自动驾驶相关的控制和指示面板。

优选地，所述副飞行显示屏功能目的类似于现在飞机上的ND，包含如下性质:高精度的地图、导航、一键式的飞行计划设置、可视化的飞机状态显示。

优选地，所述场景设置软件的流程包括以下部分：选择运营场景→选择飞机构型→设置动力装置和能源设备→设置飞行参数→启动仿真主程序。

优选地，所述运营场景包括空中出租车，空中巴士和短途运输，可根据实际运营情况进行增加。

优选地，所述飞机构型的设置：将eVTOL飞机的构型分为三类，分别为多旋翼、复合翼、矢量推力，可以对构型中的发动机或旋翼的数量和位置，电池数量和位置等进行设置。

优选地，所述可配置的飞行参数：在设置完机型后可以对一系列的飞行参数进行设置，以保证飞机和场景仿真的逼真度，可设置的飞行参数包括最大飞行速度，航程，最大巡航高度，续航时间。

本发明还公开了用于不同电动垂直起降飞机的通用培训方法，包括以下步骤：

S1，教练通过场景设置软件设置待培训的场景和飞机构型；

S2，然后动态的控制仿真主控程序，调节仿真主控程序中的算法和参数；

S3，教员依然通过该软件进行培训科目，飞机故障培训相关内容的操作；

S4，飞行员通过基于SVO-2设计的驾驶舱来完成培训内容。

本发明的有益效果为：

本发明在保障模拟和培训实施的质量的前提下大幅的降低空中城市交通所需的模拟培训设备的数量和成本。

附图说明

图1为本发明的架构图；

图2为本发明SVO-2控制律简图；

图3为本发明的场景设置软件的流程图；

图4为典型的SVO-1控制律简图；

图5为电动垂直起降飞机的通用培训设备简图；

图6为飞行控制操作杆简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-5、6，用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，包括仿真主控制程序、主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手，主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手柄、右飞行控制手柄均与仿真主控制程序相连接。整体设备布局参考图5，其中右侧屏幕为主飞行显示屏，中间屏幕为副飞行显示屏，左侧屏幕为显示的备份系统或预留为其他用途。

仿真主控制程序上主要包括有发动机、电池、飞行管理即飞管、飞行控制即飞控，所述发动机、电池、飞管与主、副飞行显示屏相连接，所述飞管和飞控系统与左、右飞行控制手相连接，所述场景设置软件主要包括有选择培训场景、设置飞机构型和设定飞机参数的功能；其中，主飞行显示屏基于SVO-2的理念进行设计，主飞行显示屏功能目的类似于现在飞机上的PFD，包含如下性质：没有姿态指示，飞控将完全自主控制飞机姿态；没有飞行指引，仿真主控制程序控制飞机自行跟随飞行计划飞行，飞行员无需任何控制飞机姿态的行为；没有速度或高度的趋势指示，仿真主控制程序将对高度和速度进行管理，只有数字化的速度和高度指示；没有水平和垂直的差距指示，飞控将自动进行修正；没有自动驾驶相关的控制和指示面板。

副飞行显示屏功能目的类似于现在飞机上的ND，包含如下性质:高精度的地图、导航、一键式的飞行计划设置、可视化的飞机状态显示。

右飞行控制手为右侧操作杆，右侧操作杆控制飞机的纵向和横向速度；左飞行控制手为左侧操作杆，左侧操作杆控制飞机的爬升率和转弯率，两个控制手可交换，两个手柄的控制方式如图6所示。

由于eVTOL的易操作性以及UAM的运营场景决定对于UAM的飞行员来说，主要的培训内容应该是基于场景的培训，对于具体机动的培训只是培训内容的很少一部分；因此本发明提供一个方法使一个培训设备就可以针对多种eVTOL提供基于场景的培训内容；它使用高度结构化的真实场景的搭建来在运营环境中满足飞行培训目标。

本发明使用一个场景设置软件（Scenario Generator）来进行培训场景以及机型的设置，同时也将应用于整个培训过程，它同时也是整个培训设备针对教员的交互界面；在交互界面操作上主要包括面向教员的场景设置软件和面向被培训飞行员的飞控控制手柄以及主飞行显示屏、副飞行显示屏；而设备的仿真核心是仿真主控程序，负责提供高逼真度的运营场景和飞机的仿真，该主控程序的架构在传统的培训设备的主控程序上进行调整，使其可以动态改变相关的参数。

数据层面主要包括城市环境数据，机场数据，飞机数据（包括飞行参数，发动机数据等），场景数据（如运营规则等）；数据将通过静态或动态的方式加载进入仿真主控程序来进行整个培训场景的仿真。

场景设置软件主要包括有选择培训场景、设置飞机构型和设定飞机参数，场景设置软件的流程包括以下部分：选择运营场景→选择飞机构型→设置动力装置和能源设备→设置飞行参数→启动仿真主程序，运营场景包括空中出租车，空中巴士和短途运输，可根据实际运营情况进行增加，飞机构型的设置：将eVTOL飞机的构型分为三类，分别为多旋翼、复合翼、矢量推力，可以对构型中的发动机或旋翼的数量和位置，电池数量和位置等进行设置，可配置的飞行参数：在设置完机型后可以对一系列的飞行参数进行设置，以保证飞机和场景仿真的逼真度，可设置的飞行参数包括最大飞行速度，航程，最大巡航高度，续航时间。

为了使得飞行培训设备可以适应不同的电动垂直起降飞机，本发明设计了一个通用的仿真驾驶舱用于飞行训练，该仿真驾驶舱通过基于SVO-2的设计来实现该目的。

简化飞行器操纵是为公务航空提供令人兴奋的潜力的众多近期技术之一；然而，此类系统的接受和认证需要当前技术和法规的发展——并重新定义飞行员与其飞机之间的互动；SVO是朝着自主系统方向迈出的实际步骤，允许飞行员专注于执行级别的决策，而不必担心车辆本身可以管理的较低级别的考虑。

SVO-1主要提供统一化的控制方式，还是一种类似于传统飞机的控制方式，但是加入了更完善的包线保护和简化的垂直起降命令，在F35B上有应用，但是它的控制律还是依赖于飞机的速度的，典型的控制律如图4所示；本发明的驾驶舱设计，尤其的飞行相关的控制和显示系统是基于SVO-2的；SVO-2提供了更简单的飞行方式，如图2所示；在所有速度上应用一致的命令，在所有飞行阶段上使用简化指令，因此可以大幅的降低对飞行员的操纵技巧的依赖，并且可以大幅的缩减飞行员的训练时长，同时也可以在使用一套驾驶舱设计来满足基于场景的培训需求。

本发明还公开了用于不同电动垂直起降飞机的通用培训方法，包括以下步骤：

S1，教练通过场景设置软件设置待培训的场景和飞机构型；

S2，然后动态的控制仿真主控程序，调节仿真主控程序中的算法和参数；

S3，教员依然通过该软件进行培训科目，飞机故障培训相关内容的操作；

S4，飞行员通过基于SVO-2设计的驾驶舱来完成培训内容。

本发明的工作过程为通过场景设置软件设置待培训的场景和飞机构型，动态的控制仿真主控程序，调节主控程序中的算法和参数；然后教员依然通过该软件进行培训科目，飞机故障等培训相关内容的操作，飞行员通过基于SVO-2设计的驾驶舱来完成培训内容；本发明通过以上的过程和方法来使一台用于城市空中交通的飞行培训设备适应于不同电动垂直起降飞机。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，包括仿真主控制程序、主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手，所述主飞行显示屏、副飞行显示屏、场景设置软件、左飞行控制手、右飞行控制手均与仿真主控制程序相连接，所述仿真主控制程序上主要包括有发动机、电池、飞行管理即飞管、飞行控制即飞控，所述发动机、电池、飞管与主、副飞行显示屏相连接，所述飞管和飞控系统与左、右飞行控制手相连接，所述场景设置软件主要包括有选择培训场景、设置飞机构型和设定飞机参数的功能。

2.根据权利要求1所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述右飞行控制手为右侧操作杆，所述右侧操作杆控制飞机的纵向和横向速度。

3.根据权利要求1所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述左飞行控制手为左侧操作杆，所述左侧操作杆控制飞机的爬升率和转弯率。

4.根据权利要求1所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述主飞行显示屏基于SVO-2的理念进行设计，所述主飞行显示屏包含如下性质：没有姿态指示，飞控将完全自主控制飞机姿态；没有飞行指引，仿真主控制程序控制飞机自行跟随飞行计划飞行，飞行员无需任何控制飞机姿态的行为；没有速度或高度的趋势指示，仿真主控制程序将对高度和速度进行管理，只有数字化的速度和高度指示；没有水平和垂直的差距指示，飞控将自动进行修正；没有自动驾驶相关的控制和指示面板。

5.根据权利要求1所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述副飞行显示屏功能目的类似于现在飞机上的ND，包含如下性质: 高精度的地图、导航、一键式的飞行计划设置、可视化的飞机状态显示。

6.根据权利要求1所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述场景设置软件的流程包括以下部分：选择运营场景→选择飞机构型→设置动力装置和能源设备→设置飞行参数→启动仿真主程序。

7.根据权利要求6所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述运营场景包括空中出租车，空中巴士和短途运输，可根据实际运营情况进行增加。

8.根据权利要求6所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述飞机构型的设置：将eVTOL飞机的构型分为三类，分别为多旋翼、复合翼、矢量推力，可以对构型中的发动机或旋翼的数量和位置，电池数量和位置进行设置。

9.根据权利要求6所述的用于不同电动垂直起降飞机的通用培训设备，其特征在于，所述可配置的飞行参数：在设置完机型后可以对一系列的飞行参数进行设置，以保证飞机和场景仿真的逼真度，可设置的飞行参数包括最大飞行速度，航程，最大巡航高度，续航时间。

10.用于不同电动垂直起降飞机的通用培训方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，教练通过场景设置软件设置待培训的场景和飞机构型；

S2，然后动态的控制仿真主控程序，调节仿真主控程序中的算法和参数；

S3，教员依然通过该软件进行培训科目，飞机故障培训相关内容的操作；

S4，飞行员通过基于SVO-2设计的驾驶舱来完成培训内容。

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