CN114572386A - 电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器及设计方法 - Google Patents

电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及垂直起降飞行器操纵技术领域，提供了电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器及设计方法。该方法包括：基于多模态融合操纵器与电动垂直起降倾转翼飞行器任务特性的适配性，获得电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求；基于电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，进行多模态融合操纵器的物理需求设计；通过多模态融合操纵器的物理需求设计，实现电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换和电子飞行控制系统的信息交互。本发明对多模态融合操纵器的设计方法，实现了对过渡阶段的操纵，使得工程实现更简单化便捷化，使得过渡阶段的任务需求和安全需求得以充分兼顾。

Description

电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器及设计方法
技术领域
本发明涉及垂直起降飞行器操纵技术领域，具体涉及电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器及设计方法。
背景技术
电动垂直起降倾转翼飞行器是一类新构型飞行器，通过电动力系统提供推力，通过倾转机翼实现垂直起降的便捷性和平飞巡航的高效率，在城市空中交通场景下实现城中和城际按需商业运行，提升客运和货运效能。
HMI（Human-Machine Interface，人机界面）是指操纵器及仪表显示。HMI向驾驶员展示飞行器状态数据；驾驶员通过HMI获取力反馈、状态信息，对HMI实施操作，即对飞控系统施加指令，以改变飞行器状态，完成预期飞行任务。HMI是驾驶员与飞控系统交互媒介，是驾驶员操纵飞行器的依据。HMI的设计应当综合考虑驾驶员操纵感受、预期飞行任务及飞行控制策略。直升机和固定翼飞行器预期操纵任务和控制机理的不同使得其HMI的物理设计和布局不同。现有倾转翼飞行器大多直接沿用有人驾驶直升机或固定翼飞行器的操纵杆布局形式；例如，XV-3、XV-15、AW609及LTV XC-142都采用直升机的操纵杆布局形式；又如，基于事故经验，V22采用固定翼飞行器的操纵杆布局形式。
虽然普渡大学的Rozovski提出新型倾转旋翼机推力杆设计，考虑过渡段和倾转角的匹配方式，在推力杆上直观体现倾转角度的变化，同时使推力杆的调节结合倾转走廊的显示信息。F35战斗机采用新型的操纵杆形式，驾驶员左侧为速度调节滑轨，右侧为姿态控制杆。慕尼黑工业大学的Dollinger等人基于INDI控制器实现统一的控制律结构，设计了由两个侧杆构成的操纵器。但操纵器与电动垂直起降倾转翼飞行器任务特性之间始终存在适配性不理想的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器及设计方法，以解决现有技术中现有操纵器与电动垂直起降倾转翼飞行器任务特性的适配性不足的问题。
本发明提供了一种电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器的设计方法，包括：
S1基于多模态融合操纵器与电动垂直起降倾转翼飞行器任务特性的适配性，获得电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，其中，模式切换需求包括模式切换过程驾驶员操纵保持高度、易于驾驶员操纵、具有姿态连续柔和变化能力、倾转角倾转速率限制、响应形式切换的提示、安全速度的提示以及低于安全速度时，禁止模式切换；
S2基于电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，进行所述多模态融合操纵器的物理需求设计，其中，物理需求设计包括确定操纵杆前向轴不同行程的模式切换点、切换点应能使驾驶员明显区分垂直起降和平飞巡航两种控制模式、两种控制模式之间应存在避免驾驶员误操纵的止动点、模式切换点实现响应形式之间的无缝切换；
S3通过所述多模态融合操纵器的物理需求设计，实现所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换和电子飞行控制系统的信息交互。
进一步地，所述多模态融合操纵器包括左杆、右杆、脚蹬、切换点和卡点；
所述多模态融合操纵器的物理需求设计包括：
左杆前向通道对应油门操纵指令，采用速度指令，区间为-u max ~0~u max ~V max ，其中，u max 为垂直起降模式中，体轴系下飞行器x方向最大速度，V max 为平飞巡航模式中，体轴系下飞行器x方向最大速度；0表示回中。
在u max 处设置切换点，使得-u max ~0~u max 处于垂直起降模式，所述左杆可回中；使得u max ~V max 处于平飞巡航模式，所述左杆无回中；
右杆前向通道对应纵向操纵指令，采用垂向速度指令或俯仰角指令；在垂直起降模式，采用垂向速度指令，区间为
Figure 830515DEST_PATH_IMAGE001
；在平飞巡航模式，采用垂向速度指令或俯仰角指令，区间为
Figure 463621DEST_PATH_IMAGE002
或-θ max ~0~θ max ，其中，
Figure 361039DEST_PATH_IMAGE003
为体轴系下飞行器z方向最大速度，θ max 为体轴系下飞行器最大俯仰角；
右杆侧向通道对应侧向操纵指令，采用侧向速度指令或滚转角指令，区间为-v max ~0~v max 或-Φ max ~0~Φ max ，其中，v max 为体轴系下飞行器y方向最大速度，Φ max 为体轴系下飞行器最大滚转角；
所述脚蹬对应航向操纵指令，采用偏航角速度指令或侧滑角指令，区间为-r max ~0~r max 或-β max ~0~β max ，其中，r max 为飞行器角速度绕体轴系z方向投影的最大值，β max 为飞行器最大侧滑角；
将所述模式切换点设置于所述左杆前向通道设定的行程位，所述行程位根据驾驶评估优化确定；
设置所述卡点，将电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换通过触觉方式传递至驾驶员。
进一步地，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换，是依靠左杆越过所述行程位的指令实现的。
进一步地，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换，是在垂直起降模式和平飞巡航模式之间进行的。
进一步地，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换，是在纵横向耦合模态与短周期模态、长周期模态、滚转收敛模态、荷兰滚模态以及螺旋模态之间进行的。
进一步地，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换和模态转换是同时进行的。
本发明还提供电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器，包括：
左杆、右杆、脚蹬、模式切换点和卡点，
左杆前向通道对应油门操纵指令，采用速度指令，右杆前向通道对应纵向操纵指令，采用垂向速度指令或俯仰角指令；
所述左杆前向通道采用的速度指令，包括-u max ~0~u max 和u max ~V max 两个区间，将所述模式切换点设置于速度为u max 处。当体轴系下飞行器x方向速度位于-u max ~0~u max 时，飞行器处于垂直起降模式，所述左杆可回中；当体轴系下飞行器x方向速度位于u max ~V max 时，所述飞行器处于平飞巡航模式，所述左杆不可回中；并且所述模式切换点处设置有所述卡点，将电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换通过触觉传递至驾驶员，与电子飞行控制系统进行信息交互；
所述右杆前向通道采用的垂向速度指令或俯仰角指令，区间分别为
Figure 167321DEST_PATH_IMAGE002
和-θ max ~0~θ max 。
右杆侧向通道采用侧向速度指令或滚转角指令，区间分别为-v max ~0~v max 和-Φ max ~0~Φ max ；
所述脚蹬对应航向操纵指令，采用偏航角速度指令或侧滑角指令，区间分别为- r max ~0~r max 和-β max ~0~β max 。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
1.在电动垂直起降倾转翼飞行器操纵框架内，利用本发明提出的多模态融合操纵器思想，安全有效实现对过渡阶段的操纵；
2.基于本发明思想的多模态融合操纵器使得工程实现更简单化便捷化；
3.本发明提出的多模态融合操纵器充分考虑了过渡阶段的任务需求和安全需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器的设计方法的流程图；
图2是本发明提供的飞行器的模式切换与飞行器的模态转换的联系的示意图；
图3是本发明提供的电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器原理简图；
图4是本发明提供的左杆模型图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
下面将结合附图详细说明根据本发明的一种基于阵列相机系统的仿视网膜非均匀成像方法和系统。
图1是本发明提供的电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器的设计方法的流程图。
如图1所示，该设计方法包括：
S1基于多模态融合操纵器与电动垂直起降倾转翼飞行器任务特性的适配性，获得电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，其中，模式切换需求包括模式切换过程驾驶员操纵保持高度、易于驾驶员操纵、具有姿态连续柔和变化能力、倾转角倾转速率限制、响应形式切换的提示、安全速度的提示以及低于安全速度时，禁止模式切换；
S2基于电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，进行多模态融合操纵器的物理需求设计，其中，物理需求设计包括确定操纵杆前向轴不同行程的模式切换点、切换点应能使驾驶员明显区分垂直起降和平飞巡航两种控制模式、两种控制模式之间应存在避免驾驶员误操纵的止动点、模式切换点实现响应形式之间的无缝切换；
S3通过多模态融合操纵器的物理需求设计，实现电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换和电子飞行控制系统的信息交互，多模态融合操纵器包括左杆、右杆、脚蹬、切换点和卡点；
多模态融合操纵器的物理需求设计包括：
左杆前向通道对应油门操纵指令，采用速度指令，区间为-u max ~0~u max ~V max ，其中，u max 为垂直起降模式中，体轴系下飞行器x方向最大速度，V max 为平飞巡航模式中，体轴系下飞行器x方向最大速度；0表示回中；
体轴系与飞行力学“机体轴系”、“机体坐标系”含义相同，基本含义为：固联于飞行器，原点位于飞行器质心，x轴在飞行器对称平面内，平行于机身轴线指向前；z轴在飞行器对称平面内，垂直于x轴，指向下；y轴垂直于对称平面，指向右。
在u max 处设置切换点，使得-u max ~0~u max 处于垂直起降模式，左杆可回中；使得u max ~V max 处于平飞巡航模式，左杆无回中；
右杆前向通道对应纵向操纵指令，采用垂向速度指令或俯仰角指令，在垂直起降模式采用垂向速度指令，区间为
Figure 217317DEST_PATH_IMAGE002
，在平飞巡航模式采用垂向速度指令或俯仰角指令，区间为
Figure 83642DEST_PATH_IMAGE002
或-θ max ~0~θ max ，其中，
Figure 966891DEST_PATH_IMAGE004
为体轴系下飞行器z方向最大速度，θ max 为体轴系下飞行器最大俯仰角；
右杆侧向通道对应侧向操纵指令，采用侧向速度指令或滚转角指令，区间为-v max ~0~v max 或-Φ max ~0~Φ max ，其中，v max 为体轴系下飞行器y方向最大速度，Φ max 为体轴系下飞行器最大滚转角；
脚蹬对应航向操纵指令，采用偏航角速度指令或侧滑角指令，区间为-r max ~0~r max 或-β max ~0~β max ，其中，r max 为飞行器角速度绕体轴系z方向投影的最大值，β max 为飞行器最大侧滑角；
将模式切换点设置于左杆前向通道设定的行程位，行程位根据驾驶评估优化确定；
设置卡点，将电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换通过触觉方式传递至驾驶员。
电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换，是依靠左杆越过行程位的指令实现的。
电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换，是在垂直起降模式和平飞巡航模式之间进行的。
电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换，是在纵横向耦合模态与短周期模态、长周期模态、滚转收敛模态、荷兰滚模态以及螺旋模态之间进行的。
电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换和模态转换是同时进行的。
基于同一构思，本发明还提供电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器，包括：
左杆、右杆、脚蹬、模式切换点和卡点，
左杆前向通道对应油门操纵指令，采用速度指令，右杆前向通道对应纵向操纵指令，采用垂向速度指令或俯仰角指令；
左杆前向通道采用的速度指令，包括-u max ~0~u max 和u max ~V max 两个区间，将模式切换点设置于速度为u max 处。当体轴系下飞行器x方向速度位于-u max ~0~u max 时，飞行器处于垂直起降模式，左杆可回中；当体轴系下飞行器x方向速度位于u max ~V max 时，飞行器处于平飞巡航模式，左杆不可回中；并且模式切换点处设置有卡点，将电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换通过触觉传递至驾驶员，与电子飞行控制系统进行信息交互；
右杆前向通道采用的垂向速度指令或俯仰角指令，区间分别为
Figure 780126DEST_PATH_IMAGE002
和-θ max ~0~θ max 。
右杆侧向通道采用侧向速度指令或滚转角指令，区间分别为-v max ~0~v max 和-Φ max ~0~Φ max 。
脚蹬对应航向操纵指令，采用偏航角速度指令或侧滑角指令，区间分别为-r max ~0~r max 和-β max ~0~β max 。
实施例1
电动垂直起降飞行器操纵指令参数示例如表1
表1电动垂直起降倾转翼飞行器操纵指令参数示例
Figure 809262DEST_PATH_IMAGE005
在实施例中，左操纵杆前向通道行程-10~0~10~50 (m/s)，在10m/s处设置切换点，使-10~0~10 (m/s) 垂直起降模式，操纵杆可回中；10~50(m/s) 平飞巡航模式，操纵杆无回中；右操纵杆前向通道在垂直起降模式行程-5~0~5(m/s)；在平飞巡航模式行程-5~0~5(m/s)或-10~0~10(deg)；右操纵杆侧向通道行程-10~0~10(m/s) 或-20~0~20(deg)；脚蹬行程-10~0~10(s-1)或-4~0~4 (deg)。
图2是本发明提供的飞行器的模式切换与飞行器的模态转换的联系的示意图。如图2所示，本实施例使电动垂直起降飞行器实现垂直起降和平飞巡航模式切换和模态转换。并且作为操纵器设计的关键环节，依据需求进行指令分配。
图3是本发明提供的电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器原理简图。
图4是本发明提供的左杆模型图。
本实施例首先依据电动垂直起降倾转翼飞行器过渡阶段的特性，分配了双操纵杆、脚蹬和模式切换点的通道，分别是：左杆前向通道对应油门操纵指令，右杆前向通道对应纵向操纵指令、右杆侧向通道对应侧向操纵指令；脚蹬对应航向操纵指令；将飞行器的模式切换点设计在左杆前向通道的一个行程位，飞行器的模式切换和飞行器的模态转换同时进行；
通过本发明提出的多模态融合操纵器思想，在电动垂直起降倾转
翼飞行器操纵框架内，安全有效地实现对过渡阶段的操纵；基于本发明思想的多模态融合操纵器使得工程实现更简单化便捷化；基于多模态融合操纵器得设计方法，使得过渡阶段的任务需求和安全需求得以充分兼顾。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，在此不再一一赘述。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

Claims (7)

1.电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器的设计方法，其特征在于，包括：
S1基于多模态融合操纵器与电动垂直起降倾转翼飞行器任务特性的适配性，获得电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，其中，模式切换需求包括模式切换过程驾驶员操纵保持高度、易于驾驶员操纵、具有姿态连续柔和变化能力、倾转角倾转速率限制、响应形式切换的提示、安全速度的提示以及低于安全速度时，禁止模式切换；
S2基于电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换需求，进行所述多模态融合操纵器的物理需求设计，其中，物理需求设计包括确定操纵杆前向轴不同行程的模式切换点、切换点应能使驾驶员明显区分垂直起降和平飞巡航两种控制模式、两种控制模式之间应存在避免驾驶员误操纵的止动点、模式切换点实现响应形式之间的无缝切换；
S3通过所述多模态融合操纵器的物理需求设计，实现所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换和电子飞行控制系统的信息交互。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述多模态融合操纵器包括左杆、右杆、脚蹬、切换点和卡点；
所述多模态融合操纵器的物理需求设计包括：
左杆前向通道对应油门操纵指令，采用速度指令，区间为-u max ~0~u max ~V max ，其中，u max 为垂直起降模式中，体轴系下飞行器x方向最大速度，V max 为平飞巡航模式中，体轴系下飞行器x方向最大速度；0表示回中；
在u max 处设置切换点，使得-u max ~0~u max 处于垂直起降模式，所述左杆可回中；使得u max ~V max 处于平飞巡航模式，所述左杆无回中；
右杆前向通道对应纵向操纵指令，采用垂向速度指令或俯仰角指令；在垂直起降模式，采用垂向速度指令，区间为
Figure 245810DEST_PATH_IMAGE001
；在平飞巡航模式，采用垂向速度指令或俯仰角指令，区间为
Figure 504753DEST_PATH_IMAGE002
或-θ max ~0~θ max ，其中，
Figure 665607DEST_PATH_IMAGE003
为体轴系下飞行器z方向最大速度，θ max 为体轴系下飞行器最大俯仰角；
右杆侧向通道对应侧向操纵指令，采用侧向速度指令或滚转角指令，区间为-v max ~0~v max 或-Φ max ~0~Φ max ，其中，v max 为体轴系下飞行器y方向最大速度，Φ max 为体轴系下飞行器最大滚转角；
所述脚蹬对应航向操纵指令，采用偏航角速度指令或侧滑角指令，区间为-r max ~0~r max 或-β max ~0~β max ，其中，r max 为飞行器角速度绕体轴系z方向投影的最大值，β max 为飞行器最大侧滑角；
将所述模式切换点设置于所述左杆前向通道设定的行程位，所述行程位根据驾驶评估优化确定；
设置所述卡点，将电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换通过触觉方式传递至驾驶员。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换，是依靠左杆越过所述行程位的指令实现的。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换，是在垂直起降模式和平飞巡航模式之间进行的。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模态转换，是在纵横向耦合模态与短周期模态、长周期模态、滚转收敛模态、荷兰滚模态以及螺旋模态之间进行的。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换和模态转换是同时进行的。
7.一种根据权利要求2所述设计方法得到的电动垂直起降倾转翼飞行器多模态融合操纵器，其特征在于，包括：
左杆、右杆、脚蹬、模式切换点和卡点，
左杆前向通道对应油门操纵指令，采用速度指令，右杆前向通道对应纵向操纵指令，采用垂向速度指令或俯仰角指令；
所述左杆前向通道采用的速度指令，包括-u max ~0~u max 和u max ~V max 两个区间，将所述模式切换点设置于速度为u max 处，当体轴系下飞行器x方向速度位于-u max ~0~u max 时，飞行器处于垂直起降模式，所述左杆可回中；当体轴系下飞行器x方向速度位于u max ~V max 时，所述飞行器处于平飞巡航模式，所述左杆不可回中；并且所述模式切换点处设置有所述卡点，将电动垂直起降倾转翼飞行器的模式切换通过触觉传递至驾驶员，与电子飞行控制系统进行信息交互；
所述右杆前向通道采用的垂向速度指令或俯仰角指令，区间分别为
Figure 199357DEST_PATH_IMAGE002
和-θ max ~0~θ max ；
右杆侧向通道采用侧向速度指令或滚转角指令，区间分别为-v max ~0~v max 和-Φ max ~0~Φ max ；
所述脚蹬对应航向操纵指令，采用偏航角速度指令或侧滑角指令，区间分别为-r max ~0~r max 和-β max ~0~β max 。
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余新，陈仁良: "基于增益调度与光滑切换的倾转旋翼机最优控制", 《北京航空航天大学学报》 *

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