CN116529159A - Vtol飞行器飞行控制操纵器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

VTOL操纵器布置结构由单个飞行员操作，并且由第一操纵器和第二操纵器组成或包括第一操纵器和第二操纵器。第一操纵器能够控制至少一个运动轴线，而第二操纵器能够控制至少三个运动轴线。第一操纵器被配置成由飞行员的第一只手操作，而第二操纵器被配置成由飞行员的不同于第一只手的第二只手操作。这两个手动操作的操纵器能够基于驾驶杆运动(即，飞行员相应的手分别抓握相应操纵器)实现可靠的操作，而不是依赖于开关、旋钮等的运动—这些开关、旋钮等的运动在振动或湍流环境或条件下可能不允许精确控制。

Description

VTOL飞行器飞行控制操纵器的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年8月7日提交的63/062,741的优先权，其全部内容通过引用结合于此并且用于所有的目的。

技术领域

本文的技术涉及垂直起降飞机(VTOL)。该技术对VTOL飞机操作具有特别的适用性，但也可以适用于任何类型的飞机或直升机。

背景技术

城市空中交通(UAM)有可能从根本上重塑城市内部和城际交通方式。

基于在噪音和排放方面的安全性、乘客体验、经济可承受性以及对社区的极低占用空间等关键设计驱动因素，在城市环境中需要垂直起降(VTOL)飞机来为乘客服务。图1示出了示例VTOL飞机100，该VTOL飞机100包括八个升降旋翼102和两个推进推力器104。当VTOL 100在推力器104的动力下具有足够的向前速度时，机翼108提供升力。通过控制各种旋翼、推力器和控制表面(例如，方向舵106)，该VTOL飞机能够在6个自由度(6DOF)上运动，即：

·俯仰

·翻滚

·偏航

·向上/向下

·向左/向右

·向前/向后。

多重这种运动通常结合在一起(例如，使得VTOL在向前运动的同时向上俯仰)。

使用这些不同的运动，可以控制VTOL在不同飞行阶段的操作，例如：

悬停的特征在于垂直起飞或降落阶段(主要基于升降旋翼102的使用)；

过渡的特征在于存在向前的飞行器运动但空速不足以使机翼单独为VTOL提供升力的阶段(其中升降旋翼102维持高度，而推力器104提供向前的推力)；并且巡航的特征在于存在向前的飞行器运动且空速足以使机翼单独为VTOL提供升力的阶段(在该阶段，机翼108提供升力，而推力器104提供向前的推力)。

为了提高VTOL效率，一个关键因素是飞行器重量。为了减轻重量同时增加驾驶舱内的可用空间，一种解决方案是使用比现有技术更紧凑的操纵器。在现代电传飞控(FBW)飞行器上，方向舵踏板比先前的利用机械控制的版本更少使用，这是因为FBW能够在不需要踏板的情况下自动执行任务，诸如协调曲线(在不感受到横向力的情况下围绕纵向轴线的受控旋转)。因此，在现代FBW控制系统中，特别是在新兴的UAM飞行器中，使用不同配置的操纵器具有一定的优势。

其它VTOL飞行器已经提出了不同的技术，但它们要么较复杂，要么在湍流大气条件期间可能更难以控制。例如，一些飞行器使用能够控制四(4)个运动轴线的单个侧杆，从而去除了对踏板的需求，但其中一个轴通过可旋转旋钮来控制，这在振动或湍流期间可能难以调整以提供精确的控制。

而且，飞机或直升机的典型控制通常不适用于VTOL操作的不同飞行阶段之间的过渡。因此，具有不同配置的操纵器也存在优势，这在飞行的所有阶段允许相同的运动感测，同时仍然保持精确的控制。

附图说明

图1示出了示例VTOL飞机。

图2示出了示例VTOL飞行器驾驶舱，其包括操纵器布置结构，该操纵器布置结构包括第一操纵器2A和第二操纵器2B。

图2A示出了第一操纵器2A的示例配置。

图2B示出了第二操纵器2B的示例配置。

图3示出了其它示例VTOL飞行器驾驶舱，其包括操纵器布置结构，该操纵器布置结构包括第一操纵器3A和第二操纵器3B。

图3A示出了第一操纵器3A的示例配置。

图3B示出了第二操纵器3B的示例配置。

图4是由图5所示的飞行控制计算机执行的示例程序控制步骤的流程图。

图5示出了示例系统的框图。

具体实施方式

本文的技术提供了如下的系统和方法，根据该系统和方法，垂直起降(VTOL)飞机由操纵器布置结构控制，而不需要方向舵踏板。

这样的操纵器布置结构可以由单个飞行员操纵(参见图2和图3)，并且由两个不同配置的操纵器组成或包括两个不同配置的操纵器：第一操纵器和第二操纵器。第一操纵器能够控制至少一个运动轴线(下文中称为“1轴线操纵器”)，而第二操纵器能够控制至少三个运动轴线(下文中称为“3轴线操纵器”)。第一操纵器被配置成由飞行员的第一只手操作，而第二操纵器被配置成由飞行员的不同于所述第一只手的第二只手操作。这两个手动操作的操纵器均能够基于驾驶杆运动(即，飞行员相应的手分别抓握相应的操纵器)来进行可靠的操作，而不是依赖于开关、旋钮等的运动，上述开关、旋钮等的运动在振动或湍流环境或条件下可能不允许精确控制。

使用这种操纵器的VTOL系统和方法包括以下的非限制性实施例：

图2、图2A和图2B所示的非限制性实施例1：根据该实施例，“1轴线操纵器”2A用于控制向前/向后飞行器运动；而“3轴线操纵器”2B用于提供以下的飞行器控制：

a)通过对“3轴线操纵器”的侧向轴线应用命令，来控制侧向飞行器运动和翻滚；

b)通过对“3轴线操纵器”的俯仰轴线应用命令，来控制向上/向下飞行器运动；

c)通过对“3轴线操纵器”的手柄的扭转，来控制飞行器偏航(顺时针或逆时针)运动。

在一些实施例中，取决于飞行员是惯用左手的还是惯用右手的，可以相对于飞行员的左手和右手交换操纵器2A和2B。

图3、图3A和图3B所示的非限制性实施例2：根据该实施例，“1轴线操纵器”3A用于控制向上/向下飞行器运动；而“3轴线操纵器”3B用于提供以下飞行器控制：

a)通过对“3轴线操纵器”的侧向轴线应用命令，来控制侧向飞行器运动和翻滚；

b)通过对“3轴线操纵器”的俯仰轴线应用命令，来控制向前/向后运动；以及

c)通过对“3轴线操纵器”的手柄的扭转，来控制飞行器偏航(顺时针或逆时针)运动。

因此，在一种配置中，减少功能的操纵器用于控制VTOL飞机的向上/向下运动和向前/向后运动中的仅一者，而另一增加功能的操纵器用于控制VTOL飞机的向上/向下运动和向前/向后运动中的另一者以及VTOL飞机的其它类型的运动。这在用一只手控制向上/向下运动或向前/向后运动并且用另一只手控制所有或大部分其它方面的运动的简单性方面对飞行员存在优势。此外，在一些实施例中，对特定运动轴线(例如，向上/向下或向前/向后)的控制类型基于VTOL飞机的飞行阶段而改变或定制。

在VTOL飞行器的可控性方面的挑战与在不同飞行阶段(诸如悬停、过渡和巡航以及可能的其它飞行阶段)中对操纵器命令的可能的不同飞行器响应有关。本文的系统和方法避免了在这些不同的飞行阶段中的不同的运动感测。

如上文所讨论的那样：

·悬停的特征在于垂直起飞或降落阶段；

·过渡的特征在于存在向前飞行器运动但空速不足以使机翼单独为VTOL提供升力的阶段；

·巡航的特征在于存在向前飞行器运动且空速足以使机翼单独为VTOL提供升力的阶段；以及

·可能存在其它飞行阶段(诸如爬升和下降)，并被认为是上述阶段的组合。

为了避免在这些不同的飞行阶段中的不同的运动感测，本文的实施例的控制系统和方法使用至少一个处理器或计算机，该至少一个处理器或计算机联接到操纵器，以控制(i)旋翼102和/或推力器104和/或(iii)飞行器的控制表面106和108致动器，以对于所有飞行阶段保持相同的运动感测。

为了在所有飞行阶段期间提供相同的运动感测，基于对操纵器所要求的控制，示例非限制性实施例提供：

一个或多个旋翼102的升力的增加或减少；和/或

一个或多个推力器104的推力量的改变；和/或

飞行控制表面106和108的运动。

图5示出了VTOL FBW系统200的示例示意性框图，该VTOL FBW系统200包括飞行控制计算机202，该飞行控制计算机202接收来自操纵器2A/2B或3A/3B和传感器204的输入信号，并提供控制输出以控制旋翼102、推力器104和控制表面106和108。图4示出了由飞行控制计算机202执行的示例程序控制步骤，该飞行控制计算机执行存储在非瞬态存储器中的指令。这些示例程序控制步骤从操纵器2A/2B或3A/3B接收命令输入302，并将这些命令输入映射到期望的飞行器响应(框304)。这种映射可以包括查找表、控制律和/或其它动态算法，并且可以考虑VTOL的当前飞行阶段，使得映射取决于当前飞行阶段而不同(参见框310)。飞行阶段可以通过投票传感器204来确定，诸如空气数据、惯性、GPS和可能的其它传感器(但不一定是全部)以及当前控制状态指示器。在一些传感器无效或不可用的情况下，其余传感器将用于提供容错。计算机计算控制输出(框306)，并将控制输出映射到控制执行元件，诸如控制表面106和108致动器以及电机或发动机，该电机或发动机向旋翼102和推力器104提供旋转能量。操纵器的输入到执行元件(致动器、旋翼、推力器、倾斜机构等)的输出的转换基于飞行阶段和编程到计算机中的预定控制分配。

示例实施例的主要元素

1.一种飞行控制系统和方法，包括能够控制至少一个轴线的一个操纵器和能够控制至少三个运动轴线的另一操纵器，以及联接到该操纵器的至少一个处理器。

2.上述飞行控制系统和方法，其中，1轴线操纵器用于控制向前/向后飞行器运动；而3轴线操纵器用于提供以下飞行器控制：a)侧向运动和翻滚；b)向上/向下运动；以及c)飞行器偏航(顺时针或逆时针)运动。

3.上述飞行控制系统和方法，其中，可替代地，1轴线操纵器用于控制向上/向下飞行器运动；而3轴线操纵器用于提供以下飞行器控制：a)侧向运动和翻滚；b)向前/向后运动；c)飞行器偏航(顺时针或逆时针)运动。

4.上述系统和方法，其中，处理器实施适于每个特定飞行阶段的控制律，以避免在这些不同飞行阶段中的不同运动感测，如下所示：

4.1)对于一个实施例的系统和方法，在悬停时，1轴线操纵器与操纵器偏转成比例地或使用增益成形器进行调整以便实现最佳可控性地来控制向前/向后飞行器速度。在过渡或巡航时，其控制飞行器向前/向后加速度。3轴线操纵器用于提供以下飞行器控制：

a)在悬停时，操纵器上的侧向运动与操纵器偏转成比例地或使用增益成形器进行调整以便实现最佳可控性地来控制飞行器侧向速度。在巡航时，其控制翻滚率，并且在无操纵器偏航轴线的需求时使用侧向定向控制律来执行协调曲线，而在有偏航轴线需求时执行侧滑曲线。在过渡时，其从纯侧向速度需求调和(blend)到协调曲线需求或侧滑曲线。

b)在悬停时，3轴线操纵器的向后偏转控制高度的上升率，而向前偏转控制高度的下降率。在巡航时，其控制航线变化率。在过渡时，其从高度变化率调和到航线变化率。

c)在悬停时，3轴线操纵器的手柄的扭转控制飞行器偏航(顺时针或逆时针)率。在巡航时，其控制飞行器侧滑。在过渡时，其从偏航率调和到侧滑。

4.2)对于另一实施例的系统和方法，在悬停时，1轴线操纵器控制高度变化率。在巡航时，其控制航线变化率。在过渡时，其从高度变化率调和到航线变化率。3轴线操纵器用于提供以下飞行器控制：

a)在悬停时，操纵器上的侧向运动与操纵器偏转成比例地或使用增益成形器进行调整以便实现最佳可控性地来控制飞行器侧向速度。在巡航时，其控制翻滚率，并且在无操纵器偏航轴线需求时使用侧向定向控制律以执行协调曲线，而在有偏航轴线需求时执行侧滑曲线。在过渡时，其从纯侧向速度需求调和到协调曲线需求或侧滑曲线。

b)在悬停时，3轴线操纵器的向后/向前偏转与操纵器偏转成比例地或使用增益成形器进行调整以便实现最佳可控性地来控制向前/向后飞行器速度。在过渡或巡航时，其控制飞行器向前/向后加速度。

c)在悬停时，3轴线操纵器的手柄的扭转控制飞行器偏航(顺时针或逆时针)率。在巡航时，其控制飞行器侧滑。在过渡时，其从偏航率调和到侧滑。

5.上述飞行控制系统和方法，其中，基于对操纵器以及对计算飞行器状态所需的任何其它传感器的控制需求，处理器在所有飞行阶段期间通过确定以下内容，提供相同的运动感测：

-一个或多个旋翼的推力的增加或减少；和/或

-一个或多个旋翼的推力方向的改变；和/或

-飞行控制表面的运动。

6.上述系统和方法还包括开关，该开关将控制从飞行控制操纵器切换到另一控制器件(诸如自主飞行系统、备用控制器件或远程站)，反之亦然。

虽然关于目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例。例如，虽然在一些实施例中，操纵器2A和2B具有不同的机电配置/形状因数并且操纵器3A、3B具有不同的机电配置/形状因数，但在其它实施例中，左手和右手操纵器可以具有相同的机电配置和/或形状因数，但所提供的输出将由计算机取决于操纵器被指定为左手操纵器还是右手操纵器而不同地解读。因此，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型和等效布置。

Claims (8)

1.一种飞行控制系统，包括：

第一操纵器，所述第一操纵器能够或被配置成控制VTOL飞机的至少一个运动轴线，

第二操纵器，所述第二操纵器能够控制所述VTOL飞机的至少三个另外的运动轴线，以及

至少一个处理器，所述至少一个处理器联接到所述操纵器。

2.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中，所述第一操纵器被配置并连接以控制向前/向后的飞行器运动；并且所述第二操纵器被配置并连接以提供以下的飞行器运动：

a)侧向运动和翻滚；

b)向上/向下运动；以及

c)飞行器偏航(顺时针或逆时针)运动。

3.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中，所述第一轴线操纵器被配置并连接以控制向上/向下飞行器运动；并且所述第二操纵器被配置并连接以提供以下的飞行器控制：

a)侧向运动和翻滚；

b)向前/向后运动；以及

c)飞行器偏航(顺时针或逆时针)运动。

4.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中，所述处理器实施适用于每个特定飞行阶段的控制律，以避免在这些不同的飞行阶段中的不同运动感测，如下所示：

在飞行器悬停时，所述第一操纵器与操纵器偏转成比例地或者使用增益成形器以便为了最佳可控性而进行调整地来控制向前/向后飞行器速度；并且

在所述飞行器过渡或巡航时，所述第一操纵器控制飞行器向前/向后加速度；

在所述飞行器悬停时，所述第二操纵器上的侧向运动与操纵器偏转成比例地或者使用增益成形器以便为了最佳可控性而进行调整地来控制飞行器侧向速度；并且

在巡航时，所述第二操纵器控制翻滚率，并且在无所述操纵器的偏航轴线需求时使用侧向定向控制律来执行协调曲线，而在有偏航轴线需求时执行侧滑曲线；

在过渡时，所述第二操纵器从纯侧向速度需求调和到协调曲线需求或侧滑曲线；

在所述飞行器悬停时，所述第二操纵器的向后偏转控制高度的上升率，而向前偏转控制高度的下降率；

在所述飞行器巡航时，所述第二操纵器控制航线变化率；

在所述飞行器过渡时，所述第二操纵器从高度变化率调和到航线变化率；

在所述飞行器悬停时，所述第二操纵器的手柄的扭转控制飞行器偏航(顺时针或逆时针)率；

在巡航时，所述第二操纵器的手柄的扭转控制飞行器侧滑；并且

在所述飞行器过渡时，所述第二操纵器从偏航率调和到侧滑。

5.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中，所述处理器实施适用于每个特定飞行阶段的控制律，以避免在这些不同的飞行阶段中的不同运动感测，如下所示：

在飞行器悬停时，所述第一轴线操纵器控制高度变化率；

在飞行器巡航时，所述第一操纵器控制航线变化率；

在所述飞行器过渡时，所述第一操纵器从高度变化率调和到航线变化率，所述3轴线操纵器用于提供以下的飞行器控制：

在所述飞行器悬停时，所述第二操纵器上的侧向运动与操纵器偏转成比例地或者使用增益成形器以便为了最佳可控性而进行调整地来控制飞行器侧向速度；

在所述飞行器巡航时，所述第二操纵器控制翻滚率，并且所述处理器在无操纵器偏航轴线需求时使用侧向定向控制律以执行协调曲线，而在有偏航轴线需求时执行侧滑曲线；

在过渡时，所述第二操纵器从纯侧向速度需求调和到协调曲线需求或侧滑曲线；

在所述飞行器悬停时，所述第二操纵器的向后/向前偏转与操纵器偏转成比例地或者使用增益成形器以便为了最佳可控性而进行调整地来控制向前/向后飞行器速度；

在所述飞行器过渡或巡航时，所述第二操纵器控制飞行器向前/向后加速度；

在所述飞行器悬停时，所述第二轴线操纵器的手柄的扭转控制飞行器偏航(顺时针或逆时针)率；

在所述飞行器巡航时，其控制飞行器侧滑；并且

在所述飞行器过渡时，所述第二操纵器从偏航率调和到侧滑。

6.根据权利要求1所述的飞行控制系统，其中，所述处理器被配置成：基于对所述操纵器所需的控制以及计算飞行器状态所需的任何其它传感器，在所有飞行阶段期间通过确定以下内容来提供相同的运动感测：

一个或多个旋翼的推力的增加或减少；和/或

一个或多个旋翼的推力方向的改变；和/或

飞行控制表面的运动。

7.根据权利要求1所述的飞行控制系统，还包括开关，所述开关将控制从所述第一操纵器和所述第二操纵器切换到另一控制器件。

8.根据权利要求7所述的飞行控制系统，其中，所述另一控制器件包括自主飞行系统、备用控制器件或远程站。