失控预防以及恢复飞行控制器制造技术

本发明专利技术提供了一种飞行器的失控预防和恢复自动控制系统，其具有：多个飞行控制模式，该多个飞行控制模式包括标称飞行控制模式、失控预防控制模式、失控阻止控制模式、以及标称飞行复原控制模式；以及监控控制系统，其能够监测飞行器的飞行状态和飞行事件并确定要启动哪种飞行控制模式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】失控预防以及恢复飞行控制器相关申请的交叉引用本专利申请要求于2015年9月22日提交的申请号为No.62/221,858的美国临时专利申请的优先权。该专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
本专利技术总体上涉及用于固定翼飞行器的飞行控制系统，更具体地涉及用于失控预防和恢复的混合飞行控制系统。
技术介绍
同时有三种类型的力作用在飞行器上：空气动力、重力和推进力。空气动力具有三个分量：升力、阻力以及侧向力。这些力通过机翼相对于大气的相对运动而产生。由于空气动力的相关性通常特别复杂，所以通过包括攻角、侧滑角和倾斜角的空气动力角进行近似确定空气动力。攻角可以定义为机翼翼弦线和相对风之间的角度。在通常的操作中，升力与攻角成比例。然而，攻角不能超过被称为临界攻角的上限，因为超过该攻角，则可能发生流动分离引起的失速，从而导致升力突然减少。在失速的情况下，飞机可能失去高度和控制其姿态的能力。侧滑角是迎面而来的气流和朝向飞行器指定的方向之间的角度。类似于攻角，侧滑角确定侧向力的幅度。大侧滑角可能引起螺旋桨的剧烈振动或涡轮发动机的喘振，这可能导致失控(“LOC”)或导致运载工具损坏。与失速组合的大侧滑角可能引起飞行器的横向旋转，而该横向旋转可能是不可恢复的。由于指向飞行器的中心的横向加速使得乘客很不舒服，因此侧滑是不期望的。倾斜角是运载工具的纵向轴线相对于其速度矢量倾斜的角度。其是执行转弯(已知为“倾斜转弯(BTT)”)中的优选操纵。如果运载工具倾斜过度，则运载工具可能由于不足够的升力而失去高度并且进入螺旋俯冲。因此，飞行员或自动驾驶仪将由于超过安全界限的空气动力角而丧失固定飞行器的能力，从而导致运载工具进入LOC的状态中。在这里，LOC意味着尽管飞行器的控制系统可能仍然在物理上完好无损并且功能正常，但飞行员不能操作飞行器。根据联邦航空管理局(FAA)提供的飞行器倾覆恢复训练援助(AirplaneUpsetRecoveryTrainingAid)，“飞行中的飞行器无意中超出了操作或训练中所通常经历的参数”被称为飞行器倾覆。LOC被描述为以下运动：1)在正常运行的飞行包线之外；2)不可预测地受控于飞行员输入；3)高角速率和位移。飞行器事故统计数据表明飞行器LOC与飞行器部件故障(包括操纵面卡死、发动机损耗、覆冰污染)、天气情况(包括湍流、风切变、山岳波)以及不适当的机组人员控制有关。分析还表明，LOC事故通常涉及一个以上的影响因素，并因此驱使飞行器发生飞行器姿态、角速率、加速度、空速或飞行轨迹异常的偶然事件。根据波音公司进行的从2003年至2012年发生的商用喷气式飞行器事故的统计报告，飞行中的LOC是事故数量和死亡人数两个方面的头号原因。在此期间，LOC造成8起事故和1648名死亡。此外，不仅对于商用运输飞行器，LOC也被列为通用航空的倾覆事件的头号原因。因此，商业航空安全小组(CAST)已经带头努力确定LOC的原因并制定干预来防止这些事故。尽管自动飞行控制系统(自动驾驶仪)通常配备在现代飞行器操作系统中以减少飞行员的工作量，但FAA倾覆恢复规定仍然要求飞行员在发生LOC时需要控制飞行器。多个飞行员培训项目提供模拟器来对飞行员进行训练，使得他们具备足够的技能来防止倾覆并且从倾覆中恢复。由于飞行员恢复取决于飞行员的响应时间并且可能由于人为错误而涉及不适当的操作，因此通过设计一种自动系统来制定有效的干预将是有益的，该自动系统能够对不可预见的事件进行正确且及时的响应并从不利的LOC情况中恢复。导致LOC和正确干预的复杂事件链可以细分为标称、预防、LOC阻止和任务复原。预防被定义为在诸如环境危害、系统故障、运载工具损坏或飞行员失误的意外不利事件下维持正常飞行的控制策略和操纵。如果预防失败并且飞行器仍然滑入倾覆状况的情况下，那么LOC阻止就显得有必要，这将启动控制策略以将飞行器从LOC事件中解救出来。一旦LOC阻止操纵操纵完成，则应着手实施稳定的飞行路径恢复，即复原。LOC阻止和复原将最终实现完全的飞行任务恢复。过去，在飞行器控制系统设计中已经考虑了小风干扰调节，但是应该将先进的飞行器控制方法应用于控制系统设计以提高鲁棒性，使得飞行器可以在恶劣的天气条件下存活。考虑到不同的LOC事件(例如，致动器卡死或操纵面卡住)，现有的LOC预防方法专注于安全设置的计算，特别是在飞行控制系统的控制约束设计中。然而，由于LOC因为各种因素的组合而发生并且在倾覆期间实时检测即将发生的LOC模式可能是非常具有挑战性的，所以难以在自动控制系统中预期所有不同的不利运行场景。在一项研究中，空气动力包线的线性自然阻尼恢复发生高达700英尺的高度损失。考虑到地形，特别是在靠近和着陆期间，这种LOC恢复更可能经受坠毁。这种性能不能被认为是飞行器倾覆恢复测试指南(PilotGuidetoAirplaneUpsetRecovery)的有效LOC恢复，该指南要求飞行器的高度损失必须在30米(100英尺)以内。已经使用各种控制方法来努力为乘客提供平稳的乘坐和高度安全性。通常使用降阶、去耦、线性化和冻结时间技术来开发用于LOC预防和恢复的控制系统。然而，飞行控制系统通常设计用于标称飞行器运动方程(EOM)，其在倾覆情况下无效。此外，由于这种设计的有效性甚至稳定性在很大程度上依赖于与特定LOC模式和飞行器模型有关的简化假设，因此这种方法提供有限的能力。另外，在依赖于待适应的稳定裕度进行设计期间，已经通常忽略了由降阶(奇异摄动)、去耦(正则摄动)、线性化(消失正则摄动)和/或冻结时间(非消失正则摄动)所引起的摄动。在那种情况下，由于飞行器动力学的变化、未建模的寄生动力学的可能激励以及由倾覆引起的参数变化，而没有在控制器设计中对充分稳定裕度和负载/应力因素给予充分注意。此外，飞行员LOC培训要求在飞行器经历倾覆时脱离自动驾驶仪，这清楚地表明了在LOC恢复中当前自动飞行控制系统的缺陷和不成熟。因此，利用更先进的控制技术可以实现对现有技术的当前LOC预防和恢复性能的显著改进。需要更智能和可靠的自动LOC预防和恢复系统来补充驾驶员操作，甚至替代飞行员控制处于倾覆状况中的飞行器。
技术实现思路
公开了一种固定翼飞行器的集成失控预防和恢复自动控制系。该控制系统包括多个飞行控制模式，该多个飞行控制模式包括标称飞行控制模式、失控预防控制模式、失控阻止控制模式、以及标称飞行复原控制模式。控制系统还包括监控控制系统，其能够监测飞行器的飞行状态和飞行事件并确定要启动哪种飞行控制模式。在控制系统的一个方面中，标称飞行控制模式利用计算空气动力中的风三角和失速后空气动力特性由六自由度轨迹跟踪控制器所定义，并且时变并行差分特征值根据下文方程(9)-(11)而实施于反馈控制增益矩阵中。在控制系统的另一方面中，失控预防控制模式包括对标称飞行控制模式的带宽适应，以防止飞行器的失控。在控制系统的另一方面中，失控预防控制模式使用时变并行差分特征值来牺牲跟踪性能，以实时提高针对烈风和其它异常情况的容受能力。还在控制系统的另一方面中，其中失控预防控制模式经由根据以下方程(9)-(11)的增益矩阵扩充了标称飞行控制模式中的六自由度轨迹跟踪控制器。在控制系统的另一方面中，失控阻止控制模式包括在阻止阶段期间的全油门控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定翼飞行器的集成失控预防和恢复自动控制系统，其包括：多个飞行控制模式，其包括：标称飞行控制模式、失控预防控制模式、失控阻止控制模式、以及标称飞行复原控制模式；以及监控控制系统，其能够监测飞行器的飞行状态和飞行事件并确定要启动哪种飞行控制模式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.22 US 62/221,8581.一种固定翼飞行器的集成失控预防和恢复自动控制系统，其包括：多个飞行控制模式，其包括：标称飞行控制模式、失控预防控制模式、失控阻止控制模式、以及标称飞行复原控制模式；以及监控控制系统，其能够监测飞行器的飞行状态和飞行事件并确定要启动哪种飞行控制模式。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述标称飞行控制模式利用计算空气动力中的风三角和失速后空气动力特性以及根据方程(9)-(11)实施于反馈控制增益矩阵中的时变并行差分特征值而由六自由度轨迹跟踪控制器所定义。3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述失控预防控制模式包括对所述标称飞行控制模式的带宽适应以防止所述飞行器的失控。4.根据权利要求3所述的控制系统，其中，所述失控预防控制模式采用时变并行差分特征值以牺牲跟踪性能来实时提高针对烈风和其它异常情况的容受能力。5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述失控预防控制模式经由根据方程(9)-(11)的所述增益矩阵来扩充所述标称飞行控制模式中的所述六自由度轨迹跟踪控制器。6.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述失控阻止控制模式包括在阻止阶段期间的全油门控制。7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述失控阻止控制模式包括由攻角和零侧滑角以及倾斜角的水平且直线飞行配平值所确定的指令空气动力姿态。8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述失控阻止控制模式经由内部和外部空气动力姿态环来跟踪指令空气动力廓线。9.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述复原模式包括用于引导所述飞行器赶上由任务轨迹所指示的目标位置的迫近子模式以及用于复原所述飞行器的所述任务轨迹的归位子模式。10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述迫近子模式由引导方法定义，在所述引导方法中使用地球参考系中的比例积分微分线性调节而使所述飞行器的速度矢量与所述飞行器的视线矢量对准。11.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述归位子模式包括用于逐渐重新获得所述飞行器的跟踪性能并复原所述飞行器的所述任务轨迹的带宽适应。12.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述监控控制系统包括监控控制逻辑变量，所述监控控制逻辑变量具有根据所述飞行器的飞行状态和飞行事件所设置的值并且确定要启动哪种飞行控制模式。13.根据权利要求12所...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建超，赵玥，
申请(专利权)人：俄亥俄州立大学，
类型：发明
国别省市：美国,US