飞行器驾驶控制方法与流程

本发明涉及飞行器驾驶的控制方法。

背景技术：
在现代飞行器中，位移由驾驶员借助于油门操纵杆(manettedegaz)、小型驾驶杆和踏板控制。飞行控制计算机解释驾驶员在这些元件上的动作，并控制装置的相关控制面。这些控制面用电气和/或液压方式控制。图1举例说明飞行器控制面的示例：副翼10、阻流片11(英语“spoiler”)、方向舵12(英语“rudder”)、升降舵13(英语“elevator”)、可调节水平尾翼14、机翼前缘15、和襟翼16。运输飞行器的飞行控制计算机一般允许驾驶员通过驾驶杆给出飞行器姿态或者更换姿态的指令来控制飞行器的姿态(俯仰角、横摆角等等)。该飞行器姿态控制允许驾驶员改变飞行器速度矢量VV(英语“velocityvector”)的朝向，并因而改变它在空间中的轨迹。该矢量的朝向用航向角(英语“trackangle”)和飞行轨迹倾斜角(英语“flightpathangle”)定义。飞行器速度矢量今天是呈现给驾驶员用于辅助驾驶员操纵飞行器的信息。图2举例说明驾驶台控制屏的图形界面(英语“Head-UpDisplay(前导显示器)”)。这个界面提供不同的信息，例如，速度标度200(英语“Speedscale”)、相对于地面的速度201(英语“Groundspeed(地面速度)”、横摆角202(英语“Bankangle”)、俯仰标度203(英语“Pitchscale”)、纵向基准稳度204(英语“Aircraftreference”)、通常出自无线电测高仪测量的飞行器对地高度205(英语“RadioHeight”)、航向标度206(英语“Heading/trackscale”)、垂直速度207(英语“verticalvelocity”)、相对于高度表调零的高度208(英语“altitude(高度)”)。该界面还包括水准标尺209，表示飞行器的速度矢量指向的点。这样一种界面允许驾驶员能够实时地了解飞行器相对于环境的速度矢量的朝向。另外，驾驶员甚至可以差不多实时地看见速度矢量的朝向随着其对驾驶台(小型驾驶杆、操纵杆等)控制的动作的演变。着陆时，驾驶员同样得到辅助，因为可以看着表示在着陆跑道上速度矢量的水准标尺，以此保证精确地接近跑道。但是本发明人已经认为，利用这种类型界面可以给飞行器驾驶方式带来改进。本发明人已经注意到，在驾驶员观察到水准标尺在一个位置存在并驱动装置构件的时刻、和它可以观察到这些动作对速度矢量作用的结果(水准标尺新位置)以便再次驱动装置构件的时刻之间存在一个潜伏时间。该潜伏时间尤其可能是致动器的响应时间和飞行器的飞行动力学造成的。因此，驾驶员应该预知这个动力学并预料他所采取的不同动作的对速度矢量的结果。事实上驾驶员打算把水准标尺从A点带向B点，并发现为此要实现良好的动作(确定要实现的控制面，并确定在这些控制面上适当的动作)。

技术实现要素：
因而，本发明人已经更新了改进飞行器驾驶模式的需要。本发明就是在这种背景下作出的。本发明的第一方面涉及飞行器驾驶控制方法，包括下列步骤：-接收改变飞行器的当前速度矢量的至少一个第一指令，-基于接收到的所述至少一个第一指令来确定飞行器的目标速度矢量，和-至少基于所述目标速度矢量来确定以飞行器的至少一个致动器为目的地的至少一个致动命令，以便根据接收到的至少一个第一指令来改变飞行器的位移。因此能便于对飞行器的手动控制和驾驶。为了简化机组人员的驾驶，速度矢量可以显示在图形界面上，其中该速度矢量从驾驶台出发、相对于外部环境的视野进行表示。本发明特别是在受干扰(诸如湍流或阵风等)的情况下有用。驾驶简化以及引入高级随动(除姿态随动外还有速度矢量随动)允许较好地管理在空间中的轨迹。通过驾驶简化，驾驶员可以更容易面对关键情况，这改进飞行器的安全。驾驶员可以利用小型驾驶杆来改变目标速度矢量，这减少了驾驶员的操作次数并允许定义与驾驶员在驾驶界面(例如，“Head-upDisplay(前导显示器)”)上可见的结果接近的指令。飞行器的位移用速度矢量由驾驶员定义，不必再为了引导方向而定义不同的位移参数(横摆角、俯仰角等等)。目标速度矢量的显示(补充当前速度矢量)允许减少驾驶员的预测需要。从目标速度矢量出发，自动定义要被控制的控制面以及相关联的命令。与现有技术驾驶方式相比，按照本发明实施方式的驾驶方式，要求驾驶员的较少活动(较少操作和较少心理预测)。于是，这缩短了驾驶员的反应时间。这同样限制误操作的风险。例如，至少一个致动器能够使飞行器的控制面移动。于是，驾驶员可以直接作用于飞行器的速度矢量的朝向。改变飞行器的当前速度矢量的至少一个指令可以涉及飞行轨迹的航向角和/或倾角。这些角度允许简单而直接地确定目标速度矢量。该方法还可以包括下列步骤：-接收改变已确定的目标速度矢量的朝向的指令，以及-根据所接收到的指令来改变目标速度矢量，所述致动命令是基于这样改变的目标速度矢量来确定的。于是，可以直接给出目标速度矢量的定义，而不必引用当前速度矢量。例如，这个直接定义可以利用自动驾驶仪的设定值的选择界面(在某些飞机中自动驾驶仪可以由FCU(英语“FlightControlUnit”的缩写)指定)上实现。驾驶员或者自动驾驶仪的这个直接定义可能更快速，例如，在紧急或失去方位标的情况下。例如，该方法还包括下列步骤：-检测出驾驶接口的移动，-根据检测出的移动来确定至少一个改变指令。于是，驾驶员可以通过操纵驾驶元件，例如，小型驾驶杆或者图形界面上的元件，来确定目标速度矢量。该方法还可以包括产生驾驶图形界面的至少一个显示信号的步骤，驾驶图形界面包括所述当前速度矢量的表示，所述显示信号被配置为引起显示目标速度矢量的表示。这个步骤并不打算实现目标速度矢量的认知内容的简单呈现，而是想要给该信息提供特别的布置，以便允许驾驶员能够有效地与飞行器交相互作用。按照这个步骤的显示提供以下技术效果：它表现在用户心理活动的水平上，允许用户选择要赋予飞行器的姿态并更快捷、更有效率和更安全地考虑对飞行器进行的操作。该方法还可以包括产生被配置来引起显示辅助与目标驾驶轨迹对准的辅助对准元件的显示信号的步骤，所述辅助对准元件与目标速度矢量的所述图形表示相关联。辅助对准尤其可以允许便于在跑道上着陆。例如，该方法还可以包括在与目标轨迹对准异常和/或目标速度矢量与目标轨迹之间一致性异常的情况下产生报警信号的步骤。于是，有可能改进在误操作的情况下的飞行器安全。本发明的第二方面涉及计算机程序以及计算机程序产品和这样的程序和产品的存储介质，当该程序被飞行器驾驶控制系统的处理器装载并执行时，允许实现按照该第一方面的方法。本发明的第三方面涉及飞行器驾驶控制系统。该系统包括一个处理单元，被配置来实现按照该第一方面的方法。具体地说，该处理单元被配置来接收改变飞行器的当前速度矢量的朝向的至少一个第一指令，基于接收到的所述至少一个第一指令来确定飞行器的目标速度矢量，并且至少基于所述目标速度矢量来确定以飞行器的至少一个致动器为目的地的至少一个致动命令，以便根据接收到的至少一个第一指令来改变飞行器的位移。该处理单元还可以被配置来产生驾驶图形界面的至少一个显示信号，驾驶图形界面包括所述当前速度矢量的表示，所述显示信号被配置来引起显示目标速度矢量的表示。该处理单元还可以被配置来产生被配置为引起显示辅助与目标驾驶轨迹对准的辅助对准元件的显示信号，所述辅助对准元件与目标速度矢量的所述图形表示相关联。按照第三方面的系统可以包括用来实现针对按照第一方面的方法阐述的就方法而言的其他特征的其他元件。该处理单元还可以配置来允许实现这些特征。本发明的第四方面涉及包括按照第三方面的系统的飞行器，例如，飞机。按照本发明第二、第三和第四方面的目的获得至少与按照第一方面的方法所获得的相同的优点。附图说明阅读下文参照附图作为非限制性示例所作的详细描述，将会看出本发明的其他特征和优点，其中除图1和2外：-图3举例说明用来限定速度矢量的角度；-图4举例说明按照这些实施方式的控制系统的结构；-图5是说明按照这些实施方式的处理单元的示意图；-图6是在改变横摆角的控制下小型驾驶杆运动的变换曲线；-图7至9举例说明这些实施方式的图形界面；以及-图10至12是根据这些实施方式的方法步骤的流程图。具体实施方式在下文中，描述一种飞行器驾驶的新途径。该驾驶通过由驾驶员直接用速度矢量定义飞行器的姿态而加以简化。该定义可以通过小型驾驶杆和控制屏实现。驾驶员在控制屏上指引目标速度矢量，接着，该飞行器的飞行控制系统使当前速度矢量跟随由驾驶员这样定义的目标速度矢量进行随动。驾驶员可以通过限定目标速度矢量来直接控制其动作对飞行器装置的结果。在更详细地描述这些实施方式的控制系统和与之联系的方法之前，首先描述由于定义该速度矢量的变量。图3是一个示意图，表示飞行轨迹倾斜角γ(gamma)和航向角γ(chi)。飞行器的速度矢量VV在由地理切面和垂直面定义的空间(该空间在英语术语中称为“NorthEast-Downframe(导航坐标系)”)中定义。该空间的基矢量i′N、j′N和k′N分别对应于地理上的北、地理上的东和垂直向下(重力方向)。平面(i′N，j′N)定义地理切面(本地水平面)。由矢量iv、jv和kv形成的基与飞行器相关。矢量iv表示速度矢量。矢量iv与地理切面形成角度γ(gamma)。角度χ(chi)是速度矢量在地理切面上的投影和矢量i′N之间的夹角。这些角度在下文中用来描述飞行器的根据速度矢量的控制。图4描述根据这些实施方式的飞行器的飞行控制系统的总体结构。驾驶员驱动小型驾驶杆40，其运动导致致动信号的产生。该致动信号被通信单元47接收，通信单元47把它传送到处理单元41。处理单元41把该致动信号转换为改变飞行器当前速度矢量的指令信号。从该指令信号出发，处理单元确定驾驶员希望达到的目标速度矢量。为此，处理单元可以利用有关飞行器当前状态的不同数据，例如，飞行器相对于空气的真实速度(VTAS，TAS是“TrueAirspeed”的缩写)、取决于飞行轨迹的角度(FPA，“flightpathangle”的缩写)、航向角(TRK“trackangle”的缩写)等等。该处理单元还可以利用其他数据，例如，装置质量、重心、超级增升配置等等。所有这些数据，例如，都存储在存储单元42中。一旦确定目标速披矢量，该处理单元便可以产生目的地为飞行器控制面的控制信号，或者更准确地说，目的地为这些控制面的致动器43的控制信号。这些控制信号被配置来改变飞行器的位移，以使得当前速度矢量与该目标速度矢量一致。换句话说，在速度矢量上实现随动。这些控制信号，例如，通过通信单元47传送。此外，该处理单元还可以配置来产生目的地为显示单元44的显示信号，显示单元44包括例如，“Head-upDisplay(前导显示器)”类型的控制屏45和PFD和ND(“Primary/FlightDisplay(初级/飞行显示)”和“NavigationDisplay(导航显示)”类型的屏幕46。该显示信号能够引起在控制屏上显示的驾驶图形界面上显示表示(比如处理单元从驾驶额定值出发确定的)目标速度矢量的图形元件。该显示信号例如通过通信单元传送至显示单元。替代地，或者彼此结合，该显示信号可以以飞行控制单元48(FCU，“FlightControlUnit”的缩略语)为目的地发送。该单元可以是驾驶员和自动驾驶仪之间的界面。该单元可以被配置来产生直接表示驾驶员希望达到的目标速度矢量的信号。为此，飞行控制单元可以包括例如允许驾驶员确定目标速度矢量的接口，如按钮或旋钮(molettes)。例如，该驾驶员输入飞行轨迹倾斜角γ(gamma)和航向角χ(chi)的值。这时所产生的表示目标速度矢量的信号，例如，通过通信单元提供给处理单元。单元48的界面还可以包括显示当前速度矢量的飞行轨迹倾斜角γ(gamma)和航向角χ(chi)的界面。一般，存储单元包括随机存取存储器，用来非持久地存储实现按照一个实施方式的方法时用的计算数据。存储单元还包括一个非易失性存储器(例如，EEPROM类型)，用来存储例如按照一个实施方式的计算机程序，用以由处理单元41的处理器(未示出)执行。该存储器同样可以存储涉及上述飞行器状态的数据和允许解释小型驾驶杆运动的对应表(例如，表示下文描述的图6的曲线的表)。图5是一个示意框图，更详细地说明按照图4的系统的处理单元的功能。假定飞行器的驾驶员具有小型驾驶杆，它可以沿着以下两个轴线旋转：一个俯仰轴(小型驾驶杆从前向后操作)和横摆轴(小型驾驶杆从左向右操作)。例如，小型驾驶杆的每个旋转类型的动作都控制改变当前速度矢量的角度。于是，小型驾驶杆50的控制单元确定小型驾驶杆当前位移，并分别产生至少一个与小型驾驶杆沿着俯仰轴和横摆轴的位移相联系的DQSTK和/或DPSTK信号。小型驾驶杆沿着摇摆轴的位移由转换单元51按照，例如图6所示的特性曲线，转变为速度矢量的横摆角ΦCOM(PhiCOM)。图6所示的曲线表示，根据小型驾驶杆的横摆角在DPSTKMIN和DPSTKMAx之间变化，受控制的横摆角在ΦCOM，MAX和ΦCOM，MIN之间变化。回到图5，小型驾驶杆沿着俯仰轴的位移在负载系数nzCOM的控制下、按照另一个特性曲线(未示出)由转换单元51转换。接着，把横摆角ΦCOM提供给增益单元52，用以将其转换为航向角比率例如，该变换是按照下列公式：进行的，式中g是万有引力常数，VGND是对地速度。来自增益单元52的表示航向角比率的信号被提供给积分单元53，它允许按照公式对航向角比率进行积分运算并获得代表航向角的信号。负载系数nzCOM的命令同样提供给增益单元52，它在输出端提供代表飞行轨迹倾斜角的微分的信号。例如，该变换是按照下列公式进行的：式中g是万有引力常数，而VTAS是飞行器相对于空气的真实速度。来自增益单元52、表示飞行轨迹倾斜角的微分的信号被提供给积分单元53，这允许按照公式对这个微分进行积分运算，并获得代表飞行轨迹倾斜角的信号。当驾驶员驱动小型驾驶杆接着松开时，改变飞行轨迹倾斜角和/或航向角，接着保持恒定。在积分单元53的输出端，代表受控制的航向角或者受控制的飞行轨迹倾斜角的信号被提供给控制法则单元54。这个控制法则单元被配置来从飞行器的当前状态出发确定要向目的地为控制面致动器(用控制面单元55代表)产生的命令。特别地，飞行器的当前状态可以用当前航向角χ、当前飞行轨迹倾斜角γ、当前横摆角当前负载系数nZ、俯仰速度q、偏航速度r、侧滑角度β和横摆比率p定义。控制法则单元还可以利用来自增益单元52的一个或多个信号。作为示例，在俯仰轴上可以利用随动法则的级联，并用负载系数控制法则(第二法则)保持倾角(第一法则)。于是，升降舵命令DQ可以用以下方法计算：第二法则：DQ＝K1＊q+K2＊nZ+K3＊∫(nZ-nZC)+K4＊nZC第一法则：nZC＝K5＊(γ-γCOM)+K6＊nZ+K7＊nzCOM变量K1、K2、K3、K4、K5、K6和K7是法则的随动增益，其调整取决于飞行器和设计目标(随动响应时间、干扰抑制等等)。例如，第二法则与预先存在的纵向手动驾驶的法则相同。第一法则可以是自动驾驶仪的预先存在的倾角的随动法则的微分。为了在驾驶杆没有运动的情况下排除与自动驾驶仪(PA)相同的干扰，法则PA的增益K5可以保留。引入和规定增益K6和K7以便得到关于驾驶员对小型驾驶杆命令的手动法则的状况。在横摆轴线和偏航轴线上，同样地可以利用随动法则的级联，并以命名为Ystar的同时横摆和偏航的控制法则(第四法则)保持航向角(第三法则)。于是，对横摆面DP和方向舵DR的总命令可以用以下方式计算：第四法则：第三法则：变量K12、K13、K14、K15、K16、K21、K22、K23、K24、K25、K8、K9、K10和KH例如，是法则的随动增益，其调整取决于飞行器和设计目标(随动响应时间、干扰排除等等)。第四法则例如，与预先存在的手动横向驾驶控制法则相同。第三法则是在自动驾驶仪中预先存在的航向随动控制法则的微分。为了在驾驶杆没有运动的情况下排除与自动驾驶仪相同的干扰，PA法则的增益K8和K9被保留。引入和规定增益K10和K11以便得出驾驶员对小型驾驶杆命令时手动控制法则的状况。为了产生目标速度矢量的显示信号，显示控制单元56接收积分单元53的输出。处理单元，例如带有参照图5描述的结构的处理单元，可以允许控制飞行器的控制面，以便引导飞行器的当前速度矢量与驾驶员借助于小型驾驶杆(或者FCU单元48)定义的目标速度矢量一致。例如，控制法则单元包括两个子单元。一个子单元允许使飞行器的航向角随动，而一个子单元允许使飞行轨迹倾斜角随动。该处理单元还可以被配置来遵守航空规则中定义的飞行质量标准。该处理单元还可以被配置来使随动自动化，以使得飞行器的行为保持接近于用传统的驾驶控制方法的行为(以便从一种驾驶模式过渡到另一种驾驶模式时不干扰驾驶员)。还可以使运行中的处理单元与自动驾驶仪交替。因此，例如，当检测到在小型驾驶杆上没有任何动作时，驾驶可以由自动驾驶仪承担。为了接着使飞行器的速度矢量随动，目标速度矢量的确定可以耦合到图形界面机制，图形界面机制允许改进驾驶员与飞行器的交互作用并因此在效率和安全上改进驾驶。图7举例说明允许显示表示目标速度矢量(诸如由驾驶员通过小型驾驶杆(或者FCU单元)定义的目标速度矢量)的图形界面。该图重新采取图2所示的界面。在图7的界面上，点700代表目标速度矢量的方向。点700(或者其他所有指示类型)实时地随着驾驶员在小型驾驶杆上的动作而移动。另外，有可能实现辅助对准的机制。该机制可以由驾驶员激活或者禁止。作为另一方案，或者彼此结合，该机制可以根据一个或几个参数自动地激活或者禁止。例如，该参数可以是对地高度。这样的对准机制的使用可以使飞行器准确地与着陆跑道对准。它可以涉及屏幕上在表示目标速度矢量方向的点的位置显示一条垂直线。图8表示实现辅助对准机制的界面。该界面包括：水准标尺800，代表飞行器当前速度矢量的方向；点801(或者其他所有图形指示)，代表目标速度矢量方向；垂直线802，允许驾驶员使飞行器与着陆跑道803对准。垂直线在该界面中根据横摆角转动，以便与俯仰标度线203保持垂直。该垂直线可以相对于代表目标速度矢量方向的指示略微错开，以便当目标速度矢量和当前速度矢量一致时留出针对水准标尺的可见空间。图9表示一系列屏幕截图，说明在着陆过程中辅助对准的机制。首先，驾驶员通过把代表目标速度矢量的点放置到着陆跑道中心线起点的右边(a)，取得着陆跑道的中心线。接着，随着飞行器接近跑道，驾驶员使该点在中心线上前进。驾驶员可以更准确地修正飞行器相对于跑道的偏转，正如在屏幕截图(b)上示出的。这可以通过以下方式实现：使对准辅助垂直线与跑道中心线对齐，这引导飞行器在该跑道的方向移动。在截图(c)、(d)和(e)中，没有必更进行修正，因为用水准标尺表示的当前速度矢量准确地跟随用该点表示目标速度矢量。屏幕截图(f)表示由于恰在着陆之前滑行平飞(“flare”)导致在当前速度矢量对目标速度矢量的跟随的中断。对准辅助甚至还允许正确地在跑道上移动。按照这些实施方式，在检测出与跑道不当对准和/或驾驶员选择错误跑道(例如，代表目标速度矢量的点放置在错误跑道上的情况下)可以在驾驶台上发出声音或可视报警。该报警可以根据从无线电测量得出的当前高度(例如在阈值以下)实现。图10是按照一个实施方式的飞行器的驾驶控制方法的步骤的流程图。例如，该方法可以通过根据图4的系统实现。在第一步S100时，从驾驶接口接收致动信号。例如，这指的是小型驾驶杆移动之后发出的信号。可设想其他驾驶接口。另外在本描述中已经提到的FCU单元，驾驶接口可以是触摸屏上的一个图形界面或者与驾驶命令的选择按钮相关联。一旦收到致动信号，它便在步骤S101时转变为改变飞行器的当前速度矢量的指令信号。例如，利用与如图6所示的对应曲线解释该致动信号。例如，步骤S100和S101由驾驶界面的控制单元实现。所产生的指令信号接着传送至处理单元，处理单元是在步骤S102接收它们。接着，在步骤S103时处理指令信号以便确定目标速度矢量。在步骤S104时，从收到的指令信号出发确定飞行器致动器的致动信号。该致动信号旨在驱动飞行器的允许改变当前速度矢量以便使之与目标速度矢量一致的一个或几个装置。例如，这些致动器是与飞行器的控制面相关联的。在步骤S105时，该控制信号传送至一个或几个致动器。图10所示的过程可以由参照图11描述的图形界面的处理补充。在步骤S110，产生表示当前速度矢量的显示信号，接着它在步骤S111时向与驾驶员的接口设备(例如屏幕)传送。例如，该当前速度矢量可以用屏幕中心的向驾驶员表示朝向飞行器前部的视图的水准标尺表示。在步骤S112，接收表示目标速度矢量的信号(例如，这指的是在参照图10提及的步骤S103中确定的目标速度矢量)。从该信号出发，在步骤S113产生代表目标矢量的显示信号。例如，这指的是在屏幕上显示的、指示该矢量的方向的标志(例如，点)。接着，在步骤S114，该显示信号向与驾驶员的接口设备传送。正如在本描述上文中提及的，可以实现辅助对准机制。该机制的实现过程被参照图12的流程图描述。在步骤S120时，收到激活辅助对准机制的激活信号。例如，该信号是在驾驶员通过接口按钮激活该机制后产生的。替代地或者彼此结合，该信号是当飞行器相对于无线电测量的高度下降到阈值高度以下时(其例如表征接近地面着陆的阶段)自动地产生的。接着，一旦该机制被激活，就在步骤S121产生辅助对准元件的显示信号。接着，在步骤122时该信号被传送到与驾驶员的接口设备。正如已经描述的，该元素随着飞行器的位移而演变。用于实现按照本发明的实施方式的方法的计算机程序可以由本领域技术人员阅读图10、11和12的流程图及其详细描述后实现。本发明已经在详细的描述中和附图中描述了。当然，本发明不限于所描述的实现形式，其他变型和特征组合是可能的。在一个实施方式中对一个特征的描述不排除在另一个实施方式中利用这个特征的可能性。这些变型和实施方式可以由本领域技术人员在阅读本描述和附图之后加以推导和实施。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他部件或其他步骤。不定冠词“un(一)”不排除复数。可以利用单个处理器或者几个其他单元来实现本发明。所示的和/或在权利要求中保护的不同的特征可以有利地组合。它们在该说明书中或者在不同的从属权利要求中的存在不排除这种可能性。附图标记不构成对本发明范围的限制。