专利名称：用于飞行器的能量的最优管理的方法以及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在飞行器沿着航迹飞行时对飞行器进行优化的能量管理从而在给定的运行状态下到达所述航迹的给定点的方法以及设备，所述飞行器特别是飞机尤其是运输飞机。
背景技术：
尽管不是排他性的，但是本发明更特别地适用于为了降落在机场的跑道上或者降落在任何其他已知的道路上以便在最终降落之前以给定运行状态到达预定点的进场阶段。因此，本发明涉及引导飞机朝向位于空间中的目标(给定点)，以及控制不同的能量管理装置，从而达到给定的运行状态。
在本发明的范围中，所述运行状态由对飞机参数的一组限制来表征，如下文所限定的-飞机在其中飞行的大气空间中的给定点。会合点(meetingpoint)通常由三个坐标限定(经度，维度，海拔高度)。例如，但不限于，在大气空间中的给定点能相对机场的跑道被确定；-在空间的给定点处稳定的飞行器的设定点速度。例如，但不限于，该速度可由在降落之前的进场阶段中使用的参考速度确定；-用于飞机的不同的能量控制装置的稳定的设定点状态。其可被作为实例提及，但不限于·发动机的既定推力；以及·飞行器的空气动力学配置。这样配置被如下项目限定，其中包括，但不限于缝翼和襟翼的位置以及起落架的位置。在本发明的范围中，能量的概念通常限定为飞机的全部机械能量，其由与飞机的海拔高度成正比的势能以及与飞机的速度的平方成比例的动能的和确定。更确切地，本发明的目的是自动管理一组能量控制装置，其目标为提供在给定点的飞机的能量会合(energy meeting),同时满足由所述运行状态限定的特定的限制。已知的是飞行员具有可利用的不同的修正或者控制装置，以满足该会合。为了通过沿着一个航迹来满足在空间的给定点的会合，可以有常规的装置来弓I导飞机依照所述给定航迹飞行，例如，操控面(副翼，舵，垂直安定面)。为了满足在空间给定点的能量会合——所述能量会合通过所述海拔高度以及速度的参数的结合来限定——可以存在不同的装置-影响飞机的能量变化的所谓的常规短期手段，例如，发动机和空气制动器；-由飞机的空气动力学配置允许的手段，例如，缝翼，襟翼以及起落架。后者影响飞机的升阻比，并因此，影响其在零推力下或多或少地保持其能量的能力；以及-操作手段，即竖直飞行计划的修改，其更多基于在势能和动能之间的能量分配的概念；横向飞行计划的修改，其允许调整地面轨迹并因此允许用设定点调节飞机能量状态；以及最后的，对由自动油门伺服控制的设定点速度的修改。应该注意的是，在每个时刻，飞机的能量变化由发动机的推力与飞机的总阻力之间的差给定，上述阻力来自空气制动器、缝翼和襟翼、以及起落架的综合影响。已知有三种不同的方法来引导飞机根据每个轴从具有某一初始海拔高度和某一初始速度的空间的一个 给定点，飞向具有另一个(最终的)海拔高度和另一个(最终的)速度的空间的另一个点，即-手动驾驶；-在选定模式中的自动驾驶；以及-在管理模式中的自动驾驶。现在将详细描述上述不同的惯用飞机驾驶方式。在手动驾驶时，飞行员通过用于控制发动机推力、阻力装置(空气制动器)、缝翼和襟翼的设定点位置(所有这些装置影响飞机上的总能量变化)的各种控制杆和操纵杆(飞行员沿着期望的航迹驾驶，该航迹具有海拔高度，该海拔高度限定在势能和动能之间的能量分配)来在飞机的三个轴上控制飞机。飞行员可通过位于驾驶舱内的各种显示器追踪飞机的变化以及其他参数，例如，速度、竖直速度、姿态等。被用来引导飞机朝向空间中一个点的手动驾驶策略是由飞行员施加的。即使飞行员具有能力去引导飞机朝向目标，也没有任何东西可保证该飞行员的最优性。事实上，飞行员必须通过使用发动机控制杆或者空气制动器控制杆而以最佳状态管理飞机的能量水平，同时使用在3个轴上控制飞机的操纵杆来提供能量分配。在进场的情况下，飞行员还必须控制缝翼和襟翼的展开，这通常是通过为该目的提供的控制杆来进行的。所述缝翼和襟翼的展开对飞机的性能具有直接的影响，因此，飞行员必须根据飞过的航迹以及目标速度设定点来规划该展开。在以上提及的优选的情况下，如果飞机的升阻比下降太多，那么飞行员将手动增加推力水平，从而保持所述航迹以及速度曲线。在相反的情况下(当飞机的升阻比下降不够多时)，飞行员可手动使用空气制动器。然而，发动机以及空气制动器的使用不一定是最优化的，而且依赖飞行员的技能。此外，为了简化和帮助飞行员在短时间内驾驶飞机，他具有所谓的“选定”模式可使用，该“选定”模式激活所谓的“自动驾驶”功能和/或激活所谓的“自推进”功能，其中“自动驾驶”功能适于以自动的方式控制飞机航迹，“自推进”功能能够以自动的方式控制飞机的速度或者发动机的推力水平。自动驾驶仪伺服控制专用于自动驾驶的各种驾驶模式的飞机速度和航迹，所述各种驾驶模式尤其允许斜度维持、海拔高度改变、竖直速度维持、在航迹中的速度维持，等等。特别是在进场阶段使用更多的缝翼和襟翼、起落架和空气制动器的控制仍然是手动的并且由飞行员负责。尽管这种模式有部分自动的特点，但为了提供在空间中的会合而要采用的策略仍是由飞行员施加的，包括通过发送至自动驾驶仪的设定点来进行。引导策略(相对于在选定模式中的自动驾驶)仍依赖飞行员并且不一定是最优的。此外，飞行员还有所谓的“管理”模式可利用。这种模式也能激活“自动驾驶”和/或自推进，从而以自动的方式控制航迹和速度，但具有如下区别驾驶设定点由飞行管理系统根据飞行员限定的飞行计划来计算。这样的航迹由FMS( “飞行管理系统”)类型的飞行管理系统限定，该飞行管理系统尤其使用飞机的性能模型。在一些情况下，待飞行的航迹可能需要使用空气制动器。在这种情况下，只有飞行员具有展开空气制动器的权限(手动地)。在进场的情况下，缝翼和襟翼、以及起落架的控制仍保持手动并且是由飞行员负责。采用这种管理模式中的自动驾驶，借助于计算确保实现飞机会合的可飞行航迹的FMS系统，获得了飞行管理的更优化的方法。应注意的是，尽管自动程度提高了，但一些装置仅可手动使用，即空气制动器、缝 翼、襟翼以及起落架。在当前的飞机上，缝翼和襟翼配置的控制是通过位于驾驶舱内的特定的控制杆手动执行的。缝翼和襟翼配置的改变由通过比较以校准速度CAS表示的特征速度和飞机速度来决定。这样的运行速度如下所述-在平滑配置中的最小运行速度(称为“绿点速度”)。向配置I的转换通常在这种速度下进行。该速度特别地在平滑配置中提高最佳升阻比。其依赖飞机的海拔高度以及
质量;-用于控制配置2的推荐速度(称为“S速度”)。该速度依赖最小控制速度VMCL(最小监测速度)、在配置I中的速度VSlg(保持均匀的直线飞行的最小速度)、以及在配置2中的速度VFE (所述配置能够被激活时的最大速度)；-用于控制配置3的推荐速度(称为“F2速度”)。该速度依赖最小监测速度VMCL、在配置2中的速度VSlg、以及在配置3中的速度VFE ；以及-用于控制所谓“完整”配置的推荐速度(称为“F3速度”)。该速度依赖最小监测速度VMCL、在配置3中的速度VSlg、以及在所谓“完整”配置中的速度VFE。操作地，一旦配置2被展开，就控制起落架的展开。然而，通常来说，起落架可在所述起落架的最大展开速度下被使用。因此，为了告知飞行员关于飞机的当前能量状态并协助他在进场时进行能量管理，从文献US2008/0140272中已知的解决方法是允许预期过能量情形(over-energysituation)。这样的解决方法的目的是在驾驶舱的界面ND (“导航显示器”)上显示两个能量预测圆，从而告知飞行员关于其预测的在跑道入口处的能量状态。这两个计算的预测均考虑了标准降落(采用标准降落步骤的标准航迹，并根据标准过程展开空气动力学配置和起落架)以及限制降落(预先展开空气动力学配置，预先展开起落架，最大化展开空气制动器)的假设。由于显示了这样的圆，飞行员可通过分别使用发动机或者空气制动器来预期能量不足或者过能量状态，并且因此能够使飞机恢复到可接受的能量状态。这种解决方法的意义在于告知飞行员关于它的能量状态，然而，将要实施的修正仍由飞行员负责。而且，能量圆基于两个航迹类型(极端航迹)并且无法对其它类型的中间航迹提供任何精确的指
/Jn ο因此，需要解决各种问题-在直到到达最终目标的整个航迹中始终告知飞行员它的能量状态。文献US2008/0140272建议的解决办法在直到减速点的下降阶段是很有用的，但其仅仅预先假定了驾驶飞机的两个总体方案，而其自身不提供飞机驾驶的执行；-协助飞行员进行决策。在非标称的情况下(有风的情况，过能量的情况，能量不足的情况)，飞行员必须使用其技能相对于飞机的当前升阻比来使飞机的驾驶适应变化的外部环境。飞行员必须利用其自己的经验去估计使用不同装置对随后的能量状态的影响。然而，这种估计是不精确的并且不是最优的；以及-减少飞行员的工作负荷。事实上，尽管有各种自动化水平，但一些装置仍然是手动控制的。
发明内容
本发明的目的在于克服这些缺点。本发明涉及用于在飞行器沿着航迹飞行时，尤其是在为了着陆的进场阶段，对飞行器进行优化的能量管理从而在给定的运行状态下到达 所述航迹的给定点的方法，所述飞行器特别是飞机。为此，根据本发明，所述方法的特征在于，在飞机沿着所述航迹飞行直至所述给定点的过程中，自动并且反复地执行以下的连续步骤序列a)确定飞机的参数的当前值；b)根据这些当前值以及预定模型来计算飞机在所述点处的预测能量状态，并反复地根据所述预测能量状态，确定飞机能量控制装置的优化控制命令，所述优化控制命令是即时的(将立即通过合适的装置应用的)或者未来的(在随后的时刻由正确的装置来应用所述命令)，使得它们允许飞机在所述给定的物理运行状态下到达所述给定点；以及 c)将如此确定的即时优化控制命令应用到所述能量控制装置。此外，有利地，将关于由本发明提供的即时命令和未来命令的信息送回给机组人员。因此，借助于本发明，通过考虑飞机在要到达点处的预测能量状态经由上述反复处理，可以自动地确定允许飞机在具有所述给定运行状态的情况下到达所述点的优化控制命令。此外，由于如下文详述的这种处理是反复进行的，因此在整个飞行过程中，使缝翼和襟翼以及起落架的控制适应于飞机的当前状况。根据本发明，根据管理策略来优化控制命令。有利地，在步骤b)中使用的管理策略对应于手动或自动选择的策略，即，由飞机的飞行员手动选择的策略或由飞行管理系统通过考虑由航空公司所制定的高水平设定点而自动确定的策略。在选择缺失的情况下，将能够使用默认的策略。在优选实施例中，可以使用以下管理策略中的至少一个-噪声降低策略；-燃料消耗减少策略；-乘客舒适度管理策略；-最大效率策略；-目的地距离管理策略；和-至少一个结合了至少两种前述策略的混合策略。此外，根据本发明，提供了多种不同的模式，每个模式包括相关联的特定的飞机能量控制装置。有利地，考虑以下模式中的至少一些-用于缝翼和襟翼(限定飞机的空气动力学配置)以及起落架的控制模式；-用于空气制动器的控制模式；-用于发动机的控制模式； -用于修改飞机的规划的竖直航迹的装置的控制模式；-用于修改飞机的规划的横向航迹的装置的控制模式；以及-用于修改由自推进伺服控制的设定点速度的装置的控制模式。有利地，根据在步骤b)中使用的管理策略，在本发明的优选应用中，可以确定所述模式的优先级顺序，该优先级顺序允许在执行本发明时自动选择要使用的模式。在次级应用中，除了所述模式的优先级顺序，还可以同时应用几种模式。另外，有利地，对于每种模式，提供了预测模块和优化模块，用于要应用到与所述模式关联的能量控制装置的控制命令，并且所述模块在步骤b)中执行以确定所述优化的控制命令。此外，有利地-上述模型包括以下要素中的至少一些风模型，飞机的性能模型，对与能量监测装置关联的致动器的动力学的指示，以及对操作限制的指示；并且-在步骤c)中，将如在下文中详述的信息呈现给飞行员涉及能量监测装置的控制的信息。此外，有利地，在能量控制装置发生故障的情况下，对未发生故障的能量控制装置执行重新配置，如在下文中详述的。因此，本发明具有许多优点。尤其是，本发明允许-自动地实现对一些能量控制装置(所有或部分的)的相干控制；-实时地通过合适的运行参数(速度、海拔高度等的指示)告知飞行员飞机的能量状态，无论是即时的还是未来的。未来的状态是在会合运行状态的给定点处的预测状态；-实时地告知飞行员当前时刻或未来时刻所应用的控制以及它们对飞机的航迹和能量平衡的影响；以及-整体地减轻飞行员的驾驶负荷。本发明还涉及一种设备，用于在飞机(尤其是运输飞机)沿着预定航迹飞行时，尤其是在为了降落在机场的跑道上的进场阶段，对飞机进行优化的能量管理从而在给定的运行状态下到达所述航迹的给定点。根据本发明，所述设备的特征在于它包括-用于在飞机沿着所述航迹飞行直至所述给定点的过程中自动地确定所述飞机的参数的当前值的装置；-根据这些当前值以及预定模型来自动计算飞机在所述点处的预测能量状态的装置，以及反复地根据所述预测能量状态自动确定飞机能量控制装置的优化控制命令的装置，所述优化控制命令使得它们允许所述飞机在所述给定的运行状态下到达所述给定点；-飞机能量控制装置，将如此确定的所述优化控制命令自动应用到所述飞机能量控制装置。在一个特定实施例中，为飞行控制和飞行操作管理而提供的所述设备还包括
-显示装置，用于在显示屏上将如下信息呈现给所述飞机的飞行员涉及所述能量控制装置的控制的信息，如将在下文中详述的；和/或-接口装置，所述接口装置允许操作者向所述设备中输入数据，尤其是所选择的管理策略。本发明还涉及一种飞行器，特别是飞机尤其是运输飞机，该飞行器设置有诸如上述设备的设备。
附图中的各图将用于理解本发明是如何实施的。在这些图中，相同的标记表示相似的元件。图I是根据本发明的设备的方框图。图2是示出飞机在两点(起点与终点)之间的能量曲线的实例的图。图3示意性地示出了与特定模式关联并且包括预测模块以及修正(或者最优化)模块的处理装置。
具体实施例方式在图I中示意性地显示的、根据本发明的设备I被设置用来在飞机(没有显示出)，特别是运输飞机，沿着轨迹飞行时执行优化能量管理，从而在给定的运行状态下到达所述轨迹的一给定点Pf，尤其是在为了降落在机场的跑道上或者任何其它已知道路上的进场阶段。在图2中，示出了飞机在空间的给定点PU在位置xi)与空间的另一个点Pf (在位置Xf)之间的比能量E的曲线的实例，其中给定点Pi具有某个初始高度hi以及某个初始速度Vi (限定比能量Ei)，另一个点Pf具有另一个最终海拔高度hf以及另一个最终速度Vf (限定比能量Ef)。通常，所述比能量Ei和Ef是由以下表达式限定(通过使用高度hi、hf以及速度Vi、Vf的对应的值来替代h以及V)E = (V2/2g) +h根据本发明，所述设备I包括-将在下面进行详述的常用的信息源组2，该信息源组允许确定飞机的飞行参数的当前值；-至少一个数据库3，包括将在下面详述的模型；-接口装置4，特别是与屏幕关联的键盘或者其它任何一种允许飞行员将数据，特别是管理策略，输入所述设备I的惯用装置；-信息处理单元5，其通过连接装置6至8，分别连接至所述装置2至4，并且被形成为用于·尤其根据这些当前值以及这些模型来计算飞机在要到达的点处的预测能量状态；并且·根据预测能量状态反复地确定用于飞机的能量控制的优化控制命令，所述优化控制命令使得它们允许飞机以所述给定的运行能量状态到达要到达的所述给定点；
-用于控制飞机能量的惯用系统SI至S6，对这些惯用系统自动地应用由信息处理单元5确定并适于经由连接装置LI至L6传输的优化控制命令。根据本发明，设置了多个不同的系统SI至S6(分别对应于如下文详述的控制模式Ml至M6)，这些系统每个均包括关联的用于飞机能量控制的特定装置。更确切地，每个系统S1、S2、S3、S4、S5 和 S6 包括-惯用的处理单元讥、似、诎、况、邯和诎；以及-一个或多个惯用的致动器Al、A2、A3、A4、A5和A6，这些致动器由处理单元Ul、U2、U3、U4、U5和U6经由连接装置LI至L6来控制，以便致动用于飞机能量控制的相关元件(发动机、缝翼、襟翼、起落架等)。优选地，设备I考虑了以下模式
-用于缝翼和襟翼(限定飞机的空气动力学配置)以及起落架的控制模式M1，该模式允许优化这些元件以调整能量曲线并优选地满足稳定的进场；-用于空气制动器的控制模式M2，其目的是增强飞机减小能量的能力；-用于发动机推力的控制模式M3，其目的是帮助飞机趋向目标能量水平；-用于修改飞机的竖直航迹的装置的控制模式M4，其目的是调整能量曲线并优选地满足稳定的进场；以及-用于修改飞机的横向航迹的装置的控制模式M5，其目的也是调整能量曲线并优选地满足稳定的进场；以及-用于修改由自推进伺服控制的设定点速度的装置的控制模式M6，其目的也是调整能量变化率。模式M6利用了以下事实飞机飞行的速度会影响所述飞机的升阻比从而整体上影响其能量变化。下文将进一步详述模式Ml至M6的运行。在图I所示的特定实施例中，单元5和单元Ul至U6是飞机上同一计算器10尤其是惯用计算器的一部分。单元5包括-模式管理模块11;-预测模块12;以及-反复类型的修正模块Cl至C6，它们分别与所述模式Ml至M6相关联并且通过连接装置13连接到所述模式管理模块11，通过连接装置14和15连接到所述预测模块12。所述设备I还包括显示装置17，显示装置17通过连接装置18连接到单元5，并且形成为用于在驾驶舱的显示屏19上向飞机的飞行员呈现与本发明的执行相关的信息，尤其是-与能量控制系统SI至S6的控制相关的信息，例如起落架或空气制动器的展开时机，或者空气动力学配置或发动机或规划的竖直航迹和横向航迹的修改时机；以及-使用的飞行管理策略或者任何其它对飞行员有用的信息。在本发明的范围内，所述信息源组2可以包括，例如-ADC(空气数据计算机)类型的空气数据计算器；-至少一个IRS(惯性参考系)类型的惯性参考系；以及-FMS (飞行管理系统)类型的飞行管理系统。
在一个特定实施例中，所述信息源组2向单元5提供以下当前值中的至少一些(以下清单在括号中包含了相应信息源的名称)-进场速度(FMS);-着陆配置(FMS);-风模型(FMS)；-飞行计划(FMS-“Navigation Data Base”，即导航数据库)；-减速海拔高度(FMS-导航数据库);-地面的海拔高度(FMS-导航数据库)；·
-起落架的位置(FG“Flight Guidance”，即飞行引导计算器)；-缝翼和襟翼的配置(FS)；-飞机的纬度和经度(IRS)；-飞机的海拔高度(ADC)；-真实空速或TAS[ “True Airspeed” ] (ADC)；-修正速度或CAS[ “Calibrated Airspeed” ] (ADC)；-特征速度(FMS-“Performance Data Base”，即性能数据库)；以及-关于可能的故障能量控制装置的信息，例如但不限于关于故障发动机(全部或部分)的信息，关于缝翼和襟翼系统的部分或全部故障的信息，一个或多个阻力系统(空气制动器)的故障的信息。此外，数据库3可以包括被单元5所使用的以下惯用要素中的至少一些风模型，飞机的性能模型，对致动器(与能量控制系统SI至S6关联的)的动力学的指示，以及对操作限制的指示。因此，通过上述的反复处理(考虑了飞机在将要到达的点处的预测能量状态)，根据本发明的设备I能够自动地确定优化的控制命令，该优化的控制命令允许飞机在所述给定运行状态下到达所述点，即在遵循所施加的所有限制(涉及能量状态、空气动力学配置、起落架的位置等)的情况下到达所述点。另外，由于这种处理是反复进行的，因此在整个飞行过程中设备I使所使用的能量控制系统SI至S6的控制适应于飞机的当前状况。因此，所述设备I首先能够在飞机的整个规划进场航迹中实时地告知飞机的能量状态。除了这种预测之外，它还能够根据管理策略(所谓的“高水平管理策略”)来控制一组能量控制系统S I至S6，所述管理策略的目的是提供飞机的能量会合。虽然不是排他性的，但本发明更特别地适用于为了降落在机场的跑道上或者降落在任何其他已知的道路上以便在最终降落之前到达预定点的进场阶段。在这样的优选情况下，目的在于保持某个航迹，然后使进场的飞机稳定，这在跑道入口前的空间中的某个点处进行。因此，根据本发明，控制命令根据与由飞行员(通过装置4)选择的策略或者由飞行管理系统确定的策略相对应的管理策略来进行优化，其中由飞行管理系统确定的策略考虑了由航空公司所制定的高水平设定点。在选择缺失的情况下，可以使用默认的策略。在优选实施例中，可以使用以下管理策略中的至少一些-噪声降低策略；
-燃料消耗减少策略；-乘客舒适度管理策略；-最大效率策略；-目的地距离管理策略；和-至少一个结合了至少两种前述策略的混合策略。
模式管理模块11，一种基于智能开关的系统，根据所施加的策略来选择要激活的模式。实际上，对于每个管理策略，所述模块11确定要考虑的模式的优先级顺序，从而允许在实施本发明时自动选择要使用的模式。因此，作为示例-对于噪声降低策略，力图不使用制造噪声的致动器，即发动机和空气制动器。因此，如果选择了类似的策略，则模式管理模块11可给予模式M2和M3较低的优先级。因此，模式优先级顺序将是M6, Ml，M4，M5，M2和M3 ；-对于燃料消耗减少策略，力图不使用消耗燃料的致动器。因此，如果选择了类似策略，则模式管理模块11可给予模式M3较低的优先级。因此，模式优先级顺序将是:M6，Ml, M2, M4, M5 和 M3 ；-对于乘客舒适度管理策略，力图避免降低客舱中的舒适度。因此，如果选择了类似策略，则模式管理模块11可给予模式M2较低的优先级，因为空气制动器在展开的时候会产生振动。因此，模式优先级顺序将是M6, Ml, M3, M4, M5和M2 ；-对于最大效率策略，力图将优先级给予具有最佳效率的致动器以便在短期的时间范围内控制能量。因此，如果选择了类似策略，则模式管理模块11可将优先级给予发动机和空气制动器的使用，即模式M2和M3。因此，模式优先级顺序将是M2，M3，M1，M6，M4和M5。作为示例，可以在紧急降落的情况下使用这种策略。于是模式管理模块11将优先级给予空气制动器的使用，然后给予降落空气动力学配置和降落设定点速度的优化；-对于目的地距离管理策略，力图根据目标来调整飞机的能量损失。作为示例，但不限于，在发动机完全故障的情况下使用这种策略。信息源组2向设备I发送关于理想改航机场的信息，由此将其会合点位于改航机场跑道上的运行状态定义为目标。因此，在降落结束时使用模式Ml和M2之前，模式管理模块11将首先把优先级给予模式M6、M4和M5 (有利调整降落设定点速度、竖直航迹和横向航迹)。在这种情况下，模式M3是禁止的；和-对于混合策略，考虑组合前述模式中的一些。作为示例，在检测到“过能量”的情况下，可以展开空气制动器并稍微修改竖直剖面(vertical profile)。这种解决方案(混合策略)可以扩展到其它组合，例如-空气制动器和竖直航迹；-发动机和竖直航迹；-缝翼、襟翼、起落架和空气制动器；-缝翼、襟翼、起落架和发动机；-设定点速度和空气制动器；-缝翼、襟翼、起落架和竖直航迹，等。此外，在能量控制系统SI、S2、S3、S4、S5、S6发生故障的情况下，设备I可以对未发生故障的能量控制系统进行重新配置。因此，作为例示
-在用于缝翼和襟翼的控制系统SI发生故障时，在“过能量”的情况下设备I可以使用空气制动器和航迹修改。另外，在“能量不足”的情况下它可以使用发动机和航迹修改；以及-在用于空气制动器的控制系统S2发生故障时，在“过能量”的情况下设备I可以利用缝翼、襟翼和起落架的控制以及航迹修改；-在发动机发生故障时，在“能量不足”的情况下设备I可以利用缝翼、襟翼和起落架的控制以及航迹修改。如图3 —般性示出的，对于每个模式Mn (η是从I至5的整数)，设备I包括相互配合的预测模块12和优化(或修正)模块Cn，优化模块Cn经由连接装置LI传输优化的控制命令。为此，预测模块12 (或优化模块Cn)经由连接装置Fn接收一组(进行相应的处理所需的)信息，包括(由装置2产生的)参数的当前值。可以为每个模式Ml至Mn设置一个·预测模块，或者可以为各种模式设置共同的预测模块12，如图I所示。下文将详述在本发明中可以考虑的各种模式。关于模式M1，根据规划的竖直航迹和横向航迹(经由连接装置Fl接收)、空气制动器的给定位置、以及给定的发动机推力，设备I能够首先预测飞机的能量状况，这是借助于预测模块12进行的。并行地，相应的优化模块Cl能够反复地优化缝翼、襟翼和起落架的控制序列从而调整整体的能量曲线，尤其是为了使飞机恢复在稳定的进场上。对于此模式Ml，优选地执行以下操作序列al)计算通过预测模块12预测的能量曲线；a2)为此预测的能量曲线，计算能量误差(对应于预测能量与设定点能量之间的差);a3)如果能量误差不稳定(含义是它不收敛)，则反复地执行以下操作·计算控制命令在要达到的目标上的效率(efficiency)； 计算要对控制命令应用的修正量；和 更新控制命令； 然后返回到步骤al);以及a4)如果能量误差稳定(含义是它收敛)且被最小化，则获得了所追求的所述优化的控制命令(对应于实现能量误差的该稳定和最小化时的控制命令)。此外-所述预测模块12通过针对沿着直到所述给定点的航迹的多个连续区段进行逐步计算而预测在所述给定点处的能量，每个区段对应于恒定空气动力学配置阶段或者对应于空气动力学配置过渡阶段，在任何区段结束时预测的参数被用作紧接着下一区段的初始参数；并且-所述优化模块CI尤其计算要对控制命令应用的修正量以便能够消除能量误差。关于模式M2，根据规划的竖直航迹和横向航迹并根据用于缝翼、襟翼和起落架的给定控制序列、以及给定的发动机推力，设备I能够首先预测飞机的能量状况，这是借助于预测模块12进行的。并行地，相应的优化模块C2能够计算需要的展开时间并控制空气制动器的展开以减少能量，尤其是为了使飞机恢复在稳定的进场上。
此外，关于模式M3，根据规划的竖直航迹和横向航迹并根据用于缝翼、襟翼和起落架的给定控制序列、以及给定的空气制动器位置，设备I能够首先预测飞机的能量状况，这是借助于预测模块12进行的。并行地，相应的优化模块C3能够计算使用自动油门所需的时间并控制所述自动油门以维持飞机的当前速度CAS，从而避免飞机的减速，尤其是为了使飞机恢复在稳定的进场上。另外，关于模式M4，根据规划的横向航迹和用于缝翼、襟翼和起落架的给定控制序列、以及给定的空气制动器位置和给定的发动机推力，设备I能够首先预测飞机的能量状况，这是借助于预测模块12进行的。并行地，相应的优化模块C4能够优化竖直航迹或控制竖直航迹的优化(通过第三系统)，从而允许调整飞机的能量曲线，尤其是为了使飞机恢复在稳定的进场上。对于此模式M4，优选地执行以下操作序列A/根据所确定的当前值、理论竖直航迹、和预定模型，通过计算来预测稳定海拔高 度，在该稳定海拔高度下飞机将达到进场速度；B/将预测的稳定海拔高度与稳定海拔高度设定点进行比较；以及C/当预测的稳定海拔高度与设定点稳定海拔高度之间的差的绝对值大于预定的海拔高度阈值时，建立根据飞机的当前海拔高度优化的竖直航迹。该优化的竖直航迹包含在两个极端竖直航迹之间，即包含在最小竖直航迹和最大竖直航迹之间。只要预测的稳定海拔高度与设定点稳定海拔高度之间的差的绝对值仍然大于海拔高度阈值，就反复执行步骤A/、B/和C/，在步骤A/期间，用前一次反复过程中所建立的优化航迹来代替理论竖直航迹。此外，关于模式M5，根据规划的竖直航迹和用于缝翼、襟翼和起落架的给定控制序列、以及给定的空气制动器位置和给定的发动机推力，设备I能够首先预测飞机的能量状况，这是借助于预测模块12进行的。并行地，相应的优化模块C5能够控制横向航迹的优化，从而能够调整飞机的能量曲线，尤其是为了使飞机恢复在稳定的进场上。此外，关于模式M6，根据用于缝翼、襟翼和起落架的给定控制序列、以及空气制动器和发动机的给定位置，设备I能够首先确定合适的能量变化以通过目标运行状态达到给定的能量会合，这是借助于预测模块12进行的。并行地，优化模块C6能够控制设定点速度，一种由自推进伺服控制的速度，这意味着所得到的飞机升阻比最终贡献于合适的能量变化，这种能量变化由预测模块12计算。因此，根据本发明的设备I具有多个优点。尤其是，它允许-自动地提供对一些能量控制装置(所有或部分的)的相干控制；-实时地通过合适的运行参数(速度、海拔高度等的指示)告知飞行员飞机的能量状态，无论是即时的还是未来的。未来的状态是在会合运行状态的给定点处的预测的状态；-实时地告知飞行员当前时刻或未来时刻所应用的控制以及它们对飞机的航迹和能量平衡的影响；-整体地减轻飞行员的驾驶负荷；以及-以给定的运行状态在空间的给定点处满足飞机会合，以(在特定情况下)提供进场飞机的稳定会合。
权利要求
1.一种用于在飞行器沿着预定航迹飞行时对飞行器进行优化的能量管理从而在给定的运行状态下到达所述航迹的给定点的方法，所述给定的运行状态由一组限制表征，在所述方法中，在所述飞行器沿着所述航迹飞行直至所述给定点的过程中，自动并且反复地执行以下的连续步骤序列 a)确定所述飞行器的参数的当前值； b)借助于至少一个预测模块(12)根据这些当前值以及预定模型来计算所述飞行器在所述点处的预测能量状态，并反复地根据所述预测能量状态，依据管理策略借助于至少一个优化模块(Cn)来确定飞行器能量控制装置(SI，S2，S3，S4, S5, S6)的优化控制命令，所述优化控制命令使得它们允许所述飞行器在所述给定的运行状态下到达所述给定点；以及 c)将如此确定的所述优化控制命令应用到所述飞行器能量控制装置(SI，S2，S3，S4，S5, S6)， 根据所述方法，提供了多种不同的模式，每个模式与特定的能量控制装置关联，根据在步骤b)中使用的管理策略，通过模式管理模块(11)来确定所述模式的优先级顺序，该优先级顺序允许选择使用的模式。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在步骤b)中使用的管理策略对应于选定策略，并且在选择缺失的情况下，对应于默认策略。
3.如权利要求I和2中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，能够使用以下管理策略中的至少一个 -噪声降低策略； -燃料消耗减少策略； -乘客舒适度管理策略； -最大效率策略； -目的地距离管理策略；和 -至少一个结合了至少两种前述策略的混合策略。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，在显示屏(19)上将如下信息呈现给所述飞行器的飞行员涉及所述能量控制装置的控制的信息。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于用于所述飞行器的缝翼和襟翼以及起落架的控制模式，在步骤b)中执行以下操作 al)通过所述预测模块(12)计算预测的能量曲线； a2)为此预测的能量曲线，计算能量误差； a3)如果所述能量误差不稳定，则反复地执行以下操作，这些操作是 计算所述控制命令在要达到的目标上的效率； 计算要对所述控制命令应用的修正量；和 更新所述控制命令； 然后返回到步骤al);以及 a4)如果所述能量误差稳定且被最小化，则获得了所追求的所述优化控制命令。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预测模块(12)通过针对沿着直到所述给定点的航迹的多个连续区段进行逐步计算而预测在所述给定点处的能量，每个区段对应于恒定空气动力学配置阶段或者对应于空气动力学配置过渡阶段，在任何区段结束时预测的参数被用作紧接着下一区段的初始参数；并且特征在于，所述优化模块(Cl)计算要对所述控制命令应用的修正量以便能够消除所述能量误差。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，考虑以下模式中的至少一些 -用于缝翼和襟翼的控制模式； -用于空气制动器的控制模式； -用于发动机的控制模式； -用于修改所述飞行器的规划的竖直航迹的装置的控制模式； -用于修改所述飞行器的规划的横向航迹的装置的控制模式；以及 -用于修改由自推进伺服控制的设定点速度的装置的控制模式。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，对于每种模式，提供了预测模块(12)和优化模块(Cn)，用于要应用到与所述模式关联的能量控制装置的控制命令，并且所述模块(12，Cn)在步骤b)中执行以确定所述优化控制命令。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述模型包括以下要素中的至少一些风模型，飞行器的性能模型，对与能量控制装置关联的致动器的动力学的指示，以及对操作限制的指示。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在能量控制装置发生故障的情况下，对未发生故障的能量控制装置执行重新配置。
11.一种用于在飞行器沿着航迹飞行时对飞行器进行优化的能量管理从而在给定的运行状态下到达所述航迹的给定点的设备，所述给定的运行状态由一组限制表征，所述设备(I)包括 -用于在所述飞行器沿着所述航迹飞行直至所述给定点的过程中确定所述飞行器的参数的当前值的装置⑵； -包括至少一个预测模块(12)和至少一个优化模块(Cn)的装置(5)，所述至少一个预测模块(12)根据这些当前值以及预定模型来计算在所述点处的预测能量状态，所述至少一个优化模块(Cn)反复地根据所述预测能量状态，依据管理策略来确定飞行器能量控制装置的优化控制命令，所述优化控制命令使得它们允许所述飞行器在所述给定的运行状态下到达所述给定点； -飞行器能量控制装置(SI，S2，S3，S4，S5，S6)，将如此确定的所述优化控制命令应用到所述飞行器能量控制装置(SI，S2，S3，S4，S5，S6)，提供了多种不同的模式，每个模式与特定的能量控制装置关联；以及 -模式管理模块(11)，其针对每种管理策略确定模式的优先级顺序，该优先级顺序允许选择要使用的模式。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备还包括显示装置(17)，用于在显示屏(19)上将如下信息呈现给所述飞行器的飞行员涉及所述能量控制装置的控制的信肩、O
13.如权利要求11和12中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括接口装置(4)，所述接口装置(4)允许操作者向所述设备(I)中输入数据。
14.一种飞行器，其特征在于，包括诸如权利要求11至13中任一项所述设备的设备⑴。
全文摘要
本发明涉及用于飞行器的能量的最优管理的方法以及设备。该设备包括用于如下目的的装置(5)根据预测能量状态并依据管理策略来反复地确定飞行器能量控制装置(S1，S2，S3，S4，S5，S6)的最优控制，所述最优控制允许飞行器在给定的运行状态下到达航迹的给定点。
文档编号G08G5/00GK102903262SQ20121033233
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者F·康斯坦, M·勒费布夫雷 申请人:空中客车运营简化股份公司