失速状态的飞行器的辅助驾驶的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种包括在俯仰标尺（23）上的最大许用迎角的视觉表示（33）的直观显示，从而给予飞行器的乘务员即将进入失速或失速的视觉识别，以及在失速期间实际地辅助驾驶，直到飞行器已经完全脱离失速为止。
【专利说明】失速状态的飞行器的辅助驾驶
【技术领域】
[0001]本发明涉及辅助驾驶飞行器的机载方法和系统的领域、更具体地涉及警告乘务员即将进入失速并且辅助他们控制飞行器的机载方法和系统的领域。
【背景技术】
[0002]失速包括飞行器的升力的突然损失，这种突然损失可能是由于在机翼的弦线与飞行器的速度矢量之间的非常大的迎角(或攻角)引起的。更具体地，当俯仰角增大时，则迎角增大、升力增大并且流过机翼的顶部表面的流动开始在后缘的区域分离。当迎角到达取决于机翼特性的临界值(被称作失速值)时，则气流分离可能会出现在机翼的顶部表面上，这导致升力的损失。
[0003]每个机翼通常具有用于测量迎角的当前值的传感器(例如，定位在机翼的边缘上的榫舌)。测量被传送至仪表盘上的给出迎角的当前值的指针。
[0004]此外，当迎角开始接近失速值时，迎角测量传感器启动视觉和/或听觉和/或触觉(杆振动)类型的舱室警报。飞行员然后推动杆以恢复低于失速值的迎角。
[0005]各种警报因此能够使乘务员补救该状态以使飞行器不会失速。然而，这些警报没有为驾驶提供辅助以便于飞行器的控制的重新确立。
[0006]此外，乘务员不具有能够使他们在需要时完全地增大升力而不超出失速迎角的精确指示。
[0007]本发明的目的是提出一种用于辅助驾驶的简单、直观且精确的系统和方法，以弥补上述缺陷，并且特别地为乘务员提供容易理解的视觉检测装置以便不进入失速，并且提供用于辅助驾驶以控制处于失速状态下的飞行器的真实系统。
【发明内容】
[0008]本发明通过一种用于辅助飞行器的驾驶的方法进行限定，根据该方法，代表当前飞行轨迹矢量的轨迹指针和指示当前俯仰角的值的俯仰指针在显示屏的俯仰标尺上示出，其中该方法包括下列步骤:
[0009]-根据一组飞行参数和飞行器配置来确定代表最大许用迎角的俯仰角极限值，以及
[0010]-将指示俯仰角极限值的最大迎角指针显示在显示屏的所述俯仰标尺上。
[0011]该方法能够使飞行员快速地和视觉地检测失速即将或正在开始，并且能够使飞行员相关于俯仰角来直接地控制飞行器，以变脱离失速并且在不会有任何第二次失速的情况下准确地重新确立海拔。
[0012]根据本发明的特定实施方式，最大迎角指针和轨迹指针分别形成代表飞行器的正常飞行的动态安全包线(dynamic safety envelope)的上限和下限。
[0013]动态包线因此提供了容易理解的视觉安全界限。更具体地，假如俯仰指针位于包线内，则飞行员可以确定飞行器处于正常的飞行中，并且如果俯仰指针接近包线的上限，则飞行员能快速地检测到即将进入失速。此外，动态包线使飞行员能够从失速状态出来，同时最大程度地利用俯仰安全界限，以在不超出最大迎角的情况下准确地恢复初始海拔。
[0014]动态包线相对于俯仰标尺的相对位置和/或范围随着飞行参数(包括马赫数和俯仰角速度)的改变以及飞行器配置的改变而改变。
[0015]这允许实时检测出即将进入失速状态。
[0016]作为示例，所述动态包线是上边和下边分别由最大迎角指针和轨迹指针形成的矩形，因此给予飞行员简单和直观的视觉检测手段。
[0017]应当注意的是，在正常飞行情况下，所述最大迎角指针或所述动态包线有利地根据飞行员的要求而显示。这给予飞行员自由度来选择显示动态包线或者不选择显示动态包线，以便不使显示屏过载。
[0018]飞行器一进入失速，所述最大迎角指针或所述动态包线就有利地被自动地显示。这使得即使在动态包线还没有被飞行员预先选择的情况下也能够警告飞行员即将进入失速。此外，在飞行器已经脱离失速之后，所述最大迎角指针或所述动态包线的显示仍继续，直到飞行员消除这种显示为止。
[0019]所述最大迎角指针或所述动态包线的显示有利地使用不同的颜色示出，不同的颜色包括代表正常飞行状态的第一颜色、代表即将进入失速状态的第二颜色、以及代表失速的第三颜色。这能够使飞行员在即将进入失速、失速状态和脱离失速状态之间进行快速且直观地区分。
[0020]有利地，失速伴随着方向箭头的显示，该方向箭头沿从俯仰指针朝向所述动态包线的内部的方向指向。这有助于通过指示飞行员应当减小俯仰角来使其返回由动态包线限定的安全界限内而使飞行员恢复对飞行器的控制。
[0021]有利地，该方法包括显示翻滚控制信号以在飞行器脱离失速之后、或当飞行器不处于失速时重新确立飞行器的横向稳定性。
[0022]如果俯仰指针已经位于动态包线内，这能够使飞行员在其翻滚操作中被引导。
[0023]翻滚控制信号可以有利地包括以不同颜色和/或尺寸和/或闪光的方式示出的箭头，取决于返回至水平飞行的操作是否沿正确或不正确的方向完成。更具体地，这能够在返回至水平飞行的操作沿不正确的方向进行的情况下吸引飞行员的注意力。
[0024]有利地，该方法包括在常规速度指示器发生故障的情况下在显示屏上显示替代速度标尺。
[0025]本发明还涉及一种用于辅助飞行器的驾驶的系统，包括示出俯仰标尺的显示屏，代表当前的飞行轨迹矢量的轨迹指针以及指示当前的俯仰角的值的俯仰指针，该系统包括:
[0026]-用于根据一组飞行参数和飞行器配置来确定代表最大许用迎角的俯仰角极限值的计算装置，以及
[0027]-用于将指示俯仰角极限值的最大迎角指针在显示屏的所述俯仰标尺上显示的计
算装置。
[0028]本发明还涉及一种包括根据上述特征的辅助驾驶的系统的飞行器。
【专利附图】
【附图说明】[0029]图1示意性地示出了根据本发明的用于辅助飞行器的驾驶的机载系统；
[0030]图2A-图2H示意性地示出了在图1的系统的显示屏上的在不同的飞行状态下的动态包线的显示；
[0031]图3A-图3C示意性地示出了根据本发明的、在翻滚运动方面引导乘务员的翻滚控制信号在显示屏上的显示；以及
[0032]图4示意性地示出了根据本发明的BUSS的显示屏上的显示。
【具体实施方式】
[0033]图1示意性地示出了根据本发明的用于辅助飞行器的驾驶的机载系统。应当注意的是，该图也是根据本发明的用于辅助驾驶的方法的视图。
[0034]用于辅助驾驶的机载系统I包括采集装置3、处理装置5和接口装置7。
[0035]采集装置3构造成从一组传感器和/或飞行器控制计算机9采集相关于飞行器的一组飞行参数和配置的测量或数据。例如，这组飞行参数包括飞行器相对于空气的速度、马赫数、飞行器质量、空气密度、载荷系数、升力梯度、迎角等等，同时飞行器的配置例如包括襟翼或其他飞行控制装置的位置。
[0036]处理装置5使用通过采集装置3采集的数据以常规的方式确定翻滚角和俯仰角、飞行器的速度矢量、以及用于乘务员的其他使用数据。
[0037]采集装置3和处理装置5经由连接装置11连接至接口装置7，所述接口装置包括已经设置在飞行器的甲板上的TOF (Pilot Flight Display，驾驶飞行显示)类型的驾驶指示器或屏幕13。
[0038]在PDF的显示屏15上，总体上显示出了飞行器相对于陀螺地平仪的姿态或配平。传统的显示装置包括通过陀螺地平仪线21隔开的上部17和下部19。上部17总体上为蓝色以代表天空，另外的部分19为棕色以代表大地。地平线21也用作相关于存在于显示屏的周界上的翻滚梯度(未示出)的翻滚角指示器。
[0039]显示屏15上的显示还包括在地平线21的每一侧上的形成俯仰标尺23的梯度23，连同指示当前的俯仰角的值的指针25。俯仰指针25总体上包括用作指示俯仰角度的指针的、在中央元件25c的每侧上的第一和第二 L形元件25a、25b。显示装置还包括在俯仰标尺23上测量当前飞行轨迹矢量相对于地平线21的方向的轨迹指针27。轨迹指针27总体上具有非常简化的飞行器模型的形式。
[0040]根据本发明，用于辅助驾驶的系统I包括用于确定代表最大许用迎角的俯仰角极限值的计算装置31。此外，显示屏15上的显示包括最大迎角指针33，该最大迎角指针33在俯仰标尺15上指示俯仰角极限值，高于俯仰角极限值则飞行器开始失速。
[0041]在本发明的一个优选实施方式中，计算装置31、采集装置3和处理装置5被编组成飞行器的机载计算机(未表示)中的单一的中央处理单元35。在这种情况下，计算装置31可以由记录在计算机的存储器中以由计算机的中央单元35使用的算法模块构成。更具体地说，当中央处理单元35执行计算机程序时，计算机的存储器可以包括计算机程序，该计算机程序包括与算法模块对应的代码指令，以用于当该计算机程序被中央处理单元35执行时来使用根据本发明的方法。
[0042]因此根据本发明的用以辅助驾驶的系统或方法是可升级的，并可以容易地安装在现有的飞行器中，从而提供了一种低成本的可行的解决方案。
[0043]该算法模块(或计算装置31)使用了对飞行器的升力建模的模块，该模块预先记录在计算机的存储器中，以便特别是根据高升力装置(前缘缝翼、襟翼等等)的位置、飞行器的质量、飞行器相对于空气的速度或马赫数，以已知的方式确定最大许用迎角。要指出的是，最大许用迎角也可以用于其他已知的驾驶或飞行控制的应用。
[0044]此外，算法模块(或计算装置31)通过计算最大许用迎角的值与由迎角传感器(未示出)测量的迎角的当前值之间的差异来确定迎角的界限。这种差异然后根据俯仰角和标尺来表达以限定相对于当前俯仰角值的俯仰角极限值。俯仰角极限值因此是实时确定的，记住的是其随着飞行器不同的参数和配置的改变而改变。
[0045]要指出的是，在正常飞行中以及对于整个正常飞行，乘务员可以在任何时间选择是否显示最大迎角指针33。然而，只要飞行器开始进入失速，该指针33就自动地显示，并且甚至在正常飞行已经被重建以后仍保持，直到其在适当时被飞行员解除。
[0046]此外，根据飞行器是否处于正常飞行状态、即将失速的状态、或失速状态中，最大迎角指针33和轨迹指针27可以显示成不同的颜色，由此使飞行员能够在不同状态之间快速和直观地区分。
[0047]最大迎角指针33和轨迹指针27分别有利地形成代表飞行器的正常飞行的动态安全包线37 (见图2A)的上限和下限。动态包线因此提供当前的俯仰角与俯仰角极限值之间的安全界限。该可视的安全界限容易理解，并且表示乘务员可获得的操纵包线以保持正常飞行模式而不进入失速。如同最大迎角角度指针33—样，飞行员可以决定显示动态包线37。动态包线37在失速的情况下自动显示。
[0048]图2A-图2H示出了根据本发明的动态包线在不同的飞行状态下的显示。
[0049]根据这些示例，动态包线37的形状是矩形。矩形的上侧边和下侧边分别通过最大迎角指针33和轨迹指针27形成，并且矩形的侧边使这两个指针之间的关系能够被示出。当然，矩形的(即动态包线37的)相对于俯仰标尺23的相对位置和/或范围随着飞行器的飞行参数(速度、马赫数、俯仰角速度，等等)和配置(襟翼、前缘缝翼等的位置)的改变而实时改变。
[0050]此外，动态包线37有利地显示为不同的颜色，包括代表正常飞行情况的第一颜色(例如绿色)、代表即将失速的情况的第二颜色(例如黄色或琥珀色)以及代表失速的第三颜色(例如红色)。要指出的是，动态包线37的即将失速或开始失速的表示与在这些情况下通常给出的听觉或触觉警报一起进行。
[0051]图2A的示例示出了这种情况:飞行器处于正常飞行的状态并且飞行员已经选择显示动态包线37。更具体地说，在这个示例中，矩形的下侧边(即轨迹指针27)在地平线21上方，表明飞行器正在爬升。此外，俯仰指针25 (或者，更准确地说是其中央元件25C)实际上位于动态的矩形37 (表示成绿色)内，并且飞行员因此具有良好的界限以在不超出矩形37的情况下增加俯仰角。此外，俯仰指针25的第一和第二元件25a、25b的水平部分平行于地平线21，表明翻滚角为零。
[0052]图2B示出了这样的情况:飞行器开始进入失速且动态包线37自动地显示。在这个示例中，俯仰指针25接近动态矩形37的上侧边33。在这种情况下迎角接近临界值，从而使飞行员在视觉(表示成黄色的动态矩形37)和听觉上得到警报，他们应该返回到正常的飞行状态。
[0053]图2C示出了飞行器已经失速的情况。该示例示出俯仰指针25 (元件25C)已经超出到动态矩形37的外侧，因此，该迎角超出最大迎角。此外，飞行器处于低海拔，这通过矩形(即轨迹指针27)的下侧边低于地平线21的事实示出。然后在声觉、触觉和视觉上更强烈地对飞行员发出警报。视觉警报采用改变动态矩形37的颜色(变成红色)的方式，以及还通过显示沿从俯仰指针25指向动态包线37内部的方向的方向箭头39，促使飞行员遵循习惯的程序，并且特别是减小迎角以使俯仰指针(元件25C)返回到矩形37内。视觉警报还可能包括词语“失速”的闪光信号41，以更有力地吸引飞行员的注意力。
[0054]在图2D的情况下，飞行器处于失速中，具有距离对应于正常飞行的动态矩形37非常远的非常高的迎角，此外，该矩形(即轨迹指针27)的下侧边恰好低于地平线21。声觉、触觉和视觉的警报保持显示指向动态矩形37的若干箭头39a、39b、39c，促使飞行员仍然可以更确定地首先降低迎角以脱离失速，然后施加更多的动力来提高速度和减少海拔的下降。
[0055]在图2E情况中，飞行器已经从失速状态脱离，俯仰指针25的元件25C恰好处于动态矩形37内，其再次被表示成绿色，除非飞行器的海拔较低。然而，飞行员具有良好的俯仰角界限，以使飞行器在不离开动态矩形37的情况下再次爬升。
[0056]因此，在图2F的情况中，为了恢复飞行器的海拔，俯仰角已经增加，同时将俯仰指针25的元件25C保持在动态矩形37中，但刚好处于矩形37的上侧边33的下方。这使俯仰角界限在其最完整的范围中被使用，同时确保不出现第二次失速。当然，由于俯仰指针25变得靠近动态矩形37的上侧边33的事实，矩形37的颜色又变成了黄色，以警告驾驶员不超过最大迎角。
[0057]在图2G的情况中，飞行器的海拔已经重新确立并且矩形(即轨迹指针27)的下侧边位于地平线21上方。然而，动态矩形37的颜色保持黄色，这是由于俯仰指针仍然靠近矩形37 (即最大迎角指针33)的上侧边。
[0058]最后，在图2H中，动态矩形37的颜色又变绿，这是因为俯仰指针25的中央元件25c恰好处于矩形37内并且飞行器返回到正常的飞行状态。动态包线37的显示甚至在飞行器已经脱离失速之后仍持续，直到其被飞行员解除。
[0059]动态包线37的相对位置——首先相对于俯仰指针25，其次相对于地平线21——从而使最佳的性能以简单的方式实现，以脱离失速和在不再次失速的情况下恢复海拔，同时保持对当前飞行阶段而言适当的速度。
[0060]在脱离失速之后，有利地，用于辅助驾驶的系统I包括显示翻滚控制信号以重新确立飞行器的横向稳定性。
[0061]实际上，图3A-图3C示出了根据本发明显示的翻滚控制信号，以在翻滚运动中引导乘务员。
[0062]翻滚控制信号有利地包括以不同颜色和/或尺寸示出的、并且可以闪光的箭头41a、41b，这取决于返回至水平飞行的操作是否沿正确或不正确的方向完成。
[0063]在该情形下，意图给予飞行员清楚和准确的指示以引导他在飞行器已经脱离失速之后沿正确方向朝向陀螺水平仪21进行翻滚运动。换句话说，在飞行器处于失速中或者即将进入失速时，翻滚控制信号没有被显示，但是相反，在飞行器已经脱离这些失速状态之后(即，当俯仰指针25c位于动态包线37内时)自动地显示翻滚控制信号。此外，在飞行器已经脱离失速之后，也可以显示翻滚控制信号以重新确立飞行器的横向稳定。
[0064]图3A示出了这样的情形:飞行器已经脱离失速，但俯仰指针25的第一和第二元件25a、25b的水平部分不平行于地平线21的情形。翻滚控制信号然后在此时自动地显示以辅助飞行员沿正确方向进行翻滚运动。特别地，两个箭头41a、41b在俯仰指针25的第一和第二元件25a、25b的区域中显示。实际上，第一和第二箭头41a、41b分别沿相反的方向在俯仰指针25的第一和第二元件25a、25b的水平部分中施加，因此表示围绕指针25的中央元件25c的旋转扭矩。此外，翻滚控制信号还可以包括词语“翻滚至水平”的闪光信号43。两个箭头41a、41b和闪光信号43开始表示成黄色以吸引飞行员的注意力。
[0065]图3B示出了这样的情形:当由飞行员采取的动作与翻滚控制信号一致时，第一和第二箭头41a、41b的颜色又变绿，以鼓励飞行员的动作，向其指示翻滚运动在正确的方向中发生。
[0066]相反，图3c示出了这样的情形:当飞行员初始完成的翻滚运动沿不正确的方向时，第一和第二箭头41a、41b的尺寸增大以吸引飞行员的注意力，以便于飞行员纠正其动作。此外，如果飞行员持续沿不正确的方向行进，则箭头41a、41b开始闪光并且变红，以进一步吸引飞行员的注意力。
[0067]此外，有利地，用于辅助驾驶的系统I包括显示“BUSS”(备用速度标尺)。
[0068]事实上，图4示出了根据本发明在显示屏上显示BUSS。
[0069]因此，在常规速度指针(未示出)发生故障或数据错误的情形下，有色标尺条45显示在与动态矩形37相同的位置中。在该情形下，轨迹指针27用于读取代表飞行器的速度的颜色。
[0070]事实上，颜色标尺条45用于通过从由非常鲁棒的迎角传感器测量的迎角确定的有色标尺来代替正常速度标尺。有色速度标尺条45例如具有与动态矩形37相同的宽度，并且包括代表代表飞行器的正常速度的绿色中央区域45a，以黄色警示颜色的第一上部区域45b和下部区域45c为边界，所述第一上部区域和下部区域随之以代表非正常速度的红色的第二上部和下部区域(未示出)为边界。有色速度条45因此促进飞行员保持在绿色中央区域45a内以完全安全地飞行。
【权利要求】
1.一种用于辅助驾驶飞行器的方法，根据所述方法，在显示屏(15)的俯仰标尺(23)上示出代表当前飞行轨迹矢量的轨迹指针(27)和指示当前俯仰角的值的俯仰指针(25)，其特征在于，所述方法包括下列步骤: -根据一组飞行参数和飞行器配置来确定代表最大许用迎角的俯仰角极限值，以及 -将指示所述俯仰角极限值的最大迎角指针(33)显示在所述显示屏(15)的所述俯仰标尺(23)上，其中所述最大迎角指针(33)和轨迹指针(27)分别形成代表所述飞行器的正常飞行的动态安全包线(37)的上限和下限。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态包线(37)相对于所述俯仰标尺(23)的相对位置和/或范围随着所述飞行参数和所述飞行器配置的改变而改变。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述飞行参数包括马赫数和俯仰角速度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，一旦所述飞行器出现失速，所述最大迎角指针(33)或所述动态包线(37)就被自动地显示。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，在正常飞行中，所述最大迎角指针(33 )或所述动态包线(37 )是根据飞行员的要求而显示的。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述最大迎角指针(33)或所述动态包线(37)的显示是使用不同的颜色示出的，所述不同的颜色包括代表正常飞行状态的第一颜色、代表即将发生失速的状态的第二颜色、以及代表失速的第三颜色。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述失速伴随有显示方向箭头(39)，所述方向箭头沿着从所述俯仰指针(25 )朝向所述动态包线(37 )的内部的方向指向。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在脱离所述失速之后，仍保持显示所述最大迎角指针(33)或所述动态包线(37)，直到所述飞行员确定不再显示所述最大迎角指针或所述动态包线为止。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括显示翻滚控制信号(41a、41b)，以在所述飞行器脱离所述失速之后或当所述飞行器不处于失速时重新确立所述飞行器的横向稳定性。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括:在常规速度指示器发生故障的情况下，在所述显示屏上显示替代速度标尺(43)。
11.一种用于辅助驾驶飞行器的系统，包括示出俯仰标尺(23)的显示屏(15)，其中，轨迹指针(27)代表当前飞行轨迹矢量，且俯仰指针(25)指示当前俯仰角的值，其特征在于，所述系统包括: -用于根据一组飞行参数和飞行器配置来确定代表最大许用迎角的俯仰角极限值的计算装置(31)，以及 -用于将指示所述俯仰角极限值的最大迎角指针(33)显示在所述显示屏(15)的所述俯仰标尺(23)上的计算装置(31)，其中所述最大迎角指针(33)和轨迹指针(27)分别形成代表所述飞行器的正常飞行的动态安全包线(37)的上限和下限。
12.—种飞行器，包括根据权利要求11所述的辅助驾驶的系统。
【文档编号】B64D43/00GK103847971SQ201310637048
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】哈里·尼尔森 申请人:空中客车股份有限公司