用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的系统和方法与流程

1.本公开涉及用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的系统和方法。


背景技术：

2.一般而言，当飞行器的操纵器件(诸如侧杆、减速板手柄、方向舵刹车脚蹬组件等)在全行程的任一位置卡阻后，该操纵器件的位置传感器将给出非预期的信号，这给飞行员进行控制带来不便且造成一定的飞行风险。
3.例如，在操纵器件是方向舵刹车脚蹬组件的情况下，当方向舵刹车脚蹬组件在全行程的任一位置卡阻后，正/副驾驶脚蹬单元的位置传感器将持续输出位置指令信号给飞控计算机，并使得方向舵作动器保持在与该位置指令信号相对应的位置上，这给飞行员进行偏航控制带来不便且存在一定风险。
4.本公开针对但不限于上述诸多因素进行了改进。
5.公开内容
6.为此，本公开提供了一种用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的系统和方法，其仅对操纵器件的机构和控制逻辑作微小改变，可行性高，更改成本低，收益大。
7.根据本公开的第一方面，提供了一种用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的方法，包括：接收与所述操纵器件相关联的力传感器信号、操纵器件位置传感器信号以及配平位置传感器信号；基于接收到的所述力传感器信号和所述操纵器件位置传感器信号来检测到所述操纵器件发生卡阻；以及抑制所述操纵器件位置传感器信号，并使用接收到的配平位置传感器信号来控制所述飞行器。
8.根据一实施例，所述操纵器件包括所述飞行器的侧杆、减速板手柄、方向舵刹车脚蹬组件中的至少一者。
9.根据另一实施例，基于接收到的所述力传感器信号和所述操纵器件位置传感器信号来检测到所述操纵器件发生卡阻包括：通过所述力传感器信号来得到施加在所述操纵器件上的实际力；通过所述操纵器件位置传感器信号来得到所述操纵器件在其全行程中的当前位置；通过所述操纵器件的力与位移映射来确定所述实际力和所述操纵器件的当前位置是否匹配；以及在所述实际力和所述操纵器件的当前位置不匹配的情况下，检测到所述操纵器件发生卡阻。
10.根据又一实施例，通过所述操纵器件的力与位移映射来确定所述实际力和所述操纵器件的当前位置是否匹配包括：通过所述操纵器件的力与位移映射来计算出与所述操纵器件的当前位置相对应的理论力；确定所述实际力和所述理论力的差值是否大于第一阈值；以及在确定所述实际力和所述理论力的差值大于第一阈值时，检测到所述操纵器件发生卡阻；或者
11.通过所述操纵器件的力与位移映射来计算出与所述实际力相对应的所述操纵器件的理论位置；确定所述操纵器件的当前位置与所述理论位置的偏差值是否大于第二阈值；以及在确定所述操纵器件的当前位置与所述理论位置的偏差值大于第二阈值时，检测
到所述操纵器件发生卡阻。
12.根据又一实施例，该方法还包括：在所述实际力和所述理论力的差值大于第一阈值达第一预定历时时或者在确定所述操纵器件的当前位置与所述理论位置的偏差值大于第二阈值达第二预定历时时，检测到所述操纵器件发生卡阻。
13.根据又一实施例，所述操纵器件的力与位移映射是根据所述配平位置传感器信号来选择的。
14.根据又一实施例，该方法还包括：在抑制所述操纵器件位置传感器信号时，提示所述飞行器的飞行员操作配平开关来通过配平电机产生所述配平位置传感器信号。
15.根据又一实施例，该方法还包括：在飞行员操作配平开关后，将通过所述配平位置传感器信号来控制的、与所述操纵器件相关的参数显示在机载显示器上。
16.根据又一实施例，使用接收到的配平位置传感器信号来控制所述飞行器包括：使用所述配平位置传感器信号经控制率计算来生成针对所述操纵器件的所要操纵的量的指令，以及将所述指令应用于与所述操纵器件相关联的作动器来操纵飞行器相应舵面，以控制所述飞行器。
17.根据本公开的第二方面，提供了一种用于减缓操纵器件的卡阻的配平组件，包括：配平电机，用于响应于飞行员的指令来操作以输出相应的配平位置；配平位置传感器，其与所述配平电机的输出轴相耦合以测量所述配平电机所输出的配平位置并产生相应的配平位置传感器信号；以及配平组件传动机构，其包括与所述配平电机的输出轴相耦合的单向传动机构，其中所述单向传动机构耦合到所述操纵器件以用于将所述配平电机输出的配平力传递到所述操纵器件，同时不将施加在所述操纵器件上的力传递到所述配平电机，其中所述配平位置传感器信号能被传送到飞控计算机，以供在所述操纵器件发生卡阻的情况下被用于控制所述飞行器。
18.根据一实施例，所述单向传动机构包括弹簧、穿过所述弹簧中心的中心轴、固定地附连到所述中心轴的第一弹簧挡块，支撑架，固定地附连到所述支撑架的第二弹簧挡块和扇形齿轮，所述中心轴穿过所述支撑架，使得所述第二弹簧挡块和所述扇形齿轮能绕所述中心轴旋转，
19.根据另一实施例，所述配平位置传感器通过所述扇形齿轮与所述配平电机的输出轴相耦合。
20.根据本公开的第三方面，提供了一种用于减缓操纵器件的卡阻的系统，包括：根据本公开的第二方面所述的配平组件，所述配平组件耦合到所述操纵器件；及飞控计算机，其被配置成执行根据本公开的第一方面所述的方法。
21.根据本公开的第四方面，提供了一种飞行器，包括：处理器；以及被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行根据本公开的第一方面所述的方法。
22.各方面一般包括如基本上在本文参照附图所描述并且如通过附图所解说的方法、装备、系统、计算机程序产品和处理系统。
23.前述内容已较宽泛地勾勒出根据本公开的示例的特征和技术优势以使下面的详细描述可以被更好地理解。附加的特征和优势将在此后描述。所公开的概念和具体示例可容易地被用作修改或设计用于实施与本公开相同的目的的其他结构的基础。此类等效构造
并不背离所附权利要求书的范围。本文所公开的概念的特性在其组织和操作方法两方面以及相关联的优势将因结合附图来考虑以下描述而被更好地理解。每一附图是出于解说和描述目的来提供的，且并不定义对权利要求的限定。
附图说明
24.为了能详细理解本公开的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本公开的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。不同附图中的相同附图标记可标识相同或相似的元素。
25.图1是根据本公开的一实施例的用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的示例方法的流程图；
26.图2是根据本公开的一实施例的用于减缓操纵器件的卡阻的配平组件的示意性框图；
27.图3是根据本公开的一实施例的用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的示例系统的示意性框图；
28.图4是图2的配平组件的传动机构的示意图；
29.图5是解说根据本公开的各方面的示例飞行器的示意图。
具体实施方式
30.以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文中所描述的概念的仅有的配置。本详细描述包括具体细节以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。
31.飞行器适航标准规定：必须用分析、试验或两者兼用来表明，在正常飞行包线内，发生飞行操纵系统和操纵面(包括配平、升力、阻力和感觉系统)的下列任何一种失效(包括卡阻)后，不要特殊的驾驶技巧或体力，飞机仍能继续安全飞行和着陆。可能出现的失效必须只产生微小的影响，而且必须是驾驶员能易于采取对策的。
32.为此，本公开提出一种用于减缓操纵器件卡阻的飞行控制系统和方法。当操纵器件卡阻时，飞行员可通过配平开关实现飞行控制，显著提高飞行器的安全性与可操纵性。本公开的系统和方法适用于侧杆、减速板手柄、方向舵刹车脚蹬组件等。
33.参考图1，其示出了一种用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的方法100。在框110，方法100可包括接收与操纵器件相关联的力传感器信号、操纵器件位置传感器信号以及配平位置传感器信号。
34.例如，在通过诸如飞行器的侧杆、减速板手柄和/或方向舵刹车脚蹬组件等操纵器件来操纵飞行器时，操纵器件将产生相关联的力传感器信号、操纵器件位置传感器信号，并且与该操纵器件相关联的配平组件也将产生配平位置传感器信号。进而，这些信号都可被飞控计算机接收以操纵飞行器。
35.一般而言，这些信号都是由与操纵器件、配平组件相关联的诸传感器来产生的。例如，操纵器件通常采用位置传感器来测量该操纵器件的位移，并将其转换成电信号来传递给飞控计算机，以供飞控计算机计算相应的控制指令来控制飞行器。举例而言，对于方向舵
刹车脚蹬组件而言，它采用脚蹬位置传感器来测量飞行员操纵方向舵脚蹬的位移，并将其转换成电信号传递给飞控计算机，以供飞控计算机将计算方向舵控制指令来控制方向舵并由此控制飞行器。在操纵器件的操作过程中，可能在其全行程的任一位置处发生卡阻。其他位置传感器、力传感器和/或任何其他类型的合适传感器也可被使用，在此不再赘述。
36.接着，在框120，方法100可包括基于接收到的力传感器信号和操纵器件位置传感器信号来检测到操纵器件发生卡阻。
37.具体而言，在本公开的一实施例中，检测到操纵器件发生卡阻可包括：通过力传感器信号来得到施加在操纵器件上的实际力；通过操纵器件位置传感器信号来得到操纵器件在其全行程中的当前位置；通过操纵器件的力与位移映射来确定实际力和操纵器件的当前位置是否匹配；以及在实际力和操纵器件的当前位置不匹配的情况下，检测到操纵器件发生卡阻。
38.在该实施例中，操纵器件的力与位移映射可以是预先确定并存储在机载存储器中的。例如，操纵器件的力与位移映射可以被拟合成操纵器件的力与位移曲线并被存储在机载存储器中。如此，可通过力与位移曲线来查找与实际力相对应的操纵器件位置和/或与操纵器件的当前位置相对应的力来确定实际力和操纵器件的当前位置是否匹配。
39.一般而言，操纵器件卡阻表现为飞行员逐渐加大所施加的力，但操纵器件的位置并未随着力的增大而改变。因此，进一步根据如上实施例，通过操纵器件的力与位移映射来确定实际力和操纵器件的当前位置是否匹配可包括：通过操纵器件的力与位移曲线来计算出与操纵器件的当前位置相对应的理论力；确定实际力和理论力的差值是否大于第一阈值；以及在确定实际力和理论力的差值大于第一阈值时检测到操纵器件发生卡阻。结合以上示例，与操纵器件的当前位置相对应的理论力可通过力与位移曲线来查找和/或计算出。
40.或者，通过操纵器件的力与位移映射来确定实际力和操纵器件的当前位置是否匹配也可包括：通过操纵器件的力与位移映射来计算出与实际力相对应的操纵器件的理论位置；确定操纵器件的当前位置与理论位置的偏差值是否大于第二阈值；以及在确定操纵器件的当前位置与理论位置的偏差值大于第二阈值时，检测到操纵器件发生卡阻。根据该实施例，第一阈值和第二阈值可以是任何合适的值，诸如第一阈值可以是理论力的10％，第二阈值可以是理论位置的8％，诸如此类。
41.本领域技术人员可以明白，尽管以上示例给出了通过拟合成力与位移曲线的力与位移映射来查找和/或计算理论力、理论位置，还可以使用任何其他合适的方式来作出这一计算。例如，力与位移映射可以是诸离散值的表单，而可以通过插值法、平均值等方式来确定与特定实际力、特定当前位置相对应的理论位置、理论力。举例而言，力与位移映射给出了10牛和20牛所定义的第一位移和第二位移，则在实际力是15牛的情况下，可以取第一位移和第二位移的中间值来作为与实际力相对应的位移(即，对应于操纵器件的当前位置)。
42.在本公开的又一实施例中，为了防止操纵器件的短时运行不畅所造成的“假卡阻”，方法100还可任选地包括仅在如下情况下才确定检测到操纵器件发生卡阻：实际力和理论力的差值大于第一阈值达第一预定历时(即，该差值持续存在达第一预定历时)，或者操纵器件的当前位置与理论位置的偏差值大于第二阈值达第二预定历时(即，该差值持续存在达第二预定历时)。将明白，第一预定历时和第二预定历时可以相同或不同并且可以是任何合适的值，例如两者都是1秒。
43.在本公开的又一实施例中，发明人认识到，操纵器件的力与位移映射是与配平位置(即配平位置传感器信号)相关联的，不同的配平位置可对应于不同的力与位移映射。因而，在检测操纵器件是否发生卡阻时，可首先基于配平位置来选择合适的力与位移映射，并随后使用所选择的力与位移映射来检测卡阻。由此，为检测操纵器件发生卡阻，方法100还可任选地包括根据配平位置传感器信号来选择操纵器件的力与位移映射，并且随后可通过所选择的力与位移映射来确定实际力和操纵器件的当前位置是否匹配来确定实际力和操纵器件的当前位置是否匹配。
44.最后，方法100可包括在框130，抑制操纵器件位置传感器信号并使用接收到的配平位置传感器信号来控制飞行器。
45.在此，在检测到操纵器件发生卡阻后，抑制操纵器件位置传感器信号，因为该信号已不能准确反映飞行员的操纵意图。随后，方法100可改为使用配平位置传感器信号来控制飞行器。例如，方法100可任选地包括提示飞行器的飞行员操作配平开关来通过配平电机产生配平位置传感器信号。
46.将明白，配平位置传感器信号可随着飞行员操作配平开关而变化，从而经变化的配平位置传感器信号将被用于控制飞行器。
47.进一步根据该实施例，在飞行员操作配平开关后，方法100还可包括将通过配平位置传感器信号来控制的、与操纵器件相关的参数显示在机载显示器上，从而可为飞行员提供对其所采取的操作的视觉反馈。
48.在又一实施例中，使用接收到的配平位置传感器信号来控制飞行器可包括：使用配平位置传感器信号经控制率计算来生成针对操纵器件的所要操纵的量的指令，以及将该指令应用于与操纵器件相关联的作动器来操纵飞行器相应舵面，以控制飞行器。
49.在本公开的又一实施例中，方法100还可对操纵器件位置传感器信号进行监控与表决，以确定信号的可用性和完整性。如果脚蹬位置传感器符合可用性和完整性要求，则其可被用于控制操纵器件；否则，方法100也可抑制操纵器件位置传感器信号，并改为使用配平位置传感器信号来控制操作器件。
50.参考图2，其示出了根据本公开的一实施例的用于减缓操纵器件的卡阻的配平组件200的示意性框图。
51.如图所示，配平组件200可包括配平电机201、配平位置传感器203以及配平组件传动机构205。当然，配平组件200还可包括用于与操纵器件相互作用的各种合适的传动、连接、耦合结构和元件，诸如各种耦合连杆、弹性元件等等，在此不再赘述。
52.在该实施例中，配平电机201响应于飞行员的指令来操作以输出相应的配平位置；配平位置传感器203与配平电机201的输出轴相耦合以测量配平电机201所输出的配平位置并产生相应的配平位置传感器信号；以及配平组件传动机构205包括与配平电机201的输出轴相耦合的单向传动机构，其中该单向传动机构耦合到操纵器件以用于将配平电机201输出的配平力传递到操纵器件，同时不将施加在操纵器件上的力传递到配平电机201。下面将结合图4来描述配平组件传动机构205的示例结构。
53.图4示出了图2的配平组件200的配平组件传动机构205的示意图。
54.如图所示，配平组件传动机构205可包括扇形齿轮402、弹簧上盖板403、弹簧下盖板404、支撑架405、中心轴406、摇臂407、弹簧上挡块408、弹簧下挡块409。在图4中，摇臂407
和弹簧上挡块408均与中心轴406固连，弹簧下挡块409和扇形齿轮402均与支撑架405固连。为清楚起见，还示出了配平位置传感器401，其耦合至配平组件传动结构205。
55.在未配平且人工操纵时，飞行员对操纵器件进行操作，从而通过操纵器件与配平组件之间的耦合连杆(未示出)来带动摇臂407旋转。由于弹簧上挡块408与摇臂407均与中心轴406固连，因此弹簧上挡块408将绕中心轴406旋转，从而推动弹簧上盖板403(或弹簧下盖板404)转动，弹簧下盖板404(或弹簧上盖板403)保持静止，使弹簧产生弹簧力，为飞行员提供感觉力。
56.在配平时，配平电机驱动扇形齿轮402使其绕中心轴406旋转，扇形齿轮402通过齿轮将运动传递给配平位置传感器401，使其产生配平位置信号。由于弹簧下挡块409和扇形齿轮402均与支撑架405固连，弹簧下挡块409将绕中心轴406旋转，从而推动弹簧下盖板404(或弹簧上盖板403)转动。在弹簧力的作用下，弹簧上盖板403(或弹簧下盖板404)将跟随弹簧下盖板404(或弹簧上盖板403)绕中心轴406转动，从而推动弹簧上挡块408绕中心轴406转动。由于弹簧上挡块408与摇臂407均与中心轴406固连，从而使摇臂407旋转，实现操纵器件的配平返驱运动。当操纵器件向左或向右配平至某一位置时，操纵器件的中立位将改变，相应的弹簧力曲线也进行变化。从而，操纵器件的力与位移映射是因配平位置而异的。
57.在本公开的又一实施例中，如上所述，配平位置传感器203所传送的配平位置传感器信号能被传送到飞控计算机，以供在操纵器件发生卡阻的情况下被用于控制飞行器。
58.图3是根据本公开的一实施例的用于减缓飞行器的操纵器件的卡阻的示例系统300的示意性框图。
59.如图所示，系统300可包括配平组件301(诸如图2所示的配平组件200)以及飞控计算机303。在该实施例中，配平组件301耦合到操纵器件(图3中未示出)，并且飞控计算机303可被配置成执行如上文相关于图1所描述的方法，从而减缓操纵器件的卡阻。
60.图5是解说根据本公开的各方面的示例飞行器500的示意图。
61.如图所示，飞行器500可包括处理器505以及存储器510。在一示例中，存储器510可被安排成存储计算机可执行指令515，该可执行指令在被执行时使处理器505执行如上文相关于图1所描述的方法，从而减缓操纵器件的卡阻。
62.下面以方向舵刹车脚蹬组件为例，给出本公开的方法和系统的一个具体示例。
63.在根据本公开的这一示例中，方向舵刹车脚蹬组件至少包括飞行器的正驾驶方向舵刹车脚蹬单元、副驾驶方向舵刹车脚蹬单元以及人工配平组件。正/副驾驶方向舵刹车脚蹬单元通过耦合连杆进行连接以保持机械联动，人工配平组件可单独安装于一个模块中，通过耦合连杆与正/副驾驶方向舵刹车脚蹬单元连接，也可以是分开安装于正/副驾驶方向舵刹车脚蹬单元中的两个模块。
64.根据该示例，方向舵刹车脚蹬组件可包括脚蹬位置传感器，用以测量飞行员操纵方向舵脚蹬的位移，并将其转换为电信号传递给飞控计算机，飞控计算机将使用该信号来计算方向舵控制指令以控制方向舵。
65.进一步根据该示例，方向舵刹车脚蹬组件还可包括力感传感器，且力感传感器与跟随脚蹬运动的连杆相连接。例如，力感传感器可在一端与用于方向舵控制位置传感器连接的连杆相连接，并在另一端与脚蹬架连接，以保证力传感器测量值随脚蹬位移而变化。
66.进一步根据该示例，人工配平组件可至少包括人工配平电机、配平位置传感器以
及弹性元件(例如，弹簧)。弹性元件可分别与人工配平电机的输出轴以及正/副驾驶脚蹬组件单元耦合连杆相连接。由此，当方向舵人工配平电机驱动弹性元件旋转时，弹性元件的弹力将带动正/副驾驶方向舵刹车脚蹬单元进行返驱；当飞行员操纵脚蹬时，耦合连杆带动弹性元件旋转，从而为飞行员提供感觉力。在该示例中，方向舵配平位置传感器可与方向舵配平电机输出轴相连接以测量脚蹬配平位置。
67.在执行根据本公开的方法时，方向舵刹车脚蹬组件将产生力传感器信号、脚蹬位置传感器信号和配平位置传感器信号。这些信号由飞控计算机接收，并通过脚蹬的力与位移曲线(在一示例中，力与位移曲线将因配平位置的不同而不同)获得脚蹬当前位置所对应的感觉力理论值。随后，力传感器的实际测量值与感觉力理论值进行比较，并且若两者差值大于力阈值(例如理论值的10％)并持续超过时间阈值(诸如1s)，则认为发生卡阻并抑制脚蹬位置传感器信号。随后，飞控计算机采用配平位置传感器信号来计算舵面指令并提示飞行员发生卡阻。进而，飞行员可旋转方向舵人工配平开关，使人工配平电机输出轴旋转产生新的配平位置传感器信号。飞控计算机可接收新的配平位置传感器信号，经控制率计算后生成舵面偏转指令，且随后方向舵作动器接收该指令以进行偏航。在这一过程中，飞行器的航电系统可为机组人员提供以下显示告警：a)当飞控计算机抑制脚蹬位置传感器信号时，向机组人员提供脚蹬操纵无效，需使用配平开关偏航控制的机组告警指令；b)当飞行员进行方向舵人工配平时，显示方向舵人工配平脚蹬返驱角度；c)显示方向舵偏转角度。
68.以上具体实施方式包括对附图的引用，附图形成具体实施方式的部分。附图通过说明来示出可实践的特定实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。此类示例可以包括除所示或所述的那些元件以外的元件。然而，还构想了包括所示或所述元件的示例。此外，还构想出的是使用所示或所述的那些元件的任何组合或排列的示例，或参照本文中示出或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或参照本文中示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。
69.在所附权利要求书中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，在权利要求中除此类术语之后列举的那些元件之外的元件的系统、设备、制品或过程仍被视为落在那项权利要求的范围内。此外，在所附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标记，并且不旨在表明对它们的对象的数字顺序。
70.另外，本说明书中所解说的各操作的次序是示例性的。在替换实施例中，各操作可以按与附图所示的不同次序执行，且各操作可以合并成单个操作或拆分成更多操作。
71.以上描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如，可结合其他实施例来使用以上描述的示例(或者其一个或多个方面)。可诸如由本领域普通技术人员在审阅以上描述之后来使用其他实施例。摘要允许读者快速地确定本技术公开的性质。提交该摘要，并且理解该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，各种特征可以共同成组以使本公开流畅。然而，权利要求可以不陈述本文中公开的每一特征，因为实施例可以表征所述特征的子集。此外，实施例可以包括比特定示例中公开的特征更少的特征。因此，所附权利要求书由此被结合到具体实施方式中，一项权利要求作为单独的实施例而独立存在。本文中公开的实施例的范围应当参照所附权利要求书以及此类权利要求所赋予权利的等价方案的完整范围来确定。