专利名称：轮胎压力增广的航空器称重平衡系统及方法
技术领域：
本发明一般地涉及交通工具称重平衡系统(weight and balancesystem)，并且更 具体而言，涉及用于精确地确定航空器的总重量的称重平衡系统及方法。 现代航空器配备有多种类别的传感器和仪器，以帮助航空器的运行。对于安全和 高效运行来说重要的几乎每个参数都实时精确地加以监测，除了一个值得注意的例外。对 于安全和高效运行来说都重要的总重量和纵向重心基于包括预定的"已知"值、测定值以及 基于统计样本的估值的混合的多个输入。载荷与配平单(Trim sheet)或舱单(Manifest) 是利用这些输入的载荷规划过程的结果。虽然对载荷规划过程高度地加以控制，但是存在 关于未检测到的误差的可能。另外，即使载荷计划是完美的，实际加载过程也可能会引入在 没有对航空器的"如加载情况"实时测量的情况下无法检测到的误差。再者，在加载过程期 间，后区可变得不成比例地重(由于较早在后部加载货物和/或行李)，从而导致航空器倾 斜(尾部朝下)，这可对机身造成损害。 根据国家航空航天实验室报告第NLR-TP-2007-153号，如果空勤人员可使用将进 行自动的机载称重平衡评估的系统，则可消除所确认的大多数(大于90%)称重平衡问题。
测量起落架结构的应变的当前的机载航空器称重平衡系统(WBS)历史上需要多 个精密传感器(通常每个轮位一个或多个)，从而产生对于较小的成本较低的航空器而言 昂贵且不实用的系统。另外，这些系统需要降落方面的特征或特殊的"附加"转接器以帮助 将传感器附连到起落架结构上，这使得这些系统的改型昂贵或不实用。因此，目前只有价值 非常高的大型宽机体的航空器才会使用这些系统。 还存在机载WBS的数个现有技术方案，其利用支柱(strut)压力测量以确定由航 空器的各个"腿"(支柱)所支撑的重量。这是引人注意的概念，因为对于各个起落架支柱 仅需要一个压力传感器(载荷理想地正好为压力乘以活塞面积)，并且这些传感器可附连 到现有的工作(servicing)端口上。但是，由于与移动的支柱活塞和包含支柱气体或液体 (或两者)的外部汽缸之间的密封件相关联的高的静摩擦或"静态阻力"(stiction)，这些 系统历史上是不精确的。为了克服这种静摩擦，已经采用了许多有创造性的方法。这些方 法包括用于调节支柱内的压力直到克服静摩擦为止的泵和阀的系统和/或加热器和阀的 系统。已经显示使用"智能算法"这些途径以显著地提高了系统的精度，但是，这些途径还 倾向于对系统添加重量和复杂性，以及引起附加的复杂的失效机理。 机载WBS的另一种潜在的途径是测量轮胎压力并且计算作为轮胎压力变化的函 数的由各个轮胎支撑的重量变化。这种途径是引人注意的，因为轮胎压力测量系统已经用 于许多航空器上(尽管不是用于此目的)。关于这种途径存在两个基本的问题；第一，当前 的轮胎压力测量系统不够精确；以及第二，在轮胎之间和对于相同施加的载荷(由轮胎支 撑的重量)在不同环境状态的情况下，轮胎压力可变化很大。关于测量精确性，因为轮胎压 力仅是由轮胎支撑的载荷的次级函数(secondary function)，所以轮胎压力对于满载的航
背景技术：
3空器仅改变约5% (大部分载荷变化导致轮胎痕迹(footprint)面积的变化，而不导致轮胎 压力的变化)。为此，压力测量必须是非常灵敏的(压力的5%等于载荷的100%，所以载 荷的1%等于压力的约0.05% )。对于大型航空器轮胎而言，这等同约O. 1PSIG的测量精 度。对于当前的精密压力传感器，这是可实现的，而对于典型地只用于航空器轮胎压力的那 些传感器是不可实现的。因此，通常需要改进精度的轮胎压力传感器。
关于环境变量，常规的轮胎工作压力(+/-5PSIG)的差异几乎等于由于加载引起 的压力变化的满范围，并且由于温度变化和小的未检测到的泄漏轮胎压力可随时间流逝变 化较大。除了这些因素之外，每磅载荷的压力还受轮胎特性(即，胎面和轮胎侧壁刚度等) 影响，并且这些特性可随着轮胎的寿命而改变。尽管可对这些变量中的一些进行特性化或 监测，但是与使用轮胎压力以确定由轮胎支撑的载荷相关联的残余变化是非常大的(与由 于加载引起的压力的总变化大约相同的量值(magnitude))，并且倾向于使该途径不实用否 则不可能。
发明内容
本发明实行使轮胎压力测量与支柱压力测量相结合，以克服与支柱密封件中的摩 擦相关联的问题，并且同时克服了与作为确定载荷(轮子上的重量)的手段的轮胎压力测 量相关联的大量变量的问题。 示例称重平衡系统包括产生关于航空器的起落架支柱的支柱压力数据的多个支 柱压力传感器和产生关于航空器的轮胎的轮胎压力数据的多个轮胎压力传感器。与支柱压 力传感器和轮胎压力传感器处于数据连通的处理装置基于所接收到的支柱压力数据和轮 胎压力数据来确定由各个支柱所承载的载荷、航空器的整个的总重量和重心。处理装置还 可确定在加载过程期间，航空器的后区是否变得不成比例地重(由于较早在后部加载货物 和/或行李)，并且可输出"逼近尾部倾斜"警告。可使用该警告来停止加载过程，并且阻止 航空器倾斜(尾部朝下)，否则倾斜可对机身造成损害。 在本发明的一个方面中，处理装置基于预定的压力步进(st印)变化曲线图 (profile)来确定支柱是否处于期望位置处，并且如果确定支柱处于期望位置处，则利用支 柱压力数据来调节接收到的轮胎压力数据。 在本发明的另一个方面中，如果确定支柱未处于期望位置处，则处理装置基于轮 胎压力数据来调节接收到的支柱压力数据。 在本发明的又一个方面中，处理装置使用接收到的且调节的载荷数据(支柱压力
数据和/或轮胎压力数据)以产生整个的总重量数据和/或重心数据。 在本发明的另一个方面中，在确定重量和/或重心之前，处理装置基于接收到的
温度信息对支柱压力数据和/或轮胎压力数据中的至少一个执行温度补偿。 在本发明的另一个方面中，处理装置使用测量的或接收到的纵向机身倾角(pitch
angle)数据以修正重心计算。 在本发明的再一个方面中，处理装置使用接收到的和调节的载荷数据(支柱压力 数据和/或轮胎压力数据)来产生和输出逼近尾部倾斜警告信号。
下面结合下列附图来对本发明的优选的和备选的实施例进行详细描述 图1是具有根据本发明的一种实施例形成的称重平衡系统(WBS)的航空器的透视图； 图2是用于图1中的航空器中的示例WBS的方框图。 图3是显示由图1和2中所示的WBS执行的示例过程的流程图。
具体实施例方式
本发明结合了这两种途径(支柱压力测量和轮胎压力测量)的长处，以便克服它 们单独的缺陷。当配备有精密传感器时，轮胎压力测量系统可在短的时间时期内检测所施 加的载荷的小变化。但是，在没有定期的周期性重新校准和/或附加的测量输入的情况下， 轮胎压力测量系统不能在存在如此多的变量的时候精确地确定绝对总载荷。另一方面，支 柱压力测量系统只有在没有(或很小)支撑位于支柱上的载荷的静摩擦时才是精确的(也 就是说压力是载荷的真实表现)。这种状态只对于在支柱活塞已经响应于由支柱所支撑的 载荷的显著变化(或者由于强制地改变支柱中的压力)而移动后的简短瞬间才是有效的。 换句话说，对于持续增加(或减小)的加载状态，支柱将逐步地移动，并且因此所指示的压 力测量也将逐步地移动。压力测量将无法精确地表示载荷，除了正好在支柱移动之后且在 已经施加显著的附加载荷之前的那些简短时间期间。但是，轮胎压力将随着载荷变化而持 续变化(为了使轮胎压力与支柱压力精确地相关，必须监测联接到给定的支柱上的所有轮 胎，或者必须在被监测的轮胎和支柱轮胎组之间建立相关性)。由于载荷增大(或减小)， 静摩擦将阻止支柱活塞移动(并且将不存在可测量的压力变化)，直到所施加的载荷克服 静摩擦为止，并且然后活塞将移动，从而造成支柱内的压力增大(或减小)。当支柱内的压 力乘以活塞的面积等于所施加的总载荷时，支柱活塞将停止移动，并且在简短时刻内，测量 的压力是所施加的载荷的真实表示(在过量冲击和不足冲击的动态极限内)。所以，即使在 未添加泵和阀的情况下，支柱压力测量系统也可在某些受限状态(即，在通过改变载荷而 克服静摩擦即刻之后)下对所支撑的载荷进行精确的测量。因此，在不强制改变压力的情 况下对支柱上的载荷周期性地进行精确测量是可能的。这可通过以下方式而实现，即，监测 支柱压力，确定支柱压力测量何时是精确的，以及在所施加的载荷正在改变且测量的支柱
压力不改变时的那些时间期间，以递增的方式(incrementally)确定所施加的载荷的变化 (由支柱密封件静摩擦消耗)的量值。 本发明通过将测量的支柱压力与不经受支柱密封件摩擦误差的第二载荷测量手 段(轮胎压力)加以比较来实现这一点。第二载荷测量仅需要精确得足以确定支柱压力何 时是精确的(基于支柱压力的步进变化)，以及确定载荷的递增变化(正的或负的)，直到 下一个压力步进变化出现为止。这可通过测量与支柱相关联的所有轮胎中的压力或者通过 测量与支柱相关联的所有轮胎的"代表样本"子集来实现。下段中所描述的一个实施例测 量各个支柱的所有轮胎中的压力。但是，将理解的是，这些技术同等地有效，只要测量了轮 胎压力的代表子集。 如图1中所示，本发明的实施例提供了一种适于新生产和改型应用、用于航空器 20的节省成本的称重平衡系统(WBS)。本发明利用由其它测量加以增广(augment)的起落 架(前端、主体等)24和26上的支柱压力测量以用于克服与支柱密封件摩擦相关联的问题。 在一个实施例中，如图2中所示，WBS 30包括支柱压力传感器34、轮胎压力传感器 36、处理装置38以及输出装置40或其它交通工具系统。支柱压力传感器34安装到前端、主 体或其它起落架24、26的支柱上。轮胎压力传感器36安装到起落架24、26的轮胎上。由 轮胎压力监测传感器36所产生的数据和由支柱压力监测传感器34所产生的数据发送到处 理装置38，并且由处理装置38加以处理。处理装置38提供克服关于支柱密封件摩擦的问 题的综合的解决方法。粗略地，取决于支柱静摩擦误差，仅支柱压力测量系统可实现在载荷 的约0. 5%和载荷的8. 0%之间的载荷测量精度。但是，轮胎压力增广的支柱压力测量系统 能够实现在全运行范围内的载荷的0.5%至1.0%。 一旦将支柱压力测量与轮胎压力测量 相关(基于实现期望的支柱状态)，是使用调节的支柱压力还是使用相关的(调节的)轮胎 压力来确定载荷几乎没有差别。但是，可能的情况是，优选这一个还是另一个。
处理装置38收集来自支柱压力传感器34和与各个支柱相关联的轮胎压力传感器 36的数据。传感器读数是温度补偿/校正的，以消除/最大程度地减小与温度变化相关联 的变化。在一个实施例中，温度校正的读数由相关算法(其由处理装置38执行)持续处 理，从而实时建立和更新这些测量之间的关系。在另一个实施例中，相关算法包括对于传感 器的信号中的任何一个或两者的变化率监测，从而使得变化值可与变化的载荷相关联。例 如，对于线性增长的载荷(例如给航空器20加燃料)的期望结果将是轮胎压力的线性增 长，但将导致支柱压力读数的步进变化(由于静摩擦)。支柱压力数据将滞后于实际载荷， 直到克服密封件摩擦为止，并且然后步进到或接近与实际载荷相关联的压力。对于卸载的 情况，效果是等效的，只是支柱压力指示载荷将高于实际载荷直到克服密封件摩擦为止。步 长是静摩擦和载荷变化的函数，并且将随着支柱密封件的寿命而改变。但是，对于给定的载 荷变化(超过静摩擦值)，步长从一个步进到下一步进将是相当恒定的，并且可通过比较与 各个连续步进相关联的压力读数来加以测量。通过对于相同时间间隔(步进)将压力步进 的量值与轮胎压力变化的量值加以比较，可在支柱压力变化和轮胎压力变化之间建立增益 相关性。另外，因为轮胎压力数据总是响应于加载变化而改变(即，其不经受支柱密封件静 摩擦)，所以可使用轮胎压力数据来确定支柱活塞何时已经移动(克服静摩擦)，以及因此 支柱压力何时是有效的(即，载荷的精确表示)。此刻，使用支柱压力来计算精确的载荷，并 且轮胎压力数据与支柱压力或所得载荷同步。 一旦这两个数据源同步，就使用轮胎压力数 据来持续地更新载荷，直到下一个支柱活塞步进为止。每当出现另外的支柱压力步进，则重 复增益相关和测量同步过程。该过程引起轮胎压力测量的自动且持续的重新校准，因为它 们与载荷相关，并且从而消除或最大程度地降低由于与仅轮胎压力载荷测量相关联的多个 误差源(即，标准充气压力变化、痕迹面积大小/形状、外轮胎(tire casing)特性等)所 引起的误差。另外，通过跟踪支柱压力步进的量值，和/或这些步进的量值的变化，可评价 支柱密封件的健康。 持续(S卩，每个测量循环)实行由轮胎压力得出的重量与由支柱压力得出的重量 的比较，以确定对于两个测量的同步(即，"合适"的预定压力步进变化)来说状态何时/是 否是正确的。该过程确保数据同步仅在支柱压力数据最精确的时候才出现。另外，每当存 在有效的数据指示支柱压力中的"合适"步进时，将对使轮胎压力测量的增益与支柱压力步 进的增益相关联的相关算法进行自动更新。 一定程度的不可重复性对于这种类型的精确测量来说是正常的，这会导致每当相关系数更新时相关系数的步进变化。期望这些影响对于系统来说较小且在误差预算内。但是，一些系统将可能需要平滑过滤器(对新得出的系数与其之前的值取平均值或按比例取平均值)，以最大程度地减小数据输出抖动。
图3示出了由图2的WBS 30所执行的过程60的示例。首先，在方框64处，在处理装置38处从支柱压力传感器34和轮胎压力传感器36中接收支柱压力信息和轮胎压力信息。然后，在方框66处，基于来自温度传感器(可选的且未显示)的温度信息，执行接收到的信息的温度补偿。在方框68处，存储补偿数据，以通过比较先前(或下一个)数据样本来帮助步进变化监测。在判定方框70处，过程确定数据组是否是第一组(即，加电初始化)，如果是的话，过程将返回到方框64并重复。在第二次经过(方框64至方68)时，并且在此之后，可使用所需数据以在方框72中计算轮胎压力和支柱压力数据的步进变化。该过程还比较两个数据组，并且将结果传递到判定方框74，该判定方框74确定支柱压力是否在用于同步(即，支柱载荷已经克服了静摩擦，并且压力已经步进了适当的量以用于具体的应用)的期望位置处。如果"是"，则在方框76中出现同步，否则过程将继续到判定方框78。如果同步(自从上一次加电初始化)在先前的测量循环中已经出现，过程将在方框80处继续，在该方框80处，计算起落架(支柱)重量。 一旦已经计算了每个起落架(支柱)重量，就可通过对起落架载荷和起落架力矩进行加总来计算总重量和重心。还可关于航空器机身倾角校正CG值，见方框82和84。如果轮胎压力载荷与支柱压力载荷同步还未出现(S卩，在方框78中载荷同步状态未激活)，则在方框86处的过程将返回以用于另外的过程循环，或者可选地，将继续进行方框80至84中的过程，但是将数据显示为"降级的精度"。
该示例过程图中所执行的步骤表示本发明的一种实现方式。应理解的是，本发明的具体应用可从同样由本发明的精神所包含的各种备选过程中获益，也就是支柱压力测量与轮胎压力测量的受控同步，以关于那些状态(即，在其中，这两个测量系统的单独的精度以别的方式可能是不确定的)获得持续精确的载荷测量。 如方框72和74中所示，处理装置38确定支柱压力是否在压力步进变化曲线图的期望位置处。如果答案为否，则直到符合状态为止系统才将同步或者重新同步。如果支柱压力在压力步进变化曲线图的期望位置处，则支柱压力精度是确定的，而且在方框76处，基于支柱压力信息来调节轮胎压力信息，并且建立和存储相关系数。使用该信息来计算起落架载荷，直到下一个同步出现为止。并且，在方框80处，使用该信息来计算用于计算精确的总重量和CG的精确的起落架载荷。 虽然已如上文所述对本发明的优选实施例进行了说明和描述，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下可做出许多修改。因此，本发明的范围未由优选实施例的公开所限制。相反，本发明应该完全参照所附权利要求来确定。
权利要求
一种用于通过确定由起落架支柱和/或多个支柱所支撑的重量来确定交通工具的总重量的方法，所述方法包括从位于所述交通工具(64)的起落架支柱上的支柱压力传感器中接收支柱压力数据；从位于所述交通工具(64)的轮胎处的轮胎压力传感器中接收轮胎压力数据；以及基于接收到的支柱和轮胎压力数据(68，70，72，74，76，78，80，82，84，86)来确定所述交通工具的总重量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定包括 基于预定压力步进变化曲线图(74)来确定所述支柱是否处于期望状态； 对于期望状态(80)从压力测量的一些或全部中产生起落架支柱载荷数据或交通工具总重量数据中的至少一个；以及当确定所述支柱处于期望状态(76)时，使所述接收到的轮胎压力数据与所述支柱压 力数据相关，以确定轮胎压力和支柱压力与施加的载荷的关系或轮胎压力和支柱压力与彼 此的关系中的至少一个。
3. —种称重平衡系统，包括构造成产生关于交通工具的起落架支柱的支柱压力数据的多个支柱压力传感器 (34);构造成产生关于所述交通工具的轮胎的轮胎压力数据的多个轮胎压力传感器(36);以及与所述支柱压力传感器和所述轮胎压力传感器处于数据连通的处理装置(38)，所述处 理装置构造成基于接收到的所述支柱压力数据和所述轮胎压力数据来确定所述交通工具 的总重量或重心中的至少一个。
全文摘要
本发明涉及轮胎压力增广的航空器称重平衡系统及方法，具体而言，一种用于精确地确定航空器的总重量的称重平衡系统。本发明将轮胎压力测量与支柱压力测量相结合，以克服与支柱密封件中的摩擦相关联的问题，并且同时克服了与作为确定载荷(轮子上的重量)的手段的轮胎压力测量相关联的大量变量的问题。示例系统包括产生关于航空器的起落架支柱的支柱压力数据的多个支柱压力传感器和产生关于航空器的轮胎的轮胎压力数据的多个轮胎压力传感器。与支柱压力传感器和轮胎压力传感器处于数据连通的处理装置基于所接收到的支柱压力数据和轮胎压力数据来确定航空器的总重量和重心。
文档编号G01G19/07GK101793547SQ20101000552
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月15日 优先权日2009年1月16日
发明者L·E·韦特施 申请人:霍尼韦尔国际公司