专利名称：用于控制加油锥套的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般涉及空中加油，更具体地涉及用于控制加油锥套的方法和设备。
背景技术：
空中加油或空中燃料补给包括将燃料从诸如空中加油飞机的一架飞机输送至诸 如受油飞机的另一飞机。例如，可利用空中加油，以便扩展飞机在没有可行的着陆点或加油 点的区域上长距离行进的范围。空中加油可为各种类型的飞机所利用，包括例如固定翼飞 机和/或直升飞机。便于空中加油的一种系统是探管锥套式空中加油系统。在探管锥套式空中加油系 统中，空中加油飞机可伸出细长挠性软管，细长挠性软管具有附连至其远端的锥套，同时具 有从受油飞机延伸的加油探管的受油飞机接近该空中加油飞机。加油探管配置成在飞行时 接合锥套，以便开始燃料的输送。通常，加油探管从其延伸的受油飞机的操作者负责操纵受 油飞机，使得加油探管进入并接合锥套。遗憾的是，锥套的运动可使加油探管与锥套的接合成为挑战性的任务。除了作用 在锥套上的其他力之外，由承载加油探管的受油飞机产生的涡流可使锥套移位。另外，阵风 等也可使锥套相对于加油探管移位。加油锥管的这种意外和不可预知的运动增加空中加油 操作的复杂性。同样地，空中加油所需的时间可以增加，从而潜在地降低总体的任务效率。 此外，锥套的运动可能损坏软管和锥套组件和/或承载加油探管的受油飞机。为了与锥套接触并避免锥套的一些运动，承载加油探管的受油飞机的飞行员有时 可以以相对高的速度拦截锥套。尽管在较高速率的锥套拦截可克服由锥管的运动所引入的 一些复杂情况，但较高速率的锥套拦截可产生软管摆动，这可不利地影响软管的整体性以 及因此影响燃料的输送。为了减少锥套的运动，锥套已经被设计成具有无源干扰抑制，诸如借助于锥套伞 罩设计。在这方面，可为不同的空气速度范围设计具有稍微不同的无源干扰抑制系统的锥 套。此外，可将锥套的无源干扰抑制与有源张力控制结合，以便进一步减少锥套的运动。然 而，具有无源干扰抑制的锥套仍可以以意外且不可预知的方式比预期的运动更多。例如，具 有无源干扰抑制的锥套可能不能抵制倾向于将锥套从加油探管推开的涡流。因此，需要提供方法、设备和系统，它们可克服上述问题中的一个或更多个问题以 及其他可能的问题。
发明内容
根据一个实施例，提供便于空中加油的方法、设备和系统。在这方面，根据本发明 的实施例提供用于控制加油锥套的方法和设备，从而便于锥套与加油探管以可减少锥套与 加油探管的接合所需的时间的方式接合，并因此提高总体任务效率，同时降低可归因于空 中加油操作的损坏的可能性。
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在一个实施例中，提供一种控制加油锥套的方法。该方法接收与软管或锥套相关 的至少一个状态的相应误差。该方法还可接收锥套的当前状态的指示。该实施例的方法还 可基于锥套的当前状态、与软管或锥套相关的至少一个状态的相应误差和先前已向锥套承 载的致动器发布的当前命令来确定要向致动器发布的命令。根据该实施例的方法，然后可 向致动器发布命令、也就是已更新的命令。在另一个实施例中，可提供一种用于控制加油锥套的设备。该设备可包括处理器， 其配置成接收与软管或锥套相关的至少一个状态的相应误差。该处理器还可配置成接收锥 套的当前状态的指示。该处理器还可配置成基于锥套的当前状态、与软管或锥套相关的至 少一个状态的相应误差和先前已向锥套承载的致动器发布的当前命令来确定要向致动器 发布的命令。然后，锥套可配置成向致动器发布命令。在另外的实施例中，提供包括加油锥套的加油系统，加油锥套包括至少一个致动 器和处理器。该处理器配置成接收与软管或锥套相关的至少一个状态的相应误差。该处理 器还配置成接收锥套的当前状态的指示。此外，该处理器还配置成基于锥套的当前状态、与 软管或锥套相关的至少一个状态的相应误差和先前已向致动器发布的当前命令来确定要 向致动器发布的命令。此外，该实施例的处理器可配置成向致动器发布命令。在前述实施例中，接收的相应误差可包括与软管相关的至少一个状态和与锥套相 关的至少一个状态的误差。在一个实施例中，相应误差可包括与软管或锥套相关的至少一 个状态的相应速率误差。例如，相应速率误差可包括软管仰角速率的误差、软管方位角速率 的误差、锥套俯仰角速率的误差、锥套偏航角(或侧滑角)速率的误差或锥套滚转角速率的 误差中的至少一个。在一个实施例中，还可接收动态压力或动压力的表示，其中要向致动器发布的命 令同样基于动压力确定。一个实施例的加油套管可包括多个致动器。在该实施例中，命令 的确定可包括要向多个致动装置中的每个致动装置发布的相应命令的确定。同样地，根据 该实施例，命令的发布还可包括向多个致动装置中的每个致动装置的相应命令的发布。已讨论的特征、功能和优点能在本发明的各种实施例中独立地实现，或者可在其 他实施例中组合，其他实施例的进一步细节能参考以下的说明和附图了解。
如此已概括地描述了本发明，现在参考不一定按比例绘制的附图，其中图1是根据本发明的一个实施例的具有细长软管和加油锥套的空中加油飞机以 及具有从受油飞机延伸的加油探管的受油飞机的示意图；图2是根据本发明的实施例具有加油锥套的加油系统的框图，其中至少一个致动 器和处理器用于控制加油锥套的；图3是根据本发明的实施例由用于控制加油锥套的控制混合器执行的操作的框 图；以及图4是根据本发明的实施例为控制加油锥套所执行的操作的流程图。
具体实施例方式现在将在下文中参考示出一些但非所有实施例的附图更全面地描述本发明。实际
5上，这些实施例可具有不同的形式，并且不应解释为限于在此阐述的实施例；更确切地说， 提供这些实施例，使得本发明满足适用的法律要求。相同的附图标记自始至终指的是相同 的元件。现在参考图1，描绘空中加油操作。在这方面，空中加油飞机10具有从空中加油飞 机延伸的细长软管12。细长软管包括近端，该近端由空中加油飞机承载，并且可操作地与同 样由空中加油飞机承载的储油器接合。储油器可位于空中加油飞机内的机身、机翼结构或 其他隔室内。细长软管可构造成从伸展的位置收起，并且例如可卷起在滚筒组件上，该滚筒 组件可设置在空中加油飞机内，诸如空中加油飞机的机身内的。细长软管的远端大体上在 空中加油飞机的后下方延伸。加油锥套14可操作地与细长软管的第二端接合，从而与该细 长软管流体连通。如图1所示，承载加油探管18的受油飞机16可接近空中加油飞机，诸如 从后下方接近空中加油飞机，尽力使加油探管与锥套接合并且其后为受油飞机的空中加油 作准备。尽管在图1中结合固定翼飞机描绘空中加油操作，但包括例如直升飞机的其他类 型的飞机也可依赖于空中加油。加油锥套14可包括一个或更多个致动器。加油锥套可包括各种不同类型的致动 器。例如，加油锥套可包括伞罩致动器，这些伞罩致动器可用于使伞罩的若干部分处于展开 状态或缩回状态，在展开状态中，锥套的相应部分具有较大的轮廓，而在缩回状态中，锥套 的相应部分具有减小的轮廓，如例如由授予John F. Takas等人的美国专利No. 7，219，857 所描述的。替代性地，加油锥套可包括升降舵形式的一个或更多个致动器，如例如由2008 年12月4日提交的PCT申请No.PCT/USOS/85587所描述的。尽管描述了两种类型的致动 器，但加油锥套在其他实施例中可包括其他类型的致动器，其包括例如控制面。在图2中所示意性地描绘的并且以下所描述的一个实施例中，加油锥套14包括多 个致动器。例如，加油锥套可包括用于在方位方向提供偏转或其他受控运动的右舷致动器 17和左舷致动器19。在该实施例中，右舷致动器可配置成提供相对于加油锥套沿右舷方向 的运动的控制，而左舷致动器可配置成提供相对于加油锥套沿左舷方向的运动的控制。另 外地或替代性地，锥套可包括第一和第二仰角致动器20和22。第一和第二仰角致动器可配 置成提供相对于加油锥套沿诸如向上和向下方向的相反垂直方向的运动的控制。尽管描述 了具有四个致动器的加油锥套的一个实施例，但加油锥套可包括任何数量的致动器，并且 致动器可被定位或以别的方式配置，以便在任意数量的不同方向提供加油锥套的控制。现在参考图3，描绘根据本发明的实施例用于控制加油锥套14的控制混合器。图 3中所描绘的控制混合器可以是自动的，并且通常借助于计算机实现，诸如飞行控制计算机 等。同样地，控制混合器可体现在对飞行控制计算机进行控制的计算机程序产品中，以向多 个致动器发布合适的命令，以便按照需要控制锥套。控制混合器接收多个输入参数。如图3所示和在图4的框60中，控制混合器可接 收锥套14当前状态34的指示。在一个实施例中，可接收包括软管和锥套组件的角位置和/ 或速率的锥套状态向量环O。可直接测量或借助于具有扩展卡尔曼滤波器的模型估计锥套 状态向量的相应状态。关于锥套状态向量的相应状态的测量，如图2所示，可提供惯性测量 单元(IMU) 24和/或位置传感器26，以便提供关于加油锥套和软管相对于仰角轴和方位轴 的加速度和位置的信息。在这方面，惯性测量单元可提供包括角速率和线性加速度的加速 度信息，而位置传感器可提供包括角度位置的位置信息。尽管锥套状态向量可包括各种各样不同的状态，但图解实施例的锥套状态向量包括软管仰角和速率、软管方位角和速率、锥 套俯仰角和速率、锥套偏航角和速率以及锥套滚转角和速率，如由惯性测量单元所提供的。图3的控制混合器还可为飞机10接收可由例如空气数据系统28测量的动压力 (或动态压力)36。例如，见图2和图4的框62。如由图4的框64所指示的，除锥套状态向 量34和动压力之外，控制混合器还可为各种锥套状态34接收误差。关于图解的实施例，例 如，可接收软管仰角速率误差、软管方位角速率误差、锥套俯仰角速率误差、锥套偏航角速 率误差和锥套滚转角速率误差。然而，在锥套状态向量包括附加的或不同的状态的实施例 中，误差同样可包括附加的或不同类型的误差。在这些示例中，加速度误差可以是预期速率 与实际速率之间的差值乘以预定增益。例如，关于软管仰角速率，软管仰角速率误差可以是 预期软管仰角速率与实际软管仰角速率之间的差值。如上所述，诸如可借助于惯性测量单 元24测量实际速率。如图3所示，一个实施例的锥套控制混合器因此可接收锥套状态向量环U (标识 为元素34)、动压力qbar (标识为元素36)和各种状态误差38，然后可处理各种状态误差以 产生锥套致动器命令坏O (标识为元素40)，以控制锥套14的(多个)致动器。控制混合 器可操作相对连续的过程，其中加油锥套的已更新加速度和位置由各种位置传感器26和 惯性测量单元24重复感测，然后作为可确定状态误差的位置信息和加速度信息提供。状态 误差继而提供给控制混合器，用于已更新的致动器命令的生成。结果，传感器可大致连续感 测和发送位置与加速度信息。以这个方式，控制混合器可确定并然后利用各种状态误差来 控制锥套的(多个)致动器，以减小状态误差并因此使预期状态与实际状态之间的差值更 接近于零。在一个实施例中，致动器命令也可随状态误差变化而大致连续地变化。换句话 说，可大致连续地产生致动器命令，以减小状态误差或使状态误差最小化。控制混合器可通过将状态误差加权来向状态误差38分配优先级。关于这方面，控 制混合器可包括具有与各状态误差相关的相应权重的加权矩阵K，其中权重建立相应状态 误差的相对优先级。关于图3的实施例，通过与相应的状态误差相关的单独权重42描绘加 权矩阵K。同样参见图4的框66。例如，加权矩阵可为锥套俯仰角速率误差建立优先级，例 如通过相对大的权重表示的，使得控制混合器可产生致动器命令，以在锥套偏航角速率误 差之前或比锥套偏航角速率误差更快地减小锥套俯仰角速率误差和/或使锥套俯仰角速 率误差最小化。在另一示例中，加权矩阵可为锥套偏航角速率误差建立优先级，使得控制混 合器可产生致动器命令，以在锥套俯仰角速率误差之前或比锥套俯仰角速率误差更快地减 小锥套偏航角速率误差和/或使锥套偏航角速率误差最小化。在又一示例中，加权矩阵可 为锥套俯仰角速率误差和锥套偏航角速率误差建立相等的优先级，使得可以相同的方式同 时处理和减小这些状态误差。控制混合器的设计者可确定由加权矩阵所建立的优先级。在建立优先级之后，加权的状态误差与锥套状态向量Y和动压力qbar—起可提供 给控制授权矩阵B (在图3的实施例中标识为44)。控制授权矩阵B是控制混合器的元素并 可由控制混合器构造成控制效果矩阵的转置，其中构造控制效果矩阵以确定(多个)致动 器产生加速度误差所需的运动。通过获得该矩阵的转置，控制授权矩阵可允许确定(多个) 致动器的预期运动以阻遏和/或排除加速度误差。因此，控制授权矩阵可表示源于风洞试 验、飞行试验、或源于其他形式的分析的控制效果矩阵的转置矩阵。更具体地，可通过(多 个)模型致动器的风洞试验测量由致动器的运动产生的力和力矩。处理力矩相对于(多个)致动器的运动的导数可允许确定被测试的(多个)致动器的控制效果。
换句话说，限定控制授权矩阵B，以表示响应多个致动器的变化的锥套14的相应 状态加速度的变化。矩阵包括多个项，各个项表示响应相应致动器的变化的锥套相应状态 加速度的变化。同样地，矩阵表示预期锥套响应于致动器的变化的方式。通常，矩阵被构造 成具有多行和多列。各列通常包括多个项，所述多个项中的每一项限定响应于相同致动器 中的变化的锥套的相应状态加速度的预期变化。因此，矩阵的各列表示由于相应致动器的 变化引起的锥套的状态加速度的预期变化。 在一个实施例中，控制授权矩阵B为ηXm矩阵，其中η为状态的数量，而m为致动 装置的数量。例如，在控制混合器接收具有十个不同状态的锥套状态向量〒并且锥套具有四 个致动器的实施例中，其中所述不同状态例如各种锥套速率的五种状态影响锥套加速度， 则控制授权矩阵可以是通过基于影响锥套加速度的状态汇编多个行的5X4的矩阵。控制 授权矩阵允许状态加速度误差转换成相关致动器的对应运动。换句话说，控制授权矩阵可 使用加权的状态加速度误差，以确定由致动器施加的运动，从而减小在乘以增益时用作加 速度误差替代的速率误差和/或使该速率误差最小化。因此，控制授权矩阵可表示致动器 的物理行为以及它们对加速度误差的影响。控制授权矩阵B可通过各种技术构造。在一种技术中，矩阵被构造成数值计算的 结果。在该技术中，提供锥套14的当前状态〒和致动器的当前设定E。基于锥套的当前状态 和致动器的当前设定，确定作用在锥套上的合力和扭矩。通过析出锥套的质量与惯性的因 数，可确定状态加速度。为了确定作用在锥套上的合力和扭矩，诸如基于气动数据库或为本领域的技术人 员所知的另外方式确定如由锥套的当前状态X限定的当前飞行条件的空气动力系数。于是 能借助于同样为本领域的技术人员所知的力组合方程(force buildup equations)基于锥 套的空气动力系数和质量确定锥套上的合力和扭矩。于是可从力组合方程和反作用力分析 地确定锥套的状态加速度中的预期变化。关于图解的实施例，各状态的变化率教0可限定如下= f(-(t),-(t),qbar)其中环O表示包括位置和速率信息的锥套状态向量，表示当前致动器命令， qbar表示动压力，而钌0与环U、环O和qbar之间的函数关系可如上所述限定，其中各锥 套速率的变化率作为加速度。同样地，对于具有锥套状态向量(该向量有影响诸如软管仰 角速率、软管方位角速率、锥套俯仰角速率、锥套偏航角速率和锥套滚转角速率的锥套加速 度的五个状态)的系统和具有四个致动器的加油锥套而言，控制授权矩阵B可表示如下
权利要求
1. 一种用于控制加油锥套(14)的方法，包括接收(64)与软管(12)或所述锥套(14)相关的至少一个状态的相应误差；接收(60)所述锥套(14)的当前状态的指示；使用处理器(30)，基于所述锥套(14)的所述当前状态、与所述软管(12)或所述锥套 (12)相关的至少一个状态的所述相应误差和先前已向所述锥套(14)承载的致动器(17、 19,20,22)发布的当前命令来确定(68)要向所述致动器(17、19、20、22)发布的命令(40)； 以及向所述致动器发布(74)所述命令。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，接收所述相应误差包括接收与所述软管(12)相 关的至少一个状态的相应误差和与所述锥套(14)相关的至少一个状态的相应误差。
3.根据权利要求3所述的方法，其中，接收相应的速率误差(38)包括接收软管仰角速 率的误差、软管方位角速率的误差、锥套俯仰角速率的误差、锥套偏航角速率的误差和锥套 滚转角速率的误差中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括接收动压力(36)的表示，并且其中确定要向所 述锥套(14)承载的所述致动器(17、19、20、22)发布的所述命令(40)还基于所述动压力 (36)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加油锥套(14)包括多个致动器(17、19、20、 22)，其中确定所述命令(40)包括确定要向所述多个致动器(17、19、20、22)中的每个致动 器发布的相应命令，并且其中发布所述命令(40)包括向所述多个致动器(17、19、20、22)中 的每个致动器发布相应命令。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在基于所述相应误差确定所述命令之前加权 (42)所述相应误差。
7.一种用于控制加油锥套(14)的设备，所述设备包括处理器(30)，所述处理器(30) 配置成接收(64)与软管(12)或所述锥套(14)相关的至少一个状态的相应误差；接收(60)所述锥套(14)的当前状态的指示；基于所述锥套(14)的所述当前状态、与所述软管(12)或所述锥套(14)相关的至少一 个状态的所述相应误差和先前已向所述锥套(14)承载的致动器(17、19、20、22)发布的当 前命令来确定(68)要向所述致动器(17、19、20、22)发布的命令；以及向所述致动器(17、19、20、22)发布(74)所述命令。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述处理器(30)配置成通过接收与所述软管 (12)相关的至少一个状态的相应误差和与所述锥套(14)相关的至少一个状态的相应误差 来接收相应误差。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述处理器(30)还配置成接收动压力(36)的表 示，并且其中所述处理器(30)配置成还基于所述动压力(36)确定要向所述锥套(14)承载 的所述致动器(17、19、20、22)发布的所述命令(40)。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述加油锥套包括多个致动器(17、19、20、22)， 其中所述处理器(30)配置成通过确定要向所述多个致动器(17、19、20、22)中的每个致动 器发布的相应命令来确定所述命令(40)，并且其中所述处理器(30)配置成通过向所述多个致动器(17、19、20、22)中的每个致动器发布相应命令来发布所述命令(40)。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，所述处理器还配置成在基于所述相应误差确定 所述命令之前加权(42)所述相应误差。
12. —种加油系统，包括加油锥套(14)，其包括至少一个致动器(17、19、20、22)；以及处理器(30)，其配置成接收(64)与软管(12)或所述锥套(14)相关的至少一个状态的相应误差；接收(60)所述锥套(14)的当前状态的指示；基于所述锥套(14)的所述当前状态、与所述软管(12)或所述锥套(14)相关的至少 一个状态的所述相应误差和先前已向所述致动器(17、19、20、22)发布的当前命令来确定 (68)要向所述致动器(17、19、20、22)发布的命令(40)；以及向所述致动器(17、19、20、22)发布(74)所述命令。
13.根据权利要求15所述的加油系统，其中，所述处理器(30)配置成通过接收与所述 软管(12)相关的至少一个状态的相应误差和与所述锥套(14)相关的至少一个状态的相应 误差来接收相应误差。
14.根据权利要求18所述的加油系统，其中，所述处理器(30)配置成通过接收软管仰 角速率的误差、软管方位角速率的误差、锥套俯仰角速率的误差、锥套偏航角速率的误差和 锥套滚转角速率的误差中的至少一个来接收相应的速率误差(38)。
15.根据权利要求15所述的加油系统，其中，所述处理器(30)还配置成接收动压力 (36)的表示，并且其中所述处理器(30)配置成还基于所述动压力(36)确定要向所述锥套 (14)承载的所述致动器(17、19、20、22)发布的所述命令(40)。
全文摘要
提供通过控制加油锥套而便于空中加油的方法、设备和系统。关于这方面，锥套的当前状态的指示和与软管或锥套相关的至少一个状态的相应误差一起被提供。然后，基于锥套的当前状态、与软管或锥套相关的至少一个状态的相应误差、和先前已向致动器发布的当前命令确定致动器命令。然后，可向由锥套承载的致动器发布命令，也就是已更新的命令，以减小或消除(多个)状态误差。
文档编号G05B19/04GK102004454SQ20101026964
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者J·L·马斯格雷夫, S·M·斯特科 申请人:波音公司