在手动驾驶期间实时显示对飞机的俯仰指令的方法和设备的制作方法
【专利摘要】设备(1)包括显示单元(5)和装置(4)，显示单元(5)配置成在飞机驾驶舱的显示器(7)上显示俯仰条(8)，俯仰条(8)示出了俯仰指令；为了获得飞机均一的响应，装置(4)用于将所使用的俯仰规律的直接增益适应于飞行员的有效手动行为，以便从飞机获得均一的响应。
【专利说明】在手动驾驶期间实时显示对飞机的俯仰指令的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在手动模式下驾驶期间实时显示对飞机的俯仰指令的方法和设备，特别是运输机。
[0002]本发明涉及飞行控制系统领域，并为FD型飞行指引仪的数值计算提供了实时自适应。
【背景技术】
[0003]在现代飞机上，飞行指引仪一般在PFD型(主飞行显示器)的主飞行显示屏上并以类似的方式在HUD型显示器(平视显示器)上显示转向命令。这些转向命令转向控制规律计算，转向控制规律基于在FMS型系统(飞行管理系统)中选择的转向目标或直接基于F⑶型单元(飞行控制单元)。如果飞机没有使用自动驾驶系统，机组成员能通过遵循飞行指引仪的命令以及进行手动驾驶来手动驾驶飞机，如果使用了自动驾驶系统，自动驾驶系统将实施驾驶。
[0004]在飞行检测器上，俯仰条和滚动条分别表示俯仰和滚动转向命令。当飞机以飞行检测器上的这些指示条集中在飞机的姿态上(当在飞行中使用垂直模式时，一般显示在PFD/HUD显示器的中央)的方式驾驶时，飞机遵循这些转向命令。
[0005]通常，涉及PFD屏幕的俯仰规律被控制，以便承受飞行员的行为变化。因此，飞机对飞行员的手动输入的响应并不理想，因为当他遵循显示在飞行指引仪上的俯仰条时，每个飞行员都有自己的操作动态(由个人的生物学动态导致)。
[0006]也就是说，对于相同的俯仰转向命令(其通过俯仰指令条提供)，根据操作它的飞行员，或者同一个飞行员实施该致动的方式，俯仰控制手柄(例如小把手)的致动可以具有不同的动态。飞机的反应因此可能不同于如果使用了自动驾驶系统并且自动地且精确地应用了该俯仰指令的反应。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是克服该缺点。其涉及一种用于在手动模式下驾驶期间实时显示对飞机的俯仰指令的方法，其允许不管飞行员如何致动俯仰控制手柄，都能从飞机获得均一的响应(对相同的俯仰指令)。
[0008]为此，根据本发明，该类型的方法包括:
[0009]-从一个值计算称为俯仰指令的俯仰转向指令的第一步骤，该值取决于飞机的估算负载因子和负载因子指令，对该值应用增益；以及
[0010]-在飞机驾驶舱的显示器上显示俯仰条的显示步骤，俯仰条示出了俯仰指令；
[0011]该方法的不同之处在于还包括:
[0012]-实时获取俯仰条的偏移角和相应的俯仰控制手柄的偏转角的步骤，俯仰控制手柄由飞行员手动致动，其示出了飞行员的操作动态；
[0013]_用偏移角和偏转角计算修正项的第二步骤；以及
[0014]-计算基于修正项的直接增益的第三步骤，为了计算用于俯仰条的显示的俯仰指令，修正的直接增益被用于第一计算步骤(代替增益)。
[0015]由于本发明，以这种方式，通过修正的直接增益，将所使用的俯仰规律(即，常规飞行指引仪规律)增益针对飞行员在控制手柄的致动过程中的有效手动行为(即，飞行员的个人生物学姿态)进行了适应。这允许从飞机得到均一的(并且相应的)响应(对相同俯仰指令而言)，而不管飞行员的各种可能的行为如何。
[0016]此外，该方法至少可单独或组合地包括以下特征中的一些:
[0017]-第二计算步骤包括:
[0018].估算示出飞行员的操作动态的两个辅助增益的第一子步骤，辅助增益用俯仰条的偏移角和相应的由飞行员手动致动的俯仰控制手柄的偏转角估算；以及
[0019].用辅助增益计算修正项的第二子步骤。
[0020]-辅助增益为使得:根据飞行员行为的数学模型，通过将它们应用到俯仰条的偏移角，获得相应的俯仰控制手柄的偏转角。
[0021]-第一子步骤包括实施最小二乘法。
[0022]-第二子步骤包括如下操作:
[0023].通过将处理操作应用于第一辅助增益而确定第一项；
[0024].通过将处理操作应用于第二辅助增益而确定第二项；
[0025].计算第一项和第二项的和；以及
[0026].将可调整增益应用到该和上，并且在适用时限制相应的值，从而获得修正项；以及
[0027]-在第三计算步骤，使用下面的公式计算修正增益KDc:
[0028]KDc = CD.KD
[0029]其中:
[0030].⑶是修正项；以及
[0031].KD是直接增益。
[0032]本发明还涉及一种在手动模式下驾驶飞机期间实时显示对飞机的俯仰指令的设备。
[0033]根据本发明，该类型的设备包括:
[0034]-第一计算单元，其配置成从一个值计算称为俯仰指令的俯仰转向指令，该值取决于飞机的估算负载因子和负载因子指令，对该值应用增益；以及
[0035]-显示单元，其配置成在飞机驾驶舱的显示器上显示俯仰条，俯仰条示出了俯仰指令；
[0036]该设备的不同之处在于还包括:
[0037]-获取单元，其配置成实时获取俯仰条的偏移角和相应的由飞行员手动致动的俯仰控制手柄的偏转角，其示出了飞行员的操作动态；
[0038]-第二计算单元，其配置成用偏移角和偏转角计算修正项；以及
[0039]-第三计算单元，其配置成计算基于修正项而修正的直接增益。此修正的直接增益由第一计算单元使用，以便计算俯仰指令。
[0040]本发明还涉及一种飞机的飞行指引仪，其包括如上面所述的显示设备。
[0041]本发明还涉及一种飞机，特别是运输机，其设有此类显示设备和/或此类飞行指引仪。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]附图的图形将提供如何可以实施本发明的良好理解。在这些图中，相同的附图标记指相似的元件。
[0043]图1是示出本发明的一个实施例的设备的框图；
[0044]图2是涉及本发明的显示设备的计算单元的框图；
[0045]图3是示出飞行员行为的模型示意图；
[0046]图4和5是图2的计算单元的计算装置的概要图。
【具体实施方式】
[0047]示意性地展示在图1中并且允许本发明被展示的设备I旨在在飞机的手动驾驶期间自动地实时显示对飞机(未示出)特别是运输机的俯仰指令。
[0048]在一个优选实施例中，该显示设备I是飞机的飞行指引仪2的一部分。
[0049]如图1所示飞机机载的显示设备I特别包括:
[0050]-数据处理单元3，其包括计算单元4以便从值VO计算称作俯仰指令的俯仰转向指令，值VO取决于飞机的估算负载因子Nzest和负载因子指令Nzc，对该值VO应用增益；和[0051 ]-显示单元5，其通过接6连接到数据处理单元3，并且其配置成在飞机座舱的屏幕7上显示俯仰条8，俯仰条8显示俯仰指令。
[0052]在优选实施例中，显示单元5包括PDF型(主飞行显示器)的主飞行显示器7。它还可包括HUD型显示器(平视显示器)，以便显示俯仰转向指令(通过俯仰条8)和其它常规转向指令。这些转向指令由转向控制规律计算，转向控制规律基于在FMS型系统(飞行管理系统)或FCU型单元(飞行控制单元)中所选择的转向目标。如果没有使用自动驾驶仪，机组成员能通过遵照尤其显示在显示器7上的指令手动驾驶飞机。
[0053]因此，在(飞行指引仪2的)显示器7上，俯仰条8指示俯仰转向指令，并且，当飞机以俯仰条8处在飞机姿态的中间(如图1所示，一般通过常规指示器9显示在中间)的方式驾驶时，飞机遵循该转向指令。在一个优选实施例中，显示单元5配置成在飞行过程中采用垂直模式时，使得俯仰条8显示在显示器7上。在该常规显示器7上，也特别显示了俯仰角度标10。
[0054]根据本发明，如图1所示，该显示设备I进一步优选在数据处理单元3中包括:
[0055]-获取单元12，其配置成实时获取:
[0056].俯仰条8的偏移角Λ O ;以及
[0057].常规俯仰控制手柄11 (特别是迷你型手柄)的偏转角δ q，手柄11由飞行员手动致动，以响应与偏移角Λ Θ(通过俯仰条8在显示器7上呈现给飞行员)对应的俯仰控制指令；以及
[0058]-计算模块13,其用于计算修正的直接增益KDc。
[0059]如图2所示，该计算模块13包括:
[0060]-计算单元14，其配置成使用偏移角ΛΘ和偏转角δ q计算修正项⑶，偏移角Δ Θ和偏转角δ q显示飞行员的操作状态；和
[0061]-计算单元15，其配置成从通过计算单元14的连接16接收的修正项⑶与直接增益KD计算修正的直接增益KDc。
[0062]修正的直接增益KDc被计算单元4使用，用来代替直接增益KD(以常规方式确定)，以计算俯仰指令，俯仰指令通过连接6传递到显示单元5。
[0063]计算单元15使用如下公式计算修正的增益KDc:
[0064]KDc = CD.KD
[0065]以这种方式，显示设备I通过修正的直接增益KDc使所使用的俯仰规律的直接增益(即常规飞行指引仪规律)适于飞行员的有效手动行为(即飞行员个人的生物动态)。虽然飞行员的可能行为有显著变化，但是这允许从飞机(对于相同的俯仰指令)获得均一的(并且相应的)响应。
[0066]设备I还包括常规信息源的组件17，其通过连接18连接到处理单元3，并且其提供获取单元12所获得的参数值(Λ O、δ q、Nzest、Nzc)。
[0067]更进一步，计算单元14包括:
[0068]-估算单元19，其用于使用相应的俯仰条8的偏移角ΛΘ和由飞行员手动致动的俯仰控制手柄11的偏转角δ q估算两个辅助增益Kg和Kr，Kg和Kr将在下文中阐述，并且它们展示了飞行员的操作动态，偏移角Λ O、偏转角Sq分别通过连接20Α、20Β从获取单元12接收；以及
[0069]-计算元件22,其用于使用辅助增益Kg和Kr计算修正项⑶,Kg和Kr分别通过连接23、24从估算单元19接收。
[0070]更进一步，如图2中所示，计算单元4特别包括:
[0071]-计算元件25，其将估算负载因子Nzest(通过连接21Α从获取单元12接收)乘以常规增益Knz，Knz取决于CAS型的空气速度；
[0072]-计算元件26，其计算通过连接27接收的计算元件25的乘积与通过连接21Β接收的来自获取单元12的负载因子指令Nzc之间的差(称为上文的VO值)；以及
[0073]-计算元件28，其将通过连接29从计算元件26接收的结果(V0值)乘以通过连接37从计算元件15接收的修正的直接增益KDc。
[0074]因此，以限定的方式，在计算元件28的输出处提供的俯仰指令通过VO值(从计算元件26接收)乘以修正的直接增益KDc (且KDc =⑶.KD)而获得。
[0075]因此，常规俯仰规律的增益像下面这样而适合于飞行员:
[0076]-Knz保持不变；
[0077]-用修正值更新KD(并变成KDc)。
[0078]设备I实施的俯仰规律的增益的适应旨在确保每个飞行员精确地再现系统限定的指令。
[0079]飞行员的行为由两个辅助增益Kg和Kr确定，即，直接增益Kg通常示出飞行员操作的灵活性和幅度，而衍生增益Kr通常示出飞行员的反应度。这些增益对每个飞行员都不同。它们被估算单元19以下文所示的方式估算。
[0080]辅助增益Kg和Kr为使得通过根据飞行员行为的数学模型30 (如图3中所示)将它们应用到俯仰条8的偏移角△ ?，在飞行员有效产生的状态下获得控制手柄11的偏转角δ q。
[0081]如图3中所示，模型30包括:
[0082]-元件31，用于将输入值(即偏移角ΛΘ)乘以直接增益Kg;
[0083]-元件32，用于向此输入值应用过滤器F1，过滤器Fl的类型为(0.2s2+s)/(0.01s2+0.2s+l)，s为拉普拉斯复变数；
[0084]-元件33，用于将元件32的输出乘以衍生增益Kr；
[0085]-元件34，用于使元件31和33的输出相加；
[0086]-元件35，用于将此和应用于过滤器F2，过滤器F2的类型为I/(0.0156s2+0.15s+l);以及
[0087]-元件36，用于限制从元件35接收的结果可应用于何处，从而获得偏转角δq。
[0088]为了实时估算辅助增益Kg和Kr，如图4中所示，估算单元19包括:
[0089]-处理元件38，用于将上面提到的过滤器Fl应用到通过连接20A接收的值(即偏移角Δ O);
[0090]-处理元件39，用于将上面提到的过滤器F2应用到处理元件38的输出处可获得的结果；以及
[0091 ]-处理元件40，用于使用处理元件38和39的结果以及通过连接20B接收的值(即偏转角Sq)。处理元件40对这些数据实施最小二乘法，其允许获得增益Kg和Kr，它们实时示出了飞行员的行为。
[0092]更进一步,如图5中所示,计算元件22包括:
[0093]-处理元件42，其计算通过连接23接收的数值(由单元19估算的增益Kg)的绝对值；
[0094]-处理元件43，其限制处理元件42所提供的结果可应用于何处；
[0095]-处理元件44，其将处理元件43提供的结果应用于过滤器F3，过滤器F3为I/(Tl.s+1)型，s为拉普拉斯复变数，而Tl为时间常数；
[0096]-处理元件45，其将相同的过滤器F3应用于通过连接24接收的数值(由单元19估算的增益Kr)；
[0097]-处理元件46，其将过滤器F4应用于处理元件45提供的结果，过滤器F4为(T2.s)/(T2.s+1)型，T2为时间常数；
[0098]-处理元件47，其将处理元件46提供的结果除以二；
[0099]-处理元件48，其将处理元件44和47提供的结果相加；
[0100]-处理元件50，其将从处理元件49接收的调节增益除以处理元件48提供的结果，调节增益取决于CAS型的空气速度(或修正速度)；以及
[0101]-处理元件51，其限制处理元件50提供的结果适用于何处，并在输出处提供修正项CD。
[0102]因此，为了相对于实际驾驶飞机的飞行员最优化调整，设备I实施俯仰规律的直接增益KD的实时适应。为此，其实施了:
[0103]-基于飞行员的数学模型的飞行员增益(辅助增益Kg、Kr)的实时估算；以及
[0104]-基于估算的飞行员增益，当前俯仰规律的直接增益的修正，使得俯仰规律的增益极好地适于手动驾驶，且飞机对飞行员的控制手柄11动作的响应保持非常接近于如果采用自动驾驶系统该自动驾驶系统将实施的响应，而不管飞行员的可能行为的极大变化如何。
【权利要求】
1.一种在手动模式下驾驶飞机期间实时显示对飞机的俯仰指令的方法，所述方法包括: -从一个值计算称作俯仰指令的俯仰转向指令的第一步骤，该值取决于飞机的估算负载因子和负载因子指令，对该值应用增益；以及 -在飞机驾驶舱的显示器(7)上显示俯仰条(8)的步骤，俯仰条(8)示出了所述俯仰指令； 其特征在于，还包括: -实时获取俯仰条(8)偏移角和相应的俯仰控制手柄(11)的偏转角的步骤，俯仰控制手柄(11)由飞行员手动致动，其示出了飞行员的操作动态； -用偏移角和偏转角计算修正项的第二步骤，；以及 -计算基于修正项的修正的直接增益的第三步骤，修正的直接增益被用于第一计算步骤，以便计算用于俯仰条(8)的显示的俯仰指令。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，第二计算步骤包括: -估算示出飞行员的操作动态的两个辅助增益的第一子步骤，辅助增益用俯仰条(8)的偏移角和相应的由飞行员手动致动的俯仰控制手柄的偏转角估算；以及-用辅助增益计算修正项的第二子步骤。
3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于，辅助增益为使得:根据飞行员行为的数学模型，通过将它们应用到俯仰条(8)的偏移角，获得相应的俯仰控制手柄(11)的偏转角。
4.根据权利要求2或3所述的方法， 其特征在于，第一子步骤包括实施最小二乘法。
5.根据权利要求2-4的任意一项所述的方法， 其特征在于，第二子步骤包括如下操作: -通过将处理操作应用于第一辅助增益而确定第一项； -通过将处理操作应用于第二辅助增益而确定第二项； -计算第一项和第二项的和；以及 -将可调整增益应用到该和上，并且在适用时限制相应的值，从而获得修正项。
6.根据任一前述权利要求所述的方法， 其特征在于，在第三计算步骤，使用下面的公式计算修正增益KDc:
KDc = CD.KD
其中: -⑶是修正项；以及 -KD是直接增益。
7.—种在手动模式下驾驶飞机期间实时显示对飞机的俯仰指令的设备，所述设备(1)包括: -第一计算单元(4)，其配置成从一个值计算称为俯仰指令的俯仰转向指令，该值取决于飞机的估算负载因子和负载因子指令，对该值应用增益；以及 -显示单元(5)，其配置成在飞机驾驶舱的显示器(7)上显示俯仰条(8)，俯仰条(8)示出俯仰指令； 其特征在于，还包括: -获取单元(12)，其配置成实时获取俯仰条(8)偏移角和相应的由飞行员手动致动的俯仰控制手柄(11)的偏转角，其示出了飞行员的操作动态； -第二计算单元(14)，其配置成用偏移角和偏转角计算修正项；以及-第三计算单元(15)，其配置成计算基于修正项而修正的直接增益，此修正的直接增益由第一计算单元(4)使用，以便计算用于显示俯仰条(8)的俯仰指令。
8.一种飞机的飞行指引仪，其特征在于，其包括如权利要求7所述的设备(1)。
9.一种飞机，其特征在于，其包括如权利要求7所述的设备(1)。
10.一种飞机，其特征在于，其包括如权利要求8所述的飞行指引仪(2)。
【文档编号】G05D1/10GK104281149SQ201410427382
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】S·乌丹, G·皮约, J·穆勒, L·龙瑟雷 申请人:空中客车运营简化股份公司