用于使飞机飞行控制系统和驾驶舱中的飞行控制操纵器互换的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月26日提交的美国临时专利申请No.62/085,006的优先权，其通过引用结合于本文中。

技术领域

本文中的技术涉及航空电子飞行控制器和飞机飞行控制系统。更详细地，本文中的技术涉及并提供了在飞行器中使用的系统、机构和方法，其允许在不同类型的飞行控制操纵器或其它输入控制器之间进行重新配置。

背景技术和发明内容

本文中的非限制性技术提供了一种灵活的飞行控制系统，其通过使用具有不同类型的操纵器之间的共用接口的模块化软件、固件和/或硬件，使得能够从一种架构(使用一种类型的操纵器)转换成另一架构(使用另一种不同类型的操纵器)。纵向控制律、横向控制律和其它方向控制律适于与每种配置(架构)的操作的特定方面兼容，在制造时为运营商提供选择多种操纵器架构中的任何一种的选项。现有的机群可以通过专门的维护任务而从一种类型的控制操纵器架构改造为另一种类型的控制操纵器架构。因此，本文中的示例性的非限制性技术允许不同类型的操纵器之间的转换。

示例性的非限制性特征和/或优点包括：

·在任意类型的飞行控制操纵器之间提供转换能力的飞行控制系统和方法。可能的操纵器(非限制性)的一些实例是轮和柱、侧杆(被动或主动的)以及中心杆。

·用于将飞行控制系统从一种类型的飞行控制操纵器切换到另一种类型的飞行控制操纵器的方法。一些常见的非限制性手段是具有不同标识和部件编号的带、跳线、配置引脚或软件。

·可以为特定类型的操纵器重新配置的纵向控制律。一个实例是提供使用侧杆时的中性(neutral)速度稳定性以及使用柱或轭时的正的速度稳定性的配置。

·侧向控制律，其中，侧滚需求可适于任何类型的飞行控制操纵器。

·根据应用，为了更好的人体工程学，还可以主要相对于扶手来重新构造驾驶员座椅和副驾驶座椅，例如，与柱相比时，为侧杆应该增大该扶手。

附图说明

将结合附图阅读以下详细描述的示例性非限制性示出的实施例，在附图中：

图1A示出了基于侧杆操纵器的飞行控制系统的一个示例性应用。

图1B示出了基于轭和柱式操纵器的飞行控制系统的示例性应用。

图2示出了具有用于不同飞行控制操纵器的重新配置可能性的示例性飞行控制系统的示意图。

图3示出了具有添加速度稳定路径的可能性的示例性纵向控制律的图。

图4A示出了侧杆的示例性配平控制系统(“TCS”)配平开关(trimswitch)。

图4B示出了轭中的示例性的传统俯仰配平开关。

图5A、图5B示出了如何能够将示意性驾驶舱从传统的轭配置转换成侧杆的示例性细节。

图6A、图6B示出了如何能够根据操纵器配置来调整驾驶员座椅和副驾驶座椅。

具体实施方式

通常在航空行业中，给定的飞机类型是以预定义的飞行控制系统架构构思、开发和认证的。每种架构考虑特定的飞行控制操纵器。在航空工业中使用的一些典型的操纵器是轮和柱、被动或主动的侧杆以及中心杆。

通常，主驾驶舱飞行控制器包括控制轭(也称为控制柱)或者中心杆或侧杆(后两者也俗称控制杆或操纵杆)。这种飞行控制器由飞行员操纵以控制飞机的侧滚和俯仰。在较老旧的飞机中，轭或杆与飞机控制表面之间的直接机械联动装置(例如缆线或液压联动装置)在左右转动或偏转时使副翼移动，并且在前后移动时使升降舵移动。在大多数现代商用飞机中，“电传飞控”系统使用数字信号联动装置将这样的输入操纵器经由处理器联接到远程致动器，该处理器进而改变副翼或其它控制表面的位置。

操纵器在不同的飞机之间是不同的。存在这样的轭，其中，通过使轭顺时针/逆时针旋转(像使汽车转向一样)来控制侧滚，并且通过使控制柱向你或远离你倾斜来控制俯仰。在其它飞机中，通过将轭滑入及离开仪表板来控制俯仰。在某些飞机中，通过将整个轭左右滑动来控制侧滚。中心杆在飞机之间也是不同的。

图1A、图1B示出了可能的操纵器的两个最常见的可选实例(但不限于)：(1)侧杆或(2)轮和柱。目前，航空工业在使用轮和柱(图1B)和侧杆(图1A)方面是两极化的。商业航空市场的大约一半采用如图1A所示的侧杆配置。剩余部分选择如图1B所示的轮和柱飞行控制系统。主要在军用航空中的一些具体应用将中心杆用作飞行控制操纵器。在民用航空中，侧杆提供了一些益处，例如减少重量和机组人员工作量。然而，轮和柱的支持者主张态势感知和更充分的灵敏度以及所导致的安全性提高为这种类型的操纵器的主要优点。两种技术的广泛使用表明，关于一种方案相对于另一方案的优势并没有获得一致同意。

侧杆操纵器架构的一些优点为：

·重量减轻；

·改进人体工程学；

·工作量减少；

·与包线保护控制律结合，提供安全性增强。

反过来，柱的一些优点为：

·视觉和触觉提示的态势感知的益处

·提高灵敏度(在较大的力下，柱不太易于过度控制)；

·更容易适应轻型航空；

·降低开发成本和认证风险。

中心杆用于在特定军事任务中提供更精确的操作，其在战斗机和训练机中更常见。

虽然上述情况示出了在不同的操纵器方案之间的市场的明确分割，但给定的飞机类型通常设计为具有特定的预定义的操纵器解决方案。

一个示例性的非限制性实施例提供了可以重新配置成不同类型操纵器的飞行控制系统。一些实例包括但不限于轮和柱、侧杆和中心杆。

在非限制性硬件接口的方面，解决方案被设计为保持电力和传感器的高度通用性，允许在不同的选择类型之间容易安装和转换。

从软件的角度来看，在纵轴上，控制律被设计为与所有预定义的操纵器兼容，并且该系统适于不同的控制操纵器输入。典型的实例是提供自动配平和可与侧杆操作兼容的飞行路径稳定性的伽马点控制律，以及提供手动配平和用于柱或轭操作的速度稳定性的

在一个示例性的非限制性实施例中，在侧杆的情况下，纵向控制律控制伽马点变化。当侧杆(多个侧杆)处于中性位置时，飞机将保持给定的飞行路径角度，因此飞行路径稳定。控制律将提供自动配平功能，不需要在速度变化的飞行过程中启动俯仰配平开关或在侧杆中施加力。

另一方面，在轮和柱的情况下，纵向控制律被转换为提供速度稳定性。在这层意义上，通过使用柱或俯仰配平开关命令来实现速度变化。在移除柱中的力后，控制律恢复原始基准速度。俯仰配平开关命令的应用改变了速度基准，试图模拟传统飞机的操作，其具有闭环控制的优点，即，重量和重心变化的敏感度较低，更好地预测飞机响应以及排除诸如阵风和湍流的外部干扰。

在横轴上，一个示例性实施例中的P-Beta控制律的操作对于所有类型的横向操纵器在概念上都是相同的，其中横向命令被转换为侧滚命令，并且踏板位置提供beta(侧滑角)命令。然而，从轮到侧杆、中心杆或其它装置的侧滚命令可以适于提供适当的操纵质量和足够的力。

例如，可以基于与给定飞机类型关联的主控制律计算机中的带、跳线或配置引脚来进行用于操纵器类型之间的兼容性的控制律的切换。

在物理上，除了安装和移除操纵器本身之外，还可以在驾驶舱部件的重新定位中暗示从一种类型的操纵器到另一种操纵器的转换。飞行员座椅和副驾驶座椅也可以适用于改进的人体工程学。

在图2中示出了优选实施例。在该实例中，诸如飞机的飞行器配备有侧杆3、轭4、中心杆12、柱(轭)4或者人类飞行员可操纵以控制飞行的任何其它操纵器。提供了在各种类型的操纵器之间切换的合适的装置5。这种切换装置5可以是软件、固件、硬件或组合，以用于重新配置。例如，切换装置5可以包括数字或模拟合路器、软件控制的处理器、专用集成电路、机电开关(诸如DIP开关)、继电器、触摸屏或其它示例性实施方式。一个实例中的切换装置5可以是指定操纵器类型的控制输入。在另一实施方式中，切换装置5可以包括选择性地将一个操纵器或另一个操纵器连接到系统的装置。具体实例包括具有不同标识和/或部件编号和/或版本的带、跳线、配置引脚或者软件或固件。

在所示的实例中，在各种操纵器配置之间提供公共接口6。这种接口6可以包括连接器、电力连接和/或位置传感器。可以提供这种接口6以便减少重新配置的努力。因此，接口6可以包括自动检测当前连接哪种类型的操纵器的智能。为了可互换，在一个示例性实施方式中的不同的操纵器将具有并使用公共连接器。换句话说，飞行控制计算机将保持当前接口作为一个方案，并且第二操纵器将被重新设计以保持当前的连接器接口。

在所示的实例中，传统的传输数据的装置7(诸如模拟布线和/或数字总线)用于向主飞行控制计算机8馈送操纵器位置。飞行控制计算机可以包括数字或模拟计算机，例如联接到计算机存储介质的微处理器或微计算机，该计算机存储介质诸如为数字存储设备、随机存取存储器和/或只读存储器。在一个示例性实施例中，计算机8执行存储在计算机存储介质(例如，闪存或其它半导体存储器件)中的固件(软件)指令，以实现处理操纵器输入(多个输入)并提供输出的控制律。例如而非限制的，计算机存储介质可以包括以任何方法或技术实现的用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)的易失性和非易失性、可移除和不可移除的介质。例如，计算机介质包括但不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其它固态存储技术，CD-ROM、数字通用盘(“DVD”)、HD-DVD，BLU-RAY或其它光存储器，磁带盒、磁带、磁盘存储器或其它磁存储设备，或者可用于存储期望信息并且可由计算机系统结构1200访问的任何其它介质。出于说明的目的，短语“计算机存储介质”及其变型本质上不包括波、信号和/或其它暂态和/或无形通信介质。

通过诸如空速、高度、飞机加速度和姿态的其它传感器信息来计算控制律输出，并且通过致动飞行控制表面来产生控制表面命令9。致动装置9可以包括电致动器、液压致动器或其它机械、流体或机电(包括电磁)设备，其响应于输入而能够产生将控制表面的位置改变受控量的力，从而控制控制表面的位置。用于向控制表面致动器(例如液压或功率晶体管)提供动力或控制电流的装置10用于使诸如副翼、襟翼等的控制表面(多个控制表面)11移动。

图3描述了支持任何类型的操纵器(例如，侧杆，或轮和柱)的示例性的非限制性纵向控制律。这种控制律可以通过处理数据和计算输出的装置8来实现。图3示出了用于选择性地使操纵器输入成形以提供Nzcmd信号的成形器13。该NZcmd信号被应用于Gdir计算块，并且应用于可以具有诸如0、1、2等任何阶数的滤波器。滤波器的输出被应用于接收在右侧产生的输出Nz的加法器。加法器的输出由逆变器反相并应用于Gi块。Gi块的输出在应用于陷波滤波器之前，由另外的求和节点相加。陷波滤波器输出被应用于接收Gdir和/或Gff(由滤波器产生)中所选的一个的另一求和节点。由这个节点产生的输出可用于控制升降舵致动器。同时，升降舵的控制导致飞机的飞行状态的变化，这由传统传感器感测到。这些传感器感测飞机的飞行情况，包括姿态、攻角等。传感器输出进一步由GΘ、GU处理块处理，其输出可通过加法器16与Gα输出相加。Gn,2α块还计算出用于与传感器的α输入进行比较的输出。

可以看出，图3的控制律是取决于所使用的特定操纵器而可重新配置的。例如，当使用侧杆时，纵向操纵器位移被转换为给定空速13的负载因子需求或飞行路径变化。通过攻角和攻角状态等级的反馈14，加上基于侧杆位置的前馈命令，实现负载因子控制的精度。这种配置提供中性速度稳定性和自动配平。如果侧杆保持在中性位置，则飞机保持轨迹，因此分类为飞行路线稳定。

当重新配置为轮和柱时，例如，闭环以速度而不是负载因子执行。在这层意义上，空速作为外环15进行反馈。为了提高速度控制，飞机纵向姿态和真实空速也被反馈(16)。这种配置提供正的速度稳定性，因此，如果在轭上施加力，则速度会改变。如果操纵器返回中性，则空速返回基准速度。

图4A、图4B提供了用于提供速度基准的两个实例。在侧杆配置的情况下(图4A)，瞬时开关(momentary switch)17可以提供基准速度。当使用柱或轭(图4B)时，速度基准被提供给传统的俯仰配平开关18命令。

在横向轴上，控制律的结构不需要改变。然而，侧滚需求可以从侧杆到轮改变，例如提供足够的力和处理质量。

图5A、图5B示出了如何能够将驾驶舱从传统的轮和柱配置改变成侧杆的示意性实例的细节。在这种特定情况下，可以重新定位氧气面罩19和转向手柄20。柱机构21可被完全移除，并且地板被恢复。在重新定位氧气面罩22和转向手柄23之后，侧杆安装(改装)为可更换单元24。见图5B。

图6A、图6B示出了为了为两种用途提供足够的人体工程学，还可以重新设计飞行员座椅和副驾驶座椅。如图6B与图6A相比所示，与用于轮和柱操作的较短的扶手26相比，扶手可以增大(25)，以便为侧杆使用提供适合的支撑。

虽然已经结合目前被认为是最实际和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，其旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。