CN110550196A - 旋翼飞行器和用于控制旋翼飞行器的方法 - Google Patents

旋翼飞行器和用于控制旋翼飞行器的方法 Download PDF

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金成均
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Abstract

本发明涉及旋翼飞行器和用于控制旋翼飞行器的方法。在实施方式中，旋翼飞行器包括飞行控制计算机，该飞行控制计算机配置成：从旋翼飞行器的第一飞行器传感器接收第一传感器信号；从旋翼飞行器的第二飞行器传感器接收第二传感器信号，第二飞行器传感器与第一飞行器传感器不同；将第一传感器信号和第二传感器信号与互补滤波器结合以确定旋翼飞行器的估算竖向速度；根据旋翼飞行器的估算竖向速度而调节旋翼飞行器的飞行控制设备，从而改变旋翼飞行器的飞行特性；以及响应于检测到旋翼飞行器着地而重置互补滤波器。

Description

旋翼飞行器和用于控制旋翼飞行器的方法
背景技术
旋翼飞行器可以包括具有一个或更多个主旋翼***的一个或更多个旋翼***。主旋翼***产生气动升力以支撑飞行中的旋翼飞行器的重量并产生推力以在向前飞行中移动旋翼飞行器。旋翼飞行器旋翼***的另一示例是尾旋翼***。尾旋翼***可以在与主旋翼***的旋转相同的方向上产生推力，以抵消由主旋翼***产生的扭矩效应。为了使旋翼飞行器平稳且高效地飞行，飞行员平衡发动机动力、主旋翼总体推力、主旋翼循环推力和尾旋翼推力，并且控制***可以帮助飞行员使旋翼飞行器稳定并且减少飞行员的工作负担。
发明内容
在实施方式中，旋翼飞行器包括：加速度计；空气压力传感器；多个飞行控制设备；以及飞行控制计算机，该飞行控制计算机联接至空气压力传感器、加速度计和飞行控制设备，该飞行控制计算机配置成：从加速度计接收第一传感器信号，第一传感器信号指示旋翼飞行器的竖向加速度；将第一传感器信号相对于时间积分以获得第一竖向速度信号；从空气压力传感器接收第二传感器信号，第二传感器信号指示旋翼飞行器的竖向位置；将第二传感器信号相对于时间微分以获得第二竖向速度信号；将第一竖向速度信号和第二竖向速度信号与互补滤波器结合以估算旋翼飞行器的竖向速度；根据旋翼飞行器的竖向速度而致动飞行控制设备中的一个或更多个飞行控制设备；以及响应于检测到旋翼飞行器着地而重置互补滤波器。
在旋翼飞行器的一些实施方式中，飞行控制计算机配置成通过下述方式将第一竖向速度信号和第二竖向速度信号与互补滤波器结合：用第一滤波器对第一竖向速度信号进行滤波以获得第一经滤波信号；用第二滤波器对第二竖向速度信号进行滤波以获得第二经滤波信号，第二滤波器和第一滤波器彼此互补；以及将第一经滤波信号和第二经滤波信号相加以估算旋翼飞行器的竖向速度。在旋翼飞行器的一些实施方式中，飞行控制计算机配置成通过下述方式将第一传感器信号和第二传感器信号与互补滤波器结合：从第二竖向速度信号减去第一竖向速度信号以获得噪音差值信号；对噪音差值信号进行滤波以获得经滤波的差值信号；以及将第一竖向速度信号和经滤波的差值信号相加以估算旋翼飞行器的竖向速度。
在实施方式中，旋翼飞行器包括飞行控制计算机，该飞行控制计算机配置成：从旋翼飞行器的第一飞行器传感器接收第一传感器信号；从旋翼飞行器的第二飞行器传感器接收第二传感器信号，第二飞行器传感器与第一飞行器传感器不同；将第一传感器信号和第二传感器信号与互补滤波器结合以确定旋翼飞行器的估算竖向速度；根据旋翼飞行器的估算竖向速度而调节旋翼飞行器的飞行控制设备，从而改变旋翼飞行器的飞行特性；以及响应于检测到旋翼飞行器着地而重置互补滤波器。
在一些实施方式中，旋翼飞行器还包括第一飞行器传感器，第一飞行器传感器是加速度计。在旋翼飞行器的一些实施方式中，飞行控制计算机配置成通过下述方式接收第一传感器信号：从加速度计接收竖向加速度信号；以及对竖向加速度信号进行积分以获得第一传感器信号。在一些实施方式中，旋翼飞行器还包括第二飞行器传感器，第二飞行器传感器是空气压力传感器。在旋翼飞行器的一些实施方式中，飞行控制计算机配置成通过下述方式接收第一传感器信号：从空气压力传感器接收竖向位置信号；以及对竖向位置信号进行微分以获得第二传感器信号。在一些实施方式中，旋翼飞行器还包括飞行员飞行控制装置，该飞行员飞行控制装置联接至飞行控制计算机，飞行控制计算机还配置成根据飞行员飞行控制装置的运动而致动飞行控制设备。在旋翼飞行器的一些实施方式中，飞行控制计算机配置成通过下述方式调节飞行控制设备：根据估算竖向速度将飞行员飞行控制装置与飞行控制设备断开联接。在旋翼飞行器的一些实施方式中，飞行控制计算机配置成通过下述方式调节飞行控制设备：还根据估算竖向速度而致动飞行控制设备。
在实施方式中，方法包括：从旋翼飞行器的第一飞行器传感器接收第一传感器信号；从旋翼飞行器的第二飞行器传感器接收第二传感器信号，第二飞行器传感器与所述第一飞行器传感器不同；将第一传感器信号和第二传感器信号与互补滤波器结合以确定旋翼飞行器的估算竖向速度；根据旋翼飞行器的估算竖向速度而调节旋翼飞行器的飞行控制设备，从而改变旋翼飞行器的飞行特性；以及响应于检测到旋翼飞行器着地而重置互补滤波器。
在该方法的一些实施方式中，将第一传感器信号和第二传感器信号与互补滤波器结合包括：用第一滤波器对所述第一传感器信号进行滤波以获得第一经滤波信号；用第二滤波器对第二传感器信号进行滤波以获得第二经滤波信号，第二滤波器和第一滤波器彼此互补；以及将第一经滤波信号和第二经滤波信号相加以确定旋翼飞行器的估算竖向速度。在该方法的一些实施方式中，将第一传感器信号和第二传感器信号与互补滤波器结合包括：从第二传感器信号减去第一传感器信号以获得噪音差值信号；对噪音差值信号进行滤波以获得经滤波的差值信号；以及将第一传感器信号和经滤波的差值信号相加以确定旋翼飞行器的估算竖向速度。在该方法的一些实施方式中，第一飞行器传感器是加速度计。在该方法的一些实施方式中，接收第一传感器信号包括：从加速度计接收竖向加速度信号；以及对竖向加速度信号进行积分以获得第一传感器信号。在该方法的一些实施方式中，第二飞行器传感器是空气压力传感器。在该方法的一些实施方式中，接收第二传感器信号包括：从空气压力传感器接收竖向位置信号；以及对竖向位置信号进行微分以获得第二传感器信号。在该方法的一些实施方式中，调节旋翼飞行器的飞行控制设备包括：根据估算竖向速度将旋翼飞行器的飞行员飞行控制装置与飞行控制设备断开联接。在一些实施方式中，该方法还包括：从旋翼飞行器的轮承重传感器接收第一重量信号；根据第一重量信号确定旋翼飞行器的第一轮正承载比预定量的重量多的重量；以及响应于第一轮承载比预定量的重量多的重量而确定旋翼飞行器着地。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1示出了根据一些实施方式的旋翼飞行器；
图2A是根据一些实施方式的电传飞行控制***的框图；
图2B示出了根据一些实施方式的驾驶舱的内部；
图3是根据一些实施方式的三环路飞行控制***的框图；
图4是根据一些实施方式的用于竖向速度估算的第一***的框图；
图5是根据一些实施方式的用于竖向速度估算的第二***的框图；
图6是根据一些实施方式的用于竖向速度估算的方法的框图；以及
图7是根据一些实施方式的滤波器的框图。
具体实施方式
下面描述本公开的***和方法的说明性实施方式。为清楚起见，实际实现方式的所有特征可能未全部在本说明书中描述。当然，将理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，可以做出许多特定于实现方式的决策以实现开发者的特定目标，比如符合***相关和商业相关的约束，这将因实现方式的不同而不同。此外，应当理解的是，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言仍然是常规工作。
在本文中，在描绘附图中的装置时，可以参考各个部件之间的空间关系以及部件的各个方面的空间取向。然而，如本领域技术人员在完整阅读本公开内容之后将认识到的，本文中所描述的装置、构件、设备等可以以任何期望的取向来定位。因此，由于本文中所描述的装置可以以任何期望的方向定向，因而使用比如“在……上方”、“在……下方”、“上”、“下”的术语或其他类似术语来描述各个部件之间的空间关系或者描述这些部件的各方面的空间取向应当分别被理解成描述这些部件之间的相对关系或这些部件的各方面的空间取向。
旋翼飞行器的越来越多的使用、特别是针对商业应用和工业应用的使用导致了更大更复杂的旋翼飞行器的发展。然而，随着旋翼飞行器变得越来越大且越来越复杂，飞行旋翼飞行器与固定翼飞行器之间的差异也变得越来越明显。由于旋翼飞行器使用一个或更多个主旋翼来同时提供升力、控制姿态、控制高度并且提供横向或位置移动，因此不同的飞行参数和控制装置彼此紧密地耦合，这是因为主旋翼的空气动力特性影响每个控制装置和运动轴。例如，旋翼飞行器在巡航速度或高速下的飞行特性可能与在悬停时或相对较低速度下的飞行特性显著不同。另外，对于主旋翼上的不同轴的不同飞行控制输入、比如周期距(cyclic)输入或总距(collective)输入会影响旋翼飞行器的其他飞行控制装置或飞行特性。例如，使旋翼飞行器的机头向前俯仰来增加前进速度通常将导致旋翼飞行器丧失高度。在这种情况下，可以增加总距来保持水平飞行，但是总距的增加需要主旋翼处的动力增加，这又需要来自尾旋翼的额外的反扭矩力。这与固定翼***形成对比，在固定翼***中，控制输入更少地彼此密切关联并且不同速度机制下的飞行特性彼此更为密切相关。
近来，在旋翼飞行器中引入了电传(fly-by-wire，FBW)***，以辅助飞行员稳定地驾驶旋翼飞行器并且减轻飞行员的工作负担。FBW***在不同飞行机制下可以针对周期距控制输入、踏板控制输入或总距控制输入来提供不同的控制特性或响应，并且可以通过将物理飞行特性解耦来提供稳定性辅助或增强，使得飞行员免于需要补偿发给旋翼飞行器的一些飞行命令。FBW***可以在设置于飞行员控制装置与飞行控制***之间的一个或更多个飞行控制计算机(FCC)中实现，从而向飞行控制装置提供校正，这帮助更有效地操作旋翼飞行器或使旋翼飞行器进入稳定飞行模式同时仍允许飞行员改写FBW控制输入。例如，旋翼飞行器中的FBW***可以自动地调整发动机输出的动力以匹配总距控制输入、在周期距控制输入期间应用总距或动力校正、提供一个或更多个飞行控制程序的自动化、提供默认或建议的控制定位等。
用于旋翼飞行器的FBW***必须针对FBW***控制的飞行参数提供稳定的飞行特性，并同时允许飞行员改写或调节由FBW***建议的任何建议飞行参数。另外，在为旋翼飞行器飞行提供增强的控制和自动化功能时，FBW***必须保持对于飞行员而言直观且易于使用的飞行控制***。因此，FBW***调节飞行员飞行控制装置，使得控制装置处于与相关飞行参数相关联的位置。例如，FBW***可以调节总距杆以提供建议的或FBW***控制的飞行参数，并且这些参数反映总距或动力设置。因此，当飞行员释放总距杆并且FBW***提供总距控制命令时，总距杆与实际动力或总距设置有关地直观定位，使得当飞行员抓住总距杆以重新控制时，该控制杆被定位在飞行员所预期的该杆针对主旋翼的实际总距设置而被定位的位置处。类似地，FBW***使用周期距杆来例如调节飞行路径的湍流、漂移或其他干扰，并且可以在FBW***补偿周期距控制时移动周期距杆。因此，当飞行员抓住周期距杆以从FBW***取得对飞行的控制时，周期距杆被定位成反映实际的周期距设置。
图1示出了根据一些实施方式的旋翼飞行器101。旋翼飞行器101具有主旋翼***103，主旋翼***103包括多个主旋翼桨叶105。每个主旋翼桨叶105的桨距(pitch)可以由斜盘107控制，以选择性地控制旋翼飞行器101的姿态、高度和运动。可以使用斜盘107来共同地和/或周期地改变主旋翼桨叶105的桨距。旋翼飞行器101还具有反扭矩***，该反扭矩***可以包括尾旋翼109、无尾旋翼(no-tail-rotor，NOTAR)或双主旋翼***。在具有尾旋翼109的旋翼飞行器中，各个尾旋翼桨叶111的桨距被共同地改变，以改变反扭矩***的推力，从而提供对旋翼飞行器101的方向控制。尾旋翼桨叶111的浆距由一个或更多个尾旋翼致动器来改变。在一些实施方式中，FBW***向尾旋翼致动器或主旋翼致动器发送电信号以控制旋翼飞行器的飞行。
由发动机115向主旋翼***103和反扭矩***提供动力。可以存在一个或更多个发动机115，所述一个或更多个发动机115可以根据来自FBW***的信号来控制。发动机115的输出被提供至驱动轴117，该驱动轴117分别通过主旋翼传动装置119和尾旋翼传动装置机械地且操作性地联接至主旋翼***103和反扭矩***。
旋翼飞行器101还包括机身125和尾部123。尾部123可以具有用于控制并稳定旋翼飞行器101的飞行的其他飞行控制设备，比如水平或竖向稳定器、舵、升降舵或其他控制装置或稳定面。机身125包括驾驶舱127，驾驶舱127包括显示器、控制装置和仪器。应当理解，即使旋翼飞行器101被描绘为具有某些示出的特征，但旋翼飞行器101也可以具有各种特定于实现方式的构型。例如，在一些实施方式中，如所示出的，驾驶舱127被构造成容纳飞行员或者飞行员和副飞行员。然而，还设想，旋翼飞行器101可以被远程操作，在这种情况下，驾驶舱127可以被构造为全功能驾驶舱以容纳飞行员(并且可能还有副飞行员)以提供更大的使用灵活性，或者可以被构造成具有有限功能的驾驶舱(例如，仅容纳一个人的驾驶舱，这个人将作为进行操作、也许与远程副飞行员一起操作的飞行员，或者这个人将作为副飞行员或后备飞行员，同时主驾驶功能由远程执行)。在又一些其他设想的实施方式中，旋翼飞行器101可以被构造为无人交通工具，在这种情况下，驾驶舱127可以完全去除以节省空间和成本。
图2A是根据一些实施方式的用于旋翼飞行器101的电传飞行控制***201的框图。图2B示出了根据一些实施方式的驾驶舱127的内部，并且结合图2A进行描述。飞行员可以操纵一个或更多个飞行员飞行控制装置以控制旋翼飞行器的飞行。飞行员飞行控制装置可以包括人工控制装置，比如周期距控制组件217中的周期距杆231、总距控制组件219中的总距杆233以及踏板控制组件221中的踏板239。由飞行员向飞行员飞行控制装置提供的输入可以通过飞行控制***201以机械方式和/或电子方式(例如，经由FBW飞行控制***)传输至飞行控制设备。飞行控制设备可以表示能够操作成改变旋翼飞行器101的飞行特性的设备。作为示例，旋翼飞行器上的飞行控制设备可以包括能够操作成改变主旋翼桨叶105和尾旋翼桨叶111的位置或迎角或者改变发动机115的动力输出的机械和/或电气***。飞行控制设备包括诸如斜盘107、尾旋翼致动器113的***以及能够操作成控制发动机115的***。飞行控制***201可以独立于机组人员来调整飞行控制设备，以使旋翼飞行器稳定、减少机组人员的工作负担等。飞行控制***201包括：共同地调节飞行控制设备的发动机控制计算机(ECCU)203、飞行控制计算机(FCC)205以及飞行器传感器207。
飞行控制***201具有一个或更多个FCC 205。在一些实施方式中，提供多个FCC205以用于冗余。FCC 205内的一个或更多个模块可以部分地或全部地实施为用于执行本文中描述的任何功能的软件和/或硬件。在飞行控制***201是FBW飞行控制***的实施方式中，FCC 205可以分析飞行员输入并且向ECCU 203、尾旋翼致动器113和/或用于斜盘107的致动器派遣相应的命令。此外，FCC 205被配置成通过与飞行员飞行控制装置中的每个飞行员飞行控制装置相关联的传感器来接收来自飞行员控制装置的输入命令。通过测量飞行员控制装置的位置来接收输入命令。FCC 205还控制对飞行员控制装置的触觉提示命令，或者在比如仪表板241上的仪器中显示信息。
ECCU 203控制发动机115。例如，ECCU 203可以改变发动机115的输出动力以控制主旋翼桨叶或尾旋翼桨叶的旋转速度。ECCU 203可以根据来自FCC 205的命令来控制发动机115的输出动力，或者可以基于反馈、比如所测量的主旋翼桨叶的每分钟转数(RPM)来控制发动机115的输出动力。
飞行器传感器207与FCC 205通信。飞行器传感器207可以包括用于测量多种旋翼飞行器***、飞行参数、环境状况等的传感器。例如，飞行器传感器207可以包括：用于测量空速、高度、姿态、位置、取向、温度、空速、竖向速度等的传感器。其他飞行器传感器207可以包括依赖于源自旋翼飞行器外部的数据或信号的传感器，比如全球定位***(GPS)传感器、VHF全向范围传感器、仪表着陆***(ILS)等。
周期距控制组件217连接至周期距配平(cyclic trim)组件229，周期距配平组件229具有：一个或更多个周期距位置传感器211、一个或更多个周期距止动传感器235以及一个或更多个周期距致动器或周期距配平马达209。周期距位置传感器211测量周期距杆231的位置。在一些实施方式中，周期距杆231是沿着两个轴移动并且允许飞行员控制俯仰和侧倾的单个控制杆，其中，俯仰是旋翼飞行器的机头的竖向角度(vertical angle)，侧倾是旋翼飞行器的侧向摆动(side-to-side)角度。在一些实施方式中，周期距控制组件217具有单独测量侧倾和俯仰的单独的周期距位置传感器211。用于检测侧倾和俯仰的周期距位置传感器211分别生成侧倾信号和俯仰信号(有时分别被称为周期距经度信号和周期距纬度信号)，侧倾信号和俯仰信号被发送至FCC 205，FCC 205控制斜盘107、发动机115、尾旋翼109或相关的飞行控制设备。
周期距配平马达209连接至FCC 205并接收来自FCC 205的信号以使周期距杆231移动。在一些实施方式中，FCC 205根据下述各项中的一者或更多者来确定用于周期距杆231的建议周期距杆位置：总距杆位置、踏板位置、旋翼飞行器的速度和高度和姿态、发动机每分钟转数(RPM)、发动机温度、主旋翼RPM、发动机扭矩或者其他旋翼飞行器***状况或飞行状况。建议周期距杆位置是由FCC 205确定的来给出期望的周期距动作的位置。在一些实施方式中，FCC 205向周期距配平马达209发送指示建议周期距杆位置的建议周期距杆位置信号。虽然FCC 205可以命令周期距配平马达209将周期距杆231移动至特定位置(这又将相应地驱动与斜盘107相关联的致动器)，但是周期距位置传感器211检测由周期距配平马达209设定的或由飞行员输入的周期距杆231的实际位置，从而允许飞行员改写建议周期距杆位置。周期距配平马达209连接至周期距杆231，使得在配平马达正在驱动周期距杆231的同时飞行员可以移动周期距杆231，以改写建议周期距杆位置。因此，在一些实施方式中，FCC205从周期距位置传感器211接收指示实际周期距杆位置的信号，并且不依赖于建议周期距杆位置来命令斜盘107。
类似于周期距控制组件217，总距控制组件219连接至总距配平组件225，总距配平组件225具有：一个或更多个总距位置传感器215、一个或更多个总距止动传感器237以及一个或更多个总距致动器或总距配平马达213。总距位置传感器215测量总距控制组件219中的总距杆233的位置。在一些实施方式中，总距杆233是沿着单个轴移动或者具有杠杆式动作的单个控制杆。总距位置传感器215检测总距杆233的位置，并且将总距位置信号发送至FCC 205，FCC 205根据总距位置信号来控制发动机115、斜盘致动器或相关的飞行控制设备，以控制旋翼飞行器的竖向运动。在一些实施方式中，FCC 205可以向ECCU 203发送动力命令信号并且向主旋翼致动器或斜盘致动器发送总距命令信号，使得主桨叶的迎角共同升高或降低，并且发动机动力被设定为提供所需的动力以保持主旋翼RPM大致恒定。
总距配平马达213连接至FCC 205并接收来自FCC 205的信号以使总距杆233移动。类似于对建议周期距杆位置的确定，在一些实施方式中，FCC 205根据下述各项中的一者或更多者来确定用于总距杆233的建议总距杆位置：周期距杆位置、踏板位置、旋翼飞行器的速度和高度和姿态、发动机RPM、发动机温度、主旋翼RPM、发动机扭矩或者其他旋翼飞行器***状况或飞行状况。FCC 205生成建议总距杆位置，并且将相应的建议总距杆信号发送至总距配平马达213，以将总距杆233移动至特定位置。总距位置传感器215检测由总距配平马达213设定的或由飞行员输入的总距杆233的实际位置，从而允许飞行员改写建议总距杆位置。
踏板控制组件221具有测量踏板控制组件221中的踏板或其他输入元件的位置的一个或更多个踏板传感器227。在一些实施方式中，踏板控制组件221不具有配平马达或致动器，并且可以具有在飞行员将踏板释放时使踏板居中的机械返回元件。在其他实施方式中，踏板控制组件221具有根据来自FCC 205的信号将踏板驱动至建议踏板位置的一个或更多个配平马达。踏板传感器227检测踏板239的位置并将踏板位置信号发送至FCC 205，FCC205控制尾旋翼109以使旋翼飞行器横摆或绕竖向轴线旋转。
周期距配平马达209和总距配平马达213可以分别将周期距杆231和总距杆233驱动至建议位置。周期距配平马达209和总距配平马达213可以分别将周期距杆231和总距杆233驱动至建议位置，但是该运动能力还可以用于向飞行员提供触觉提示。当飞行员正移动相应的杆来指示特定状况时，周期距配平马达209和总距配平马达213可以沿特定方向推动杆。由于FBW***使杆与一个或更多个飞行控制设备在机械上断开连接，因而飞行员可能不会感觉到与飞行控制组件机械地连接的杆中所固有的急停、振动或其他触觉提示。在一些实施方式中，FCC 205可以使周期距配平马达209和总距配平马达213抵抗驾驶员命令而推动，使得驾驶员感觉到阻力，或者可以命令一个或更多个摩擦设备提供当驾驶员移动杆时感觉到的摩擦。因此，FCC 205通过在杆上提供压力和/或摩擦来控制对杆的感觉。
另外，周期距控制组件217、总距控制组件219和/或踏板控制组件221可以各自具有确定飞行员是否正在操纵特定控制设备的一个或更多个止动传感器。例如，周期距控制组件217可以具有确定飞行员正握持周期距杆231的周期距止动传感器235，而总距控制组件219具有确定飞行员是否正握持总距杆233的总距止动传感器237。周期距止动传感器235和总距止动传感器237检测由飞行员输入引起的、而不是由来自FCC 205的命令、旋翼飞行器振动等引起的相应控制杆的运动和/或位置，并且向FCC 205提供指示相应控制杆的运动和/或位置的反馈信号。当FCC 205检测到飞行员控制着或者正在操纵特定控制装置时，FCC205可以确定杆脱离止动(out-of-detent，OOD)。类似地，当来自止动传感器的信号向FCC205指示飞行员已将特定杆释放时，FCC可以确定杆处于止动(in-detent，ID)。FCC 205可以基于特定杆或飞行员控制装置的止动状态向一个或更多个飞行***提供不同的默认控制命令或自动命令。
图3是根据一些实施方式的飞行控制***201的框图。以高度示意的方式示出了飞行控制***201的一些操作方面。特别地，飞行控制***201被示意性地示出为被实现为运行某些控制律的一系列相互关联的反馈环路。尽管飞行控制***201被示出为三环路飞行控制***，但是应当理解的是，飞行控制***201可以以不同的方式来实现，比如具有不同数量的控制环路。
在一些实施方式中，飞行控制***201的元件可以至少部分地由FCC 205来实现。然而，飞行控制***201的部件(301、303、305、307)中的所有部件、一些部件或没有部件可以位于旋翼飞行器101外部或远离旋翼飞行器101，并且通过网络连接309与机载设备通信。
飞行控制***201具有：飞行员输入311、外环路313、中环路315、内环路317、断开器319以及飞行器装备321(例如，对应于诸如斜盘107、尾旋翼传动装置121等的飞行控制设备；对应于驱动飞行控制设备的致动器(未示出)；对应于诸如飞行器传感器207、周期距位置传感器211、总距位置传感器215、周期距止动传感器235、总距止动传感器237等的传感器等)。
在示出的示例中，三环路设计将内部稳定性及速率反馈环路与外部引导及跟踪环路分开。控制律结构主要将整体稳定性任务和减少飞行员工作负担的相关任务分配给内环路317。接下来，中环路(有时称作速率环路)315提供速率增强。外环路313集中于引导及跟踪任务。由于内环路317和中环路315提供了大部分稳定性，因此在外环路层面上需要较少的控制工作。如代表性地示出的，由于对于飞行稳定性而言外环路313的任务不是必需的，因此可以提供开关323以接通及断开外环路飞行增强。
在一些实施方式中，内环路317和中环路315包括应用于侧倾/俯仰/横摆3轴速率陀螺仪和加速度反馈传感器的一组增益和滤波器。内环路和速率环路二者都可以独立于各种外环路保持模式而保持活动。外环路313可以包括级联的环路层，级联的环路层包括姿态环路、速度环路、位置环路、竖向速度环路、高度环路以及航向(heading)环路。根据一些实施方式，在所示的环路中运行的控制律使得能够解耦以其他方式耦合的飞行特性，这进而可以提供更稳定的飞行特性和减少的飞行员工作负担。此外，外环路313可以允许某些高级别任务或飞行模式的自动化或半自动化操作，从而进一步减轻飞行员工作负担并且允许飞行员集中于其他事项，所述其他事项包括观察周围地形。
飞行控制***201可以被实现为由FCC 205执行的编程。编程包括实现飞行控制***201的各个方面的指令。FCC 205可以包括存储编程的存储器235，比如非暂态计算机可读存储介质。一个或更多个处理器327被连接至存储器325，并且能够操作成执行编程。
飞行控制***201在控制飞行时依赖于准确地确定旋翼飞行器101的位置、速率(或速度)和加速度。特别地，飞行控制***201的所有三个环路都使用旋翼飞行器101的竖向速度(VSPD)。使用不准确的VSPD值可能降低由飞行控制***201实现的控制律的性能，并且可能导致旋翼飞行器101的部分或全部故障。根据一些实施方式，VSPD通过利用包含VSPD的值的多个信号执行互补滤波来估算。通过利用多个信号进行互补滤波来估算旋翼飞行器101的VSPD可以提高由飞行控制***201使用的VSPD值的准确度。
图4是根据一些实施方式的用于VSPD估算的第一***401的框图。第一***401具有两个输入：第一测量竖直速度(VM1)信号和第二测量竖直速度(VM2)信号。这些信号可以从多种不同的源接收，并且如下面将论述的，这些信号可以通过测量旋翼飞行器101的其他性能来间接地确定。这些信号是包含VSPD的值的噪音信号。VM1和VM2中的噪音可以位于不同的区域中。特别地，VM1在短期内包括准确的VSPD值，但在长期内具有噪音(例如，具有低频噪音)。相反，VM2在长期内包括准确的VSPD值，但在短期内具有噪音(例如，具有高频噪音)。第一***401包括高通滤波器403、低通滤波器405和加法器405，高通滤波器403、低通滤波器405和加法器405中的每一者均可以实现为模拟电路或通过FCC 205中的数字信号进行处理，比如利用数字信号处理器(DSP)通过数字信号进行处理。
高通滤波器403用于滤除来自VM1的低频噪音，并且低通滤波器405用于滤除来自VM2的高频噪音。应指出的是，高通滤波器403和低通滤波器405是互补滤波器。例如，如果高通滤波器403的传递函数是F(s)，则低通滤波器405的传递函数是F(s)的互补函数，例如1-F(s)。换句话说，高通滤波器403和低通滤波器405相加为值为1的全通滤波器。加法器405将来自高通滤波器403和低通滤波器405的经滤除的信号相加，从而产生估算竖向速度(VEST)信号。尽管VEST信号包含VSPD的估算，但是VEST信号可以包含比噪音信号VM1和VM2各自包含的VSPD值更准确的VSPD值。
图5是根据一些实施方式的用于VSPD估算的第二***501的框图。与第一***401类似，第二***501具有两个输入(VM1和VM2)和一个输出(VEST)。第二***501等同于第一***401，除了第二***501仅具有对VM1信号和VM2信号中的噪音进行操作的单个滤波器503之外。加法器505确定输入VM1信号与VM2信号之间的差值(例如，从VM2减去VM1)，并且滤波器503对该差值进行操作。然后，加法器507将经滤波的差值与初始的VM1信号相加，从而产生VEST作为其输出。
应当理解，第一***401和第二***501示出了互补滤波器的一些示例。其他构型(比如下面在图7中示出的构型)也可以用于实现互补滤波。
图6是根据一些实施方式的用于竖向速度估算的方法601的框图。方法601可以实现为飞行控制***201的一部分。特别地，FCC 205可以在控制旋翼飞行器101的飞行时执行方法601。
在处理603中，接收VM1信号。应当理解，VM1信号可以通过多种装置或源来接收。在一些实施方式中，VM1信号是直接转换的。例如，VM1信号可以是来自飞行器传感器207的传感器信号，其中，飞行器传感器207直接测量竖向速度，比如利用可变电感器(variometer)或其他竖向速度指示器(VSI)来直接测量竖向速度。在其他实施方式中，转换另一传感器信号，并且从转换出的传感器信号导出VM1信号。例如，可以通过测量旋翼飞行器101的竖向惯性加速度(例如，a(t))来间接地接收VM1信号。竖向惯性加速度可以利用飞行器传感器207中的第一飞行器传感器来测量，比如利用加速度计来测量。然后通过将竖向惯性加速度相对于时间积分来获得VM1信号，如等式1中所示。通过对竖向惯性加速度进行积分来确定旋翼飞行器101的VSPD可以在短期内比在长期内更准确。
VM1＝∫a(t)dt (1)
在处理605中，接收VM2信号。应当理解，VM2信号可以通过多种装置或源来接收。在一些实施方式中，VM2信号是直接转换的。例如，VM2信号可以是来自飞行器传感器207的传感器信号，其中，飞行器传感器207直接测量竖向速度，比如利用变差计或其他VSI来直接测量竖向速度。在其他实施方式中，转换另一传感器信号，并且从转换出的传感器信号导出VM2信号。可以使用不同的飞行器传感器207来接收VM1信号和VM2信号。例如，可以通过测量旋翼飞行器101的竖向位置(例如，s(t))来间接地接收VM2信号。竖向位置可以利用飞行器传感器207中的第二飞行器传感器来测量，比如利用空气压力传感器(例如，气压计)、GPS传感器、基于超声波或激光的高度测量传感器等来测量。然后通过将竖向位置相对于时间微分来获得VM2信号，如等式2中所示。通过对竖向位置进行微分来确定旋翼飞行器101的VSPD可以在长期内比在短期内更准确。
在处理607中，将VM1信号和VM2信号与互补滤波结合以确定指示旋翼飞行器101的VEST的VEST信号。互补滤波可以利用诸如第一***401、第二***501等的***来执行。如上所述，这种滤波可以以硬件或软件来执行。
在处理609中，基于旋翼飞行器101的VEST而控制旋翼飞行器101的飞行。VEST值可以是飞行控制***201的一个或更多个环路比如外环路313、中环路315和/或内环路317所使用的变量。可以调节旋翼飞行器101的飞行控制设备以改变旋翼飞行器101的飞行特性。例如，可以基于VEST而致动斜盘107以保持特定的速度或方向，以使悬停或着陆等的方法自动化。类似地，可以基于VEST而调节尾旋翼致动器113。在一些实施方式中，VEST的值可以用于影响飞行控制***201的其他功能。例如，断开器319可以在将飞行员飞行控制装置断开联接时使用VEST，或者中环路315可以在稳定旋翼飞行器101时使用VEST。
图7是根据一些实施方式的可以用于实现第一***401或第二***501的滤波器701的框图。滤波器701是利用三个积分器703、705和707实现的互补滤波器。此外，滤波器701表示VM1信号和VM2信号是从转换的传感器信号导出的实施方式。特别地，VM1信号是从来自高度计的信号导出的(例如，s(t))，并且VM2信号是从来自加速度计的信号导出的(例如，a(t))。滤波器701产生两个输出信号：VEST和s(t)EST。s(t)EST信号是高度计信号的估算，其也通过互补滤波被滤波。
重置积分器703、705和707可以确保滤波器701准确地产生VEST信号。积分器703、705和707可以以多种方式重置，并且可以被重置为不同的值。根据一些实施方式，可以在下述情况下重置积分器703、705和707：(1)FCC 205最初启动；(2)FCC 204被重置；(3)由飞行器传感器207的轮承重传感器确定的旋翼飞行器101位于地面上；(4)滤波器701的输入信号失效；或者(5)积分器703、705和707中的任何一个积分器已达到它们的上限或下限，该上限或下限可以是预定值。
在特定实施方式中，响应于检测到旋翼飞行器着地而重置滤波器701。检测旋翼飞行器着地可以包括：从旋翼飞行器101的轮承重传感器接收第一重量信号；根据第一重量信号确定旋翼飞行器101的第一轮正承载比预定量的重量多的重量；以及响应于第一轮承载比预定量的重量多的重量而确定旋翼飞行器101着地。
在重置时，积分器703被重置为零值，积分器705被重置为如由旋翼飞行器101的空气数据***估算的当前竖向速度值，并且积分器707被重置为如由旋翼飞行器101的空气数据***估算的当前高度。旋翼飞行器101的空气数据***直接通过对来自飞行器传感器207的空气传感器的信号进行转换来确定竖向速度和高度。
实施方式可以实现优点。与直接测量VSPD相比，通过组合多个不同信号来估算旋翼飞行器101的VSPD可以产生更准确的值。特别地，通过将多个噪音信号与互补滤波***结合，可以准确地估算VSPD并且可以更好地控制旋翼飞行器101的飞行。
尽管已经参照说明性实施方式描述了本发明，但是该描述并不意在以限制性含义被解释。通过参照该描述，这些说明性实施方式的各种改型及组合以及本发明的其他实施方式对本领域技术人员而言将是明显的。因此，所附权利要求意在涵盖任何这样的改型或实施方式。

Claims (20)

1.一种旋翼飞行器，包括：
加速度计；
空气压力传感器；
多个飞行控制设备；以及
飞行控制计算机，所述飞行控制计算机联接至所述空气压力传感器、所述加速度计和所述飞行控制设备，所述飞行控制计算机配置成：
从所述加速度计接收第一传感器信号，所述第一传感器信号指示所述旋翼飞行器的竖向加速度；
将所述第一传感器信号相对于时间积分以获得第一竖向速度信号；
从所述空气压力传感器接收第二传感器信号，所述第二传感器信号指示所述旋翼飞行器的竖向位置；
将所述第二传感器信号相对于时间微分以获得第二竖向速度信号；
将所述第一竖向速度信号和所述第二竖向速度信号与互补滤波器结合以估算所述旋翼飞行器的竖向速度；
根据所述旋翼飞行器的所述竖向速度而致动所述飞行控制设备中的一个或更多个飞行控制设备；以及
响应于检测到所述旋翼飞行器着地而重置所述互补滤波器。
2.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机配置成通过下述方式将所述第一竖向速度信号和所述第二竖向速度信号与所述互补滤波器结合：
用第一滤波器对所述第一竖向速度信号进行滤波以获得第一经滤波信号；
用第二滤波器对所述第二竖向速度信号进行滤波以获得第二经滤波信号，所述第二滤波器和所述第一滤波器彼此互补；以及
将所述第一经滤波信号和所述第二经滤波信号相加以估算所述旋翼飞行器的所述竖向速度。
3.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机配置成通过下述方式将所述第一传感器信号和所述第二传感器信号与所述互补滤波器结合：
从所述第二竖向速度信号减去所述第一竖向速度信号以获得噪音差值信号；
对所述噪音差值信号进行滤波以获得经滤波的差值信号；以及
将所述第一竖向速度信号和所述经滤波的差值信号相加以估算所述旋翼飞行器的所述竖向速度。
4.一种旋翼飞行器，包括：
飞行控制计算机，所述飞行控制计算机配置成：
从所述旋翼飞行器的第一飞行器传感器接收第一传感器信号；
从所述旋翼飞行器的第二飞行器传感器接收第二传感器信号，所述第二飞行器传感器与所述第一飞行器传感器不同；
将所述第一传感器信号和所述第二传感器信号与互补滤波器结合以确定所述旋翼飞行器的估算竖向速度；
根据所述旋翼飞行器的所述估算竖向速度而调节所述旋翼飞行器的飞行控制设备，从而改变所述旋翼飞行器的飞行特性；以及
响应于检测到所述旋翼飞行器着地而重置所述互补滤波器。
5.根据权利要求4所述的旋翼飞行器，还包括所述第一飞行器传感器，所述第一飞行器传感器是加速度计。
6.根据权利要求5所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机配置成通过下述方式接收所述第一传感器信号：
从所述加速度计接收竖向加速度信号；以及
对所述竖向加速度信号进行积分以获得所述第一传感器信号。
7.根据权利要求4所述的旋翼飞行器，还包括所述第二飞行器传感器，所述第二飞行器传感器是空气压力传感器。
8.根据权利要求7所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机配置成通过下述方式接收所述第一传感器信号：
从所述空气压力传感器接收竖向位置信号；以及
对所述竖向位置信号进行微分以获得所述第二传感器信号。
9.根据权利要求4所述的旋翼飞行器，还包括：
飞行员飞行控制装置，所述飞行员飞行控制装置联接至所述飞行控制计算机，所述飞行控制计算机还配置成根据所述飞行员飞行控制装置的运动而致动所述飞行控制设备。
10.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机配置成通过下述方式调节所述飞行控制设备：
根据所述估算竖向速度将所述飞行员飞行控制装置与所述飞行控制设备断开联接。
11.根据权利要求9所述的旋翼飞行器，其中，所述飞行控制计算机配置成通过下述方式调节所述飞行控制设备：
还根据所述估算竖向速度而致动所述飞行控制设备。
12.一种方法，包括：
从旋翼飞行器的第一飞行器传感器接收第一传感器信号；
从所述旋翼飞行器的第二飞行器传感器接收第二传感器信号，所述第二飞行器传感器与所述第一飞行器传感器不同；
将所述第一传感器信号和所述第二传感器信号与互补滤波器结合以确定所述旋翼飞行器的估算竖向速度；
根据所述旋翼飞行器的所述估算竖向速度而调节所述旋翼飞行器的飞行控制设备，从而改变所述旋翼飞行器的飞行特性；以及
响应于检测到所述旋翼飞行器着地而重置所述互补滤波器。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述第一传感器信号和所述第二传感器信号与所述互补滤波器结合包括：
用第一滤波器对所述第一传感器信号进行滤波以获得第一经滤波信号；
用第二滤波器对所述第二传感器信号进行滤波以获得第二经滤波信号，所述第二滤波器和所述第一滤波器彼此互补；以及
将所述第一经滤波信号和所述第二经滤波信号相加以确定所述旋翼飞行器的所述估算竖向速度。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述第一传感器信号和所述第二传感器信号与所述互补滤波器结合包括：
从所述第二传感器信号减去所述第一传感器信号以获得噪音差值信号；
对所述噪音差值信号进行滤波以获得经滤波的差值信号；以及
将所述第一传感器信号和所述经滤波的差值信号相加以确定所述旋翼飞行器的所述估算竖向速度。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一飞行器传感器是加速度计。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，接收所述第一传感器信号包括：
从所述加速度计接收竖向加速度信号；以及
对所述竖向加速度信号进行积分以获得所述第一传感器信号。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二飞行器传感器是空气压力传感器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，接收所述第二传感器信号包括：
从所述空气压力传感器接收竖向位置信号；以及
对所述竖向位置信号进行微分以获得所述第二传感器信号。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，调节所述旋翼飞行器的所述飞行控制设备包括：
根据所述估算竖向速度将所述旋翼飞行器的所述飞行员飞行控制装置与所述飞行控制设备断开联接。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括：
从所述旋翼飞行器的轮承重传感器接收第一重量信号；
根据所述第一重量信号确定所述旋翼飞行器的第一轮正承载比预定量的重量多的重量；以及
响应于所述第一轮承载比所述预定量的重量多的重量来确定所述旋翼飞行器着地。
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