CN117784621B - 一种垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器控制律设计技术领域，尤其涉及一种垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法，包括功能性需求和性能需求分析两部分。功能性需求分析从运行场景出发，建立用例图、活动图、顺序图模型，捕获功能性需求；建立状态图模型并进行场景测试以确认功能性需求；建立垂直起降飞行器期望响应模型来描述性能需求指标范围；建立驾驶员在环的任务仿真环境，进行操纵品质评价以确认性能需求指标类型和范围。本发明能实现垂直起降飞行器飞行控制需求的分层级、模型化分析，为控制律设计提供定性、定量和满足驾驶员期望的需求输入。
Description
技术领域
本发明属于飞行器控制律设计技术领域，尤其涉及一种垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法。
背景技术
地面交通趋于饱和下对未来空中交通模式的呼唤、飞行控制技术的发展、电动力能源的普及，激励电动垂直起降（electric Vertical Take-off and Landing, eVTOL）飞行器的兴起和发展。在现有阶段，有人操纵的eVTOL飞行器仍是各国开发和局方认可的主流。飞行控制***作为高度复杂的安全关键***，目前越发重视研制的过程管理和追溯，加强需求管理能提高设计效率，减少设计周期和提高设计质量。传统控制律需求确认，往往依据飞行品质规范，在控制律设计完成后，结合人在环仿真进行确认和验证，以设计验证作为控制律需求确认。
以控制律设计验证作为其需求确认存在低效和迭代成本高等不足。对于eVTOL飞行器而言，其特有的运行场景和构型特点，结合固定翼和旋翼机的飞行模式使现有操纵品质规范可借鉴，但飞行模式的切换带来操纵和控制的新问题，导致目前尚无现成完整的飞行品质规范。
因此，对发展该类有人驾驶飞行器来说，如何操纵和需要什么操纵性能的控制律需求的研究对控制律设计很有必要。同时，在设计早期提出更为全面和合理的设计要求，以此标准设计的飞行器更容易具备期望的操纵品质。因此，进行控制律需求早期确认有助于量化任务有效性并建立对控制***的要求，从而能够避免控制律设计后期需求指标无法满足的低效和高成本的设计迭代。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法。该方法旨在进行垂直起降飞行器飞行控制律需求的早期捕获和确认，且基于控制律的设计环境，能有效提高垂直起降飞行器飞行控制律设计迭代效率。
本发明的技术方案具体如下：
一种垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法，包括以下步骤：
S1、从飞行器运行场景和交互方需要出发，构建用例图模型、活动图模型、顺序图模型识别控制量、保持量和驾驶员交互的控制律功能性需求；
S2、对识别的功能性需求建立状态图模型，并进行场景测试以确认功能性需求；
S3、从功能性需求中提取性能需求指标类型，建立垂直起降飞行器期望响应模型，并配置不同的飞行品质构型；
S4、建立驾驶员在环的任务仿真环境，进行操纵品质评价以确认性能需求指标类型和范围。
优选的，所述S1中的用例图模型用于识别运行场景的任务和交互方需要，定义和组织控制律功能需求，并进行可视化；活动图模型用于定义功能流程，描述各轴向控制的功能逻辑，以此识别各轴向控制的功能需求；顺序图模型用于描述功能流程中驾驶员、控制器和执行器的细致时序变化情况，以此分解得到各轴向的驾驶员输入指令、控制量、保持量和控制策略。
优选的，所述S2中的状态图模型集成活动图模型和顺序图模型的信息，实现控制功能流程中的控制状态和逻辑转换的仿真。
优选的，所述S2中的场景测试包括对状态图模型添加测试用例，实现对状态图模型的确认；所述测试用例包括每种场景测试下的测试输入和仿真验证标准。
优选的，所述S3中的垂直起降飞行器期望响应模型包括：控制指令子模型、控制指令到期望的转动或平移速率响应子模型和运动学约束部分。
优选的，所述S4中的驾驶员在环的任务仿真环境包括：垂直起降飞行器期望响应模型、操纵器、仪表显示和仿真任务单元。
优选的，所述操纵器为左右驾驶杆，模拟驾驶员操纵垂直起降飞行器四个轴向所需的指令，以及指令与操纵器物理通道的匹配；所述仪表显示为任务视景，在视景平台下建立操纵任务的辅助标志，用于驾驶员的任务仿真；所述仿真任务单元进行任务仿真评价时的任务指标设计，作为驾驶员评价操纵品质的任务基准，应不超过驾驶员的操纵极限，且不能妨碍操纵品质的评价过程。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明从顶层运行场景出发，用模块化的需求分析架构，分层级***性地挖掘垂直起降飞行器功能性（定性）和性能性（定量）的飞行控制需求。相比于传统基于经验的控制需求设计方法，有效避免了控制需求遗漏和需求之间不协调等情况。
2.本发明针对垂直起降飞行器飞行控制的功能性需求，实现分层级、模型化的需求捕获和形式化确认，保证了顶层功能性需求定义的完整性和正确性。其中，飞行控制性能性需求从功能性需求中衍生而来。本发明提供了一种基于驾驶员在环的垂直起降飞行器性能性需求的任务仿真环境，以实现符合驾驶员操纵需要的操纵杆指令形式配置和该指令形式下的操纵品质确认。该性能性需求的确认过程和结果，既符合旋翼飞行器操纵品质规范，又体现了垂直起降飞行器的操纵特质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图可以更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法的流程图；
图2为垂直起降飞行器正常飞行状态任务剖面示意图；
图3为垂直起降飞行器控制功能用例图；
图4为垂直起降飞行器垂直起飞阶段活动图；
图5为平移速率响应构型的纵向/横向控制功能需求分析顺序图；
图6为驾驶员在环操纵品质仿真***组成要素示意图；
图7为平移速率响应类型模型构建示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明所述的垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法包括功能性需求分析和性能需求分析两部分，如图1所示。
功能性需求分析，从运行场景和交互方需要出发，构建用例图模型、活动图模型、顺序图模型识别控制量、保持量和驾驶员交互的控制律功能性需求；再将用例图模型、活动图模型和顺序图模型的要素整合到可时序性仿真的状态图模型中，对状态图模型添加测试场景和验证标准来确认功能性需求的正确性和完整性。
性能需求分析，首先从功能性需求分析中提取控制类型变量；再针对控制类型变量建立垂直起降飞行器期望响应模型，以描述定量的响应性能指标范围；之后建立包括驾驶员、操纵器输入、垂直起降飞行器期望响应模型、仪表和仿真任务单元的驾驶员在环仿真环境；最后通过驾驶员仿真后的操纵品质评价来确认控制类型变量和定量的响应性能指标范围的合理性。
（1）功能性需求捕获
对eVTOL飞行器而言，整个运行场景包括垂直起降、过渡和固定翼巡航等阶段，通用的飞行包线如图2所示，将eVTOL飞行器的整个运行场景的飞行模式分为两种：固定翼模式和V模式（非固定翼模式）。控制律相关的交互方包括驾驶员、飞行器、大气环境等。
首先基于用例图模型，识别运行场景的任务和交互方需要，以此定义和组织控制律功能需求，并进行可视化，如图3所示。根据各轴向任务单元，将用例图模型转化为活动图模型，定义功能流程，描述各轴向控制的功能逻辑，以此识别各轴向控制的功能需求，如图4所示。定义好功能流程后，导出用例场景，生成场景的顺序图模型来遍历活动图模型，描述功能流程中驾驶员、控制器、执行器等要素的细致时序变化情况，以此分解得到各轴向的驾驶员输入指令、控制量、保持量和控制策略的定义等，如图5所示。
（2）功能性需求测试确认
使用状态图模型，描述可时序性仿真的功能逻辑，添加任务单元（如纵向垂直起降场景）的测试场景，以能否实现预期任务功能为确认目标，仿真验证所识别的功能性需求的正确性和完整性，确认功能逻辑是否符合交互方需要。最终得到完整的控制律的各轴向控制的功能需求（如驾驶员输入指令、控制量、保持量、控制策略和驾驶员提示等交互需求）。
之后，对状态图模型添加测试输入和验证标准，建立多个单独的测试模型。将功能需求内容形式化，作为测试标准加入到测试模型中的评估模块，同时为测试模型添加测试输入序列。将测试模型添加到测试用例中，在统一的测试环境中集中测试。
（3）性能需求指标类型提取
性能需求由功能性需求衍生而来。基于前述功能性需求分析导出各飞行模式下的控制指令响应形式，由此提取各轴向控制的性能需求指标类型，如表1所示。
表1 垂直起降模式下控制律性能指标类型提取
垂直起降飞行器纵横向的可用响应形式如下：
a）角速率指令姿态保持响应（RCAH）-偏移操纵杆对应恒定角速率指令
b）姿态指令姿态保持响应（ACAH）–偏转操纵杆对应恒定姿态
c）平移速率响应（TRC）–偏转操纵杆对应恒定的平移速率
此外，垂直起降飞行器多操纵舵面和旋翼差动等多控制方式下，可能实现无俯仰和滚转的平移速率响应。
偏航轴的可用响应形式，如：
a）偏航角速度指令响应（RC）–操纵杆的恒定偏移产生恒定的偏航率
b）侧滑指令响应（C）–操纵杆的恒定偏转产生恒定的侧滑角
对于垂向轴，考虑如垂向速率响应（驾驶员控制操纵杆的恒定偏转会在垂向轴上产生恒定的速率）等形式。
（4）构建垂直起降飞行器期望响应模型
为确认性能需求指标的定量范围，首先构建垂直起降飞行器期望响应模型，并为其配置不同等级的飞行品质，来实现性能需求指标的模型化描述。
对于垂直起降飞行器期望响应模型，无法构建基于力和力矩的飞行动力学物理模型，因此考虑基于低阶传递函数来建立等效的期望动力学响应模型，来描述所有组件（包括执行器，传感器，飞控律等）的总响应。使垂直起降飞行器期望响应模型既符合刚体飞行器的真实物理特性，又能快速调整动力学特性，以获取精确的预测操纵品质。
a）所述垂直起降飞行器期望响应模型包括：控制指令子模型、控制指令到期望的转动或平移速率响应子模型和运动学约束部分。
控制指令子模型的建立，如姿态指令姿态保持响应，使用理想的二阶指令模型来实现姿态指令对操纵输入的响应。如俯仰姿态指令对操纵输入/>的响应，如下。
（1）
对于此姿态指令形式，通过改变俯仰角固有频率和阻尼比/>，以及驾驶员输入到响应的时间延迟/>来设置姿态指令带宽和相位延迟。/>表示响应增益，/>表示拉普拉斯域中传递函数的频域复变量。类似地，用时间常数/>和驾驶员输入到响应的时间延迟/>来调整平移速率响应和偏航角速率期望指令。
通过低阶传递函数实现期望动力学响应，且使纵向和横向动力学之间的轴间耦合最小。如垂向轴的垂向速度指令（），垂向速率（/>）由相同的各旋翼转速（/>）下产生的总旋翼转速变化（/>），进而产生的垂向拉力（/>）调节，力学机理为：/>，即对/>定义理想的一阶跟踪模型，跟踪响应由时间常数/>决定。
（2）
其中，为期望垂向速率，/>为垂向加速度，/>为垂向过载。
横向和纵向平移速率（）的产生靠滚转角和俯仰角（/>）实现，即纵横向平移速率的改变依赖于内环姿态的改变。对于V模式低速飞行，忽略气动阻力，则纵横向平移速率产生的力学机理：
（3）
其中、/>分别为飞行器前后侧总电机转速，/>、/>分别为飞行器左右侧总电机转速，/>分别为滚转和俯仰力矩，/>分别为滚转和俯仰角加速度，/>分别为滚转角和俯仰角速度，/>分别为侧向力和纵向力，/>分别为横向和纵向平移加速度。
在考虑横向单向输入时，对于横向动力学方程有：
（4）
其中，表示重力加速度，/>表示体轴系下的侧向速度，在滚转姿态较小时，/>可近似为/>；姿态较大时，滚转角和滚转角速度应同时满足欧拉角的动力学方程 （5）：
(5)
其中为偏航角速度，/>为偏航角。
则基于拉氏变换得到滚转角和横向平移速率的传递函数和/>：
（6）
其中，(·)为滚转角变化量，/>为横向操纵杆位移变化量，/>、/>、/>分别为滚转力矩/>对滚转角速度/>、滚转角/>和横向操纵杆位移/>的导数，/>为横向力对横向平移速度的导数。
由此，对平移速率响应（TRC），首先建立内环姿态转动动力学期望模型，如公式（7）所示。
（7）
其中，表示期望俯仰角/>表示俯仰角指令，/>为***响应延迟，/>为姿态期望动力学的固有频率。
在内环姿态响应上加入外环速度反馈回路。根据期望的平移速率指令，通过计算期望的滚转角和俯仰姿态，再将该姿态响应转换为速度响应，整个响应模型如下式：
（8）
其中，表示内层滚转角指令，/>表示滚转角对侧向速率的系数，/>表示侧向速率指令，/>表示侧向速率期望值。
偏航轴，对航向角指令建立一阶理想响应模型，有
（9）
其中，表示期望航向角，/>表示一阶响应的时间常数，/>表示***响应的时间延迟。
此外，理想响应模型还包括运动学部分，飞行器的运动学关系不可违背，且与动力学需求无关。在12个飞机六自由度运动状态参数，如体轴系下三维飞行速度、角速度、位移和姿态角。除上述动力学需求控制量外，其他与之有约束关系的状态量，基于动力学和运动学方程解算得到。
固定翼模式下理想响应模型采用类似的方法建立，如纵向速度响应，垂向采用俯仰角或下沉率指令形式，横向采用角速率响应或滚转角响应，偏航轴考虑侧滑角响应形式等。其他耦合变量，则由运动学约束方程得到。如由侧滑角的定义得到侧向速度/>：
（10）
其中，为迎角，/>表示体轴系下的飞行速度，/>为体轴系的纵向、横向和垂向速度分量。
根据协调转弯下与偏航角/>的关系为：
（11）
因此，可由
（12）
得到航向角的参考值。
b）飞行品质构型配置
在各响应类型的飞行品质构型配置上，对V模式纵横轴向的TRC、ACAH、RCAH等响应类型进行不同飞行品质构型配置，垂向和航向考虑速率响应等。将不同飞行品质构型按照ADS 33-E-PRF的飞行品质要求进行配置。
如对于纵横向靠姿态调节实现的平移速率响应形式，在平移速率靠内环姿态改变产生的动力分量实现时，平移速率响应的主要影响参数有，姿态转动动力学的固有频率和阻尼比/>，以及外环反馈涉及的/>，以及内环姿态到外环速率影响的一阶模型中的等效时间常数/>和/>。各参数通过影响外环反馈环节或内环姿态响应直接或间接影响。调节这几个参数，构建不同等效上升时间下的飞行品质构型，同时考虑在模型中添加延迟，模拟传感器、执行机构等总的延迟时间。
（5）驾驶员仿真环境的其他要素搭建
操纵品质评估主要有三要素：任务、响应形式和可用感示环境。根据这三方面，搭建整个操纵品质评估环境，如图6所示，除垂直起降飞行器期望响应模型外的其他要素包括：操纵器、仪表显示、仿真任务单元。
a）操纵器指令形式
为简化垂直起降飞行器全飞行阶段的操纵，需建立新的操纵方案。操纵器的一种实施方式为左右操纵杆和脚蹬，根据控制响应类型，使各个操纵杆各个通道对应不同的控制指令类型，根据控制指令类型的不同，对操纵杆的物理构型有不同的要求。
如图7所示，对V模式下的平移速率响应（无姿态约束）形式，结合固定翼模式的控制指令，在操纵杆上考虑一种统一的四个轴向的指令配置实施方案，如表2所示。
表2eVTOL统一运动轴向的操纵方案
其中，指令形式的下标表示V模式或F模式，如表示V模式下的纵向速率指令形式，/>表示F固定翼模式下侧向的滚转角指令形式。
该实施方案中，操纵杆的控制指令配置按运动轴向划分，即无论在哪个模式下，每个操纵杆的特定轴向的偏转产生固定轴向的飞行运动。如对于纵向前飞速度轴，低速时精确位置控制时速度应前后正负可调，而高速巡航时类似固定翼的速度调节，只在正向高速范围内调节。此外，操纵杆控制指令配置应能实现平滑切换、易于区分控制模式、避免驾驶员误操纵等。
b）飞行视景和仪表
可用感示环境是飞行品质评价的影响因素之一。飞行显示以固定翼飞机和旋翼飞行器的六大飞行仪表为主。对于如悬停等低速任务，由于操纵精度要求较高，还可考虑其他形式的飞机状态和位置信息显示方式。
c）仿真任务单元
为进行性能需求的仿真评价，需明确定义定量的仿真任务单元（MTE）。如制定垂向复位任务操纵程序，使状态图模型关注任务的性能指标，用于任务操纵程序的确认，以驾驶员反应延迟、过载等约束下能否实现满意的悬停任务，来评价任务操纵程序的合理性，关注任务对品质评价的适宜性，而不是飞行器性能。
如表3所示，以垂向复位任务设计为例，分析“从10m高度悬停到20m高度悬停”不同稳定速度、加速度的参数组合下，确认驾驶员需提供减速指令的时刻和对应的最大减速高度、完成任务的最小时间等任务指标。
垂向复位任务完成时间：
（13）
为考虑驾驶员反应时间的时间裕度，满意的高度/>任务范围为：/>。
表3垂向复位任务性能指标仿真结果
（5）驾驶员仿真的操纵品质评价
在以上仿真环境搭建完成后，由驾驶员对构建的各飞行品质构型和响应形切换进行任务操纵和操纵品质主观评价，并结合仿真曲线，来确认驾驶员对性能需求指标类型和指标范围的满意程度。仿真曲线的分析，可包括驾驶员用杆量和反复调整次数、任务完成情况、姿态变化的剧烈程度等方面。响应形式切换的评价应包括：切换时是否掉高度、切换的可逆性、姿态变化情况和驾驶员操纵负担等方面。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、 “上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、从飞行器运行场景和交互方需要出发，构建用例图模型、活动图模型、顺序图模型识别控制量、保持量和驾驶员交互的控制律功能性需求；
S2、对识别的功能性需求建立状态图模型，并进行场景测试以确认功能性需求；
S3、从功能性需求中提取性能需求指标类型，建立垂直起降飞行器期望响应模型，并配置不同的飞行品质构型；
S4、建立驾驶员在环的任务仿真环境，进行操纵品质评价以确认性能需求指标类型和范围；
所述S1中的用例图模型用于识别运行场景的任务和交互方需要，定义和组织控制律功能需求，并进行可视化；活动图模型用于定义功能流程，描述各轴向控制的功能逻辑，以此识别各轴向控制的功能需求；顺序图模型用于描述功能流程中驾驶员、控制器和执行器的细致时序变化情况，以此分解得到各轴向的驾驶员输入指令、控制量、保持量和控制策略；
所述S2中的状态图模型集成活动图模型和顺序图模型的信息，实现控制功能流程中的控制状态和逻辑转换的仿真；
所述S2中的场景测试包括对状态图模型添加测试用例，实现对状态图模型的确认；所述测试用例包括每种场景测试下的测试输入和仿真验证标准；
所述S3中的垂直起降飞行器期望响应模型包括：控制指令子模型、控制指令到期望的转动或平移速率响应子模型和运动学约束部分。
2.根据权利要求1所述的垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法，其特征在于，所述S4中的驾驶员在环的任务仿真环境包括：垂直起降飞行器期望响应模型、操纵器、仪表显示和仿真任务单元。
3.根据权利要求2所述的垂直起降飞行器飞行控制律需求分析方法，其特征在于，所述操纵器为左右驾驶杆，模拟驾驶员操纵垂直起降飞行器四个轴向所需的指令，以及指令与操纵器物理通道的匹配；所述仪表显示为任务视景，在视景平台下建立操纵任务的辅助标志，用于驾驶员的任务仿真；所述仿真任务单元进行任务仿真评价时的任务指标设计，作为驾驶员评价操纵品质的任务基准，应不超过驾驶员的操纵极限，且不能妨碍操纵品质的评价过程。
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2024
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