專利名稱：航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種航行器在起降階段的俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水上起降的水上飛機(jī)以及其他航行器如地效飛行器和水翼船等(以下簡稱為“航行器”)，都是利用了流體力學(xué)中的伯努利效應(yīng)，即利用航行器的一部分機(jī)體(如機(jī)翼、水翼或者浮子)沉浸在流體中的特定剖面，流體經(jīng)過該剖面時(shí)產(chǎn)生上下部位的流速差，這個(gè)流速差產(chǎn)生壓差，這個(gè)壓差形成支撐航行器離開地面(水面)，實(shí)現(xiàn)騰空和懸浮的動力。這種由流速差生成的動力的命名取決于流體的媒介形式，如果流體的媒介是空氣，稱之為空氣動力；如果流體的媒介是水，稱之為水動力。 與其他專用于水中或者空氣中航行的飛機(jī)或船舶不同，本專利所述的航行器的共同運(yùn)行特征是其運(yùn)行過程具備水面航行與空中航行之間的轉(zhuǎn)換過程，包括水翼船也是借助產(chǎn)生水動力的水翼，將船身主體抬升到水面之上，以達(dá)到減少水阻、快速航行的目的。與本發(fā)明專利相關(guān)的運(yùn)行特征航行器在水面起飛時(shí)，在靜止和低速航行階段，完全由航行器的船體或浮子的浮力支撐航行器漂浮在水面上。航行器速度增加時(shí)，船體或浮子上的水動力效應(yīng)增加，逐步過渡到由浮力和水動力共同支撐航行器；隨著速度的進(jìn)一步增加，從完全由浮力支撐轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕伤畡恿σ约皺C(jī)翼生成的空氣動力支撐航行器，船體開始減少吃水深度，部分脫離水面。此時(shí)，如果保持這個(gè)狀態(tài)，航行器可以貼水而高速地航行；如果航行器速度繼續(xù)增加，航行器獲得足夠升力，完全脫離水面，在空中航行。著水過程與之相反，即航行器從完全由空氣動力支撐逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆筛×χ巍Ｓ绊懞叫衅髌鸾惦A段安全運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)在于航行器重量為浮力和水動力共同支撐的這個(gè)特定階段。因?yàn)椋枳兓撬俣茸兓钠椒街怠Ｔ谄痫w階段，不適當(dāng)?shù)丶哟笏俣葘?dǎo)致水阻急劇倍增，航行器被倍增的水阻效應(yīng)拖入水中，無法騰空，導(dǎo)致起飛失敗。在著水階段，如果接水速度過大，水阻突增，導(dǎo)致航行器栽入水中。為減少水阻突變的危害，像魚類下腹部一樣，航行器的船體下部通常設(shè)計(jì)成斷階結(jié)構(gòu)，其原理是，航行器處于浮力和水動力共同支撐的特定階段時(shí)，隨著速度的進(jìn)一步增力口，航行器前部抬升，后部下沉，斷階后部突然縮起的船體結(jié)構(gòu)有效減少船體此時(shí)入水的面積，由此，減少水阻過大而產(chǎn)生嚴(yán)重拖拽的影響。降落著水時(shí)，與之相反，航行器首先用斷階部位觸水，逐步減低速度，過渡到完全由浮力支撐航行器。相對應(yīng)地，在這個(gè)特定階段實(shí)現(xiàn)高速航行、又不至于水阻突增的速度，稱之為斷階速度\，它是航行器水上起降成功與否的一個(gè)關(guān)鍵控制指標(biāo)。Vs不僅僅用于航行器起降階段的控制操作，也是航行器水面航行的一個(gè)常態(tài)操縱指標(biāo)。在這個(gè)時(shí)刻，水阻很小，且航速很高，航行器可以借此實(shí)現(xiàn)水面上的高速滑行，提升了出入水面起降區(qū)域和完成任務(wù)的時(shí)間效率。
斷階設(shè)計(jì)和Vs操控技術(shù)是世界各國在航行器設(shè)計(jì)中應(yīng)用了近百年的工程實(shí)踐方法，目前還沒有研發(fā)出其他可實(shí)用的工程技術(shù)方法來有效克服水阻突變的影響。因?yàn)楹叫衅鳑]有陸地飛機(jī)那種用以支撐飛機(jī)重量和平衡的起落架裝置，只能依賴流體的浮力效果來保障航行器在水面運(yùn)行期間的自身平衡。因此，Vs成為一種嚴(yán)格的控制操作要求，即需要嚴(yán)格地保持航行器處于一個(gè)合理的縱向姿態(tài)，過高或過低的縱向姿態(tài)都會使航行器在起降關(guān)鍵時(shí)刻失去必須的縱向穩(wěn)定性。航行器失去縱向穩(wěn)定性后，會出現(xiàn)一種縱向振蕩現(xiàn)象，航行器因此進(jìn)入嚴(yán)重的縱向搖擺狀態(tài)，無法繼續(xù)正常的水面起降進(jìn)程，即此時(shí)航行器猶如海豚般在水面上跳躍，稱之為“海豚跳”。航行器發(fā)生這種縱向搖擺的機(jī)理為當(dāng)航行器在水面上的航行具有一定速度時(shí)，航行器頭部向水面?zhèn)鬟f較大的排水能量；被排擠的水來不及退散，堆積而成波浪。這個(gè)水浪對航行器頭部產(chǎn)生反作用力，導(dǎo)致航行器抬頭。航行器頭部越過浪峰后，水的反作用力突然減少，使航行器加速前傾并下跌，即向下擺動。因?yàn)檫@種向下擺動，又造成航行器頭部吃水 深度突增。航行器頭部因此再次被水的反作用力抬升，直至再次騰起，即向上擺動。如此往復(fù)，導(dǎo)致航行器如海豚般在水面上跳躍。發(fā)生“海豚跳”時(shí)，如果航行器縱向姿態(tài)過高，當(dāng)航行器跳起時(shí)，造成迎角過高，航行器過早騰空，進(jìn)入失速狀態(tài)，墜回水中；如果航行器縱向姿態(tài)過低，航行器跌落時(shí)吃水過深，水的反作用力更大，加劇了下一次跳躍的力度，甚至翻覆。因此，一旦航行器進(jìn)入“海豚跳”，飛行人員必須采取行動；如果這種現(xiàn)象持續(xù)下去，直接影響航空器的結(jié)構(gòu)完好性、飛行人員和乘員的人身安全。航行器的最大和最小安全迎角由航行器設(shè)計(jì)者設(shè)定。美國聯(lián)邦航空管理局的FAA-H-8083-23《水上飛機(jī)、滑撬飛機(jī)、浮子/滑撬直升機(jī)運(yùn)行手冊》中指出(以下簡稱FAA-H-8083-23):航行器縱向姿態(tài)超過這些限制值的1_2度左右，就不可避免地進(jìn)入激烈的縱向搖擺狀態(tài)，即遭遇“海豚跳”。“海豚跳”問題是水面起降運(yùn)行中所特有的物理效應(yīng)，要求飛行人員小心保持航行器的縱向姿態(tài)，精密控制迎角變化，不同于常規(guī)飛機(jī)從陸地硬道面起降對縱向姿態(tài)的控制要求。現(xiàn)有常規(guī)飛機(jī)儀表系統(tǒng)中缺乏現(xiàn)成的解決方案，無法利用現(xiàn)有飛機(jī)儀表系統(tǒng)有效應(yīng)對“海豚跳“問題，必須針對性研發(fā)新的技術(shù)方案。其次，“海豚跳”的發(fā)生機(jī)理說明，問題的核心在于航行器縱向姿態(tài)與水面之間的相對關(guān)系，但是這種相對關(guān)系不是一個(gè)簡單的常量，它受到航行器自身?xiàng)l件影響，包括航行器總重、襟翼操作以及航行器重心變化等因素。FAA-H-8083-23指出，即便最有經(jīng)驗(yàn)的飛行人員，僅僅憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，恪守設(shè)計(jì)規(guī)定的俯仰姿態(tài)限制值，仍然無法完全避免“海豚跳”情況的出現(xiàn)。這就要求有一種能夠及時(shí)識別“海豚跳”實(shí)際情況的技術(shù)手段。第三，從“海豚跳”的發(fā)生機(jī)理得知，“海豚跳”發(fā)生與否與航行器的吃水情況直接相關(guān)，吃水深度不僅取決于航行器自身的縱向姿態(tài)，還取決于水面的平整度，包括水流、水速、浪和涌的狀況。又因各地水文條件差異，加之復(fù)雜天氣條件下水面情況多變，肉眼觀測水面難以量化評估，尤其是從空中返回水面的著水前準(zhǔn)備，肉眼難以從空中精確判斷水面情況。綜上所述，在現(xiàn)實(shí)世界中，即便富有經(jīng)驗(yàn)的飛行人員也很難僅僅憑借個(gè)人技能，恪守固定的航行器設(shè)計(jì)的縱向姿態(tài)限制值，就能避免發(fā)生“海豚跳”。既然無法穩(wěn)定地保障航行安全，就極大地限制了航行器的實(shí)際應(yīng)用。必須有一種可靠的技術(shù)解決手段，方便飛行人員精確地判斷航行器是否處于“海豚跳”的臨界狀態(tài)，以及判斷航行器縱向穩(wěn)定度的變化趨勢，及時(shí)采取應(yīng)對措施。

發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用海洋學(xué)已取得的“海豚跳”發(fā)生機(jī)理的科學(xué)研究成果，及時(shí)精確地判斷航行器是否處于發(fā)生“海豚跳”的狀態(tài)，改進(jìn)航行器在水面運(yùn)行期間的飛行安全。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明發(fā)明目的的技術(shù)方案如下航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，包含計(jì)算機(jī)處理平臺、加速度傳感器、高度傳感器、速度傳感器、顯示裝置和告警裝置，所述計(jì)算機(jī)處理平臺接收來自加速度傳感器、高度 傳感器、速度傳感器所采集的航行器垂直方向上的運(yùn)動參數(shù)信息，并向計(jì)算機(jī)處理平臺輸入相關(guān)水文信息，例如浪高和波長信息，在所述計(jì)算機(jī)處理平臺上加載一個(gè)基于“海豚跳”發(fā)生機(jī)理的科學(xué)研究成果來偵測“海豚跳”的應(yīng)用程序軟件，將軟件計(jì)算的結(jié)果輸出到顯示裝置和告警裝置。所述計(jì)算機(jī)處理平臺與航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)相交聯(lián)，計(jì)算機(jī)處理平臺根據(jù)偵測結(jié)果對飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)給出相應(yīng)操縱指令，自動操縱航行器，實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)功能。在所述程序軟件的算法中，根據(jù)具體航行器的技術(shù)特征，預(yù)設(shè)一套航行器垂直方向運(yùn)動參數(shù)的門限值；通過與加速度傳感器、高度傳感器和速度傳感器等采集到的航行器實(shí)際運(yùn)動數(shù)據(jù)比較，得到是否發(fā)生“海豚跳”的判據(jù)，以及航行器垂直方向上的運(yùn)動趨勢判據(jù)，提供顯示、告警和控制飛行姿態(tài)。實(shí)踐中，為了便于飛行人員準(zhǔn)備和操作，計(jì)算機(jī)處理平臺的顯示和告警可分成“注意”和“告警”兩個(gè)級別。“注意”級別的信息屬于告誡性質(zhì)，表達(dá)了航行器處于“海豚跳”的初始狀態(tài)，提醒飛行人員注意，但無需立即采取糾正行動，正常操作飛行即可，以避免短暫的、輕微的“海豚跳”對正常飛行的干擾；“告警”級別的信息屬于警告性質(zhì)，明確地表征出航行器的垂直運(yùn)動參數(shù)變化呈現(xiàn)放大趨勢，航行器開始失去縱向穩(wěn)定性，需要飛行人員將精力集中到防備進(jìn)入“海豚跳”的危險(xiǎn)上來，需要飛行人員立即采取糾正行動。通過本發(fā)明系統(tǒng)，減少飛行人員操作誤差的影響，降低對飛行人員的判斷能力、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和操作技能的要求，減少航行器進(jìn)入“海豚跳”的可能性，提高航行器在復(fù)雜氣象和陌生水文環(huán)境的運(yùn)行能力。


圖I為本發(fā)明航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)相交聯(lián)的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明應(yīng)用程序軟件的流程框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖I-圖3，進(jìn)一步說明本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例如圖I所示，計(jì)算機(jī)處理平臺接收來自加速度傳感器、高度傳感器、速度傳感器的所采集的航行器垂直方向上的運(yùn)動參數(shù)信息，也可由其他系統(tǒng)或者飛行人員人工向計(jì)算機(jī)處理平臺輸入相關(guān)水文信息，例如浪高和波長信息，進(jìn)一步精確評估發(fā)生“海豚跳”的可能性。計(jì)算機(jī)處理平臺的輸出對象是航行器的顯示裝置和告警裝置。該技術(shù)方案處理“海豚跳”的技術(shù)方法是，在計(jì)算機(jī)處理平臺上加載一個(gè)基于“海豚跳”發(fā)生機(jī)理的科學(xué)研究成果偵測“海豚跳”的應(yīng)用程序軟件。在這個(gè)軟件的算法中，通過根據(jù)具體航行器的技術(shù)特征，預(yù)設(shè)一套航行器垂直方向運(yùn)動參數(shù)的門限值；通過與加速度傳感器、高度傳感器和速度傳感器等采集到的航行器實(shí)際運(yùn)動數(shù)據(jù)比較，得到是否發(fā)生“海豚跳”的判據(jù)，以及航行器垂直方向上的運(yùn)動趨勢判據(jù)，提供顯示、告警和控制飛行姿態(tài)。
實(shí)踐中，為了便于飛行人員準(zhǔn)備和操作，計(jì)算機(jī)處理平臺的顯示和告警可分成“注意”和“告警”兩個(gè)級別。“注意”級別的信息屬于告誡性質(zhì)，表達(dá)了航行器處于“海豚跳”的初始狀態(tài)，提醒飛行人員注意，但無需立即采取糾正行動，正常操作飛行即可，以避免短暫的、輕微的“海豚跳”對正常飛行的干擾；“告警”級別的信息屬于警告性質(zhì)，明確地表征出航行器的垂直運(yùn)動參數(shù)變化呈現(xiàn)放大趨勢，航行器開始失去縱向穩(wěn)定性，需要飛行人員將精力集中到防備進(jìn)入“海豚跳”的危險(xiǎn)上來，需要飛行人員立即采取糾正行動。如圖2所示，計(jì)算機(jī)處理平臺還可與航行器飛行控制系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)交聯(lián)，飛行控制系統(tǒng)可以接收來自計(jì)算機(jī)處理平臺的飛行控制指令；航行器的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，用于接收來自計(jì)算機(jī)處理平臺的發(fā)動機(jī)控制指令。例如，由飛行人員選擇“自動處理”功能后，計(jì)算機(jī)處理平臺不僅持續(xù)地監(jiān)控航行器的縱向姿態(tài)，而且，一旦識別出“海豚跳”的跡象，計(jì)算機(jī)處理平臺的輸出信息直接控制飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，通過對姿態(tài)和動力的雙重調(diào)整，自動化地完成縱向姿態(tài)和飛行速度的調(diào)整。通過這種閉環(huán)控制，減少飛行人員操作誤差的影響，降低對飛行人員的判斷能力、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和操作技能的要求，減少航行器進(jìn)入“海豚跳”的可能性，提高航行器在復(fù)雜氣象和陌生水文環(huán)境的運(yùn)行能力。在工程實(shí)踐中，如果航行器已經(jīng)裝備了普通飛機(jī)已有的電子飛行儀表、飛行控制和飛行管理系統(tǒng)，以及相應(yīng)的大氣和慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、無線電和氣壓高度表等現(xiàn)有電子系統(tǒng)，那么，實(shí)施本專利時(shí)，在硬件構(gòu)成上，只需修改和補(bǔ)充所需信息的交聯(lián)，在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)處理平臺上加載本發(fā)明專利所提出的、基于“海豚跳”發(fā)生機(jī)理的科學(xué)研究成果偵測“海豚跳”的應(yīng)用程序，對指示和告警裝置進(jìn)行相應(yīng)的“海豚跳”顯示和告警，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案，不再需要添置計(jì)算機(jī)處理平臺以及配套的傳感器、顯示器、告警裝置和飛行控制系統(tǒng)。如圖3所示，加速度傳感器接收航行器運(yùn)行時(shí)垂直方向上的加速度值。當(dāng)計(jì)算機(jī)處理平臺的應(yīng)用程序算法偵測到加速度傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)逼近設(shè)計(jì)門限值時(shí)，計(jì)算機(jī)處理平臺的應(yīng)用程序算法比對高度傳感器所采集的高度變化值與所設(shè)計(jì)的高度變化門限值；如果高度變化值也逼近設(shè)計(jì)門限值，計(jì)算機(jī)處理平臺再比對速度傳感器所采集的即刻速度，判斷航行器的航行速度是否接近或已處于Vs值。當(dāng)實(shí)際速度值逼近或已處于設(shè)計(jì)Vs值時(shí)，計(jì)算機(jī)處理平臺認(rèn)為航行器已處于“海豚跳”的初始狀態(tài)，通過顯示裝置和告警裝置向飛行人員提供告誡信息。一旦發(fā)出告誡信息，同時(shí)，計(jì)算機(jī)處理平臺繼續(xù)通過對同類采集的歷史數(shù)據(jù)比較的算法流程，例如與前幾個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)比較，進(jìn)一步識別本次實(shí)測運(yùn)動參數(shù)是否具有放大的性質(zhì)；如果呈現(xiàn)加劇趨勢，計(jì)算機(jī)處理平臺判定航行器正在失去縱向穩(wěn)定性，隨即通過顯示裝置和告警裝置向飛行人員提出告警信息。如果飛行人員通過飛行控制板上的功能鍵，選擇“自動處理”功能，計(jì)算機(jī)處理平臺與飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)耦合，輸出這些判據(jù)和控制參數(shù)信息。例如，根據(jù)“告誡”和“告警”兩級判據(jù)，計(jì)算機(jī)處理平臺對飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)給出相關(guān)操縱指令，自動操縱航行器減緩“海豚跳”趨勢，實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)功能。
具體控制指令的計(jì)算，取決于所應(yīng)用的航行器設(shè)計(jì)、發(fā)動機(jī)類型及其配置，算法流程可基于現(xiàn)有常規(guī)飛機(jī)的飛行控制和發(fā)動機(jī)控制流程。
權(quán)利要求
1.航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，包含計(jì)算機(jī)處理平臺、加速度傳感器、高度傳感器、速度傳感器、顯示裝置和告警裝置，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)處理平臺接收來自加速度傳感器、高度傳感器、速度傳感器所采集的航行器垂直方向上的運(yùn)動參數(shù)信息，并向計(jì)算機(jī)處理平臺輸入相關(guān)水文信息，在所述計(jì)算機(jī)處理平臺上加載一個(gè)用于偵測“海豚跳”的應(yīng)用程序軟件，將軟件計(jì)算的結(jié)果輸出到顯示裝置和告警裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)處理平臺與航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)相交聯(lián)，計(jì)算機(jī)處理平臺根據(jù)偵測結(jié)果對飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)給出相應(yīng)操縱指令，自動操縱航行器，實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)功倉泛。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述程序軟件的算法中，根據(jù)具體航行器的技術(shù)特征，預(yù)設(shè)一套航行器垂直方向運(yùn)動參數(shù)的門限值；通過與采集到的航行器實(shí)際運(yùn)動數(shù)據(jù)比較，得到是否發(fā)生“海豚跳”的判斷依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，包含計(jì)算機(jī)處理平臺、加速度傳感器、高度傳感器、速度傳感器、顯示裝置和告警裝置，所述計(jì)算機(jī)處理平臺接收來自加速度傳感器、高度傳感器、速度傳感器所采集的航行器垂直方向上的運(yùn)動參數(shù)信息，并向計(jì)算機(jī)處理平臺輸入相關(guān)水文信息，例如浪高和波長信息，在所述計(jì)算機(jī)處理平臺上加載一個(gè)用于偵測“海豚跳”的應(yīng)用程序軟件，將軟件計(jì)算的結(jié)果輸出到顯示裝置和告警裝置。本發(fā)明系統(tǒng)減少了飛行人員操作誤差的影響，降低對飛行人員的判斷能力、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和操作技能的要求，減少航行器進(jìn)入“海豚跳”的可能性，提高航行器在復(fù)雜氣象和陌生水文環(huán)境的運(yùn)行能力。
文檔編號G05D1/08GK102830707SQ20121036196
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者顧世敏 申請人:中國航空無線電電子研究所