專利名稱：航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自動控制技術領域，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：
水上起降的水上飛機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中的伯努利效應，即利用航行器的一部分機體(如機翼、水翼或者浮子)沉浸在流體中的特定剖面，流體經過該剖面時產生上下部位的流速差，這個流速差產生壓差，這個壓差形成支撐航行器離開地面(水面)，實現(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或船舶不同，本專利所述的航行器的共同運行特征是其運行過程具備水面航行與空中航行之間的轉換過程，包括水翼船也是借助產生水動力的水翼，將船身主體抬升到水面之上，以達到減少水阻、快速航行的目的。與本發(fā)明專利相關的運行特征航行器在水面起飛時，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，船體或浮子上的水動力效應增加，逐步過渡到由浮力和水動力共同支撐航行器；隨著速度的進一步增加，從完全由浮力支撐轉變?yōu)橹饕伤畡恿σ约皺C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，如果保持這個狀態(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變?yōu)橥耆筛×χ?。影響航行器起降階段安全運行的關鍵點在于航行器重量為浮力和水動力共同支撐的這個特定階段。因為，水阻變化是速度變化的平方值。在起飛階段，不適當?shù)丶哟笏俣葘е滤杓眲”对?，航行器被倍增的水阻效應拖入水中，無法騰空，導致起飛失敗。在著水階段，如果接水速度過大，水阻突增，導致航行器栽入水中。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計成斷階結構，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，隨著速度的進一步增力口，航行器前部抬升，后部下沉，斷階后部突然縮起的船體結構有效減少船體此時入水的面積，由此，減少水阻過大而產生嚴重拖拽的影響。降落著水時，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。相對應地，在這個特定階段實現(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關鍵控制指標。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常態(tài)操縱指標。在這個時刻，水阻很小，且航速很高，航行器可以借此實現(xiàn)水面上的高速滑行，提升了出入水面起降區(qū)域和完成任務的時間效率。
斷階設計和Vs操控技術是世界各國在航行器設計中應用了近百年的工程實踐方法，目前還沒有研發(fā)出其他可實用的工程技術方法來有效克服水阻突變的影響。因為航行器沒有陸地飛機那種用以支撐飛機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行期間的自身平衡。因此，Vs成為一種嚴格的控制操作要求，即需要嚴格地保持航行器處于一個合理的縱向姿態(tài)，過高或過低的縱向姿態(tài)都會使航行器在起降關鍵時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，航行器因此進入嚴重的縱向搖擺狀態(tài)，無法繼續(xù)正常的水面起降進程，即此時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理為當航行器在水面上的航行具有一定速度時，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。這個水浪對航行器頭部產生反作用力，導致航行器抬頭。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。因為這種向下擺動，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，導致航行器如海豚般在水面上跳躍。發(fā)生“海豚跳”時，如果航行器縱向姿態(tài)過高，當航行器跳起時，造成迎角過高，航行器過早騰空，進入失速狀態(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構完好性、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計者設定。美國聯(lián)邦航空管理局的FAA-H-8083-23《水上飛機、滑撬飛機、浮子/滑撬直升機運行手冊》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，就不可避免地進入激烈的縱向搖擺狀態(tài)，即遭遇“海豚跳”?！昂ｋ嗵眴栴}是水面起降運行中所特有的物理效應，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)飛機從陸地硬道面起降對縱向姿態(tài)的控制要求?，F(xiàn)有常規(guī)飛機儀表系統(tǒng)中缺乏現(xiàn)成的解決方案，無法利用現(xiàn)有飛機儀表系統(tǒng)有效應對“海豚跳“問題，必須針對性研發(fā)新的技術方案。其次，“海豚跳”的發(fā)生機理說明，問題的核心在于航行器縱向姿態(tài)與水面之間的相對關系，但是這種相對關系不是一個簡單的常量，它受到航行器自身條件影響，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，即便最有經驗的飛行人員，僅僅憑借個人經驗，恪守設計規(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識別“海豚跳”實際情況的技術手段。第三，從“海豚跳”的發(fā)生機理得知，“海豚跳”發(fā)生與否與航行器的吃水情況直接相關，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備，肉眼難以從空中精確判斷水面情況。綜上所述，在現(xiàn)實世界中，即便富有經驗的飛行人員也很難僅僅憑借個人技能，恪守固定的航行器設計的縱向姿態(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際應用。必須有一種可靠的技術解決手段，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，及時采取應對措施。

發(fā)明內容
針對已有技術存在的不足，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)利用海洋學已取得的“海豚跳”發(fā)生機理的科學研究成果，及時精確地判斷航行器是否處于發(fā)生“海豚跳”的狀態(tài)，改進航行器在水面運行期間的飛行安全。實現(xiàn)本發(fā)明發(fā)明目的的技術方案如下航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，包含計算機處理平臺、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，所述計算機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動參數(shù)信息，并向計算機處理平臺輸入相關水文信息，例如浪高和波長信息，在所述計算機處理平臺上加載一個基于“海豚跳”發(fā)生機理的科學研究成果來偵測“海豚跳”的應用程序軟件，將軟件計算的結果輸出到顯示裝置和告警裝置。所述計算機處理平臺與航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)相交聯(lián)，計算機處理平臺根據(jù)偵測結果對飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)給出相應操縱指令，自動操縱航行器，實現(xiàn)自動保護功能。在所述程序軟件的算法中，根據(jù)具體航行器的技術特征，預設一套航行器垂直方向運動參數(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際運動數(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動趨勢判據(jù)，提供顯示、告警和控制飛行姿態(tài)。實踐中，為了便于飛行人員準備和操作，計算機處理平臺的顯示和告警可分成“注意”和“告警”兩個級別?！白⒁狻奔墑e的信息屬于告誡性質，表達了航行器處于“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，明確地表征出航行器的垂直運動參數(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入“海豚跳”的危險上來，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、實際經驗和操作技能的要求，減少航行器進入“海豚跳”的可能性，提高航行器在復雜氣象和陌生水文環(huán)境的運行能力。


圖I為本發(fā)明航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)的結構框圖；圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)相交聯(lián)的結構框圖；圖3為本發(fā)明應用程序軟件的流程框圖。
具體實施例方式下面結合附圖I-圖3，進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的實施例如圖I所示，計算機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動參數(shù)信息，也可由其他系統(tǒng)或者飛行人員人工向計算機處理平臺輸入相關水文信息，例如浪高和波長信息，進一步精確評估發(fā)生“海豚跳”的可能性。計算機處理平臺的輸出對象是航行器的顯示裝置和告警裝置。該技術方案處理“海豚跳”的技術方法是，在計算機處理平臺上加載一個基于“海豚跳”發(fā)生機理的科學研究成果偵測“海豚跳”的應用程序軟件。在這個軟件的算法中，通過根據(jù)具體航行器的技術特征，預設一套航行器垂直方向運動參數(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際運動數(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動趨勢判據(jù)，提供顯示、告警和控制飛行姿態(tài)。
實踐中，為了便于飛行人員準備和操作，計算機處理平臺的顯示和告警可分成“注意”和“告警”兩個級別?！白⒁狻奔墑e的信息屬于告誡性質，表達了航行器處于“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，明確地表征出航行器的垂直運動參數(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入“海豚跳”的危險上來，需要飛行人員立即采取糾正行動。如圖2所示，計算機處理平臺還可與航行器飛行控制系統(tǒng)及發(fā)動機控制系統(tǒng)交聯(lián)，飛行控制系統(tǒng)可以接收來自計算機處理平臺的飛行控制指令；航行器的發(fā)動機控制系統(tǒng)，用于接收來自計算機處理平臺的發(fā)動機控制指令。例如，由飛行人員選擇“自動處理”功能后，計算機處理平臺不僅持續(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，計算機處理平臺的輸出信息直接控制飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)，通過對姿態(tài)和動力的雙重調整，自動化地完成縱向姿態(tài)和飛行速度的調整。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、實際經驗和操作技能的要求，減少航行器進入“海豚跳”的可能性，提高航行器在復雜氣象和陌生水文環(huán)境的運行能力。在工程實踐中，如果航行器已經裝備了普通飛機已有的電子飛行儀表、飛行控制和飛行管理系統(tǒng)，以及相應的大氣和慣性基準系統(tǒng)、無線電和氣壓高度表等現(xiàn)有電子系統(tǒng)，那么，實施本專利時，在硬件構成上，只需修改和補充所需信息的交聯(lián)，在現(xiàn)有計算機處理平臺上加載本發(fā)明專利所提出的、基于“海豚跳”發(fā)生機理的科學研究成果偵測“海豚跳”的應用程序，對指示和告警裝置進行相應的“海豚跳”顯示和告警，即可實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案，不再需要添置計算機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行時垂直方向上的加速度值。當計算機處理平臺的應用程序算法偵測到加速度傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)逼近設計門限值時，計算機處理平臺的應用程序算法比對高度傳感器所采集的高度變化值與所設計的高度變化門限值；如果高度變化值也逼近設計門限值，計算機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。當實際速度值逼近或已處于設計Vs值時，計算機處理平臺認為航行器已處于“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，計算機處理平臺繼續(xù)通過對同類采集的歷史數(shù)據(jù)比較的算法流程，例如與前幾個采樣周期的數(shù)據(jù)比較，進一步識別本次實測運動參數(shù)是否具有放大的性質；如果呈現(xiàn)加劇趨勢，計算機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，計算機處理平臺與飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(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)，計算機處理平臺對飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)給出相關操縱指令，自動操縱航行器減緩“海豚跳”趨勢，實現(xiàn)自動保護功能。
具體控制指令的計算，取決于所應用的航行器設計、發(fā)動機類型及其配置，算法流程可基于現(xiàn)有常規(guī)飛機的飛行控制和發(fā)動機控制流程。
權利要求
1.航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，包含計算機處理平臺、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，所述計算機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動參數(shù)信息，并向計算機處理平臺輸入相關水文信息，在所述計算機處理平臺上加載一個用于偵測“海豚跳”的應用程序軟件，將軟件計算的結果輸出到顯示裝置和告警裝置。
2.根據(jù)權利要求I所述的航行器起降俯仰姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機處理平臺與航行器的飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)相交聯(lián)，計算機處理平臺根據(jù)偵測結果對飛行控制系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)給出相應操縱指令，自動操縱航行器，實現(xiàn)自動保護功倉泛。
3.根據(jù)權利要求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)具體航行器的技術特征，預設一套航行器垂直方向運動參數(shù)的門限值；通過與采集到的航行器實際運動數(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)，包含計算機處理平臺、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，所述計算機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動參數(shù)信息，并向計算機處理平臺輸入相關水文信息，例如浪高和波長信息，在所述計算機處理平臺上加載一個用于偵測“海豚跳”的應用程序軟件，將軟件計算的結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、實際經驗和操作技能的要求，減少航行器進入“海豚跳”的可能性，提高航行器在復雜氣象和陌生水文環(huán)境的運行能力。
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