本申請(qǐng)涉及飛行器設(shè)計(jì)，例如涉及一種基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、飛機(jī)三軸控制是指俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航的穩(wěn)定和機(jī)動(dòng)，是飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。早期該功能是由機(jī)械連桿實(shí)現(xiàn)，由副翼控制滾轉(zhuǎn)，升降舵控制俯仰，方向舵控制航向。隨著應(yīng)用需求推動(dòng)和航空技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)的控制與操縱方式愈加復(fù)雜，飛行控制系統(tǒng)也由機(jī)械式向電傳式轉(zhuǎn)變，可以適應(yīng)更加復(fù)雜的飛機(jī)構(gòu)型。為了解決一些飛機(jī)驅(qū)動(dòng)操縱和操縱軸間耦合問題，控制分配功能被引入到電傳飛控系統(tǒng)中。動(dòng)態(tài)控制分配能夠在考慮位置限制和速度限制的情況下，優(yōu)化分配控制指令給不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常見控制分配方法包括基于廣義逆的分配算法、基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)可達(dá)集的分配算法、基于優(yōu)化方法的控制分配方法等。

2、動(dòng)態(tài)控制分配方法早期應(yīng)用于軍機(jī)，如f-16、x-35b、f-35等。對(duì)于民用飛機(jī)來說，引入動(dòng)態(tài)控制分配功能除了可以增強(qiáng)操縱性和飛行性能外，更大的收益是增加了一定的容錯(cuò)能力。通過計(jì)算分析表明，歷史上多起民航事故，例如美國(guó)航空191號(hào)航班事故、日本航空jl123航班事故、美國(guó)航空427、聯(lián)合航空585航班事故等，可以通過綜合和分配剩余操縱能力避免發(fā)生。此外，一些新構(gòu)型的民用飛行器如也需要?jiǎng)討B(tài)控制分配功能，如分布式電推進(jìn)飛機(jī)和電動(dòng)垂直起降飛行器。

3、對(duì)于民用航空飛機(jī)，在飛控系統(tǒng)中引入新功能時(shí)需要滿足相應(yīng)的適航安全性條款。對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)來說，25.1309條款除了規(guī)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證在各種可預(yù)期的運(yùn)行條件下能完成預(yù)定功能，還要表明飛機(jī)系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計(jì)，在單獨(dú)考慮以及與其它系統(tǒng)一同考慮的情況下，任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率為極不可能。因此，在飛控系統(tǒng)中引入動(dòng)態(tài)控制分配功能需要進(jìn)行充分的分析與評(píng)估，滿足適航要求才能投入運(yùn)營(yíng)，避免災(zāi)難性事故發(fā)生。

4、危害分析過程是保證適航審定基礎(chǔ)充分的重要手段，常見方法有功能危害分析、危害與可操作性分析、系統(tǒng)理論過程分析。其中，stpa由nancy?leveson等提出，旨在評(píng)估相對(duì)復(fù)雜的安全性系統(tǒng)，并確定安全約束和要求。相比于傳統(tǒng)危害分析方法，stpa可以在分析過程中考慮到軟件和人的因素，且分析過程不局限于失效分析，而是能夠分析系統(tǒng)功能不足的問題(或弱點(diǎn))，適用于航空器的新穎設(shè)計(jì)特征風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。在航空領(lǐng)域，stpa有著廣泛的應(yīng)用。基于stpa方法對(duì)飛機(jī)空氣管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的過程，成功捕獲由于系統(tǒng)間組件交互而產(chǎn)生的緊急行為。將stpa應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)間保證約束下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。考慮了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)戰(zhàn)術(shù)自動(dòng)駕駛儀的安全約束識(shí)別和運(yùn)行時(shí)間保證研制問題。提出一種基于改進(jìn)fram-stpa的民機(jī)系統(tǒng)安全性分析方法，識(shí)別關(guān)鍵系統(tǒng)安全性，并給出量化指標(biāo)。在stpa的基礎(chǔ)上，利用topaz方法定量描述危險(xiǎn)致因因素對(duì)飛行控制系統(tǒng)安全的影響程度，并將這種辦法在無人機(jī)沖突解脫安全性分析中加以應(yīng)用。

5、現(xiàn)有技術(shù)中，動(dòng)態(tài)控制分配重點(diǎn)的集中在算法創(chuàng)新與性能提升上，但并沒有基于風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)飛行器的控制分配功能來設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了對(duì)披露的實(shí)施例的一些方面有基本的理解，下面給出了簡(jiǎn)單的概括。所述概括不是泛泛評(píng)述，也不是要確定關(guān)鍵/重要組成元素或描繪這些實(shí)施例的保護(hù)范圍，而是作為后面的詳細(xì)說明的序言。

2、傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制分配重點(diǎn)集中在算法創(chuàng)新與性能提升上，但缺少基于風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)飛行器的控制分配功能來設(shè)計(jì)的方法。因此，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制分配設(shè)計(jì)方法存在著安全性差的問題。

3、在一些實(shí)施例中，提供了一種基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，所述方法包括：

4、對(duì)目標(biāo)飛行器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到目標(biāo)飛行器的數(shù)學(xué)建模；

5、對(duì)目標(biāo)飛行器的數(shù)學(xué)建模進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)和控制分配；

6、根據(jù)stpa分析方法對(duì)不安全控制行為的類型進(jìn)行劃分，并根據(jù)每一種不安全控制行為的類型識(shí)別出潛在危險(xiǎn)行為，其中，潛在危險(xiǎn)行為用飛行狀態(tài)影響因素或者控制品質(zhì)影響因素來表示；

7、分析潛在危險(xiǎn)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)致因；

8、根據(jù)危險(xiǎn)致因，來調(diào)節(jié)控制分配。

9、優(yōu)選的，根據(jù)stpa分析方法對(duì)不安全控制行為的類型進(jìn)行劃分的具體類型為4種，包括：uca1，未提供控制動(dòng)作；uca2，提供控制動(dòng)作導(dǎo)致危害；uca3，提供控制動(dòng)作太早、太遲或錯(cuò)誤時(shí)間序列；uca4，控制動(dòng)作持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)或結(jié)束太早。

10、優(yōu)選的，飛行狀態(tài)影響因素，包括：速度、滾轉(zhuǎn)、側(cè)滑、受擾動(dòng)偏離中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)參數(shù)。

11、優(yōu)選的，控制分配品質(zhì)影響因素：分配空間、分配誤差、指令時(shí)間中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)參數(shù)。

12、優(yōu)選的，uca1，未提供控制動(dòng)作為，包括：接近失速、接近滾轉(zhuǎn)適航范圍、接近側(cè)滑適航范圍和受擾動(dòng)偏離配平狀態(tài)中的任一種或者多種。

13、優(yōu)選的，uca2，提供控制動(dòng)作導(dǎo)致危害，包括：分配指令超出可達(dá)集、分配指令出現(xiàn)過大誤差導(dǎo)致不能滿足控制分配要求、控制導(dǎo)致飛機(jī)超出運(yùn)行邊界及飛行包線時(shí)中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)。

14、優(yōu)選的，uca3，提供控制動(dòng)作太早、太遲或錯(cuò)誤時(shí)間序列，包括：分配指令更新過晚/延遲。

15、優(yōu)選的，uca4，控制動(dòng)作持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)或結(jié)束太早，包括：分配指令持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)和分配指令結(jié)束太早的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)。

16、優(yōu)選的，來調(diào)節(jié)控制分配，包括：

17、進(jìn)行限幅誤差識(shí)別，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、提升故障檢測(cè)與隔離性能、增加依據(jù)飛行狀態(tài)的權(quán)值調(diào)度中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)。

18、在一些實(shí)施例中，公開了一種基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)裝置，包括：

19、數(shù)學(xué)建模模塊，被配置為對(duì)目標(biāo)飛行器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到目標(biāo)飛行器的數(shù)學(xué)建模；

20、飛行器設(shè)計(jì)模塊，被配置為對(duì)目標(biāo)飛行器的數(shù)學(xué)建模進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)和控制分配；

21、stpa分析模塊，被配置為根據(jù)stpa分析方法對(duì)不安全控制行為的類型進(jìn)行劃分，并根據(jù)每一種不安全控制行為的類型識(shí)別出潛在危險(xiǎn)行為，其中，潛在危險(xiǎn)行為用飛行狀態(tài)影響因素或者控制品質(zhì)影響因素來表示；

22、分析危險(xiǎn)致因模塊，被配置為分析潛在危險(xiǎn)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)致因；

23、調(diào)節(jié)控制分配模塊，被配置為根據(jù)危險(xiǎn)致因，來調(diào)節(jié)控制分配。

24、本公開實(shí)施例提供的一種基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法及裝置，可以實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)效果：

25、本公開實(shí)施例利用stpa分析方法反推出潛在危險(xiǎn)行為，再分析潛在危險(xiǎn)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)致因，從避免危險(xiǎn)致因的角度來調(diào)節(jié)控制分配。因此，從設(shè)計(jì)方面上減少了飛行器潛在危險(xiǎn)，提高了飛行器的安全性。

26、以上的總體描述和下文中的描述僅是示例性和解釋性的，不用于限制本申請(qǐng)。

技術(shù)特征：

1.一種基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，根據(jù)stpa分析方法對(duì)不安全控制行為的類型進(jìn)行劃分的具體類型為4種，包括：uca1，未提供控制動(dòng)作；uca2，提供控制動(dòng)作導(dǎo)致危害；uca3，提供控制動(dòng)作太早、太遲或錯(cuò)誤時(shí)間序列；uca4，控制動(dòng)作持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)或結(jié)束太早。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，飛行狀態(tài)影響因素，包括：速度、滾轉(zhuǎn)、側(cè)滑、受擾動(dòng)偏離中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)參數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，控制分配品質(zhì)影響因素：分配空間、分配誤差、指令時(shí)間中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)參數(shù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，uca1，未提供控制動(dòng)作為，包括：接近失速、接近滾轉(zhuǎn)適航范圍、接近側(cè)滑適航范圍和受擾動(dòng)偏離配平狀態(tài)中的任一種或者多種。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，uca2，提供控制動(dòng)作導(dǎo)致危害，包括：分配指令超出可達(dá)集、分配指令出現(xiàn)過大誤差導(dǎo)致不能滿足控制分配要求、控制導(dǎo)致飛機(jī)超出運(yùn)行邊界及飛行包線時(shí)中的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，uca3，提供控制動(dòng)作太早、太遲或錯(cuò)誤時(shí)間序列，包括：分配指令更新過晚/延遲。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，uca4，控制動(dòng)作持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)或結(jié)束太早，包括：分配指令持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)和分配指令結(jié)束太早的任一項(xiàng)或者多項(xiàng)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法，其特征在于，來調(diào)節(jié)控制分配，包括：

10.一種基于stpa的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，公開一種基于STPA的多操縱面飛行器控制分配功能設(shè)計(jì)方法及裝置，方法包括：對(duì)目標(biāo)飛行器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到目標(biāo)飛行器的數(shù)學(xué)建模；對(duì)目標(biāo)飛行器的數(shù)學(xué)建模進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)和控制分配；根據(jù)STPA分析方法對(duì)不安全控制行為的類型進(jìn)行劃分，并根據(jù)每一種不安全控制行為的類型識(shí)別出潛在危險(xiǎn)行為，其中，潛在危險(xiǎn)行為用飛行狀態(tài)影響因素或者控制品質(zhì)影響因素來表示；分析潛在危險(xiǎn)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)致因；根據(jù)危險(xiǎn)致因，來調(diào)節(jié)控制分配。本申請(qǐng)利用STPA分析方法反推出潛在危險(xiǎn)行為，再分析潛在危險(xiǎn)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)致因，避免了危險(xiǎn)致因的角度來調(diào)節(jié)控制分配，從設(shè)計(jì)方面減少了飛行器潛在危險(xiǎn)，提高了飛行器的安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：馬立群,戴濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)民航大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15