[发明专利]用于自动飞行和风切变状况的控制系统

说明书

技术领域

本发明一般地涉及飞机的飞行控制系统领域，具体涉及一种用于在微爆流(microburst)中的自动飞行和恢复的系统。

背景技术

无人飞行器(unmanned aerial vehicle，UAV)被定义为动力驱动的飞行器，它不承载人操作员，自主地飞行或者被远程引导，并且可消耗(expendable)或者可收回。当通过远程引导来进行控制时，控制可以是连续的或者偶尔的。但是，自主飞行器可以遵循预先编程的航线，并且可以或者可以不具有重新取路径或者重新选择目标的能力。

虽然UAV由于在操作中的较高的损耗——特别是在战斗中——而比载人飞机具有更短的预期使用期限，但是UAV通常被设计为可重用的。UAV将存活相对小数量的出动架次，直到故障、事故或者敌对行为摧毁它们。飞机和UAV的损失率是影响UAV和载人飞行器的成本效益(cost-effectiveness)的重要概念。

使用UAV的主要原因是不仅在于降低在战斗或者其他危险任务中对于人的风险，而且在于以比历史上对于载人飞行器的情况更有效和成本较低的方式执行任务。另一个相关原因是使得机器不受到人施加的限制使得它们的性能提高。从一开始，就希望无人飞行器将比载人飞机开发和制造更便宜，并且UAV将降低对于现代载人飞机所需要的支持设施和人力的需求。

作为在飞行控制、数据和信号处理、场外(off-board)传感器、通信链路和综合航空电子设备上的技术进步的结果，UAV现在是一个重要的选择。为了允许自主操作，正在对于UAV开发许多类型的系统，包括例如用于友敌识别或者交通避让的系统。飞行控制系统可以被配置来用于控制在特定类型的飞行诸如搜索和救援行动中的UAV或者用于在严酷天气状况期间的飞行。

在有人驾驶的飞机中，当天气状况恶化并且引起安全关切时，飞行员控制飞机并且将采取正确的行为。例如，飞行员可能看见在飞机之前的雷暴雨，并且驾驶飞机绕开暴风雨，以避免以微爆流形式的低层风切变(windshear)的不希望的影响。但是，自主运行的UAV将不知道暴风雨在接近，并且可能直接地飞入暴风雨中。

微爆流对于飞机的影响是过去几十年的深入调查的主题。微爆流的特征在于风的向下阵风，当它与地面相互作用时产生风速或者风向的突变。微爆流被当作对于飞行安全的严重危害，对飞机性能产生大的副面空气动力影响，未经警告地改变飞机飞行路径，并且削弱飞机的推力、动力和升力。因为许多飞行事故归因于低层风切变的影响，因此用于对抗微爆流的飞机的控制系统的设计已经变为飞行控制中的重要课题。

由于微爆流而导致的对于飞机的副面空气动力影响是由在垂直和水平风速上的突然和较大的改变导致的。人们使用飞行中数据开发了微爆流模型，这些模型的大多数采用阵风的Dryden表示。这些模型与飞机参数识别方法结合以开发必要的控制规则。在设计控制规则中的主要困难之一是在对于微爆流状况的空气动力系数的建模中的不确定性和解决非线性影响的能力。

当UAV向微爆流范围飞行时，控制地面站可能没有检测到这个可能的危险。同时，UAV可能丢失与所述地面站的通信链路，并且可能不能接收其他卫星或者其他无线相关信号，诸如全球定位系统(GPS)信号。UAV如何对于在微爆流内的状况进行反应将确定UAV是否可以在微爆流攻击下生存，并且已经显示，标准飞行控制规则不能成功地指引UAV避开微爆流。

在图1中示出了在飞行路径上的微爆流状况下用于控制UAV的飞行和恢复的问题。如图所示，UAV 11被编程来沿着路径13飞行。在暴风雨17中的微爆流区域15产生中心的下击爆流19，当下击爆流19接触在暴风雨17下的地面时它被向外引导为侧面的外击爆流(outburst)21、23。当UAV 11通过外击爆流21时，它可能具有由来自地面的向上的风或者由顶风产生的额外的升力，这个状况被称为状况1。在这种状况中的UAV 11“像气球上升(balloon)”，并且所述额外的升力可能使得飞行控制系统由于这个现象而减少飞行控制输入。当UAV 11飞行到状况2——中心的下击爆流19——中时风向和风速改变的时候，UAV 11将丢失大量的升力。

当UAV 11在状况2中时，向下猛冲的风(它可能在其中夹带了暴雨)直接地冲击飞机的机身、机翼和机尾。如果飞行控制系统不进行任何校正，则UAV11将由于这个影响而丢失一些升力。从状况1到状况2，UAV 11的升力在状况1中被略微提高，并且在状况2中突然大量降低。系统将不会立即识别出这个意外改变，这是飞机在这个过渡期间大幅度降低性能的原因之一。