АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ РАЗДЕЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ БОКОВЫМ И ВЕРТИКАЛЬНЫМ ТРАЕКТОРНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛА Российский патент 1999 года по МПК G01C23/00 G05D1/08 B64C13/18 

Изобретение может быть использовано в авиации в системах дистанционного автоматизированного управления всех типов ЛА. Оно особенно эффективно на этапах высокоточного пилотирования с использованием органов непосредственного управления силами.

Известен способ управления ЛА, в котором летчик отклонением ручки (или рукоятки) задает в систему автоматизированного управления (или в автопилот) параметры движения самолета, в частности углы крена и тангажа. Этот способ имеет название "по положению", так как после окончания переходных процессов ЛА будет иметь углы крена и тангажа, пропорциональные отклоненному положению ручки ("влево - вправо" и "вперед - назад"), соответственно. Этот способ управления имеет широкое применение как на вертолетах (см. И.С. Дмитриев, С.Ю. Есаулов, "Системы управления одновинтовых вертолетов", М. Машиностроение, 1969 г., c. 91, 92), так и на самолетах (см. С.М. Федоров, О.И. Михайлов, Н. Н Сухих, "Бортовые информационно-управляющие системы", М.: Транспорт, 1994 г., c. 195, 198, 199), однако и он имеет недостатки.

В нем летчик непосредственно управляет углами ориентации ЛА в пространстве (углом крена и углом тангажа и имеет о них кинестетическую информацию через положение руки на ручке), а через них косвенно управляет траекторией полета. Этот способ управления требует устойчивых моторных навыков для различных скоростей и высот полета, особенно при использовании больших углов крена. На малых высотах интенсивное маневрирование опасно, так как для точного выдерживания высоты используется метод "проб и ошибок": летчик подбирает углы тангажа и крена, соответствующие нулевой вертикальной скорости. Затруднено управление ЛА, имеющего органы непосредственного управления силами, так как число органов управления, как правило, больше количества управляемых параметров движения ЛА. Невозможно осуществление управления с использованием сенсорного экрана и нашлемной системы целеуказания (НСЦ). Такой способ управления не обеспечивает рационального распределения функций между летчиком и автоматикой для управления траекторией полета, так как летчик излишне перегружен.

Технические результаты от использования изобретения сводятся к следующему.

1. Для достижения высокой точности пилотирования обеспечивается раздельное управление боковым и вертикальным траекторным движением ЛА, что значительно ослабляет требования к моторным навыкам летчика по координированному (по величине и темпу) отклонению ручки управления. Практически исключаются ошибки летчика в технике пилотирования.

2. Изобретение позволяет выполнить интенсивное маневрирование в горизонтальной плоскости с большими углами крена на максимальных перегрузках с обеспечением высокой безопасности полета: из-за практического отсутствия непреднамеренной потери высоты при вводе и в установившемся вираже и невозможности превышения эксплуатационных ограничений по перегрузкам.

3. После окончания переходных процессов в системе управления летчик по положению руки на ручке (кинестетически) может судить о величине угловых скоростей разворота ЛА в пространстве или об их отсутствии. Если ручка находится в нейтральном положении (или вообще брошена летчиком), то ЛА будет двигаться прямолинейно с постоянными углами наклона траектории и пути.

4. Летчиком легко реализуются заданные траектории полета, состоящие из прямолинейных участков полета (с постоянной и переменной скоростью), радиусов и спиралей (выполняемых с постоянной скоростью полета). При сохранении постоянного отклонения ручки (включая ее нейтральное положение) у летчика имеется больше возможностей отвлекаться от пилотирования, что существенно увеличивает его резервы внимания. Эти резервы внимания могут затрачиваться им на решение задачи "осмотрительности" в полете, что косвенно повышает безопасность полета.

5. Существенно повышается точность визуального пилотирования без использования приборной информации, так как отклонение ручки строго в бок из горизонтального полета не приведет к непреднамеренной потере высоты. Обеспечивается автоматическая балансировка ЛА в горизонтальном полете с переменной скоростью полета и парирование возмущений, связанных с ветровым воздействием, активными отказами техники, повреждениями конструкции ЛА и изменением конфигурации ЛА.

6. Способ легко реализуется на всех типах ЛА и особенно эффективен на ЛА, имеющих органы непосредственного управления силами, так как с помощью системы автоматизированного управления появляется возможность оптимизировать ориентацию ЛА в пространстве и относительно вектора скорости (в зависимости от этапов полета и решаемых на них задач), а также синхронизировать темпы изменения угловой ориентации ЛА и изменения величины перегрузок. Таким образом, при избыточности количества органов управления ЛА по отношению к управляемым параметрам движения летчик освобождается от решения задачи - какими именно органами управлять, так как это делает за него система автоматизированного управления.

7. Изобретение имеет хорошо понятный летчику физический смысл, так как, чтобы двигаться в желаемом направлении полета, он по существу задает величину и направление результирующей силы, искривляющей траекторию. Таким образом, для всех типов ЛА возможно сохранение основного стереотипа траекторного управления, в котором летчик ручкой управляет ориентацией вектора скорости ЛА в пространстве, а РУДом - его модулем. Изобретение быстро осваивается летным составом.

8. Появляются новые возможности управления ЛА с помощью сенсорного экрана и нашлемной системы целеуказания (НСЦ) путем указания желаемого направления полета на экране электронного индикатора (как пальцем, так и поворотом головы) или во внекабинном пространстве (только с помощью НСЦ), что позволяeт летчику более гибко управлять ЛА в зависимости от сложившейся полетной ситуации. Кроме того, повышается надежность управления ЛА, так как по существу обеспечивается трехкратное резервирование канала управления.

9. Решается проблема рационального распределения функций по управлению ЛА между летчиком и автоматикой путем обеспечения минимально необходимой активности его участия в управлении ЛА, но без переутомления даже в длительных полетах.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе управления ЛА отклонением ручки задают в систему автоматизированного управления параметры движения ЛА, а именно задают желаемое направление полета ЛА в пространстве, пересчитываемое в составляющие угловой скорости разворота вектора скорости ЛА в пространстве таким образом, что вертикальная и горизонтальная составляющие угловой скорости разворота пропорциональны рассогласованию углов наклона траектории и путевых углов между желаемым и текущим направлениями полета, в результате отклонением ручки влево-вправо задается угловая скорость разворота вектора скорости ЛА в горизонтальной плоскости, а отклонением ручки вверх-вниз - угловая скорость разворота вектора скорости ЛА в вертикальной плоскости.

Кроме того, задание желаемого направления полета ЛА в пространстве осуществляется путем касания пальцем сенсорного экрана индикатора или с помощью нашлемной системы целеуказания (НСЦ) либо на экране индикатора, либо в закабинном пространстве путем поворота головы летчика.

При этом системой автоматизированного управления обеспечивается рациональная ориентация ЛА в пространстве и относительно вектора скорости, а также создание необходимых перегрузок (с учетом их ограничения по условиям безопасности полета) с согласованием темпов их изменения с темпом изменения углов ориентации.

Предлагаемый способ управления реализуется с помощью электродистанционной системы автоматизированного управления ЛА, состоящей из вычислителя, на вход которого поступают задаваемые летчиком сигналы: либо от ручки, либо от сенсорного экрана, либо от НСЦ (пропорциональные угловым скоростям разворота вектора скорости ЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях), а также сигналы от датчиков навигационного комплекса ЛА таких параметров движения, как углы ориентации ЛА в пространстве (тангаж, крен, рыскание), три проекции угловой скорости вращения перегрузки на связанные оси координат ЛА и три составляющие вектора скорости в земной системе координат, на основе которых в соответствии с законами управления (см., например, В.Т. Тараненко. "Динамика самолетов с вертикальным и коротким взлетом и посадкой", М.: Машиностроение, 1993 г., с. 231-246) в вычислителе формируются сигналы на рулевые приводы для отклонения органов управления ЛА.

Наиболее просто показать работу изобретения на самолете при выполнении летчиком виража из горизонтального прямолинейного полета с выходом на заданный курс. Вначале летчик из нейтрального положения отклоняет ручку строго влево или вправо на величину в зависимости от требуемой интенсивности разворота и удерживает ее до тех пор, пока не подойдет к заданному курсу, после чего возвращает ее назад в нейтральное положение. В соответствии с задаваемыми летчиком составляющими угловой скорости разворота вектора скорости ЛА в пространстве с учетом текущей скорости полета рассчитываются необходимые для их реализации угол крена и нормальная перегрузка (при условии, что боковая перегрузка на маневре будет равна нулю, т.е. разворот координированный). При этом система автоматизированного управления самолетом, чтобы не было "просадки" по высоте, синхронно изменяет нормальную перегрузку и крен до рассчитываемых значений. Этот же маневр может быть выполнен касанием пальцем заданного значения курса на линии горизонта пилотажного индикатора или нацеливанием в эту точку перекрестья НСЦ. Кроме того, перекрестье может быть нацелено и на линию естественного горизонта в желаемом направлении полета, например, на какой-либо видимый ориентир.

Способ может быть использован в авиации в системах дистанционного автоматизированного управления всех типов ЛА. Он особенно эффективен на этапах высокоточного пилотирования с использованием органов непосредственного управления силами. Сущность способа заключается в том, что летчик с помощью ручки, сенсорного экрана или нашлемной системы целеуказания задает в систему автоматизированного управления желаемое направление полета, которое пересчитывается в вертикальную и горизонтальную составляющие угловой скорости разворота вектора скорости ЛА в пространстве пропорционально (с учетом их ограничения по условиям безопасности полета) рассогласованию углов наклона траектории и путевых углов между желаемым и текущим направлениями полета. При этом системой автоматизированного управления обеспечивается: рациональная ориентация ЛА в пространстве и относительно вектора скорости, а также создание необходимых перегрузок с согласованием темпов их изменения с темпом изменения углов ориентации. В результате решается проблема рационального распределения функций между летчиком и автоматикой: летчик задает направление полета ЛА, а автоматика оптимальным образом отрабатывает его. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ управления ЛА, в котором отклонением ручки задают в систему автоматизированного управления параметры движения ЛА, отличающийся тем, что задают желаемое направление полета ЛА в пространстве, пересчитываемое в составляющие угловой скорости разворота вектора скорости ЛА в пространстве таким образом, что вертикальная и горизонтальная составляющие угловой скорости разворота пропорциональны рассогласованию углов наклона траектории и путевых углов между желаемым и текущим направлениями полета, в результате отклонением ручки влево-вправо задают угловую скорость разворота вектора скорости ЛА в горизонтальной плоскости, а отклонением ручки вверх-вниз - угловую скорость разворота вектора скорости в вертикальной плоскости. 2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что желаемое направление полета ЛА в пространстве задают путем касания пальцем сенсорного экрана индикатора. 3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что желаемое направление полета ЛА в пространстве задают с помощью нашлемной системы целеуказания, либо на экране индикатора, либо в закабинном пространстве путем поворота головы летчика.