一种电传飞行备份控制系统和方法与流程

1.本发明涉及飞行器领域，尤其涉及一种电传飞行备份控制系统和方法。


背景技术：

2.飞控系统是飞行器的飞行关键系统，对于飞行器安全至关重要。根据适航条款25.1309要求，单个失效无论概率大小不能导致灾难性后果。对于采用硬件冗余的电传飞控系统，如果存在同时导致主控系统和冗余系统无法正常工作的故障，可能导致整个飞控系统失效，即发生共模问题。共模问题会破坏冗余架构的独立性，因此，必须关注由于共模问题可能导致飞控系统失效的安全隐患。对于当前主流的飞机电传飞控系统，对共模对象进行备份是解决共模问题的一种有效措施。
3.在第一种备份方案中，可采用水平安定面配平作动器控制水平安定面、ema控制两对扰流板的电备份方式。在第二种备份方案中，可采用副翼电备份，升降舵和方向舵液压作动器采用模拟线的备份方案，并且可选地采用双体系结构（2h/2e），从而具备独立的备份电源和控制模块。
4.第一种备份方案本质上是一种终极备份，更为简洁，然而备份能力较弱，仅具备短暂控制能力以等待飞控系统恢复。第二种备份方案具备持续安全飞行和着陆的能力，然而采用了复杂的余度配置和故障重构逻辑。
5.因此，本领域需要一种改进的电传飞行备份控制系统和方法。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种新的电传飞控备份控制系统，采用独立于主控通道的备份系统架构，保证备份控制系统的安全性。正常情况下，备份控制系统不干扰主控系统工作，当备份对象（例如主控计算机）共模故障时，备份控制系统能快速接管飞机控制，提供飞机持续安全飞行及尽快备降着陆的能力。
7.在本发明的一个实施例中，提供了一种电传飞行备份控制系统，其包括：备份传感器模块；备份控制计算机，所述备份控制计算机耦合至所述备份传感器模块，并且所述备份控制计算机接收主控通道的状态信号，其中所述主控通道基于来自主控传感器模块的传感器信号生成控制命令以控制主控伺服作动模块；以及与所述备份控制计算机相关联的备份伺服作动模块，其中当所述备份控制计算机接收到的主控通道的状态信号指示主控通道失效时，所述备份控制计算机向所述备份传感器模块和所述备份伺服作动模块供电，并基于从所述备份传感器模块接收到的传感器信号生成控制命令以控制所述备份伺服作动模块。
8.在一方面，在所述主控通道有效时，所述主控通道基于来自所述主控传感器模块的传感器信号生成控制命令以控制所述备份伺服作动模块。
9.在一方面，所述备份传感器模块包括驾驶舱操纵传感器和飞机传感器，其中所述驾驶舱操纵传感器用于检测驾驶舱的操作并提供操作输入，所述飞机传感器用于感测飞机状态和运动并提供反馈信息。
10.在一方面，所述备份伺服作动模块包括远程控制电子设备和相应的舵面作动器，所述远程控制电子设备接收来自所述主控通道和/或所述备份控制计算机的控制命令，并基于所接收到的控制命令使得所述舵面作动器驱动相应的舵面发生运动。
11.在一方面，所述远程控制电子设备包括：主控通道指令接口，用于接收来自所述主控通道的控制命令；以及备份通道指令接口，用于接收来自所述备份控制计算机的控制命令，其中当所述远程控制电子设备接收到来自所述主控通道的控制命令和所述备份控制计算机的控制命令时，所述远程控制电子设备基于来自所述主控通道的控制命令来使得所述舵面作动器驱动相应的舵面发生运动。
12.在一方面，所述远程控制电子设备包括：主控通道供电模块，用于接收来自所述主控通道的供电；以及备份通道供电模块，用于接收来自所述备份控制计算机的供电。
13.在一方面，所述备份控制计算机包括：指令支路，其基于从所述备份传感器模块接收到的传感器信号生成第一控制命令；以及监控支路，其基于从所述备份传感器模块接收到的传感器信号生成第二控制命令并比较所述第一控制命令与所述第二控制命令，其中在所述第一控制命令与所述第二控制命令相差在阈值范围内时，所述指令支路将所述第一控制命令发送至所述备份伺服作动模块。
14.在一方面，所述备份控制计算机包括：电源模块；以及状态控制模块，其接收所述主控通道的状态信号，其中当所述主控通道的状态信号指示主控通道失效时，所述状态控制模块使所述电源模块向所述备份传感器模块和所述备份伺服作动模块供电；以及其中当所述主控通道的状态信号指示主控通道有效时，所述状态控制模块使所述电源模块不向所述备份传感器模块和所述备份伺服作动模块供电。
15.在本发明的一个实施例中，提供了一种飞行控制系统，其包括：主控通道，所述主控通道包括主控传感器模块、主控计算机和主控伺服作动模块，其中所述主控计算机基于来自所述主控传感器模块的传感器信号生成控制命令以控制主控伺服作动模块；以及如上任一项所述的电传飞行备份控制系统。
16.在本发明的一个实施例中，提供了一种电传飞行备份控制方法，其包括：在备份控制计算机处接收主控通道的状态信号，其中所述主控通道基于来自主控传感器模块的传感器信号生成控制命令以控制主控伺服作动模块；当所述主控通道的状态信号指示主控通道失效时，从所述备份控制计算机向备份传感器模块和备份伺服作动模块供电；以及基于从所述备份传感器模块接收到的传感器信号生成控制命令以控制所述备份伺服作动模块。
17.在一方面，在所述主控通道有效时，所述主控通道基于来自所述主控传感器模块的传感器信号生成控制命令以控制所述备份伺服作动模块。
18.在一方面，从所述备份传感器模块接收到的传感器信号包括从驾驶舱操纵传感器接收到的驾驶舱操作输入以及从飞机传感器接收到的飞机状态和运动反馈信息。
19.在一方面，所述电传飞行备份控制方法还包括：所述备份伺服作动模块经由主控通道指令接口接收来自所述主控通道的控制命令；以及所述备份伺服作动模块经由备份通道指令接口接收来自所述备份控制计算机的控制命令，其中当所述备份伺服作动模块接收到来自所述主控通道的控制命令和所述备份控制计算机的控制命令时，所述备份伺服作动模块基于来自所述主控通道的控制命令来驱动相应的舵面发生运动。
20.在一方面，所述电传飞行备份控制方法还包括：当所述主控通道的状态信号指示
主控通道有效时，所述备份控制计算机不向所述备份传感器模块和所述备份伺服作动模块供电。
21.本发明的备份控制系统可完全独立于主控系统，配备了独立的备份控制传感器模块、备份控制计算机以及双输入/输出接口ereu。在主控通道失效且备份通道启动时，仍然满足飞机最小可接受控制要求，能够保证飞机安全飞行和着陆。
附图说明
22.图1是根据本发明一个实施例的飞行控制系统架构的示意图。
23.图2是根据本发明一个实施例的飞行控制系统舵面配置示意图。
24.图3是根据本发明一个实施例的bcm供电逻辑示意图。
25.图4是根据本发明一个实施例的ereu工作示意图。
26.图5是根据本发明一个实施例的电传飞行备份控制方法的流程图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
28.本发明提供了一种独立于主控通道的备份控制系统（bcs），有效提高了飞控系统的安全裕度。
29.图1是根据本发明一个实施例的飞行控制系统架构100的示意图。飞行控制系统架构100可包括主控通道101和备份通道102。主控通道101可包括主控传感器模块112（例如驾驶舱操纵传感器和飞机传感器）、主控计算机113和相应的各种主控伺服作动模块114。主控计算机113可基于来自主控传感器模块112的传感器信号生成控制命令以控制主控伺服作动模块114。每个伺服作动模块114可包括远程控制电子设备（reu）和相应的舵面作动器（ehsv），reu可接收来自主控通道101（例如，主控计算机113）的控制命令，并基于接收到的控制命令使得作动器驱动相应的舵面发生运动。主控计算机113和备份控制计算机130均可与其他系统150通信，例如与机载航电系统、卫星系统等通信。
30.备份通道102可包括备份传感器模块120、备份控制计算机130（bcm）和相应的各种备份伺服作动模块140。备份传感器模块120可包括驾驶舱操纵传感器和飞机传感器，其中驾驶舱操纵传感器用于检测驾驶舱的操作并提供操作输入，飞机传感器用于感测飞机状态和运动并提供反馈信息。备份传感器模块120可以是与主控传感器模块112不同或分离的传感器模块。备份控制计算机130可基于来自备份传感器模块120的传感器信号生成控制命令。
31.在本发明的一个实施例中，备份伺服作动模块140可分别连接至主控计算机113和备份控制计算机130。例如，备份伺服作动模块140可包括增强型远程控制电子设备（ereu）142和相应的舵面作动器（ehsv）144。ereu 142（也可简称为远程控制电子设备reu）可接收来自主控通道101（例如，主控计算机113）的控制命令和/或备份控制计算机130的控制命令，并基于接收到的控制命令使得作动器144驱动相应的舵面发生运动。在一个实施例中，备份伺服作动模块140可单独驱动相关联的舵面，或者可与主控伺服作动模块114协同地驱动同一个舵面。
32.根据本发明的一个实施例，备份通道102（或称为备份控制系统）的传感器模块120独立于主控通道，包含驾驶舱操纵传感器以及飞机传感器（例如缝翼位置传感器等）。即，备份通道使用单独的传感器，使得备份控制计算机130能够接收独立的传感器信号，而不受主控通道101的影响。虽然图1中示出了单个备份传感器模块120，但是应理解，备份传感器模块120中的各个传感器可分布在飞机上的合适位置。
33.备份传感器模块120中的驾驶舱操纵传感器采集飞行员操纵动作，将飞行员的机械操纵动作转化为电信号（操纵指令）发送给备份控制计算机（bcm）130。另外，备份传感器模块120中的飞机传感器采集飞机信息发送给bcm 130。bcm 130可以使用驾驶舱操纵传感器提供的操纵指令和飞机传感器提供的飞机信息进行控制律计算，从而生成控制命令，该控制命令可被提供给备份伺服作动模块140以控制相应的舵面操作。备份传感器模块120的传感器余度配置需满足备份控制系统可用性要求。由于备份控制系统仅作为主控系统的有益补充，不贡献于飞控系统可用性的满足，因此，传感器模块120可采用单余度配置也可采用多余度配置。
34.bcm 130是备份控制系统的控制核心，其可实现供电控制、控制律计算、io控制、架构监控（例如监控电源、时钟等）、传感器解调等功能。bcm 130可采用计算机、处理器、集成电路、可编程逻辑器件、微处理器、控制器、微控制器、或状态机等来实现。在一个实施例中，bcm 130可采用非相似的指令
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监控支路架构设计，其中指令支路（com）基于所接收的操纵指令和飞机信息来生成控制命令，监控支路（mon）采用与指令支路不相似的硬件和/或软件结构并且也基于所接收的操纵指令和飞机信息来生成控制命令，监控支路比较com支路和mon支路计算出的控制命令，保证bcm输出指令的完整性。例如，在com支路和mon支路计算出的控制命令不一致（例如，相差超过阈值）时，监控支路可以提供报错信息。相反，如果com支路和mon支路计算出的控制命令一致（例如，相差在阈值范围内），则表示该控制命令是正确的，并且指令支路（com）生成的控制命令可被提供给备份伺服作动模块140以控制相应的舵面操作。
35.根据本发明的一个实施例，bcm 130可配置独立的电源模块，该电源模块由机上用电设备或者电源调节模块（pcm）供电。bcm 130可使用该电源模块向备份控制系统的其他直流用电设备供电，例如向备份传感器模块120、备份伺服作动模块140等设备供电。
36.当主控通道101正常工作时，主控计算机113可基于来自主控传感器模块112的传感器信号生成控制命令以控制主控伺服作动模块114，主控计算机113还可选地基于来自主控传感器模块112的传感器信号生成控制命令以控制备份伺服作动模块140。
37.bcm 130可接收主控通道101的状态信号，当主控通道101正常工作时，bcm 130处于冷备份状态，不对备份控制系统的其他用电设备供电，也不向伺服作动模块140提供控制命令。例如，在冷备份状态中，bcm 130中与飞行控制相关联的模块（例如，硬件和/或软件模块）可选择性地处于休眠或断电状态。作为示例而非限定，与传感器信号相关联的接口模块和处理模块、控制律模块等可处于不工作状态。bcm 130还可选择性地对其他组件进行断电。
38.而当主控通道101失效导致飞机低于最小可接受控制（mac）时，bcm 130可触发对受主控通道101影响而下电的备份伺服作动模块140重新供电，对传感器模块120以及伺服作动模块相关舵面位置传感器进行激励。
39.当主控通道101失效导致飞机低于mac且伺服作动模块140能够正常工作时，bcm 130接替故障的主控通道101对相关的备份伺服作动模块140发送控制命令，并且可接收备份伺服作动模块140反馈的指令和状态数据，以监控备份伺服作动模块140的工作状态。在本发明的一个实施例中，bcm 130与备份伺服作动模块140之间的数据传输独立于主控通道101，并且可选地采用与主控通道101非相似的数据总线。
40.在另一实施例中，为进一步提高备份控制系统的稳定性，可在备份控制中引入机体速率阻尼进行增益调节，例如将备份模式速率传感器（bmrs）集成到bcm 130中，采用数据总线将bmrs采集的飞机姿态信号引入控制律计算，简化了备份控制系统的接口，并且可减少bmrs的安装空间。
41.由于备份控制系统采用独立于主控通道101的备份系统架构（包括独立的传感器模块120和备份控制计算机130及供电），当备份对象发生共模故障使得主控通道101失效时，备份系统架构可以快速接管飞机控制并进行独立的飞行控制，从而提供飞机持续安全飞行及尽快备降着陆的能力。在一个示例中，备份系统架构与主控通道相比可采用非相似设计（例如，非相似的硬件或软件或其组合），从而使得主控通道中的故障不会发生在备份系统架构中。
42.图2是根据本发明一个实施例的飞行控制系统舵面配置示意图。该飞行控制系统可包括主控系统（或称为主控通道，用p表示）和独立的备份控制系统（或称为备份通道，用b表示）。与主控通道相关联的reu作为飞行控制系统的重要组成部分，控制与其相关联的作动器驱动舵面运动，实现对飞机姿态的控制。例如，在主控通道中，扰流板作动器l1
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l5和r1
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r5、外侧副翼作动器ail ob、外侧升降舵作动器ele ob、方向舵作动器rud upper和rud lower可分别由主控通道中的reu（未示出）控制。
43.在一个实施例中，在备份通道中，左、右内侧副翼作动器ail ib，左、右内侧升降舵作动器ele ib以及中间方向舵作动器rud mid可分别由相应的增强远程控制电子设备（ereu）控制。ereu可接收主控通道的控制指令（用p表示）以及备份通道的控制指令（用b表示）。备份通道的舵面配置需满足最小可接受控制（mac）的控制要求，当备份对象发生共模故障使得主控通道失效时，备份通道可以进行独立的飞行控制，从而提供飞机持续安全飞行及尽快备降着陆的能力。在一个实施例中，ereu与reu相比可采用非相似设计。
44.图2仅示出了一种典型的舵面配置，主控通道的数量以及备份通道的舵面配置可根据飞机的架构进行调整。
45.图3是根据本发明一个实施例的bcm供电逻辑示意图。图3所示的模块可以是图1中的飞行控制系统架构100的备份通道102的一个示例。
46.bcm（例如，图1中的bcm 130）可配置独立的电源模块310，其可由机上电源或者电源调节模块（pcm）供电。由此，备份控制系统通过电源调节模块（pcm）调节机上电源或者直接由机上电源为bcm供电，该供电可受开关s4控制（例如，人工控制或自动控制）。
47.bcm还可包括bcm状态控制模块320，其可以接收主控通道的状态并且可以将bcm的状态发送给其他系统，例如主控系统、航电系统等。此外，bcm状态控制模块320可以根据主控通道的状态和/或接收到的命令来控制电源模块310向伺服作动模块（例如，ereu电源模块330）、与bcm相关联的传感器340、bcm的其他模块350等供电。
48.例如，当主控通道正常工作并且bcm处于冷备份状态时，bcm电源模块310处于加电
状态并且向bcm状态控制模块320供电，但不向ereu电源模块330、传感器340、bcm的其他模块350等供电。bcm状态控制模块320可以接收主控通道的状态、接收操作命令，以及可以将bcm的状态发送给其他系统。
49.当bcm状态控制模块320接收到主控通道的状态信号，判断主控通道失效导致飞机低于mac时，bcm电源模块310受bcm状态控制模块320发出的控制信号控制，从而向ereu电源模块330、传感器340、bcm的其他模块350等供电。
50.图4是根据本发明一个实施例的远程控制电子设备（ereu）400的示意图。ereu 400可以是图1中的ereu 142的一个示例。ereu 400可包括作动器驱动与控制模块410以驱动或控制对应的舵面作动器ehsv，作动器驱动与控制模块410还可接收舵面位置传感器lvdt的反馈信号。舵面作动器以及对应ereu的数量和配置需满足mac要求。
51.在一个实施例中，ereu 400具有双输入/输出（io）接口，即主控通道指令接口402和备份通道指令接口404，分别接收主控系统的控制指令以及备份系统的控制指令。主控指令可具有控制优先权，当主控指令与备份指令同时到达ereu时，ereu将执行主控指令并抑制备份指令。例如，ereu主控通道指令接口402将通过信号使能抑制或跳线抑制ereu备份通道指令接口404，保证ereu接收到主控指令时，执行主控指令。
52.主控通道正常的情况下，主控通道指令接口402接收主控系统的控制指令，使得作动器驱动与控制模块410基于主控系统的控制指令来驱动或控制对应的舵面作动器ehsv，并且ereu的主控通道指令接口402向主控通道反馈伺服作动器模块的指令和状态数据。备份通道启动后，备份通道指令接口404接收备份通道bcm的控制指令，并且ereu的备份通道指令接口404向bcm反馈伺服作动模块的指令和状态数据，以便bcm掌握伺服作动模块的状态。
53.ereu 400的电源模块420可由两路电源（例如，主控通道、bcm）供电，采用防反灌设计，可由主控通道和bcm同时供电或者由其中一者供电，不影响正常工作。
54.图5是根据本发明一个实施例的电传飞行备份控制方法500的流程图。
55.该方法500开始后，在步骤501，由主控通道控制备份伺服作动模块的ereu。
56.在步骤502，备份控制计算机（bcm）接收主控通道的状态信号。备份控制计算机提供数据接口，以实现与备份控制系统内部设备以及外部系统（例如航电系统、机载维护系统等）的数据交互。在一个实施例中，备份控制系统可采用与主控通道非相似的数据总线。
57.在步骤503，如果主控通道的状态信号指示主控通道失效导致飞机低于mac，则在步骤504，启动备份通道，并且可在短时间内完成备份通道的必要自检。在一个实施例中，备份控制计算机采用指令
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监控架构设计，除必要的时钟同步与电源监控外，还可对两支路计算的舵面指令进行比较监控，当比较监控触发报错时，关断相应的指令支路输出接口，保证舵面控制指令的完整性。
58.在步骤505，由备份通道控制备份伺服作动模块的ereu。
59.可选地，当主控通道恢复正常时，该方法可返回到步骤501，从备份通道切换成由主控通道控制ereu。此后，备份通道可返回冷备份状态。
60.本发明的备份控制系统可完全独立于主控系统，配备了独立的备份控制传感器模块、备份控制计算机以及双输入/输出接口ereu。在主控通道失效且备份通道启动时，仍然满足飞机最小可接受控制要求，能够保证飞机安全飞行和着陆。
61.相比于已有的电传飞控备份控制系统，本发明可实现以下优点中的一个或多个优点：a)提出了一种独立于主控通道的备份系统架构，其与主控系统相比可采用非相似设计，保证备份控制系统的安全性；b)提出了一种集成了bmrs的bcm，简化了备份控制系统的接口；c)提出了一种满足高安全性要求的ereu备份指令抑制方法；d)提出了一种新的bcs电源配置方案。
62.以上描述的方法和装置的各个步骤和模块可以用硬件、软件、或其组合来实现。如果在硬件中实现，结合本公开描述的各种说明性步骤、模块、以及电路可用通用处理器、数字信号处理器（dsp）、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）、或其他可编程逻辑组件、硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是处理器、微处理器、控制器、微控制器、或状态机等。如果在软件中实现，则结合本公开描述的各种说明性步骤、模块可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或进行传送。实现本公开的各种操作的软件模块可驻留在存储介质中，如ram、闪存、rom、eprom、eeprom、寄存器、硬盘、可移动盘、cd
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rom、云存储等。存储介质可耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读写信息，并执行相应的程序模块以实现本公开的各个步骤。而且，基于软件的实施例可以通过适当的通信手段被上载、下载或远程地访问。这种适当的通信手段包括例如互联网、万维网、内联网、软件应用、电缆（包括光纤电缆）、磁通信、电磁通信（包括rf、微波和红外通信）、电子通信或者其他这样的通信手段。
63.在各实施例中给出的数值仅作为示例，而不作为对本发明范围的限制。此外，作为一个整体技术方案，还存在其他没有被本发明权利要求或说明书所列举的元器件或者步骤。而且，一个元器件的单个名称不排除该元器件的其他名称。
64.还应注意，这些实施例可能是作为被描绘为流程图、流图、结构图、或框图的过程来描述的。尽管流程图可能会把诸操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多操作能够并行或并发地执行。另外，这些操作的次序可被重新安排。
65.所公开的方法、装置和系统不应以任何方式被限制。相反，本公开涵盖各种所公开的实施例（单独和彼此的各种组合和子组合）的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或它们的组合，所公开的任何实施例也不要求存在任一个或多个具体优点或者解决特定或所有技术问题。
66.本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。