用于向飞机的飞行员提供飞行员报警信号的方法、计算机程序产品以及报警设备

摘要

本发明涉及一种用于提供针对飞机的飞行员的飞行员报警信号的方法，具有以下步骤：提供用于说明能够由飞行员操作的踏板的踏板角度的第一信号；提供第二信号，其与踏板角度具有直接的动态依赖关系；由在某一时间点上的第一信号和第二信号形成值对；确定在两个相继的时间点上的值对的角度变化以及值对的增量的角度变化；以及在确认踏板的操作以及确认激发飞机滚翻的情况下以及如果值对的某一角度变化大于第一阈值或值对的增量的某一角度变化大于第二阈值，发生飞行员报警信号。本发明还涉及一种计算机程序产品和一种报警设备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于向飞机的飞行员提供飞行员报警信号的方法。本发明还涉及一种计算机程序产品以及一种报警设备。

尽管可以在任意领域中应用，但本发明基于飞机或客机来详细探讨。

本发明的技术领域涉及在不当操作飞机的控制机构、特别是用于控制飞机的方向舵的踏板的情况下对飞机员报警。

背景技术

如果飞机的飞行员将双峰(Dubletten)、特别是重复的双峰作为一次踏板输入，则横向自由度激发偏航、摇晃和侧滑且这会导致通过方向舵激发飞机滚翻。

如果该激发以滚翻(荷兰摇晃模式(Dutch Roll Mode))的固有频率发生，则飞机结构由于共振出现强烈的响应。滚翻的减弱通常通过飞机系统、特别是偏航阻尼器的作用得以改善(提高)。

如果额外地还可以限制飞机系统的偏航阻尼器-权限，那么上面提到的响应还能被增强。这由于余留的极小减弱导致增强的横向飞行力学的响应。结果会导致在飞机部件、比如飞机尾翼上出现相应较高的负荷。

只要偏航阻尼器还具有权限，提高的飞机响应的问题通常借助于方向舵通过提高的偏航阻尼得以减弱。当然该措施在偏航阻尼效应受限的情况下是不起作用的。

一种替代方式在于，通过飞机机翼上的摇晃控制面提高偏航阻尼。

当然该措施是不起作用的，因为摇晃控制面的偏航阻尼效果极小。从实际的操作观点来看该替代方式具有严格的限制。

另一种用于提高偏航阻尼权限的替代方式的缺点在于需要额外的用于从踏板到飞机的方向舵上的机械信号传递的硬件且因此提高了成本和重量。

发明内容

因此本发明的目的在于，提供向飞行员的报警以排除上述缺点。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法、通过具有权利要求10的特征的计算机程序产品以及通过具有权利要求11的特征的报警设备实现。

根据本发明，建议一种用于向飞机的飞行员提供飞行员报警信号的方法，其具有以下步骤：

a)提供用于说明可由飞行员操作的踏板的踏板角度的第一信号；

b)提供第二信号，其与踏板角度具有直接的动态依赖关系；

c)形成由在某一时间点上的第一信号和第二信号组成的值对(Wertepaar)；

d)确定在两个相继的时间点上的值对的角度变化以及值对的增量的角度变化；以及

e)在确认踏板的操作以及确认激发的翻滚的情况下且如果值对的某一角度变化大于第一阈值或值对的增量的某一角度变化大于第二阈值，发生飞行员报警信号。

本发明还建议一种计算机程序产品，其促使在程序控制装置上实施如上所述的方法。

此外，设置一种用于特别是在使用根据本发明的方法的情况下提供为飞机的飞行员设置的飞行员信号的报警设备，该报警设备具有第一装置，其设计用于提供第一信号，第一信号包含关于可由飞行员操作的踏板的踏板角度的信息；具有第二装置，其设计用于提供第二信号，第二信号与踏板角度具有直接的动态依赖关系；具有第三装置，其设计用于在预设的时间点上形成由第一信号和第二信号组成的值对；具有第四装置，其设计用于确定在两个相继的时间点上的值对的角度变化以及值对的增量的角度变化；以及具有第五装置，其设计用于只要确认了踏板的操作和激发的飞机滚翻且只要值对的预设的角度变化大于第一阈值或者值对的增量的预设的角度变化大于第二阈值，发生飞行员报警。

计算机程序产品如计算机程序装置可以比如以存储介质、如存储卡、U盘、软盘、CD-ROM、DVD、硬盘或以可从网络中的服务器下载的数据的形式提供或供应。这可以比如在无限通讯网络中通过利用计算机程序产品或计算机程序装置传递相应的数据实现。

各装置、即第一、第二、第三、第四和/或第五装置优选通过硬件技术实现，但其功能性也可以通过软件技术实现。在通过硬件技术实现的情况下各装置可设计成设备、比如计算机、微处理器、程序控制的装置或系统、比如计算机系统的一部分。在通过软件技术实现的情况下各装置可以设计成计算机程序产品、函数、例行程序、程序编码的一部分或可实施的对象。

原则上假设飞机的飞行员(长期来看)想要减弱滚翻，则如果飞行员相位相反地操作踏板就会出现问题。

本发明的优点在于，在这种情况下向飞行员发出显示其关于用来移动飞机的踏板的相位关系的错误推断的飞行员报警信号。由飞行员报警信号警告的飞行员可以改正其错误并且实施恰当的踏板动作或放弃踏板动作。

总的来说所建议的解决方案是一种成本很低的可能方式，避免了尽管飞行员不想要、但仍然会激发的翻滚以及引起的负荷后果。

本发明的有利设计和改进在从属权利要求中限定。

根据优选的改进将第二信号设计成用于说明飞机侧滑角度的侧滑角度信号、飞机的横向负荷系数或围绕飞机的竖直轴线的飞机旋转率(Drehrate)。

根据另一种优选的改进将第二信号设计成修复的飞机侧滑角度信号。

根据另一种优选的改进借助于带有复数的运算或借助于极坐标图确定各角度变化。

根据另一种优选的改进将第二信号设计成围绕竖直轴线的负的旋转率(负的机身偏航率)。

第一和第二信号优选被低通滤波以使其平整。

根据另一种优选的改进，设置下面的用于确认踏板的操作的步骤以避免错误报警：

-确定提供的第一信号的踏板角度的一阶时间导数用于说明踏板速度；以及

-根据提供的第一信号和确定的一阶时间导数评估踏板的相关操作，以提供第一逻辑操作信号。

根据另一种优选的改进设置下面的用于确认踏板的操作的步骤以避免错误报警：

-提供用于可由飞行员操作的踏板的踏板角度的非临界范围；

-确定非临界范围之上的上临界范围；

-确定非临界范围之下的下临界范围；

-探测进入(上或下)临界范围的情况随后迅速地过渡到相对立的临界范围中；

-在探测到过渡的情况下将第二逻辑操作信号置于正的逻辑信号水平上。

根据另一种优选的改进，如果第一和第二逻辑操作信号被置于一个逻辑信号水平上且如果第一值对的某一角度变化大于第一阈值或增量值对的角度变化大于第二阈值，发生飞行员报警信号。

根据另一种优选的改进，借助于踏板角度的测量提供第一信号。

根据另一种优选的改进，根据测量到的方向舵偏转以及偏航阻尼信号计算第一信号。

根据另一种可能的改进，将方向舵角度选择为第一信号，由此通过飞行员的踏板操作以及偏航阻尼信号的效应的总和对飞机进行评价。

根据另一种优选的改进，在某一时间点探测第一信号和第二信号。进一步，将由探测到的第一信号和探测到的第二信号组成的值对构成以第一信号作为实数部分且以第二信号作为虚数部分的复数，其中，将在两个相继的时间点上的两个值对的第一和第二信号的相对变化的比例关系构成复数的相位角度的变化。

根据另一种优选的改进，如果(这里比如由过滤的以及标准化的摇晃率和偏航率形成的)复数的值超出阈值，将用于说明本质上激发的飞机翻滚的第一逻辑滚翻信号置于正的逻辑信号水平上。

根据另一种优选的改进，如果第一逻辑滚翻信号被置于正的逻辑信号水平上且如果第一和第二逻辑操作信号被置于正的逻辑信号水平上，发生飞行员报警信号。

根据另一种优选的改进，如果针对预设的第一时间段将第一逻辑滚翻信号置于正的逻辑的信号水平上且继续保持该信号水平，将用于说明飞机滚翻的第二逻辑滚翻信号置于正的逻辑信号水平上。如果针对预设的第二时间段将第三逻辑滚翻信号置于非正的逻辑信号水平上并且保持该信号水平，将第二逻辑滚翻信号置于非正的逻辑信号水平上。

根据另一种优选的改进，如果将第二逻辑滚翻信号置于正的逻辑信号水平上且如果将第一和第二逻辑操作信号置于正的逻辑信号水平上，发生飞行员报警信号。

根据另一种优选的改进，第一装置包括设计成电势的、电感的、电容的和/或光学的角度传感器，其设计用于探测由飞行员操作的踏板的角度并且以供使用。也可以考虑，第一装置包括设计成电势的、电感的、电容的和/或光学的线性转换器，其设计用于探测表示由飞行员操作的踏板的位置的线性移动并且以供使用。

根据另一种优选的改进，第二装置包括测量装置，其通过直接的测量探测飞机围绕其竖直轴线的负的旋转率并且由此导出第二信号。

根据另一种优选的改进，设置程序控制的装置、特别是微控制器或微处理器，其包括第一至第五装置中的至少一个并且优选包括所有的第一至第五装置。

根据另一种优选的改进，程序控制的装置设计成从探测到的方向舵角度和/或探测到的偏航阻尼中计算第一信号(x)。也可以考虑，程序控制装置设计成通过带有复数的运算或通过极坐标图确定第二信号(y)。

根据另一种优选的改进，程序控制的装置设计用于形成值对(x，y)，以及设置存储器，在存储器中可存储至少一个在第一时间点(k-1)上的值对(x，y)以及至少一个在第一时间点(k-1)上的值对(x，y)的增量，并且程序控制的装置设计为用于从在第一时间点(k-1)上的值对(x，y)以及在第二时间点(k)上的值对(x，y)中确定角度变化(V)，并且从在第一时间点(k-1)上的值对(x，y)的增量以及在第二时间点(k)上的值对(x，y)的增量中确定角度变化(I)。

根据另一种优选的改进，第五装置包括视觉报警装置(其被设计成信号灯或显示器)或听觉报警装置(该听觉报警装置被设计成扬声器)或触觉报警装置(其被设计成用于产生振动的设备)。

根据另一种优选的改进，第五装置包括由视觉、听觉报警装置和触觉报警装置的任意组合。

附图说明

下面参照任意的附图借助于实施例详细描述本发明。其中：

图1为用于提供飞行员报警信号的方法的实施例的流程图；

图2为用于展示在飞机滚翻减弱的情况下两个相继的时间点的值对的角度变化的示意性图；

图3为用于展示在激发飞机滚翻的情况下两个相继的时间点的值对的角度变化的示意图；

图4为用于提供飞行员报警信号的设备的第一实施例的示意方框图；

图5为用于提供飞行员报警信号的设备的第二实施例的示意方框图；

图6为用于提供飞行员报警信号的设备的第三实施例的示意方框图；以及

图7为用于提供飞行员报警信号的设备的第四实施例的示意方框图。

只要无特别说明，附图中的相同的附图标记表示功能相同的部件。

具体实施方式

图1中示出了用于提供飞行员报警信号P的方法的实施例的示意流程图。

下面借助于图1中的方框图参照图2、3和4详细描述根据本发明的方法。根据图1的方法的实施例具有以之下法步骤S1至S5：

方法步骤S1：

提供用于说明可由飞行员操作的踏板的踏板角度的第一信号x。

优选借助于踏板角度的测量提供第一信号x。也可以替代为根据测量到的方向舵偏转以及偏航阻尼信号计算第一信号x。也可以直接应用方向舵偏转。在这种情况下系统提供的信息基于偏航阻尼和飞行员操作踏板的效应总和。

方法步骤2：

提供第二信号y，其具有与踏板角度的直接动态依赖关系。直接动态依赖关系表示的是，踏板角度的变化直接以及非间接地影响到第二信号y的值上。

此外，将第二信号y比如设计成用于说明飞机侧滑角度的侧滑角度信号、飞机的横向负荷系数或飞机围绕飞机竖直轴线的负的旋转率。

此外，第二信号y也可以设计成修复的飞机侧滑角度信号。

与测量到的侧滑角度相反，修复的侧滑角度不包括作用在飞机上的阵风的阵风效应。

方法步骤S3：

在每个确定的时间点k、比如在两个信号x和y的每个探测时间点k，形成由第一信号x和第二信号y组成的各值对x，y、特别是x(k)，y(k)。

方法步骤S4：

在两个相继的时间点k-1，k上确定值对x，y的各角度变化V以及值对x，y的增量的角度变化I。

此外，图2示出了用于展示在飞机滚翻减弱的情况下在两个相继的时间点k-1，k上的值对x，y的角度变化V的示意图。与此相反，图3示出了用于展示在激发飞机滚翻的情况下在两个相继的时间点上的值对x，y的角度变化V的示意图。

此外通过下面的公式确定k的点z：

z(k)＝z(x(k)，y(k))＝x(k)+iy(k)

根据图2得出了在V＜Thr的情况下的滚翻减弱。随后根据图3得出了在V＞Thr的情况下的激发飞机滚翻。[即V是在z2中k-1→k的角度变化]

方法步骤S5：

如果值对x，y的某个角度变化V大于第一阈值TH1或者值对x，y的增量的某一角度变化I大于第二阈值TH2，在确认的踏板的操作B以及确认的激发飞机滚翻T的情况下发生飞行员报警信号P。

由于发生的飞行员报警信号P将听觉的、视觉的和/或机械的信息提供和输出给飞行员用于对其进行报警。此外，也可以将飞行员报警信号P用于引起飞机调节系统的修复。

图4示出了用于提供飞行员报警信号P的设备10的第一实施例的示意性方块图。

设备10具有第一装置11、第二装置12、第三装置13、第四装置14、第五装置15和第六装置16。

第一装置11设置用于提供用来说明可由飞行员操作的踏板的踏板角度的第一信号x。

第二装置12设置用于提供第二信号y，其具有与踏板角度的直接动态依赖关系。

第三装置13设置用于形成由某一时间点k的第一信号x和第二信号y组成的值对x，y。

第四装置14设置用于确定在两个相继的时间点k-1，k上的值对x，y的角度变化V以及值对x，y的增量的角度变化I。

此外，第五装置15设置用于，如果值对x，y的某一角度变化V大于第一阈值TH1或者值对x，y的增量的某一角度变化I大于第二阈值TH2，在确认的踏板的操作B以及确认的激发飞机滚翻T的情况下发生飞行员报警信号P。

此外，图4的第六装置16设置用于提供信号B和T。

从在两个相继的时间点k-1，k上形成的值对x，y的增量中计算特别是相位角度的变化。

第一阈值TH1和第二阈值TH2比如大小相同。特别是第一阈值TH1和第二阈值TH2都等于零。

图5示出了用于提供飞行员报警信号P的设备10的第二实施例的示意方块图。根据图5的设备10的第二实施例与根据图4的设备10的第一实施例在第五装置15的设计上有所不同。

因此为了避免重复不再重新详细描述第一至第四装置11-14以及第六装置16。

这里，第五装置15具有装置32，其设置用于在输入端接收值对x，y的角度变化V以及值对x，y的增量的角度变化I并且据此在输出端提供第一逻辑滚翻信号TS1。此外，如果值对x，y的角度变化V大于第一阈值TH1或值对x，y的增量的角度变化I大于第二阈值TH2，装置32将第一逻辑滚翻信号TS1置于正的逻辑信号水平上。

第五装置15还具有用于提供第一逻辑操作信号BS1的装置33。

此外，装置33确定所提供的第一信号x的踏板角度的一阶时间导数用于提供踏板速度。此外装置33根据提供的第一信号x和确定的一阶时间导数评估踏板的相关操作B并且据此提供第一逻辑操作信号BS1。

此外第五装置15具有用于提供第二逻辑操作信号BS2的装置34。为此在装置34中确定针对可由飞行员操作的踏板的踏板角度的非临界范围、非临界范围之上的上临界范围以及非临界范围之下的下临界范围。此外装置34探测从上临界范围至下临界范围或从下临界范围至上临界范围超过非临界范围的情况，且如果探测到了超过的情况，在输出端将第二逻辑操作信号BS2置于正的逻辑信号水平上。

正的信号水平BS2(如果从临界→临界的转变过程不重复)在一定时间TM之后返回到非正的信号水平上。

此外，第五装置15具有与门28，其将第一滚翻信号TS1、第一逻辑操作信号BS1和第二逻辑操作信号BS2逻辑与连接，且如果TS1、BS1和BS2分别具有正的逻辑信号水平，在输出端将飞行员报警信号P置于正的逻辑信号水平上。

正的逻辑信号水平、比如2V相当于逻辑值1。类似地，非正的逻辑信号水平、比如OV相当于逻辑值0。当然也可以考虑另一种确定方法。

图6展示了用于提供飞行员报警信号P的设备20的第三实施例的示意方框图。

根据图6的设备20的第三实施例以按照图4和5的设备10的两个实施例为基础。

参照图6下面的变量或附图标记表示下列信号：

x1(k) 在时间点k上的缩放(skaliert)的第一信号

x2(k) 在时间点k上的低通滤波的、缩放的第一信号

y1(k) 在时间点k上的缩放的第二信号

y2(k) 在时间点k上的低通滤波的、缩放的第二信号

i 虚数

z2(k) 复数z2(k)；z2(k)＝x2(k)+i·y2(k)

＜z2(k) 复数z2(k)的相位角度

|z2(k)| 复数z2(k)的值

V ＜(z2(k)/z2(k-1))在时间步长k-1→k中z2中的角度变化

时间步长 k-1→k

低通滤波器TP1在输入端接收缩放的第一信号x1(k)并且在输出端提供低通滤波的缩放的第一信号x2(k)。

低通滤波器TP2以类似的方式低通滤波缩放的第二信号y1(k)以提供低通滤波的缩放的第二信号y2(k)。

此外，低通滤波的缩放的第二信号y2(k)与乘法机构(Multiplikationsmittel)21的虚部i相乘。

乘法机构21将低通滤波的缩放的第二信号y2(k)与i相乘。

加法机构22将x2(k)与i·y2(k)相加成复数z2(k)。

减法机构23适合于将复数z2(k)减去在k和k-1之间的一个时间步长。

除法机构24适合于复数z2(k)/z2(k-1)的相除。

装置25适合于形成增量且因此提供Δz2(k)。

此外，设置用于计算相位角度的装置26，其在输出端提供在时间步长k-1→k中的复数z2(k)的相位角度变化V＝＜(z2(k)/z2(k-1))。

装置27适合于形成数值。此外装置27a适合于形成数值且随后将该数值以1递减。

如果输入信号大于各阈值TH1-TH3，装置TH1-TH3分别发出一个具有正的逻辑信号水平的输出信号。如果所有的输入信号具有正的逻辑信号水平，各装置28适合于逻辑上与连接输入信号并且在输出端提供具有正的逻辑信号水平的信号。

在图6中右边的逻辑与门28的输出信号相当于用于说明飞机滚翻的第一逻辑滚翻信号TS1。如果复数的相位角度＜z2(k)大于第一阈值TH1，复数的增量|Δz2(k)|-1大于第二阈值TH2以及复数的绝对值|z2(k)|大于第三阈值，将其置于正的逻辑信号水平上。

装置29和30适合于用于操作第一滚翻信号TS1的非正的或正的信号水平的操作块。

如果输入信号TS1在长度TL的最后的时间段中假设非正的信号水平，将中间信号TS1置于非正的信号水平上。此外，如果中间信号TS1a在长度TH的最后的时间段中假设正的值，将第二逻辑滚翻信号TS2置于正的值上。

为了调节第二时间段TH设置装置31，其根据修正的飞机速度T_tas(k)(或根据其它的、代表飞机瞬时运行点的特征值)计算第二时间段TH。

在图7中示出了用于提供飞行员报警信号P的设备40的第四实施例的示意方框图。

根据图7的设备40的第四实施例以根据图4和5的设备的两个实施例为基础。

参照图7下面的变量或附图标记表示下列信号：

DRM 踏板角度

DRM_ref 针对踏板角度的非临界基准值

x1(k) 在时间点k上的缩放的第一信号，其中

x2(k) 在时间点k上的低通滤波的缩放的第一信号

β 飞机侧滑角度；

β_ref 侧滑角度β的非临界基准值

y1(k) 在时间点k上的缩放的第二信号，其中

y2(k) 在时间点k上的低通滤波的缩放的第二信号

i 虚数

z2(k) 复数z2(k)；z2(k)＝x2(k)+i·y2(k)

＜z2(k) 复数z2(k)的相位角度

|z2(k)| 复数z2(k)的值

其中，r表示与机身的偏航率以及r_ref表示针对偏航率r的非临界基准值。基准值r_ref可以固定地预设或根据预设的飞机参数适配地调节；

a₂(k) 低通滤波的a₁(k)；

其中，p表示机身的摇晃率以及p_ref表示针对摇晃率p的非临界基准值。基准值p_ref可以固定地预设或根据预设的飞机参数适配地调节；

V＝＜(z2(k)/z2(k-1))

如果确认了踏板的操作B，确认了激发飞机滚翻T，且如果某一角度变化V大于第一阈值TH1或值对的增量的角度变化I大于第二阈值TH2且这额外地通过确认装置30确认，设备40的与门28提供飞行员报警信号P。

尽管借助于所述的优选实施例描述本发明，本发明也不仅限于此，而是能够以各种各样的方式修改。

附图标记列表

10、20、40 设备

11 第一装置

12 第二装置

13 第三装置

14 第四装置

15 第五装置

16 第六装置

21 乘法机构

22 加法机构

23 减法机构

24 除法机构

25 增量形成装置

26 相位角度计算装置

27 绝对值形成装置

28 与门

29-34 装置

35 或门

a 机身的偏航率

b 机身的摇晃率

x 第一信号

y 第二信号

k 时间点

V 比例关系

I 增量

B 用于确认踏板的操作的信号

BS1 第一逻辑操作信号

BS2 第二逻辑操作信号

P 飞行员报警信号