基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法

摘要

本申请涉及一种基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法，包括：检测飞机机轮的刹车力矩和飞机机轮的转速；基于刹车力矩和转速确定实际滑移因子；比较实际滑移因子与滑移因子阈值；若实际滑移因子等于滑移因子阈值，则更新滑移因子的阈值；以及减小刹车力矩以使实际滑移因子小于更新后的滑移因子阈值。按照本申请的方案，可以避免机轮打滑，提高飞机在复杂跑道表面状况下的防滑刹车效率。

说明书

技术领域

本申请涉及航空技术领域，特别是一种基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹 车控制方法。

背景技术

飞机的起飞和着陆是飞机事故的多发阶段。防滑刹车系统是飞机重要的 机载设备，对飞机起飞、着陆的安全性有重要影响。要求能够在复杂的跑道 环境条件下，飞机仍能够安全着陆并刹停，对提升飞机安全性和可靠性的有 着重要的意义。

飞机防滑刹车系统是一个复杂的具有不确定性的非线性系统，系统中存 在诸多非线性因素，直接影响到防滑刹车的性能。飞机着陆滑跑过程时间较 短，因此要求防滑刹车系统稳定、快速和准确地工作，确保飞机的安全[2]。 防滑刹车系统的性能受很多因素的影响，如跑道表面是否开槽、跑道表面的 状况(干、湿或积雪等)、飞机速度的变化、轮胎的充气压力等。从本质上 讲，这些因素影响的是飞机受刹机轮的轮胎与跑道表面的结合力和滚动阻 力。防滑刹车系统的主要目的是充分利用跑道提供的结合力，在尽可能短的 距离内使飞机刹停。

跑道表面状况的变化对于飞机防滑刹车系统是较为严重的外部干扰。例 如当机轮所处跑道表面结合系数由高变低时，机轮由于结合力矩急剧减小而 发生打滑甚至抱死现象，这就要求防滑刹车控制盒及时作出响应，通过迅速 降低刹车压力使得机转速度得以恢复。因此刹车控制算法对不同跑道表面状 况的适应性以及在跑道表面状况发生变化时的鲁棒性直接影响防滑刹车效 果。

从已公开的飞机防滑刹车控制算法来看，目前主要依靠对飞机主机轮角 速度或角加速度等的测量，配合估计得到的机体速度，根据预先给定的相对 速度或滑移率等指标，使飞机按期望指标减速刹停。对于单一跑道表面状况， 这类控制方法可以得到较好的防滑刹车效果。但由于不同跑道表面状态对应 的指标不同，因而这类控制方法缺乏对跑道表面状态变化的适应性。

发明内容

在下文中给出关于本申请的简要概述，以便提供关于本申请的某些方面 的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本申请的穷举性概述。它并不 是意图确定本申请的关键或重要部分，也不是意图限定本申请的范围。其目 的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前 序。

本申请的一个主要目的在于提供一种基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车 控制方法，旨在解决如上的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方 法，包括：检测飞机机轮的刹车力矩和飞机机轮的转速；基于刹车力矩和转速 确定实际滑移因子；比较实际滑移因子与滑移因子阈值；若实际滑移因子等于 滑移因子阈值，则更新滑移因子的阈值；以及减小刹车力矩以使实际滑移因子 小于更新后的滑移因子阈值。

本申请的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法，通过检测飞机机轮 的刹车力矩和飞机机轮的转速确定实际滑移因子，基于实际滑移因子和滑移因 子阈值的比较来不断更新滑移因子，以使机轮与跑道之间的结合力保持在结合 力峰值附近，从而避免了机轮打滑，提高了飞机在复杂跑道表面状况下的防滑 刹车效率。

在一些实施例中，本申请的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法还 在结合力F_lm满足F_lm＜k_adF_slip时，增大刹车力矩，从而使飞机机轮远离附着区， 提高了飞机在复杂跑道表面状况下的防滑刹车效率。

在一些实施例中，本申请的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法还 在相邻两次更新后的结合力峰值之差△F_slip未处于预设数值范围内时，重新更 新结合力峰值，以使当跑道的结合系数发生改变时，可以相应地调整刹车力矩， 以使结合力保持在结合力峰值的附近，提高飞机在复杂跑道表面状况下的防滑 刹车效率。

附图说明

参照下面结合附图对本申请实施例的说明，会更加容易地理解本申请的 以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本申请的原理。 在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来 表示。

图1为本申请的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法的一个实施 例的示意性流程图；

图2为可用于采集和检测刹车力矩的飞机刹车装置的示意性结构图；

图3A为滑移因子与刹车力矩之间的实际关系曲线；

图3B为可区分机轮是否处于抱死状态的滑移因子与刹车力矩之间的关 系曲线；

图4A为采用本实施例的方法后，飞机机体速度和飞机机轮速度随时间变 化曲线图；

图4B为与图4A对应的结合力和结合力峰值随时间变化曲线图；

图5A为采用本实施例的方法后，当跑道从高结合系数变化至低结合系 数时，飞机机体速度和飞机机轮速度随时间变化曲线图；

图5B为与图5A对应的结合力和结合力峰值随时间变化曲线图

图6A为为采用本实施例的方法后，当跑道从低结合系数变化至高结合 系数时，机机体速度和飞机机轮速度随时间变化曲线图；

图6B为与图6A对应的结合力和结合力峰值随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本申请的实施例。在本申请的一个附图或一种实施 方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出 的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与 本申请无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参见图1所示，为本申请的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法的 一个实施例的示意性流程图。

本实施例的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法包括：

步骤110，检测飞机机轮的刹车力矩和飞机机轮的转速。

在一些可选的实现方式中，飞机机轮的转速例如可以由安装在飞机机轮的 轮轴上的转速传感器来检测和采集。而飞机机轮的刹车力矩例如可以采用如图 2所示的刹车装置来检测和采集。

如图2所示，刹车装置的静盘210通过法兰盘220与轮轴230连接，轮轴 左侧与起落架支柱相连。飞机进行防滑刹车时，防滑刹车阀出口的高压油液推 动活塞240将静盘210与动盘压紧，静盘210与动盘摩擦面产生的摩擦力一方 面通过动盘和轮毂给机轮提供刹车力矩，另一方面通过静盘210和法兰盘220 给轮轴施加扭矩，因此通过设置在轮轴230上的应变片250，可测量轮轴上的 力矩，从而获得刹车力矩。

步骤120，基于刹车力矩和转速确定实际滑移因子。

为了既能够充分利用准确测量的物理量和已知的结构参数来构造滑移因 子，又能够明确表述机轮处于附着区和理想工作区间时与打滑区间的不同特性， 滑移因子表达式如下公式1.1所示：

$\eta =1-\frac{F_{lm}r}{M_b}---\left(1.1\right)$

其中，η为滑移因子，F_lm为机轮与跑道之间的结合力，r为机轮半径，M_b为刹车力矩。

由机轮动力学方程可知，在忽略机轮滚动摩擦力矩时，有：

$\eta =1-\frac{F_{lm}r}{M_b}=\frac{M_b-F_{lm}r}{M_b}=-\frac{j\stackrel{·}{\omega }}{M_b}---\left(1.2\right)$

其中，ω为机轮的转速。J为机轮转动惯量，是已知的结构参数。

一般而言，滑移因子与刹车力矩之间的关系满足如图3A所示的曲线。图 3A中，曲线的峰值处对应机轮转速为0，也即发生抱死时对应的滑移因子。

从图3A中可以看出，滑移因子在飞机机轮即将出现打滑时(也即曲线中 从原点方向接近曲线峰值对应的刹车力矩时)滑移因子会产生剧烈的变化。因 此，若直接采用上述的公式(1.2)来计算滑移因子η，将无法判断此时的滑移 因子所对应的飞机状态是达到滑移因子峰值之前(也即飞机尚未发生抱死现象) 的数值还是达到滑移因子峰值之后(也即飞机发生抱死现象)的数值。因此需 增加机轮转速辅助判断标准。也即是说，若通过公式(1.2)计算出的滑移因子 η大于滑移因子阈值，且机轮转速满足ω＜ω_min时，将滑移因子η数值置为在所 有跑道状态下都不会引起误动作的值，例如，可以将此时的η置为1。在这里， ω_min为一预设的接近于0的数值。

通过机轮转速辅助判断校正后滑移因子与刹车力矩之间的关系曲线如图 3B所示。

因此，通过检测机转速度ω和测刹车力矩M_b，便可结合公式(1.2)以及 机轮转速辅助判断调节确定出实际滑移因子η。

步骤130，比较实际滑移因子与滑移因子阈值。

请继续参照图3B。从图3B可以看出，当机轮工作在附着区(也即，实际 刹车力矩小于且远离滑移因子峰值对应的刹车力矩，飞机未出现打滑现象)时， 滑移因子η保持在很小的范围内变化。而一旦进入打滑区域(也即，实际刹车 力矩小于但接近滑移因子峰值对应的刹车力矩，飞机开始出现打滑现象)后， 滑移因子η的数值迅速增加。这种特性为判断机轮的工作区域提供了较为明确 且宽松的判断标准。因此通过合理设置滑移因子阈值η_slip，可以确保η_slip的数 值远离打滑区域中η的数值区间。

滑移因子阈值η_slip可以在较为宽松的范围内选取。这是由打滑因子的特性 所导致，首先，由于机轮在打滑与未打滑状态的滑移因子η数值差距明显，因 此在设计η_slip值的时裕量较大；其次，可以设计η_slip值的目的是使飞机机轮处 于理想工作区域，这又拓宽了滑移因子阈值η_slip的选择范围。当飞机机轮处于 理想工作区域时，飞机机轮与跑道之间的结合力接近结合力峰值F_slip，并且机 轮未出现打滑的现象。

步骤140，若实际滑移因子等于滑移因子阈值，则更新滑移因子的阈值， 并在步骤150中减小刹车力矩以使实际滑移因子小于更新后的滑移因子阈值。

在实际应用中，当飞机尚未着陆时，一般无法获得跑道路面的相关信息， 因此，无法得到准确的与结合力峰值F_slip对应的滑移因子。因而，可以先设定 一滑移因子阈值的初始值，并通过一定的方式来更新滑移因子阈值，从而使得 滑移因子阈值不断地接近真实的滑移因子阈值，也即是与真实的结合力峰值 F_slip对应的滑移因子。

例如，当实际滑移因子大于或等于滑移因子阈值时，可基于刹车力矩和转 速来更新结合力峰值，并基于更新后的结合力峰值更新滑移因子的阈值。

具体而言，通过如下的公式(1.3)来更新结合力峰值：

$F_{lm}=(1-\eta )\frac{M_b}{r};---\left(1.3\right)$

其中，F_lm为结合力，r为飞机机轮的半径。

当实际滑移因子等于滑移因子阈值时的结合力F_lm为结合力峰值F_slip。

在通过如上所示的公式(1.3)更新结合力峰值F_slip之后，可以通过如下的 公式(1.4)来更新滑移因子的阈值：

$\frac{{\eta }_{slip}}{{\eta }_{ss}}=k_1{\left(\frac{F_{slip}}{F_{ss}}\right)}^3+k_2{\left(\frac{F_{slip}}{F_{ss}}\right)}^2+k_3\left(\frac{F_{slip}}{F_{ss}}\right)+k_4---\left(1.4\right)$

其中，η_ss为滑移因子阈值初始值，其具体数值可以是一经验值；F_ss为预 先设定的结合力初始值，其具体数值可以是一经验值；η_slip为更新后的滑移因 子阈值，k₁、k₂、k₃、k₄为预设的系数，且满足：

-1＜k₁＜0；

0＜k₂＜1；

-1＜k₃＜0；

0＜k₄＜1。

通过这一更新过程，可以使得滑移因子逐步逼近真实的滑移因子阈值，从 而使得机轮与跑道之间的结合力逼近真实的结合力峰值，从而实现刹车效率的 最大化。

这样一来，若与当前的刹车力矩达到或超过当前的滑移因子阈值后，则减 小刹车力矩，从而避免机轮打滑，提高了飞机在复杂跑道表面状况下的防滑刹 车效率。

可选地，本实施例的基于刹车力矩反馈的飞机防滑刹车控制方法还可以进 一步包括：

步骤160，基于刹车力矩和转速确定结合力F_lm，并判断结合力F_lm是否满 足F_lm＜k_adF_slip。

步骤170，若满足F_lm＜k_adF_slip，则增大刹车力矩。

其中，k_ad为一预先设定的附着系数，且满足0.5＜k_ad＜1。

通过如上的步骤160和步骤170，可以使飞机机轮远离附着区，避免机轮 未充分利用轮胎所能产生的结合力的情形，进一步提高了飞机在复杂跑道表面 状况下的防滑刹车效率。

然而，在实际应用中，飞机着陆时，跑道的结合系数并不是保持不变的。 在这里，跑道的结合系数可以表征跑道能够向飞机机轮提供的摩擦系数。而当 跑道的结合系数不同时，刹车力矩与滑移因子之间的关系也将随之发生改变。

例如，当跑道表面结合系数从低向高变化的瞬间，刹车力矩保持不变，而 结合力将显著地增加。反之，当跑道表面结合系数从高向低变化的瞬间，刹车 力矩保持不变，结合力将显著地降低。

因此，为了捕捉跑道表面结合系数的显著变化，从而使得刹车力矩能够迅 速地调节至与当前结合系数对应的结合力峰值附近，本实施例的基于刹车力矩 反馈的飞机防滑刹车控制方法可以进一步包括如下的步骤：

步骤180，判断相邻两次更新后的结合力峰值之差△F_slip是否处于预设数 值范围。

步骤190，若否，则基于如下的公式(1.5)来更新结合力峰值，并基于更 新后的结合力峰值更新滑移因子的阈值：

$F_{lm}=\frac{M_b+J\stackrel{·}{\omega }}{r}---\left(1.5\right)$

在这里，预设的数值范围例如可以是一数值区间，例如，[-△F_th1,△F_th2]。 在确定△F_th1和△F_th2的取值时，可以考虑正常防滑刹车和外部干扰造成的结 合力数值变化，并使△F_th1和△F_th2的取值大于正常防滑刹车和外部干扰造成 的结合力数值变化范围。

下面，将结合图4A-图6B的仿真曲线来描述本实施例的基于刹车力矩 反馈的飞机防滑刹车控制方法，以使其优点更加明显和突出。

参见图4A所示，为采用本实施例的方法后，飞机机体速度和飞机机轮速 度随时间变化曲线图，图4B为采用本实施例的方法后，结合力和结合力峰值 随时间变化曲线图。

从图4A和图4B中可以看出，在整个防滑刹车过程中机体速度平稳下 降，机轮速度由于在松-刹-松循环的刹车力作用下发生波动，未造成机轮打 滑，防滑刹车开启的过程中未出现机轮抱死情况。在机体速度低于一定值以 后，防滑刹车控制切除，在基于结合力反馈的算法控制下，机轮工作在跑道 所能提供的结合力峰值附近，直到机体速度低于一定速度时，防滑刹车关闭， 机轮抱死，结合力减小。

参见图5A所示，为采用本实施例的方法后，当跑道从高结合系数变化 至低结合系数时，飞机机体速度和飞机机轮速度随时间变化曲线图，图5B为 与图5A对应的结合力和结合力峰值随时间变化曲线图。

从图5A和图5B中可以看出，在跑道从高结合系数变化至低结合系数情 形下，整个防滑刹车过程的飞机机体速度平稳下降，机轮速度由于在松-刹- 松循环的刹车力作用下发生波动，跑道状态的变化对机体减速率和机轮运动 中的滑动成分影响明显，但未造成机轮打滑，防滑刹车开启的过程中未出现 机轮抱死情况。在跑道状态发生变化以后，利用同样的方法检测到新的结合 力峰值；在基于结合力反馈的算法控制下，机轮工作在跑道所能提供的结合 力峰值附近，直到机体速度低于5.5m/s，防滑刹车关闭，机轮抱死，结合 力减小。跑道状态发生变化以后，本实施例的方法检测到机轮发生打滑现象， 首先减小刹车压力指令，从而减小刹车力矩，使得机轮回到附着工作区域， 然后增大刹车压力指令重新在线搜索结合力峰值，再次检测到新的理想工作 点。

参见图6A所示，为采用本实施例的方法后，当跑道从低结合系数变化 至高结合系数时，机机体速度和飞机机轮速度随时间变化曲线图，图6B为与 图6A对应的结合力和结合力峰值随时间变化曲线图。

从图6A和图6B中可以看出，当跑道从低结合系数变化至高结合系数的 情形下，整个防滑刹车过程的机体速度平稳下降，机轮速度由于在松-刹-松 循环的刹车力作用下发生波动，跑道状态的变化对机体减速率和机轮运动中 的滑动成分有影响，但未造成机轮打滑，防滑刹车开启的过程中未出现机轮 抱死情况。在低速时滑移率逐渐增加，但与低结合系数跑道相比，机轮运动 中的滑动成分小很多。在低速工作状况下，机轮工作点逐渐向着横轴正方向 移动，表明机轮运动中的滑动成分逐渐增加；在跑道状态发生变化以后，利 用同样的方法检测到新的结合力峰值；在基于结合力反馈的算法控制下，机 轮工作在跑道所能提供的结合力峰值附近，直到机体速度低于5.5m/s，防 滑刹车关闭，机轮抱死，结合力减小。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领 域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征 的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况 下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例 如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互 相替换而形成的技术方案。