自动地引导飞机在地面上滑行的方法和设备

摘要

本发明涉及一种自动地引导飞行器在地面上滑行的方法和设备。所述设备(1)包括监视单元(3)，被配置为自动地监视适于在地面上控制飞行器的手动控制部件(2)的驱动以便能够检测控制部件(2)在中立位置的释放；计算单元(4)，被配置为在检测到控制部件(2)在中立位置的释放后，计算用于在地面上引导飞行器的虚拟轴线；以及引导单元(5)，被配置为沿着所述虚拟轴线自动地引导飞行器。

权利要求

1.一种自动地引导飞行器在地面上滑行的方法，所述飞行器包括至少一个控制部件，所述控制部件被配置为被手动驱动，适于在地面上横向地控制所述飞行器并且适于被带到中立位置，所述方法包括被自动实施的以下步骤：a)监视所述控制部件的驱动以便检测在所述中立位置所述控制部件的释放；

b)在检测到所述控制部件的释放后：

b1)自动地限定所述飞行器上的虚拟轴线；和

b2)在地面上沿着所限定的虚拟轴线自动地引导所述飞行器，以及使用两个修改单元中的至少一个修改所述虚拟轴线，在这两个修改单元中，第一修改单元被配置为以平行位移来修改所述虚拟轴线，而第二修改单元被配置为通过绕点旋转所述虚拟轴线来修改所述虚拟轴线。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

在步骤b1)中，所述虚拟轴线在所述控制部件被带到所述中立位置的时刻被按照所述飞行器的位置和航向自动地计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，

在步骤b1)中，所述虚拟轴线对应于被所述飞行器的驾驶员选择的基准轴线。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

在步骤b1)中，所述虚拟轴线对应于在最后一次使用所述控制部件之前引导所述飞行器所依据的虚拟引导轴线。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述飞行器的显示单元上显示所述虚拟轴线的显示步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述显示步骤以真实视觉模式在抬头显示设备上显示所述虚拟轴线。

7.根据权利要求1所述的方法，其中修改所述虚拟轴线是通过包括第一修改单元和第二修改单元中的至少一个的轴线指定器执行的，第一修改单元包括第一输入设备，第一输入设备允许通过把所述虚拟轴线横向偏移到与所述虚拟轴线平行的新虚拟轴线来修改所述虚拟轴线；

第二修改单元包括第二输入设备，第二输入设备允许通过使所述虚拟轴线围绕在所述虚拟轴线上的点旋转来修改所述虚拟轴线。

8.一种自动地引导飞行器在地面上滑行的设备，所述飞行器配备有控制部件，所述控制部件被配置为被手动驱动，被配置为在地面上横向地控制所述飞行器并且适于被带到中立位置，所述设备包括：监视单元，被配置为自动地监视所述控制部件的驱动并且检测所述控制部件在所述中立位置的释放；

引导单元，被配置为沿着轴线自动地引导所述飞行器，

计算单元，被配置为在检测到所述控制部件在所述中立位置的释放后，计算用于在地面上引导所述飞行器的虚拟轴线；以及轴线指定器，被配置为使用两个修改单元中的至少一个修改所述虚拟轴线，在这两个修改单元中，第一修改单元被配置为以平行位移来修改所述虚拟轴线，而第二修改单元被配置为通过绕点旋转所述虚拟轴线来修改所述虚拟轴线，所述引导单元被配置为基于所修改的虚拟轴线沿着所述虚拟轴线自动地引导所述飞行器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述轴线指定器包括第一修改单元和第二修改单元中的至少一个，第一修改单元包括第一输入设备，第一输入设备允许通过把所述虚拟轴线横向偏移到与所述虚拟轴线平行的新虚拟轴线来修改所述虚拟轴线；

第二修改单元包括第二输入设备，第二输入设备允许通过使所述虚拟轴线围绕在所述虚拟轴线上的点旋转来修改所述虚拟轴线。

10.一种飞行器，包括：

自动地引导飞行器在地面上滑行的设备，所述飞行器配备有控制部件，所述控制部件被配置为被手动驱动，被配置为在地面上横向地控制所述飞行器并且被配置为被带到中立位置；

监视单元，被配置为自动地监视所述控制部件的驱动并且检测所述控制部件在所述中立位置的释放；

引导单元，被配置为沿着轴线自动地引导所述飞行器；

计算单元，被配置为在检测到所述控制部件在所述中立位置的释放后，计算用于在地面上引导所述飞行器的虚拟轴线；以及轴线指定器，被配置为使用两个修改单元中的至少一个修改所述虚拟轴线，在这两个修改单元中，第一修改单元被配置为以平行位移来修改所述虚拟轴线，而第二修改单元被配置为通过绕点旋转所述虚拟轴线来修改所述虚拟轴线，所述引导单元被配置为基于所修改的虚拟轴线沿着所述虚拟轴线自动地引导所述飞行器。

11.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述轴线指定器包括第一修改单元和第二修改单元中的至少一个，第一修改单元包括第一输入设备，第一输入设备允许通过把所述虚拟轴线横向偏移到与所述虚拟轴线平行的新虚拟轴线来修改所述虚拟轴线；

第二修改单元包括第二输入设备，第二输入设备允许通过使所述虚拟轴线围绕在所述虚拟轴线上的点旋转来修改所述虚拟轴线。

说明书

自动地引导飞机在地面上滑行的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及自动地引导飞机在地面上滑行的方法和设备。

背景技术

[0002] 公知飞行器尤其是运输机都装备着航空系统，使之有可能自动跟随地面上的轴线或航向。自动着陆尤其公知为基于跟随ILS(仪器着陆系统)类型的引导波束，它使之有可能一方面水平地和垂直地引导飞行中的飞行器，另一方面仅仅水平地把地面上的飞行器引导到跑道末端，方式为实施所谓的“起飞”操纵。这种操纵使之有可能在地面上横向地引导飞行器，以便将其保持在由ILS波束所指示的跑道中心轴线上。飞行器能够被手动地引导，方式为向驾驶员表明飞行器相对于该波束的位置，或者使用自动领航系统自动地引导。公知其他类似的引导辅助设备，比如GLS(GPS着陆系统)类型的系统、SLS(卫星着陆系统)类型的系统或者MLS(微波着陆系统)类型的系统，它们都需要地面上的基础设施或卫星的介入。

[0003] 在机场中没有ILS类型基础设施或类似基础设施时，在飞行器着陆后没有使之有可能沿着轴线自动地引导该飞行器的设备。不仅如此，使用ILS或类似类型的系统强化了跟随由波束指示的轴线，所以没有给驾驶员留出自由，尤其是稍微地移动到与跑道的中心轴线平行，以便例如避免在沿着中心轴线安装的灯上滑行，这令驾驶员和乘客不舒服。相反，在手动导航模式下，飞行器的简单移动，例如离跑道中心轴线向左或向右一米都足以避免了在灯上滑行。

[0004] 不仅如此，在起飞或RTO类型的放弃起飞时，没有使之有可能沿着轴线自动地引导飞行器的设备，以便尤其是在呈现出领航更困难的某些条件下帮助驾驶员，比如强侧风、系统故障(例如起落架之一上的制动故障，导致不知不觉的制动差异)或者发动机故障。

发明内容

[0005] 本发明的目标是消除这种缺点，它包括使飞行器能够自动地跟随在所述飞行器上算出的虚拟轴线的方法。

[0006] 更确切地说，它涉及自动地引导飞行器在地面上滑行的方法，所述飞行器包括至少一个控制部件，被配置为被手动操纵，适于在地面上横向地控制所述飞行器并且适于使其达到中立位置。

[0007] 根据本发明，所述方法引人注意之处在于它包括被自动实施的以下步骤，并且在于：

[0008] a)监视所述控制部件的驱动以便能够检测所述控制部件在所述中立位置的释放；以及

[0009] b)在检测到所述控制部件的这样的释放后：

[0010] b1)自动地限定所述飞行器上的虚拟轴线；以及

[0011] b2)沿着所述虚拟轴线在地面上自动地引导所述飞行器。

[0012] 因此，虚拟轴线在释放所述控制部件后被自动计算，与在着陆和起飞跑道上或者在机场的滑行区域上飞行器正在所述地面上移动的阶段无关。从而，根据本发明的引导方法为了实施沿着自动算出的虚拟轴线的自动导航不需要所述飞行器之外的任何设备或基础设施。这条轴线由所述飞行器遵循以便保持在所述地面上的适宜轨迹，即使有与气候或故障相关的任何可能事件。

[0013] 根据本发明的不同实施例，将能够单独地或组合地采用：

[0014] -在步骤b1)，在所述控制组件被带到所述中立位置的时刻按照所述飞行器的位置和航向自动计算所述虚拟轴线；

[0015] -在步骤b1)，所述虚拟轴线对应于易于由所述飞行器的驾驶员选择的基准轴线；

[0016] -在步骤b1)，所述虚拟轴线对应于在最后使用所述控制部件之前引导所述飞行器所依据的虚拟引导轴线；

[0017] -所述方法包括显示步骤，在于在所述飞行器的显示器上显示所述虚拟轴线；

[0018] -所述显示步骤包括以真实视觉模式在抬头显示系统上显示所述虚拟轴线；

[0019] -所述方法包括使驾驶员能够修改所述虚拟轴线的步骤；

[0020] -所述虚拟轴线的修改通过横向位移执行；

[0021] -所述虚拟轴线的修改通过所述轴线围绕某点旋转的横向位移执行。

[0022] 本发明还涉及自动地引导飞行器在地面上滑行的设备，所述飞行器配备着控制部件，被配置为手动操纵，适于在地面上横向地控制所述飞行器并且适于被带到中立位置。

[0023] 根据本发明，所述设备引人注意之处在于它包括：

[0024] -监视单元，被配置为自动地监视所述控制部件的驱动以便能够检测所述控制部件在所述中立位置的释放；

[0025] -计算单元，被配置为在检测到所述控制部件在所述中立位置的释放后，计算用于在地面上引导飞行器的虚拟轴线；以及

[0026] -引导单元，被配置为沿着所述虚拟轴线自动地引导所述飞行器。

[0027] 所述设备可以进一步包括轴线指定器，被配置为使所述驾驶员能够修改所述虚拟轴线。所述轴线指定器优选情况下能够包括两个修改单元，第一修改单元被配置为以平行位移修改所述虚拟轴线，而第二修改单元被配置为通过使所述虚拟轴线围绕某点旋转而修改所述虚拟轴线。

[0028] 本发明还涉及包括这样的自动引导设备的飞行器，尤其是运输机。

附图说明

[0029] 若干附图将给出如何能够产生本发明的清楚理解。在这些图示中，一致的引用号指明类似的要素。

[0030] 图1是展示本发明的设备的框图；

[0031] 图2是包括虚拟轴线的显示装置的表示；

[0032] 图3是对虚拟轴线平行修改的表示；

[0033] 图4是通过围绕某点旋转对虚拟轴线修改的表示。

具体实施方式

[0034] 在展示了本发明的图1中示意地表示的设备1是自动引导飞行器在地面上滑行的设备。飞行器配备着至少一个标准控制部件2，例如前轮的控制轮或方向舵脚蹬，使之有可能在地面上横向控制飞行器。这种控制部件2由驾驶员手动操纵，并且能够被带到中立位置。

[0035] 根据本发明，设备1包括：

[0036] -监视单元3，被配置为监视所述控制部件2的驱动以便能够检测所述控制部件2在所述中立位置的释放；

[0037] -计算单元4，被配置为计算在地面上引导飞行器的虚拟轴线；以及[0038] -引导单元5，被配置为沿着所述虚拟轴线自动地引导飞行器。

[0039] 因此，监视单元3监视所述控制部件2的驱动以便检测所述控制部件2在所述中立位置的释放。

[0040] 当监视单元3检测到这样的释放时，它向计算单元4发送信号。然后计算单元4计算在地面上引导飞行器的虚拟轴线，它被传送到引导单元5。然后引导单元5沿着这条虚拟轴线自动地引导该飞行器。

[0041] 本发明从而使之有可能限定地面上的虚拟轴线，以便在地面阶段(滑行、起飞、RTO、着陆)沿着这条虚拟轴线自动地向该飞行器提供引导。不仅如此，它使之有可能在全部地面阶段把沿着轴线的引导实施一般化(如同当时其基于ILS波束时的起飞类型的操纵或类似地)，而不必要使用例如ILS或类似类型的任何基础设施。依靠设备1，在全部地面阶段都能够帮助驾驶员。

[0042] 在第一个实施例中，虚拟轴线由计算单元4根据控制部件2达到中立位置时的时刻飞行器的位置和航向算出。为了把飞行器保持在适时限定的虚拟轴线上，自动采用轴线遵循定律。在任何时刻，机组人员都能够依靠控制部件2收回控制(例如为了以低速执行转向，或把飞行器在跑道上精确地对齐)。当机组人员释放控制部件2时便限定新轴线，以此类推。

[0043] 在这第一个实施例中，如果当前的虚拟轴线不令人满意，机组人员必须因此通过(关于地面上的航向和位置)正确地定位飞行器而重新限定新轴线。例如，如果希望限定与当前的虚拟轴线平行的新虚拟轴线，就必须使用控制部件2手工地执行操纵。这项操作在整个机场都是相同的，特别是在跑道上和滑行道上。

[0044] 在第二个实施例中，虚拟轴线由计算单元4按照基准轴线，比如跑道上的中心轴线30或ILS或类型的引导波束计算。

[0045] 如果飞行器在滑行阶段并准备好要对齐进行起飞，当飞行器进入所述跑道时可以在跑道的中心进行初始化。对于这种方式，设备1具有对其中包含跑道的坐标的数据库的访问权限，及其相对于这个数据库的若干要素的当前位置，该数据库形成了一组信息源7的一部分。因此，恰好在起飞前，当机组人员完成了最后转向，使其对齐跑道的中心轴线时，该虚拟轴线被初始化，不是如同在第一个实施例中那样按飞行器的当前航向和位置，而是按该数据库中限定的跑道的中心轴线30。

[0046] 在跑道中心轴线的这种初始化操作专用于由该跑道轮廓所限定的区域，并且条件是该飞行器总体地定位于与跑道上对齐的事实，例如它是否位于以跑道的航向为中心的航向范围之内，以及它是否位于跑道的轮廓之内。

[0047] 如果该飞行器正在接近并将要着陆，驾驶员可以选择使用计算单元4按其选择的基准初始化虚拟轴线，例如如同起飞那样按照数据库中存储的跑道坐标，或者在跑道装备了ILS类型的波束按照该波束时，或者按照类似设备的基准。

[0048] 在第三个实施例中，由计算单元4按照在最后使用控制部件2之前引导飞行器所依据的虚拟引导轴线来计算虚拟轴线。

[0049] 因此，在释放控制部件2后限定的虚拟轴线不是如同在第一个实施例中那样由释放时刻该飞行器的当前位置和航向所限定的新轴线，而是在使用控制部件2之前先前指定的轴线。这第三个实施例的主要优点是就驾驶员寻求在高速时突然再对齐而言，避免PIO(驾驶员导致的震荡)现象，一种能够潜在地导致横向偏离跑道的现象。如果在释放控制部件2后轴线仍然为跑道的中心轴线，设备1自动地进行再对齐。这项操作意在用于由跑道轮廓所限定的区域，并且仅仅用于起飞，RTO类型的放弃起飞或着陆阶段。

[0050] 无论哪个实施例，一旦该飞行器在地面上，便激活虚拟轴线遵循定律。为此，设备1计算飞行器的当前位置相对于该虚拟轴线的横向和角度偏差。

[0051] 本发明特别提供了以下优点：

[0052] -它产生这些扰动的补偿，因为对飞行器施加的力中任何不平衡都被设备1自动校正，比如侧风、起飞时发动机故障、残余差动制动、着陆时反推力装置故障、地面上滑行时发动机关闭、前起落架方位的机械偏差、甚至带有轻微横倾斜的跑道或滑行道，[0053] -与基于跟随航向的通常引导功能相反，飞行器不发生随着时间的横向漂移，因为设备1把飞行器锁定到虚拟轴线上而不是航向上，

[0054] -便利了领航，不仅在要求机组人员过硬的领航技术的情形中，例如在起飞时发动机故障的情况下，而且在要求领航技术方面不多的情形中，例如在前起落架方位的机械偏差的情况下，它迫使机组人员连续地进行小的轨迹校正以遵循滑行道的中心线，并且可以证明在滑行阶段长时特别困难，本发明提供了领航的舒适，

[0055] -在滑行道上，设备1使之有可能减轻驾驶员的工作负担，特别是在长的直线上，因为驾驶员从其先前限定的轴线被正确地叠合在滑行道或跑道的中心线时的时刻，就不必持久地领航飞行器的方位。

[0056] 正如以上指出，在第一个实施例中，在释放控制部件或部件2后便利用释放时刻的飞行器的航向ΨAC和位置(X,Y)AC限定了虚拟轴线。这样的信息由测量飞行器惯性和位置参数的普通系统提供，它们形成该组信息源7的一部分。因此，当|β|

[0057] 飞行器相对于虚拟轴线的横向偏离δy能够按下式计算：

[0058]

[0059] 其中：

[0060]

[0061] 其中t＝(XAC-Xref)cos(ψref)+(YAC-Yref)sin(ψref)。

[0062] 不仅如此，飞行器相对于虚拟轴线的角偏离δΨ能够按下式计算：

[0063] δ＝(ψref-ψAC)[2π]。

[0064] 因此，引导单元5使用轴线遵循定律计算横向和角偏离，把飞行器锁定到所限定的虚拟轴线上。没有介绍这条定律，但是完成这种功能的定律的无数实例都在若干文献中可获得并且为本领域技术人员所公知。例如，它可以是在自动着陆期间沿着ILS或地面上类似轴线锁定飞行器的常用定律。

[0065] 在引导单元5中，设备1包括选择(或选项)系统，被配置为在手动控制定律与自动轴线遵循定律之间进行选择，该选择利用了一组逻辑进行，本文未介绍是因为它们对给定飞行器的实施是专用的，但是其一般原则在于在控制部件2偏斜时选择手动控制定律，而在控制部件2处于中立位置时选择轴线遵循定律。

[0066] 设备1进一步包括至少一个显示单元6，用于在飞行器驾驶舱中显示虚拟轴线。作为显示单元6，设备1包括特别是HUD类型的抬头显示设备，以真实视觉模式，也就是说，呈现的轴线与外面真实情景叠合，仿佛它是环境的一部分。

[0067] 抬头设备也能够合并更复杂的系统，比如：

[0068] -SVS(合成视觉系统)类型的系统，它允许环境中一定的要素比如跑道轮廓的合成重构。

[0069] -EVS(增强视觉系统)类型的系统，它使用光传感器或雷达增强驾驶员的外部视野。

[0070] 在两种情况下，本发明都能够连同这些系统使用。

[0071] 也可能使用投射到低头显示设备的原理，例如在SVS视觉模式下以合成方式表示跑道或周围滑行道。从而显示单元6能够直接在重构的合成环境中显示虚拟轴线。在EVS视觉模式下，显示单元6把由驾驶员限定的虚拟轴线叠合在由光传感器取得的图像上[0072] 图2给出了对应于本发明在抬头显示设备29中的虚拟轴线15的可能显示的实例，当飞行器在跑道16上时，表示了用于其的中心轴线30。在这个实例中，虚拟轴线15在该飞行器滑行方向上轻微地偏移到中心轴线30的左侧。

[0073] 不仅如此，显示单元6还能够包括OANS(机载机场导航系统)类型的导航显示设备(未呈现)，例如带有平面图中的机场跑道的表示，以便指出由驾驶员限定的虚拟轴线在机场表示中的位置。

[0074] 虚拟轴线15优选情况下以真实视觉模式显示在抬头设备上，通过表示由该飞行器所跟随的虚拟轴线，增强机组人员对环境和当前情形的确认。从机组人员的观察点似乎固定在地面上的这种表示向机组人员表明该设备1正在自动地管理飞行器跟随在所表示的虚拟轴线上。机组人员因而不太想收回对飞行器的手动控制，它有可能导致PIO类型的现象，特别是在起飞时发动机故障的情况下。

[0075] 抬头显示设备中的真实显示在于投射3D空间的位置──点(X’ref，Y’ref，0)，其中0表示该点是2D屏幕上的跑道的点(相对于跑道零高度)，知晓该点与飞行器驾驶舱之间的相对距离、相对于跑道的高度以及该飞行器在空间中的方位。然后便足以在抬头显示设备上绘制这个点与航向地平线的点之间的线。

[0076] 在图1中，设备1进一步包括修改单元31，它包括被称为“轴线指定器”11的修改部件，使驾驶员能够修改所述虚拟轴线，并且调整当前轴线而不必使用计算单元4完全重新限定它。这个修改单元31进一步包括本文以下指定的修改系统10。机组人员在任何时刻都能够使用该轴线指定器11修改当前虚拟轴线，以便完美地使虚拟轴线与跑道的中心轴线30对齐，例如在使用数据库的轴线初始化不完美时。

[0077] 在优选实施例中，这个轴线指定器11包括：

[0078] -第一修改单元，包括例如两个左/右按钮、左/右把手或触摸垫，使之有可能在与轴线方向成恰当角度的方向上横向移动当前轴线，以便得到具有一致航向与前述轴线平行的轴线，正如本文参考图3所指定；以及

[0079] -第二修改单元，包括例如鼠标轮类型的指轮或者旋转选择器，使之有可能修改虚拟轴线15的航向，正如本文参考图4所指定。

[0080] 由机组人员如此作出的虚拟轴线15的修改被立即显示在显示单元6中(例如在HUD设备上)，并且飞行器的锁定立即使用这条新轴线作为要遵循的新基准，这项操作在整个机场都是相同的，特别是在跑道16上和滑行道上。

[0081] 由于虚拟轴线15能够由驾驶员随意调整，所以驾驶员能够容易地轻微移动虚拟轴线，以便尤其是避免在跑道16的中心轴线30上的灯上滑行。

[0082] 驾驶员从而可以使用轴线指定器11修改当前虚拟轴线(如果后者是活动的，也就是说，如果控制部件在中立位置)，方式为执行横向移动Δy或角移动ΔΨ。

[0083] 图3展示了通过(由箭头17展示的)从第一位置18到第二位置19的平行位移所进行的虚拟轴线15的修改。飞行器25的驾驶员使用轴线指定器11的第一修改单元横向地移动虚拟轴线15，新基准点(X,Y)’ref是坐标的第二位置19：

[0084]

[0085] 其中Δy是由驾驶员经由轴线指定器11所请求的横向偏移。从而虚拟轴线的航向Ψref保持不变。

[0086] 在图4中，通过把所述虚拟轴线15围绕点20从第一位置23旋转到第二位置24进行虚拟轴线的修改。飞行器25的驾驶员使用轴线指定器11的(本文以上指定的)第二修改单元调整虚拟轴线15的航向，然后新轴线26由新航向Ψ’ref和第二位置24(X,Y)’ref──虚拟轴线15的新基准点──限定，坐标为：

[0087]

[0088] 其中：

[0089] ●ΔΨ是驾驶员经由轴线指定器11所请求的角位移27；

[0090] ●

[0091] ●t＝(XAC-Xref)con(ψref)+(YAC-Yref)sin(ψref)；

[0092] ●d为飞行器在轴线上位置的投影28与点20限定的轴线旋转中心(X，Y)rot之间的距离21。这个距离21能够选择为使旋转中心(X，Y)rot在飞行器25的前方足够远以便驾驶员可见。

[0093] 在图1的优选实施例中，控制部件2提供参数β，它被传送到定义手动控制定律的手动控制系统9，并且被传送到计算单元4和选择系统8。设备1还包括轴线指定器11，它把参数Δy和ΔΨ给予轴线修改系统10；以及飞行器的一组信息源7，它链接到计算单元4、轴线修改系统10、转向计算系统12和定义飞行器的轴线遵循定律的轴线遵循系统13。轴线的手动控制系统9定义了被发送给选择系统8的参数 。计算单元4向轴线修改系统10提供参数Ψref和(X,Y)ref。轴线修改系统10计算参数Ψ’ref和(X,Y)’ref以便把它们传送到转向(diversion)计算系统12和显示单元6。转向计算系统12计算参数δy和δΨ并将它们发送给定义参数 的轴线遵循系统13，以便将其提供给选择系统8。选择系统8选择参数 或它将要被发送给普通传动机构14，允许领航该飞行器，即控制部件2在操作时的第一参数 以及控制部件2在中立位置时的第二参数