阅读说明：本技术 用于控制螺旋桨驱动的飞行器的系统和方法 (System and method for controlling a propeller-driven aircraft ) 是由 C.利希奥 F.福廷 于 2020-02-06 设计创作，主要内容包括：提供了一种用于控制螺旋桨驱动的飞行器的方法和系统,该飞行器由至少一个发动机提供动力,该至少一个发动机具有与其相关联的至少一个螺旋桨。在用于至少一个发动机的发动机控制器处接收用于至少一个发动机的至少一个控制输入。发动机控制器基于至少一个控制输入确定用于至少一个螺旋桨的旋转速度的设定点,并且向用于至少一个螺旋桨的螺旋桨控制器输出控制信号,该控制信号包括用以将至少一个螺旋桨的旋转速度调整到设定点的指令。(A method and system for controlling a propeller driven aircraft powered by at least one engine having at least one propeller associated therewith is provided. At least one control input for the at least one engine is received at an engine controller for the at least one engine. The engine controller determines a set point for the rotational speed of the at least one propeller based on the at least one control input and outputs a control signal to the propeller controller for the at least one propeller, the control signal including instructions to adjust the rotational speed of the at least one propeller to the set point.)

用于控制螺旋桨驱动的飞行器的系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2019年2月6日提交的序列号为16/269,534的美国申请的优先权，其全部内容据此通过引用并入。

技术领域

本公开一般地涉及发动机控制，并且更具体地涉及飞行器中的发动机和螺旋桨控制。

背景技术

一种螺旋桨驱动的飞行器动力装置由两个主要且不同的部件组成：发动机和螺旋桨。发动机控制系统用于例如通过控制到发动机的燃料流来调节发动机的功率输出。来自发动机的功率输出主要用于驱动螺旋桨。类似地，螺旋桨控制系统用于例如通过改变螺旋桨旋转速度和/或螺旋桨叶片浆距来调节由螺旋桨产生的推力。

在传统的螺旋桨驱动的飞行器中，发动机控制系统和螺旋桨控制系统中的每一个由飞行员或其他操作者使用用于动力装置部件中的每一个的相应的杆来操作。因此，节流杆用于设定期望的发动机功率输出，而状态杆（condition lever）用于设定期望的螺旋桨旋转速度和叶片浆距角，从而调节推力输出。然而，对于每个主要动力装置部件存在多个杆会导致飞行员的额外工作负荷。因此，存在改进的空间。

发明内容

根据一个广泛的方面，提供了一种用于控制螺旋桨驱动的飞行器的方法，该飞行器由至少一个发动机提供动力，该发动机具有与其相关联的至少一个螺旋桨。该方法包括：在用于至少一个发动机的发动机控制器处接收用于至少一个发动机的至少一个控制输入，基于至少一个控制输入确定用于至少一个螺旋桨的旋转速度的设定点，以及向用于至少一个螺旋桨的螺旋桨控制器输出控制信号，该控制信号包括用以将至少一个螺旋桨的旋转速度调整到设定点的指令。

在一些实施例中，接收至少一个控制输入包括接收与至少一个发动机相关联的节流杆的杆位置。

在一些实施例中，从作为杆位置的函数的至少一个螺旋桨的旋转速度的映射来确定设定点。

在一些实施例中，接收至少一个控制输入包括从与至少一个发动机相关联的等级面板接收功率等级选择。

在一些实施例中，从作为功率等级选择的函数的至少一个螺旋桨的旋转速度的映射来确定设定点。

在一些实施例中，控制信号作为从至少一个控制输入导出的合成控制杆角度信号输出到螺旋桨控制器。

根据另一个广泛的方面，提供了一种用于控制螺旋桨驱动的飞行器的系统，该飞行器由至少一个发动机提供动力，该发动机具有与其相关联的至少一个螺旋桨。该系统包括用于至少一个螺旋桨的螺旋桨控制器和用于至少一个发动机的发动机控制器，发动机控制器包括至少一个处理单元和其上存储有程序指令的至少一个非暂时性计算机可读存储器，该程序指令能够由至少一个处理单元执行以用于：接收用于至少一个发动机的至少一个控制输入，基于至少一个控制输入确定用于至少一个螺旋桨的旋转速度的设定点，并且向螺旋桨控制器输出控制信号，该控制信号包括用以将至少一个螺旋桨的旋转速度调整到设定点的指令。

在一些实施例中，程序指令能够由至少一个处理单元执行以便接收至少一个控制输入，包括接收与至少一个发动机相关联的节流杆的杆位置。

在一些实施例中，程序指令能够由至少一个处理单元执行以便从作为杆位置的函数的至少一个螺旋桨的旋转速度的映射来确定设定点。

在一些实施例中，程序指令能够由至少一个处理单元执行以便接收至少一个控制输入，包括从与至少一个发动机相关联的等级面板接收功率等级选择。

在一些实施例中，程序指令能够由至少一个处理单元执行以便从作为功率等级选择的函数的至少一个螺旋桨的旋转速度的映射来确定设定点。

在一些实施例中，程序指令能够由至少一个处理单元执行，以便将控制信号作为从至少一个控制输入导出的合成控制杆角度信号输出到螺旋桨控制器。

根据又一广泛方面，提供了一种其上存储有程序代码的非暂时性计算机可读介质，该程序代码能够由至少一个处理器执行以用于：在用于为螺旋桨驱动的飞行器提供动力的至少一个发动机的发动机控制器处接收用于至少一个发动机的至少一个控制输入，在发动机控制器处基于至少一个控制输入确定与至少一个发动机相关联的至少一个螺旋桨的旋转速度的设定点，以及在发动机控制器处向用于至少一个螺旋桨的螺旋桨控制器输出控制信号，该控制信号包括用以将至少一个螺旋桨的旋转速度调整到设定点的指令。

根据本文所描述的实施例，本文所描述的系统、装置和方法的特征可以按照各种组合使用。

附图说明

现在参考附图，其中：

图1是根据说明性实施例的燃气涡轮发动机和螺旋桨的示意性截面图；

图2是根据说明性实施例的示例动力装置控制系统构造的框图；

图3是根据说明性实施例的作为功率杆位置的函数的螺旋桨旋转控制速度（governingspeed）的示例映射的图形表示；

图4是根据说明性实施例的作为功率等级选择的函数的螺旋桨旋转控制速度的示例映射的图形表示；

图5是根据说明性实施例的用于实施图2的动力装置控制系统的示例计算系统的示意图；以及

图6是流程图，示出了根据示例性实施例的用于控制螺旋桨驱动的飞行器的示例方法。

应当注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。

具体实施方式

参照图1，示出了用于优选地设置成用于亚音速飞行的类型的飞行器的涡轮螺旋桨动力装置100，其通常包括发动机110和螺旋桨120。螺旋桨120转换来自发动机110的轴的旋转运动，以提供用于飞行器的推进力，也称为推力。图1的动力装置100是涡轮螺旋桨式的，但是发动机110也可以是与螺旋桨120配合的任何其它类型的发动机，例如活塞式发动机等。

发动机110和螺旋桨120的操作可以由飞行员或其他操作者通过各种动力装置控制器来调节。通常，涡轮螺旋桨驱动的飞行器设置有节流杆（也称为功率杆）和状态杆，节流杆用于调节发动机110的输出功率，状态杆用于调节螺旋桨旋转速度和叶片浆距角，由此调节由螺旋桨120产生的推力。例如，通常，飞行器可包括每个动力装置100的一个节流杆和一个状态杆。例如，具有两个单独的动力装置100的双涡轮螺旋桨飞行器可以具有两个节流杆和两个状态杆。

如下面将进一步讨论的，本公开考虑用控制输入（在本文也称为合成状态杆角度（CLA））代替传统的状态杆，该控制输入由发动机110的控制器导出并且对应于限定螺旋桨120的旋转控制速度的设定点。合成的CLA（即，设定点）由发动机控制器传送到螺旋桨140的控制器，使得螺旋桨控制速度可以被相应地设定。以这种方式，可以消除传统的状态杆输入。

参考图2，示出了动力装置控制系统（PCS）。PCS 200被构造用于控制具有发动机110和螺旋桨120的飞行器动力装置100的操作。PCS 200被构造用于接收来自与动力装置100相关联的节流杆202的输入。可选地，PCS 200还被构造用于从驾驶舱控制器204接收附加输入。如将在下面进一步讨论的，从节流杆202接收的输入，以及可选地从驾驶舱控制器204接收的输入，用于控制发动机110的输出功率和由螺旋桨120产生的推力二者。从节流杆202以及可选地从驾驶舱控制器204接收的输入在本文被称为发动机控制输入。

节流杆202例如基于杆202相对于预定参考位置的角度向PCS 200提供杆位置（在本文也称为杆角度）。杆位置表示发动机110的请求的发动机功率。另外，在一些实施例中，驾驶舱控制器204包括按钮、开关、刻度盘或其它离散型输入机构，其可以位于节流杆202上或其附近，并且其可以向PCS 200提供附加的输入。例如，离散型输入机构可以提供关于螺旋桨参考速度、燃料开/关、螺旋桨顺桨（feather）/回桨（unfeather）等的信息。可以使用任何合适的信号传输协议并通过任何合适的通信介质将杆位置以及可选地来自驾驶舱控制器204的附加输入提供给PCS 200。在一些实施例中，PCS 200经由一个或多个线路接收杆位置和附加输入，作为数字信号或作为电模拟信号。在其他实施例中，节流杆202可以通过一个或多个无线传输协议将杆位置传达给PCS 200，并且驾驶舱控制器204可以通过一个或多个无线传输协议将附加输入传达给PCS 200。

PCS 200包括发动机控制器210和螺旋桨控制器220，它们都使用来自节流杆202的信息，以及可选地来自驾驶舱控制器204的附加输入，如将在下面进一步讨论的。在一些实施例中，发动机控制器210被实施为双通道全权限数字发动机控制器（FADEC）。在其它实施例中，发动机控制器210被实施为两个单独的单通道FADEC。另外，在一些实施例中，螺旋桨控制器220被实施为双通道螺旋桨电子控制器（PEC）单元，或被实施为两个单通道PEC单元，或其任何合适的组合。在一些实施例中，由驾驶舱控制器204提供的附加输入可以经由一个或多个发动机接口驾驶舱单元来提供。

为了简单起见，在本文描述和示出了控制单个动力装置100的操作的单个PCS200。然而，应当理解，这仅是为了说明的目的，并且本公开考虑了具有多个动力装置的飞行器，并且因此考虑了被构造为执行与PCS 200类似的操作的多个PCS。例如，可以应用具有两个单独的动力装置（如100）和两个PCS（如200）的双涡轮螺旋桨飞行器，每个PCS被构造为控制相应动力装置的操作并且从给定的节流杆（如202）接收输入。此外，可以应用其他实施例。因此，应当理解，PCS 200可包括任何合适数量的发动机-控制器和螺旋桨-控制器对。

发动机控制器210实际上被构造用于从节流杆202接收杆位置，并且可选地从驾驶舱控制器204接收附加输入。如上所述，可以以任何合适的方式并使用任何合适的通信协议将杆位置和附加输入从节流杆202以及从驾驶舱控制器204传输到发动机控制器210。然后，发动机控制器210处理来自节流杆202的杆位置以及来自驾驶舱控制器204的任何附加输入，以确定发动机110的请求的发动机输出功率。基于请求的发动机输出功率，发动机控制器210产生发动机控制信号，发动机控制信号被发送到发动机110以控制发动机110的操作，从而实现请求的发动机输出功率。在一些实施例中，发动机控制信号调节到发动机110的燃料流。在其它实施例中，发动机控制信号改变发动机110的齿轮系统的操作。还考虑了其它类型的发动机操作控制。

发动机控制器210还被构造用于处理来自节流杆202的杆位置以及来自驾驶舱控制器204的任何附加输入，以确定用于螺旋桨120的旋转控制速度的设定点（在本文中也称为控制设定点或合成CLA）。然后，该控制设定点由发动机控制器210传输到螺旋桨控制器220，以使螺旋桨控制器220将螺旋桨120的旋转控制速度调整到控制设定点。螺旋桨控制器220还被构造用于如上所述以任何合适的方式并使用任何合适的通信协议直接从节流杆202接收杆位置，或通过发动机控制器210发送到螺旋桨控制器220。然后，螺旋桨控制器220使用该杆位置来设置作为杆位置的函数的飞行时的最小允许叶片浆距角。螺旋桨控制器220还使用杆位置，以允许当在地面上操作时过渡到反向浆距（reverse pitch）和从反向浆距过渡出来，用于滑行和着陆。通过调节螺旋桨120的旋转控制速度和叶片浆距角，螺旋桨控制器220可进而将请求的发动机输出功率转换成推力。

除了图2之外，现在还参照图3，在一个实施例中，发动机控制器210从由节流杆202获得的杆位置导出螺旋桨控制速度设定点。在该实施例中，发动机控制器210使用作为功率杆位置的函数的螺旋桨旋转控制速度的映射，以便限定控制设定点。映射可以以任何适当的格式存储在存储器中，例如查找表300等。特别地，在图3的实施例中，曲线302示出了用于例如图2的节流杆202的节流杆（水平轴）的杆位置（在图3中标记为"功率杆角度"）和用于例如图2的发动机110的发动机（竖直轴）的请求的功率（在图3中标记为“SHPREQ（SHP）”）之间的关系。曲线304示出了节流杆的杆角度（水平轴）和例如图2的螺旋桨120的螺旋桨（竖直轴）的参考控制速度（在图3中标记为“NPREF（RPM）”）之间的关系。曲线302与曲线304对准，它们共享公共水平轴，并且曲线302上的点可以相对于曲线304上的点被映射。

曲线304提供了在任何给定的杆位置处由发动机控制器210限定的控制设定点的指示，以便设定特定的螺旋桨速度。在图3所示的实施例中，曲线304的第一部分310指示最大反向位置设定点314与地面怠速（GI）门316之间的螺旋桨旋转控制速度312。曲线304的第二部分320被实施为设定在GI门316和飞行怠速（FI）门卡位器（detent）322之间的螺旋桨控制速度。在该区域320（在图3中标记为“Beta控制区域”）中，螺旋桨桨叶角度被直接调整以用于平滑过渡，并且过渡点可以作为飞行器的前向速度的函数而变化。曲线304的第三部分330指示在FI门322与最大巡航（MCR）设定点334和最大爬升（MCL）设定点336之间的中间点之间的螺旋桨控制速度332。曲线304的第四部分340指示在MCR设定点334和MCL设定点336之间的中间点与MCL设定点336和正常起飞（NTO）卡位器344之间的中间点之间的螺旋桨控制速度342。曲线304的第五部分350指示在MCL设定点336和NTO卡位器344之间的中间点与最大前向位置354之间的螺旋桨控制速度352。

在一些实施例中，杆位置具有多个过渡点（本文也称为断点），在这些过渡点处，请求的螺旋桨控制速度发生改变。断点可以与飞行器飞行模式或阶段对准，或者与某些紧急状态对准。可以看出，在图3的示例中，杆位置具有三（3）个断点：FI门322（在该点，控制设定点被限定为设定螺旋桨控制速度332）、MCR设定点334和MCL设定点336之间的中间点（在该点，控制设定点被限定为设定螺旋桨控制速度342）以及MCL设定点336和NTO卡位器344之间的中间点（在该点，控制设定点被限定为设定螺旋桨控制速度352）。在图3的实施例中，因此，根据杆位置，控制设定点被限定为设定一操作模式，其中，三（3）个螺旋桨旋转控制速度332、342、352是可能的。例如，三个可能的螺旋桨旋转控制速度332、342、352可以分别是80%、90%和100%，并且对应的控制设定点可以分别被限定为80度、90度和100度。然而，应当理解，可以应用用于螺旋桨旋转控制速度（以及相应地控制设定点）的其它适当值。还应当理解，可以实现除了三（3）个之外的任何合适数量的螺旋桨速度。

除了图2之外，现在还参照图4，在另一实施例中，对于固定的杆位置，发动机控制器210还基于从驾驶舱控制器204，并且更具体地从发动机等级选择面板402接收的输入来导出控制设定点。从发动机等级选择面板402接收的输入说明性地表示发动机（图2中的附图标记110）的期望功率等级，该功率等级对应于飞行器操作（这里也称为飞行器飞行模式）的给定部分，诸如起飞、巡航或着陆。然后，可以使用作为发动机等级选择的函数的螺旋桨旋转控制速度的映射来相应地确定控制设定点。该映射可以以任何适当的格式存储在存储器中，例如查找表400等。在该实施例中，发动机控制器210说明性地同步功率等级和螺旋桨控制参考速度以与所选择（例如，由机组人员选择或通过来自航空电子系统的设置来选择，该航空电子系统将飞行模式信息传达到发动机控制器210）的飞行器飞行模式对准。

在一个实施例中，在GI门404下方，可以以与以上参照图3所描述的方式类似的方式，作为杆位置（在图4中标记为“功率杆角度”）的函数来确定螺旋桨控制速度设定点。在GI门404和FI门406之间，螺旋桨叶片角度可被调整以用于平滑过渡，如上文参照图3的“Beta控制区域”所描述的。在FI门406之上，可基于发动机等级选择来导出控制设定点。例如，当从等级选择面板402接收的输入指示功率等级被设定为MCR时，螺旋桨旋转控制速度422（在图4中标记为“NPREFMCR”）被指示。然后，发动机110的请求功率（在图4中标记为“SHPREQ（SHP）”）遵循曲线408。当从等级选择面板402接收的输入指示功率等级被设定为MCL时，螺旋桨旋转控制速度432（在图4中标记为“NPREFMCL”）被指示，并且请求的发动机功率设定遵循曲线410。当从等级选择面板402接收的输入指示功率等级被设定为NTO时，螺旋桨旋转控制速度442（在图4中标记为“NPREFNTO”）被指示，并且请求的发动机功率设定遵循曲线412。在图4的示例中，在FI门406之上，因此，控制设定点被限定为设置一操作模式，其中，三（3）个螺旋桨旋转控制速度422、432、442（以及三（3）个功率设置408、410、412）是可能的。例如，三个可能的螺旋桨旋转控制速度422、432、442可以分别为80%、90%和100%，并且相应的螺旋桨控制速度设定点可以分别被限定为80度、90度和100度。然而，应当理解，可以应用用于螺旋桨旋转控制速度（以及相应地控制设定点）的其它适当值。还应当理解，可以实现除了三（3）个之外的任何合适数量的螺旋桨速度。

在一个实施例中，发动机控制器210可将螺旋桨控制速度设定点总是设定为预定值（例如，100度）。在一个实施例中，这可以通过在等级选择面板402上选择超控选项（override option）414来实现。在另一实施例中，当杆位置在等级卡位器位置418和最大起飞（MTO）/复飞（GA）位置420之间的螺旋桨速度超控（NP O/R）位置416之上时，控制速度设定点可以被设定为预定值（例如100度）。在某些飞行条件下，例如结冰，将控制速度设定点设定在100度可能是期望的，其中较高的旋转速度促使螺旋桨叶片上的冰脱落。而且，对于多动力装置飞行器，并且在一个发动机不工作的情况下，可能期望将螺旋桨控制速度设定点设定为100%，以实现最高推力能力。然而，这可能是以如下情况为代价的：较低的噪音和振动以及由在低螺旋桨速度下操作提供的更高效的功率至推力转换。

返回参照图2，如上文所讨论的，由发动机控制器210导出的控制设定点然后被发送到螺旋桨控制器220，以通知螺旋桨控制器220螺旋桨120的所需的旋转速度。在一个实施例中，控制设定点通过数字通信总线206发送。然后，螺旋桨控制器220基于控制设定点生成螺旋桨命令以控制螺旋桨120的操作（即，将螺旋桨120的旋转控制速度调整到控制设定点）。螺旋桨控制器220然后可输出指示螺旋桨命令的螺旋桨控制信号并将其发送到螺旋桨120以相应地改变螺旋桨120的旋转控制速度。

图5是用于实施上面参照图2描述的PCS 200并且更具体地发动机控制器210的计算装置500的示例实施例。计算装置500包括处理单元502和其内存储有计算机可执行指令506的存储器504。处理单元502可以包括被构造为使一系列步骤被执行的任何合适的装置，使得指令506在由计算装置500或其他可编程设备执行时可以使在本文描述的方法中指定的功能/动作/步骤被执行。处理单元502可以包括例如任何类型的通用微处理器或微控制器、数字信号处理（DSP）处理器、CPU、集成电路、现场可编程门阵列（FPGA）、可重构的处理器、其他适当编程的或可编程的逻辑电路、或其任何组合。

存储器504可以包括任何合适的已知或其他机器可读存储介质。存储器504可以包括非暂时性计算机可读存储介质，例如但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置，或前述的任何合适的组合。存储器504可以包括位于装置内部或外部的任何类型的计算机存储器的适当组合，例如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电光存储器、磁光存储器、可擦除可编程只读存储器（EPROM）以及电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、铁电RAM（FRAM）等。存储器504可以包括适于可检索地存储能够由处理单元502执行的机器可读指令406的任何存储器件（例如，装置）。

参考图6，示出了流程图，其图示了用于控制螺旋桨驱动的飞行器的示例方法600。方法600可以在发动机控制器（图2中的附图标记210）处实施。在步骤602，在发动机控制器处接收至少一个发动机控制输入。在一个实施例中，发动机控制输入对应于从节流杆（图2中的附图标记202）接收的杆位置。在另一实施例中，发动机控制输入对应于从驾驶舱控制器（图2中的附图标记204）接收的输入，例如从与发动机相关联的等级选择面板接收的输入。在步骤604，从在步骤604接收的发动机控制输入确定用于螺旋桨旋转速度的设定点。如上所讨论的，可以使用作为功率杆位置的函数的螺旋桨旋转控制速度的映射从杆位置导出控制设定点。替代地，可以使用作为发动机等级选择的函数的螺旋桨旋转控制速度的映射从发动机等级选择导出控制设定点。然后，在步骤606，由发动机控制器向螺旋桨控制器（图2中的附图标记220）输出控制信号，该控制信号包括用于将螺旋桨旋转速度调整到控制设定点的指令。

以上描述仅是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，在不背离所公开的本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例做出改变。根据对本公开的回顾，落入本发明范围内的其他修改对于本领域技术人员而言将是明显的。

本文所描述的系统和方法的各个方面可单独使用、组合起来使用或以未在前文所描述的实施例中具体讨论的各种布置方式来使用，并且因此其应用不限于在前述描述中阐述或在附图中示出的部件的细节和布置方式。例如，在一个实施例中描述的方面可以以任何方式与在其它实施例中描述的方面组合。尽管已经示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不背离本发明的情况下，可以在其更广泛的方面作出改变和修改。所附权利要求的范围不应由示例中阐述的实施例限制，而是应被给予与本说明书整体一致的最宽的合理解释。