基于制动力再分配的飞机地面滑跑纠偏控制系统及方法
阅读说明：本技术 基于制动力再分配的飞机地面滑跑纠偏控制系统及方法 (Airplane ground running deviation rectification control system and method based on braking force redistribution ) 是由 薛冻 王洪亮 皮大伟 王霞 王显会 谢伯元 于 2021-01-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于大型飞机制动领域,特别涉及一种基于制动力再分配的飞机地面滑跑纠偏控制系统及方法,将飞机着陆滑跑时的纠偏控制设计成双层控制策略控制器,包括上层运动控制结构和下层分配控制结构,其中上层控制结构是面向受控飞机的非线性地面滑跑动力学模型,设计的运动控制器,下层结构为机轮制动力重构再分配控制,保证各机轮获得最优制动力分配；双层控制器根据获取的飞机运动参数进行控制计算,得到双侧各主机轮差动刹车力矩,同时把控制指令输出至对应机轮的制动执行机构,制动执行机构根据控制指令,对各机轮独立进行差动刹车,从而实现飞机地面滑跑时的纠偏控制,保证飞机着陆的稳定性和安全性。(The invention belongs to the field of large airplane braking, and particularly relates to an airplane ground running deviation rectification control system and method based on braking force redistribution, wherein the deviation rectification control during airplane landing running is designed into a double-layer control strategy controller, the double-layer control strategy controller comprises an upper-layer motion control structure and a lower-layer distribution control structure, the upper-layer motion control structure is a nonlinear ground running dynamic model facing a controlled airplane, the designed motion controller is provided, and the lower-layer structure is used for airplane wheel braking force reconstruction redistribution control to ensure that each airplane wheel obtains optimal braking force distribution; the double-layer controller carries out control calculation according to the obtained airplane motion parameters to obtain differential braking torque of each main engine wheel on two sides, and simultaneously outputs a control command to the braking executing mechanism corresponding to the airplane wheels, and the braking executing mechanism independently carries out differential braking on each airplane wheel according to the control command, so that deviation correction control during ground running of the airplane is realized, and stability and safety of airplane landing are ensured.)
技术领域
本发明属于大型飞机制动领域，具体涉及一种基于制动力再分配的飞机地面滑跑纠偏控制系统及方法。
背景技术
在交通运输的刚性需求下，航空业迅猛发展，飞机的应用更加广泛，航空事故也愈发频繁。根据波音公司的权威统计资料显示，在飞机事故中，超过半数发生在飞机降落着陆刹车的过程中，研究刹车控制系统确保飞机着陆降落的安全成为热点。
飞机着陆滑跑时受力较为复杂且为非线性变化状态，复杂力因素极易导致飞机双侧主机轮所受载荷发生非对称变化，从而使飞机失去平衡，产生滑跑偏航运动。譬如飞机着陆滑跑过程中双侧主机轮制动力不平衡、机场跑道表面凹凸不平引起飞机机体震动不稳定，机场侧风导致飞机一侧发生倾斜，机轮载荷随着飞机重心的惯性力发生改变。飞机双侧主机轮载荷的不对称状态，将会导致双侧机轮产生轮速差，运动的不一致，致使飞机滑跑轨迹出现S形或者偏航，引发航空事故。
针对上述飞机着陆滑跑时的运动状态，需要对飞机进行地面滑跑控制，以便使飞机在滑跑过程中出现航向偏差时，通过纠偏控制系统对滑跑偏航进行及时纠正，避免飞机侧偏出跑道。
目前大型飞机的主机轮均采用多轮系起落架结构，在着陆滑跑时可以减少单个轮胎的载荷，保证着陆的安全性。在飞机着陆刹车制动时，同侧主机轮的不同轮胎所受载荷处于不同的状态，因此针对不同轮胎需要施加不同的制动力矩，以便实现飞机滑跑时的制动效率的最优，尽可能缩短滑跑制动距离。
从已公开的飞机滑跑纠偏控制类的发明专利来看，方法上主要采用被动式轮间交叉保护控制策略，这种方法会增大刹车距离，在应用对象上来看，主要针对无人机等单轮系起落架结构的小型飞机，这些方法均无法满足大型多轮系起落架机构的飞机控制需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于制动力再分配的飞机地面滑跑纠偏控制系统及方法，通过双侧主机轮的差动刹车对飞机产生的纠偏力矩实现对飞机着陆滑跑时偏航航向的纠正，使大型飞机着陆滑跑时，航向始终稳定在跑道中心线附近，进而解决上述背景技术中提到的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于制动力再分配的飞机地面滑跑纠偏控制系统，包括双层控制器和制动执行机构；
所述双层控制器依据控制算法处理获取的飞机运动状态参数，输出纠偏控制指令和各主机轮的制动力矩到制动执行机构，使左右主机轮同地面间的结合系数产生差值，形成纠偏机体航向的力矩，完成飞机着陆滑跑的纠偏控制；
所述制动执行机构执行获得的纠偏控制指令和各主机轮的制动力矩，同时，把执行指令后的机轮运动状态信息反馈回双层控制器，形成完整的闭环纠偏控制系统。
进一步的，所述双层控制器包括上层运动控制器和下层重构分配器；
所述上层运动控制器根据获得的飞机运动状态参数，结合飞机的非线性地面滑跑动力学模型计算得出纠偏控制指令，然后将纠偏控制指令输出至下层重构分配器；
下层重构分配器在得到上层运动控制器输出的纠偏控制指令后，根据获取的飞机速度信号和机轮速度信号进行比较处理，重构优化计算，然后把计算得到的分配指令输出至对应的制动执行机构。
一种利用上述的控制系统进行纠偏控制的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：上层运动控制器根据所获取的飞机运动状态参数，结合飞机的非线性地面滑跑动力学模型，计算得到纠偏控制指令，并将纠偏控制指令输出至下层重构分配器；
步骤(2)：下层重构分配器把获取的纠偏控制指令进行定量数据分析，然后进行制动力的重构计算，优化分配各个主机轮的制动力，完成计算后把重构分配制动指令输出至制动执行机构模块，制动执行机构模块根据纠偏控制指令以及重构分配制动指令分别向左右主机轮分配发送刹车指令δl、δr以及计算得出的各个主机轮的制动力，从而实现差动纠偏控制；
步骤(3)：制动执行机构响应并执行获得的制动指令，同时，把执行制动指令后的机轮运动状态信息反馈回双层控制器，从而形成完整的闭环纠偏控制系统。
进一步的，步骤(1)中的飞机运动状态参数包括飞机的滑跑速度、偏航角、侧偏位移以及机轮速度。
进一步的，所述步骤(1)中纠偏控制指令δ的计算由如下公式得出：
式中，ψ为偏航角，Y为侧偏位移，K1、K2分别表示差动刹车纠偏控制策略中对偏航角控制的比例系数和微分系数，K3、K4分别表示差动刹车纠偏控制策略中对侧偏位移控制的比例系数和微分系数。
进一步的，步骤(2)中的刹车指令δl、δr的表达式如下：
式中δl为左主机轮刹车指令，δr为右机轮刹车指令，即当纠偏刹车控制指令为负时，左主机轮刹车，右主机轮自由滚动，纠偏刹车控制指令为正时，右主机轮刹车，左主机轮自由滚动。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的双层控制器依据控制算法处理获取的机体运动参数，并输出纠偏控制指令和各主机轮的制动力矩至主机轮的刹车执行机构，使左右主机轮同地面间的结合系数产生差值，进一步的使左右主机轮与地面的摩擦力发生变化，两侧主机轮系不同的摩擦力相对飞机重心产生摩擦力矩差值，从而形成纠偏机体航向的力矩，最终调整飞机滑跑姿态，保持飞机滑跑过程中处于跑道中心线上，完成飞机着陆滑跑的纠偏控制。
(2)本发明的双层控制器中的下层重构分配器根据纠偏控制指令以及获取的飞机速度和各主机轮的轮速，对比飞机速度信号与机轮轮速信号的计算处理结果，实时重新计算分配各机轮的制动力，以实现快速的纠偏控制响应以及制动效率最优化，使飞机在尽可能短的距离内完成刹车停机动作。
(3)本发明的制动执行机构根据控制指令，对各机轮独立进行差动刹车，并把制动时的飞机运动状态反馈是上层控制器，形成闭环控制，从而实现飞机地面滑跑时的纠偏控制，保证飞机着陆的稳定性和安全性。
附图说明
图1本发明中双层控制器系统示意图。
附图标记说明：
10-双层控制器，11-上层运动控制器，12-下层重构分配器，20-制动执行机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1展示了本发明中双层控制器系统结构示意图，其特征在于，详细的展示了飞机着陆滑跑过程中纠偏控制的具体流程及操作步骤，其中包括双层控制器10、上层运动控制器11、下层重构分配器12、制动执行机构20；
具体地，纠偏控制的目标是让飞机在着陆滑跑过程中，保持航向稳定在跑道中心线附近，同时尽可能缩短飞机滑跑制动的距离，所以要对表征飞机滑跑时偏航的运动参数进行实时跟踪，以便控制系统及时响应并做出动态控制。飞机着陆滑跑过程中，实时的把运动状态参数，包括飞机速度V、偏航角ψ、侧偏位移Y和机轮速度Vr反馈至双层控制器10，所述双层控制器10中的上层运动控制器11根据所获得的飞机运动状态参数，结合飞机的非线性地面滑跑动力学模型计算得出纠偏控制指令，然后将纠偏控制指令输出至下层重构分配器12；
所述双层控制器10中的下层重构分配器12在得到上层运动控制器11输出的纠偏控制指令后，根据获取的飞机速度信号和机轮速度信号进行比较处理，并进一步做重构优化计算，然后把计算得到的分配指令输出至对应的制动执行机构20；
所述制动执行机构20迅速响应并执行所获得的制动指令，同时，把执行制动指令后的机轮运动状态信息反馈回双层控制器，从而形成完整的闭环纠偏控制系统。
具体地，将飞机滑跑过程中机体的运动状态参数：偏航角ψ、偏航角速度侧偏位移Y和侧偏位移变化率实时输入至双层控制器中，所述双层控制器中的上层运动控制器里所建立的飞机地面滑跑动力学模型，依据输入的状态量，对机体的运动进行分析计算，然后根据纠偏控制律计算得到纠偏控制指令δ。
具体地，纠偏控制律表达式为：
式中，K1、K2分别表示差动刹车纠偏控制策略中对偏航角控制的比例系数和微分系数，K3、K4分别表示差动刹车纠偏控制策略中对侧偏位移控制的比例系数和微分系数，以上四个系数均需要根据对应的飞机机型的配置参数做调整，以便获得最优的纠偏控制指令结果和纠偏控制系统的动态实时响应。
所述下层重构分配器12把获取的控制指令进行定量数据分析，然后进行制动力的重构计算，以便优化分配各个主机轮的制动力，完成计算后把制动指令输出至制动执行机构模块20，所述制动执行机构模块20根据纠偏控制指令以及重构分配指令分别向左右主机轮分配发送刹车指令δl、δr以及计算得出的各个主机轮的制动力，其表达式如下：
式中δl为左主机轮刹车指令，δr为右机轮刹车指令，即当纠偏刹车控制指令为负时，左主机轮刹车，右主机轮自由滚动，纠偏刹车控制指令为正时，右主机轮刹车，左主机轮自由滚动。
具体地，对于多轮系起落架结构的大型飞机而言，同一侧主机轮的不同轮胎，在飞机滑跑过程中受力状态不同，所处的运动状态也不相同，为了达到更好的差动刹车纠偏效果，实现制动效率最优化，在飞机着陆滑跑过程中双层控制器10在向左右主机轮分配发送刹车指令的同时，根据各个主机轮的瞬时机轮速度信号与飞机速度信号的比较处理结果，向各个主机轮独立分配制动力信号，即当某一个机轮速度较大，机轮打滑量很小时，制动力分配器会通过适当调整，增加对应机轮的刹车制动力，这样机轮的速度就会下降，相应的机轮打滑量就会增加，地面提供给机轮的摩擦力也会随之增大，摩擦力相对飞机重心产生的差动刹车纠偏的制动力矩也会变大，因此提高了纠偏制动效率，也让各个机轮处于最佳刹车制动状态，从而使整个系统达到最佳刹车效率。
具体地，以飞机向右偏航时偏航角ψ和侧偏位移Y为正向，当飞机滑跑过程中机体向右偏移的时候，上层运动控制器11输出的纠偏控制指令信号为负，此时下层重构分配器12向主机轮制动执行机构20输出制动指令，并同时给左侧各个主机轮输出重构分配后的制动力强度信号，左主机轮刹车机构接收到制动力强度信号后，对各个主机轮独立进行刹车，整个左主机轮系将会相对地面产生滑动，各个主机轮的机轮速度也会减小，在机轮及地面作用力的共同作用下，左主机轮系同地面间的结合系数变大，而此时，右主机轮刹车机构因为没有刹车制动指令，各个主机轮将保持自由滚动状态，则在机轮及地面作用力的共同作用下，右主机轮系同地面间仅保持滚动结合系数的作用，这样就造成左右两侧主机轮系同地面间的结合系数的不同，进而使两侧主机轮系所受摩擦力发生变化，可以分析得出，此时左主机轮同地面间的结合系数要大于右主机轮的结合系数，这样左主机轮受到的摩擦力将会比右主机轮受到的摩擦力大，由此两侧主机轮系会产生相对飞机重心的摩擦力矩差值，摩擦力矩的差值会对滑跑运动中的飞机向左进行纠偏，使其滑跑航向恢复到跑道中心线上。
同理可得，如果飞机在地面滑跑时向机体左侧偏移，则上层运动控制器11输出的纠偏控制指令信号为正，此时下层重构分配器12会对右主机轮刹车机构进行刹车制动控制，使左主机轮系处于自由滚动状态，以便达到对飞机向右进行纠偏控制的目的。
具体地，在整个飞机地面滑跑纠偏控制过程中，制动执行机构模块20在两侧主机轮执行刹车制动指令后，会实时的把机轮速度等信号反馈至双层控制器10的信号输入端，使整个纠偏控制系统形成闭环控制，从而进一步提高纠偏控制效率，并缩短飞机地面制动距离。