本發(fā)明涉及飛機(jī)剎車(chē)控制領(lǐng)域，具體涉及基于摩擦特性的飛機(jī)防滑剎車(chē)控制方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)的起飛和著陸是飛機(jī)事故的多發(fā)階段。防滑剎車(chē)系統(tǒng)是飛機(jī)重要的機(jī)載設(shè)備，對(duì)飛機(jī)起飛、著陸的安全性具有重要影響。要求在復(fù)雜的跑道環(huán)境條件下，飛機(jī)仍然能夠安全著陸并剎停，對(duì)提升飛機(jī)安全性和可靠性具有重要意義。

飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的具有不確定性的非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)中存在諸多非線性因素，直接影響防滑剎車(chē)的性能。飛機(jī)著陸滑跑過(guò)程時(shí)間較短，因此要求防滑剎車(chē)系統(tǒng)穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確地工作，確保飛機(jī)的安全。防滑剎車(chē)系統(tǒng)的性能受很多因素的影響，如跑道表面是否開(kāi)槽、跑道表面的狀況(干、濕或積雪等)、飛機(jī)速度的變化、輪胎的充氣壓力等。本質(zhì)上，這些因素影響的是飛機(jī)受剎機(jī)輪的輪胎與跑道表面的結(jié)合力和滾動(dòng)阻力。防滑剎車(chē)系統(tǒng)的主要目的是充分利用跑道提供的結(jié)合力，在盡可能短的距離內(nèi)使飛機(jī)剎停。由于防滑剎車(chē)控制的主要任務(wù)通過(guò)控制剎車(chē)力矩，將滑移率維持在一個(gè)合適值，使得機(jī)輪與地面的結(jié)合力最大，并且不出現(xiàn)打滑甚至抱死的現(xiàn)象。

跑道表面狀況的變化對(duì)于飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)是較為嚴(yán)重的外部干擾。例如當(dāng)機(jī)輪所處跑道表面結(jié)合系數(shù)由高變低時(shí)，機(jī)輪由于結(jié)合力矩急劇減小而發(fā)生打滑甚至抱死現(xiàn)象，這就要求防滑剎車(chē)控制盒及時(shí)作出響應(yīng)，通過(guò)迅速降低剎車(chē)壓力使得機(jī)輪速度得以恢復(fù)。因此剎車(chē)控制算法對(duì)不同跑道表面狀況的適應(yīng)性以及在跑道表面狀況發(fā)生變化時(shí)的魯棒性直接影響防滑剎車(chē)效果。

傳統(tǒng)的飛機(jī)防滑剎車(chē)控制方法通常無(wú)法利用機(jī)輪與當(dāng)前跑道所能提供的最大結(jié)合力進(jìn)行剎車(chē)，基本都是小于最大結(jié)合力，因此剎車(chē)效率無(wú)法達(dá)到最優(yōu)，且傳統(tǒng)剎車(chē)方法針對(duì)機(jī)輪抱死狀態(tài)的處理反應(yīng)過(guò)于強(qiáng)烈，極有可能將剎車(chē)壓力降為零，導(dǎo)致壓力效率低下，剎車(chē)距離增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于摩擦特性的飛機(jī)防滑剎車(chē)控制方法，其提高了剎車(chē)系統(tǒng)的剎車(chē)效率，并抑制了打滑現(xiàn)象的發(fā)生，保證了飛機(jī)的安全性。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種基于摩擦特性的飛機(jī)防滑剎車(chē)控制方法，包括：

在飛機(jī)機(jī)輪的減速率小于機(jī)輪減速率最大閾值時(shí)，基于機(jī)輪與跑道之間的摩擦特性，確定作用于機(jī)輪的剎車(chē)壓力；以及

在飛機(jī)機(jī)輪的減速率大于機(jī)輪減速率最大閾值時(shí)，通過(guò)使用二分法來(lái)確定作用于機(jī)輪的剎車(chē)壓力。

根據(jù)實(shí)施例，所述基于機(jī)輪與跑道之間的摩擦特性，確定作用于機(jī)輪的剎車(chē)壓力，包括：

在飛機(jī)減速率的變化率小于第一減速率變化率閾值并且滑移率的變化率大于第一滑移率變化率閾值時(shí)，基于表示所述摩擦特性的第一系數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力。

根據(jù)實(shí)施例，在所述飛機(jī)減速率的變化率大于第二減速率變化率閾值時(shí)，所述第一系數(shù)為最大飛機(jī)著陸速度相對(duì)于飛機(jī)著陸速度的比率與自然常數(shù)為底、飛機(jī)速度相對(duì)于所述飛機(jī)著陸速度的比率為指數(shù)的冪的乘積；并且在所述飛機(jī)減速率的變化率小于第二減速率變化率閾值時(shí)，所述第一系數(shù)為所述第二減速率變化率閾值的負(fù)倒數(shù)與所述飛機(jī)減速率的變化率的乘積。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一減速率變化率閾值小于所述第二減速率變化率閾值。

根據(jù)實(shí)施例，所述基于機(jī)輪與跑道之間的摩擦特性，確定作用于機(jī)輪的剎車(chē)壓力，包括：

在飛機(jī)減速率的變化率大于第一減速率變化率閾值并且滑移率的變化率大于第一滑移率變化率閾值時(shí)，基于表示所述摩擦特性的第二系數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力。

根據(jù)實(shí)施例，在滑移率與最大滑移率之差大于滑移率閾值并且機(jī)輪的減速率小于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，所述第二系數(shù)為所述滑移率與所述滑移率閾值之差與所述機(jī)輪的減速率的乘積；并且在滑移率與最大滑移率之差大于滑移率閾值并且機(jī)輪的減速率大于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，所述第二系數(shù)為無(wú)窮大值；并且在滑移率與最大滑移率之差小于滑移率閾值時(shí)，所述第二系數(shù)為所述滑移率與滑移率閾值之差與滑移率比例系數(shù)的乘積，其中所述最大滑移率是在所述飛機(jī)減速率的變化率為零時(shí)記錄的滑移率。

根據(jù)實(shí)施例，所述基于機(jī)輪與跑道之間的摩擦特性，確定作用于機(jī)輪的剎車(chē)壓力，包括：

在飛機(jī)減速率的變化率小于第一減速率變化率閾值并且滑移率的變化率小于第一滑移率變化率閾值時(shí)，基于表示所述摩擦特性的第三系數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力。

根據(jù)實(shí)施例，在機(jī)輪的減速率小于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，所述第三系數(shù)為滑移率與最大滑移率之差與第一比例系數(shù)的乘積；并且在機(jī)輪的減速率大于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，所述第三系數(shù)為所述機(jī)輪減速率閾值與所述機(jī)輪的減速率之差與第二比例系數(shù)的乘積，其中所述第一比例系數(shù)和第二比例系數(shù)為不同的正常數(shù)，其中所述最大滑移率是在所述飛機(jī)減速率的變化率為零時(shí)記錄的滑移率。

根據(jù)實(shí)施例，所述基于機(jī)輪與跑道之間的摩擦特性，確定作用于機(jī)輪的剎車(chē)壓力，包括：

在飛機(jī)減速率的變化率大于第一減速率變化率閾值并且滑移率的變化率小于第一滑移率變化率閾值時(shí)，基于表示所述摩擦特性的第四系數(shù)，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力，其中所述第四系數(shù)為附著階段減速率變化率閾值與所述飛機(jī)減速率的變化率之差。

根據(jù)實(shí)施例，在飛機(jī)機(jī)輪的減速率大于機(jī)輪減速率最大閾值時(shí)，使用二分法以將當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力減小為上一時(shí)刻的剎車(chē)壓力的一半，如果飛機(jī)機(jī)輪在跑道上打滑，則繼續(xù)減少，直到所述飛機(jī)機(jī)輪的減速率小于所述機(jī)輪減速率最大閾值。

附圖說(shuō)明

圖1為單一跑道狀態(tài)下飛機(jī)機(jī)輪與跑道的結(jié)合力相對(duì)于滑移率的曲線圖，用于說(shuō)明飛機(jī)機(jī)輪與跑道之間的摩擦特性。

具體實(shí)施方式

以下參照附圖具體說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于摩擦特性的飛機(jī)防滑剎車(chē)控制方法。

根據(jù)跑道與飛機(jī)機(jī)輪的結(jié)合系數(shù)等影響因素，圖1示出了單一跑道狀態(tài)下飛機(jī)機(jī)輪與跑道的結(jié)合力相對(duì)于滑移率的曲線。在單一跑道狀態(tài)下，利用跑道所提供的最大結(jié)合力進(jìn)行剎車(chē)，也即找出曲線最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的滑移率，并控制剎車(chē)壓力使得滑移率達(dá)到這一最大滑移率。路況發(fā)生改變或輪載發(fā)生變化，則曲線會(huì)發(fā)生跳變，如何動(dòng)態(tài)地平穩(wěn)地追蹤當(dāng)前結(jié)合狀態(tài)下的最大結(jié)合力，是關(guān)注的主要問(wèn)題，在這一過(guò)程中，機(jī)輪應(yīng)盡可能不出現(xiàn)打滑狀態(tài)。

飛機(jī)降落過(guò)程中，忽略飛機(jī)升力，只考慮飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)，滿足如下運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

其中，T₀為發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力，K_v為發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力系數(shù)，F(xiàn)_x為飛機(jī)所受空氣阻力，C_x為飛機(jī)阻力系數(shù)，F(xiàn)_s為減速傘所受空氣阻力，C_xs為減速傘所受阻力系數(shù)。ρ為空氣密度，V為飛機(jī)速度，S為飛機(jī)正向所受空氣阻力面積，S_s為減速傘面積，F(xiàn)_f1與F_f2分別為兩主輪所受摩擦力，μ₁，μ₂為兩主輪結(jié)合系數(shù)，F(xiàn)_N1，F(xiàn)_N2為兩主輪所提供支持力，M為飛機(jī)質(zhì)量。

結(jié)合以上公式，從理論上分析，在結(jié)合力增加時(shí)飛機(jī)減速率會(huì)降低，結(jié)合力減小時(shí)，在整個(gè)剎車(chē)過(guò)程中，滑移率的變化可以由飛機(jī)速度和輪速實(shí)時(shí)計(jì)算得到。在滑移率變化率大于零，即時(shí)，處于如圖1所示的1階段，反之處于2階段。同理，根據(jù)結(jié)合力的變化情況和滑移率的變化情況，可以判斷飛機(jī)剎車(chē)系統(tǒng)處于上面4種狀態(tài)中的哪一種，并產(chǎn)生控制信號(hào)進(jìn)行有效的控制。

在剎車(chē)過(guò)程中，首先對(duì)飛機(jī)的機(jī)輪速度ω和飛機(jī)速度V進(jìn)行濾波插值和微分，得到飛機(jī)減速率dV/dt和飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²。

初始時(shí)設(shè)定在任何跑道都不打滑的剎車(chē)壓力，使得后面的壓力調(diào)整都基于這個(gè)壓力基礎(chǔ)，并將其設(shè)為壓力輸出限幅的最小值，避免松剎車(chē)壓力松到底。

P_b(0)＝P_init

在沒(méi)有跑道狀態(tài)劇烈變化及機(jī)輪載荷劇烈變化的情況下，即為機(jī)輪減速率最大閾值，該閾值是系統(tǒng)判定跑道狀態(tài)的依據(jù)，跑道變化或輪載變化必然導(dǎo)致機(jī)輪打滑或過(guò)度附著，機(jī)輪減速率會(huì)有大的突變。在沒(méi)有這種突變的情況下，基于圖1所示的四種摩擦特性，確定作用于飛機(jī)機(jī)輪的剎車(chē)壓力如下：

其中，P_b(k)和P_b(k-1)分別代表著當(dāng)前和上一時(shí)刻的剎車(chē)壓力，△T為當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的間隔，即控制周期。在理論上，飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²和滑移率的變化率與0做比較，然而在實(shí)踐中，為了避免噪聲干擾，引入均為兩個(gè)小正數(shù)的δ_V和δ_λ作為設(shè)定的兩個(gè)閾值進(jìn)行比較。

在圖1所示的第一階段時(shí)，結(jié)合力上升過(guò)程斜率變化受飛機(jī)速度的影響，也受跑道情況的影響，飛機(jī)速度越大，結(jié)合力上升越緩慢，飛機(jī)速度越大，由LuGre模型可知，摩擦狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，壓力上升過(guò)快越容易打滑。

由上式可知，在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²小于第一減速率變化率閾值δ_V并且滑移率的變化率dλ/dt大于第一滑移率變化率閾值δ_λ時(shí)，基于表示第一階段的摩擦特性的第一系數(shù)k₁，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力P_b(k)。

具體而言，在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²大于第二減速率變化率閾值a_d時(shí)，第一系數(shù)為最大飛機(jī)著陸速度V_max相對(duì)于飛機(jī)著陸速度V_L的比率與自然常數(shù)e為底、飛機(jī)速度V相對(duì)于飛機(jī)著陸速度V_L的比率為指數(shù)的冪的乘積；并且在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²小于第二減速率變化率閾值a_d時(shí)，第一系數(shù)為第二減速率變化率閾值a_d的負(fù)倒數(shù)與飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²的乘積。

其中，第一減速率變化率閾值δ_λ小于第二減速率變化率閾值a_d。該第二減速率變化率閾值ad用于判斷飛機(jī)工作點(diǎn)與最大點(diǎn)之間的接近程度，當(dāng)越靠近設(shè)定閾值時(shí)，由滑移曲線可知，工作點(diǎn)越靠近頂點(diǎn)，這時(shí)結(jié)合力上升隨著減速率變化率的降低而降低。此時(shí)用減速率的變化率來(lái)判斷最為有效。

在如圖1所示的第二階段時(shí)，飛機(jī)機(jī)輪進(jìn)入打滑狀態(tài)，需要進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。此時(shí)，在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²為零時(shí)記錄的滑移率λ_max作為基準(zhǔn)，判定打滑程度。

打滑越深，壓力降低越快，當(dāng)控制不住時(shí)，輸出系統(tǒng)能夠接受的最大值，即將剎車(chē)壓力松至最低。此時(shí)用滑移率來(lái)判斷最為有效。以上兩個(gè)過(guò)程是最重要的兩個(gè)過(guò)程，因?yàn)橐陨蟽蓚€(gè)過(guò)程在整個(gè)剎車(chē)過(guò)程中占主導(dǎo)。

具體而言，在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²大于第一減速率變化率閾值δ_V并且滑移率的變化率dλ/dt大于第一滑移率變化率閾值δ_λ時(shí)，基于表示第二階段的摩擦特性的第二系數(shù)k₂，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力P_b(k)。

具體地，在滑移率λ與最大滑移率λ_max之差大于滑移率閾值λ_d并且機(jī)輪的減速率dω/dt小于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，第二系數(shù)為滑移率λ與滑移率閾值λ_d之差與機(jī)輪的減速率dω/dt的乘積；并且在滑移率λ與最大滑移率λ_max之差大于滑移率閾值λ_d并且機(jī)輪的減速率dω/dt大于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，第二系數(shù)為無(wú)窮大值inf；并且在滑移率λ與最大滑移率λ_max之差小于滑移率閾值λ_d時(shí)，第二系數(shù)為滑移率λ與滑移率閾值λ_d之差與滑移率比例系數(shù)K_i的乘積，其中不同于最大閾值滑移率λ是由經(jīng)過(guò)濾波插值和微分之后的機(jī)輪速度ω和飛機(jī)速度V計(jì)算得到，滑移率比例系數(shù)K_i用于對(duì)較小的(λ-λ_d)的值進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€性放大。

在圖1所示的第三階段，機(jī)輪處于打滑狀態(tài)，但隨著剎車(chē)壓力的下降，滑移率逐漸降低，使得結(jié)合力逐漸增加，此時(shí)，在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²小于第一減速率變化率閾值δ_V并且滑移率的變化率dλ/dt小于第一滑移率變化率閾值δ_λ時(shí)，基于表示第三階段的摩擦特性的第三系數(shù)k₃，確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力P_b(k)：

具體地，在機(jī)輪的減速率dω/dt小于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，第三系數(shù)為滑移率λ與最大滑移率λ_max之差與第一比例系數(shù)K₃₁的乘積；并且在機(jī)輪的減速率dω/dt大于機(jī)輪減速率閾值時(shí)，第三系數(shù)為機(jī)輪減速率閾值與機(jī)輪的減速率dω/dt之差與第二比例系數(shù)K32的乘積，其中第一比例系數(shù)K₃₁和第二比例系數(shù)K₃₂為不同的正常數(shù)，用于對(duì)較小的(λ-λ_max)或(dω_d-d_ω)的值做適當(dāng)?shù)木€性放大。

這樣做的目的在于，在機(jī)輪減速率較小，即打滑不嚴(yán)重的情況下，根據(jù)偏離最大滑移率的情況進(jìn)行調(diào)整，偏離的越多，壓力降低越快。在機(jī)輪打滑嚴(yán)重時(shí)，一切以使得機(jī)輪脫離打滑狀態(tài)為主，打滑越深，壓力下降越快。

在如圖1所示的第四階段，其出現(xiàn)的原因是由于第三階段剎車(chē)壓力下降過(guò)快，導(dǎo)致機(jī)輪過(guò)度附著，此時(shí)只需要根據(jù)附著的深度增加剎車(chē)壓力，使得機(jī)輪進(jìn)入第一階段即可。如以上當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力P_b(k)計(jì)算公式給出的，在飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²大于第一減速率變化率閾值δ_V并且滑移率的變化率dλ/dt小于第一滑移率變化率閾值δ_λ時(shí)，基于表示第四階段的摩擦特性的第四系數(shù)k₄，即附著階段減速率變化率閾值a_f與飛機(jī)減速率的變化率d²V/dt²之差來(lái)確定當(dāng)前時(shí)刻的剎車(chē)壓力P_b(k)。這一階段出現(xiàn)的時(shí)間很短，會(huì)迅速進(jìn)入第一階段。

在機(jī)輪減速率較大時(shí)，即時(shí)，所提出的策略是利用二分法，將當(dāng)前的壓力降為二分之一，即：

如果機(jī)輪打滑，則繼續(xù)減少，依次類推。直到

綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于摩擦特性的飛機(jī)防滑剎車(chē)控制方法，其能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)路面，使得機(jī)輪結(jié)合力快速逼近此摩擦狀態(tài)下的最大結(jié)合力，大幅度提高剎車(chē)效率，并且能夠快速處理機(jī)輪打滑狀態(tài)，壓力下調(diào)幅度與打滑深度相關(guān)，針對(duì)微小的打滑現(xiàn)象處理時(shí)壓力下降小，提高了剎車(chē)過(guò)程的壓力效率。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。