專利名稱：用于交通工具的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于交通工具的控制系統(tǒng)的領(lǐng)域。本發(fā)明尤其涉及控制系統(tǒng)，用于使交通工具相對(duì)于參考交通工具具有所選擇的位置和所選擇的速度。
背景技術(shù)：
飛行器的遠(yuǎn)程控制通常由命令交通工具的空速(airspeed)或慣性速度(地速)來進(jìn)行，而速度的方向通過控制交通工具的朝向來選擇?？刂戚斎胪ǔＪ且燥w行器的精度、緯度或方向軸形式給出的命令。因此，如果控制飛行器的操作者想讓飛行器在某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，操作者必須知道飛行器正指向哪個(gè)方向，以確定必須使用哪個(gè)控制軸以在哪個(gè)方向，以便使飛行器在想要的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)相對(duì)于另一個(gè)運(yùn)動(dòng)交通工具控制飛行器時(shí)，操作者也必須知道運(yùn)動(dòng)交通工具的速度和方向。
已經(jīng)使用了相對(duì)于另一個(gè)交通工具控制交通工具的幾種方法，包括在受控交通工具上使用傳感器以確定參考交通工具的鄰近或位置。這種方法已經(jīng)在例如汽車的(automotive)巡航系統(tǒng)中使用，如在U.S.Pub.Nos.US2002/0072843和US 2003/0004633中公開的那些。在US.Pat.No.5,768,131中，受控交通工具上攜帶的雷達(dá)系統(tǒng)用于測(cè)量相對(duì)于受控交通工具前面的交通工具的距離和速度。其它系統(tǒng)已經(jīng)包括攝像機(jī)，如授予Valery等的US.Pat.No.6,324,295，或者光源和反射器，如授予Biferno等的US.Pat.No.5,530,650，用于確定在補(bǔ)給燃料期間飛機(jī)的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)。
雖然多年來在飛機(jī)和其它交通工具的遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域已經(jīng)有顯著的發(fā)展，但是仍然存在明顯的缺點(diǎn)。如果操作者想相對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)如另一個(gè)交通工具操作受控交通工具，那么操作者必須考慮受控交通工具和目標(biāo)兩者的位置和速度，使控制受控交通工具成為更困難的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
存在對(duì)改善的用于交通工具的控制系統(tǒng)的需要。
通過提供這樣一種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的該系統(tǒng)允許容易地控制受控交通工具相對(duì)于參考交通工具或目標(biāo)的位置和速度。安裝在受控交通工具上的傳感器系統(tǒng)感測(cè)受控交通工具的位置和受控交通工具的慣性運(yùn)動(dòng)，并且安裝在受控交通工具上的接收機(jī)接收通信參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)的發(fā)射數(shù)據(jù)。傳感器系統(tǒng)通信表示受控交通工具的位置和慣性運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)給安置在受控交通工具上的控制系統(tǒng)，用于與來自接收機(jī)的數(shù)據(jù)比較，允許計(jì)算受控交通工具相對(duì)于參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)。表示受控交通工具相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和/或速度的數(shù)據(jù)，與計(jì)算的相對(duì)位置和相對(duì)速度比較，并且控制系統(tǒng)命令受控交通工具上的設(shè)備操縱受控交通工具，以便消除計(jì)算值和選擇值之間的誤差。
例如，本發(fā)明允許相對(duì)于參考交通工具的速度和方向控制飛機(jī)。這個(gè)控制獨(dú)立于風(fēng)或參考交通工具的其它運(yùn)動(dòng)，即由波浪導(dǎo)致的海上的船的運(yùn)動(dòng)。而且，速度和位置命令獨(dú)立于飛機(jī)或參考交通工具的姿態(tài)或朝向。在飛機(jī)接近它要著陸的運(yùn)動(dòng)船的情況下，命令可以在相對(duì)于船的X、Y、Z坐標(biāo)系統(tǒng)中。因此，X方向的命令將在船首/船尾方向移動(dòng)該交通工具，并且Y方向的命令將在左舷/右舷方向移動(dòng)該交通工具。Z方向的命令將改變相對(duì)于運(yùn)動(dòng)船的垂直位置和/或速度。
飛機(jī)攜帶用于確定相對(duì)于地面的位置和飛機(jī)的慣性運(yùn)動(dòng)的傳感器，并且攜帶用于接收發(fā)射到飛機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)的接收機(jī)。參考交通工具也攜帶確定參考交通工具相對(duì)于地面的位置和速度的傳感器。參考交通工具的位置和速度發(fā)射給飛機(jī)，并且飛機(jī)上攜帶的數(shù)字系統(tǒng)計(jì)算飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的位置和速度。這些相對(duì)值與選擇的位置和/或速度比較，選擇的位置和/或速度可以由操作者在飛行之前或期間通信給數(shù)字系統(tǒng)，并且數(shù)字系統(tǒng)命令飛機(jī)上的飛行控制設(shè)備操縱飛機(jī)達(dá)到和保持選擇的位置和/或速度。
通過使用命令控制臺(tái)上的圖形顯示來選擇相對(duì)于參考交通工具的三維速度或位置命令，飛機(jī)的速度和位置可以由地面控制站(GCS)操作者控制。這些顯示可以在多種坐標(biāo)系統(tǒng)中顯示飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的位置和速度，坐標(biāo)系統(tǒng)包括笛卡爾和極坐標(biāo)系統(tǒng)。操作者可以使用輸入設(shè)備選擇并拖曳命令到想要的值，指向并點(diǎn)擊命令，或者在想要的命令上敲鍵盤。另外，相對(duì)速度或位置也可以從由操作者使用的控制桿命令，或者命令可以自治的，如自動(dòng)起飛或自動(dòng)接近和著陸、復(fù)飛/中止著陸、位置保持或其它預(yù)編程命令和操縱。


為更完整地理解本發(fā)明，包括它的特征和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考本發(fā)明的詳細(xì)說明，在附圖中相同的號(hào)碼表示相同的部分，并且其中圖1是船和正在由根據(jù)本發(fā)明的飛行控制系統(tǒng)控制的飛機(jī)的透視圖；圖2是位于圖1的船上的著陸墊(landing pad)的透視圖；圖3是本發(fā)明的地面控制站的透視圖；圖4是本發(fā)明的飛行控制盒的透視圖；圖5是本發(fā)明的飛行控制系統(tǒng)的組件的示意圖；圖6是圖3的地面控制站上的第一圖形顯示的圖；圖7是圖3的地面控制站上的第二圖形顯示的圖；以及圖8是顯示本發(fā)明的方法的步驟的示意流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供這樣一種系統(tǒng)，用于使用相對(duì)速度相對(duì)于參考交通工具控制受控交通工具，該相對(duì)速度通過比較受控交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)與已知點(diǎn)的位置和運(yùn)動(dòng)來確定。
為了說明本發(fā)明的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的說明將參考它作為用于結(jié)合海上的船而操作的飛機(jī)的控制系統(tǒng)的使用。船上的已知點(diǎn)可以是降落點(diǎn)(TDP)用于使飛機(jī)著陸。如果飛機(jī)以相同的速度運(yùn)動(dòng)，即與TDP的速度和方向相同，那么相對(duì)速度為零。本發(fā)明允許相對(duì)于TDP的精確的飛機(jī)速度控制，而不管TDP的速度或相對(duì)風(fēng)的速度和方向。這個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)特特性是因?yàn)橄到y(tǒng)允許操作者能夠以如下方式相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具控制飛機(jī)，該方式類似于相對(duì)于地面上的點(diǎn)控制地面速度的方式，所以飛機(jī)速度的控制獨(dú)立于飛機(jī)的朝向。如這里所使用的，“速度”將被理解為向量，方向和大小兩個(gè)都包括，雖然這些可以獨(dú)立地說明。
雖然本發(fā)明的系統(tǒng)在飛機(jī)/船組合的使用中說明，但是系統(tǒng)可以用于任何組合和數(shù)目的陸地、空中或海洋交通工具或其它運(yùn)動(dòng)對(duì)象，在那里它有用于相對(duì)于可運(yùn)動(dòng)點(diǎn)或交通工具控制交通工具的位置和速度。應(yīng)用的一些例子包括這樣的用途由地面交通工具控制飛機(jī)、由飛機(jī)控制地面交通工具、由飛機(jī)控制其它飛機(jī)、以及由地面交通工具控制其它地面交通工具。
現(xiàn)在參考圖1和2，飛機(jī)11被描述為接近船13飛行。雖然在圖1中顯示為無人駕駛的tiltrotor類型的飛機(jī)，但是飛機(jī)11可以是任何類型，并且可以是固定翼飛機(jī)或其它種類的旋翼飛機(jī)，并且可以是有人駕駛的并由飛行員控制。圖2顯示著陸墊15，它位于船13的甲板17上并用于飛機(jī)11起飛(launch)和/或降落(recover)。雖然認(rèn)為著陸墊15是TDP，但是著陸墊的運(yùn)動(dòng)不獨(dú)立于船13的運(yùn)動(dòng)。因此，認(rèn)為船13是“參考交通工具”，用于確定飛機(jī)11相對(duì)于船13的位置和速度，并且船13和TDP的運(yùn)動(dòng)可以交換使用。
為了在飛行或起飛/降落期間控制飛機(jī)11，遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)和飛機(jī)11上攜帶的半自動(dòng)控制器一起使用。參考圖3和4，用于系統(tǒng)的操作者接口可以有幾種類型，包括地面控制站(GCS)19，其具有各圖形和數(shù)字顯示器21、各鍵盤23、鼠標(biāo)25或類似的輸入設(shè)備，以及音頻/視頻組件，如圖3中所示。接口的另一個(gè)例子是如圖4中所示的飛行控制盒(FCB)27，包含一組操縱桿29或類似的觸覺輸入設(shè)備以及各圖形顯示器31。飛機(jī)11可以由一個(gè)或更多的操作者操作，每個(gè)操作者使用操作者接口設(shè)備之一。為說明本發(fā)明的系統(tǒng)的操作，系統(tǒng)在這里描述為包含用于控制飛機(jī)11的GCS 19和FCB 27。
系統(tǒng)的基本模式允許GCS 19和FCB 27的兩個(gè)操作者命令飛機(jī)11相對(duì)于船13的速度。兩個(gè)操作者的任何一個(gè)可以命令從滑翔到最大飛機(jī)值的相對(duì)速度，并且按要求，GCS 19可以從GCS 19到FCB 27來回切換控制。
系統(tǒng)的主要組件如圖5中所示。飛機(jī)11上攜帶的組件由括弧33表示，船上或參考交通工具13上攜帶的組件由括弧35表示。
在飛機(jī)11上，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)模塊37接收從沿軌道飛行的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)39、41，允許GPS模塊37確定飛機(jī)11相對(duì)于地面的位置。同樣地，慣性運(yùn)動(dòng)傳感器43，它可以是加速計(jì)，測(cè)量飛機(jī)11在三個(gè)正交軸中的運(yùn)動(dòng)，并且數(shù)據(jù)接收機(jī)45接收從船13上的組件35以及從GCS19和/或FCB 27發(fā)射到飛機(jī)11的數(shù)據(jù)。
在船13上，GPS接收機(jī)模塊47也接收GPS衛(wèi)星信號(hào)(未顯示)，并且確定船13相對(duì)于地面的位置，并且慣性運(yùn)動(dòng)傳感器49測(cè)量船13的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合這些數(shù)據(jù)源以產(chǎn)生用于船13的位置和速度數(shù)據(jù)，然后使用發(fā)射機(jī)53，在傳輸信號(hào)51中發(fā)送數(shù)據(jù)到飛機(jī)11的數(shù)據(jù)接收機(jī)45。
雖然不要求位于參考交通工具上，但是GCS 19和FCB 27通常位于船13上。GCS 19和/或FCB 27發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸55到飛機(jī)11，用于提供飛行控制命令給飛機(jī)11。如下面所說明的，傳輸55通信飛機(jī)相對(duì)于船13的所選位置和/或速度，操作者希望飛機(jī)11達(dá)到并保持該位置和/或速度直到給出新命令。在一些實(shí)施例中，傳輸51和55可以使用相同的發(fā)射機(jī)例如發(fā)射機(jī)53發(fā)送。另外，在飛機(jī)11是有人駕駛的飛機(jī)的那些實(shí)施例中，駕駛員可以發(fā)射或輸入這個(gè)發(fā)射的數(shù)據(jù)。
飛機(jī)11的數(shù)據(jù)接收機(jī)45接收傳輸51和55，并且發(fā)射的數(shù)據(jù)發(fā)送給飛機(jī)11上攜帶的數(shù)字控制系統(tǒng)57。另外，從GPS模塊37和傳感器43感測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制系統(tǒng)57，并且控制系統(tǒng)57計(jì)算飛機(jī)11相對(duì)于地面的位置和速度、以及飛機(jī)11相對(duì)于參考交通工具的位置和速度，該參考交通工具是船13。這個(gè)計(jì)算的相對(duì)位置和相對(duì)速度與傳輸55中通信的選擇的位置和/或選擇的速度比較，并且確定誤差量。然后控制系統(tǒng)57命令飛機(jī)11上的各種飛行控制設(shè)備，如節(jié)流閥(throttle)59和方向舵61，操縱飛機(jī)以便最小化并且最好消除計(jì)算值和選擇值之間的誤差。其它由控制系統(tǒng)57控制的飛行控制設(shè)備可包括如所示的副翼63、襟翼65、引擎機(jī)艙67或其它飛行控制設(shè)備69，包括用于螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子和漿葉角致動(dòng)器的循環(huán)控制。
本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是相對(duì)于參考交通工具控制飛機(jī)11，并且可以命令該飛機(jī)11在移動(dòng)GCS 19或FCB 27的控制的方向上運(yùn)動(dòng)。響應(yīng)獨(dú)立于飛機(jī)11的方位定向。例如，如果操作者希望飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具在+X方向運(yùn)動(dòng)，那么他將輸入希望的系統(tǒng)模式并在+X方向移動(dòng)X控制器，如FCB 27上的操縱桿29之一(圖4)或者GCS 19的顯示器上的圖標(biāo)(圖3)，而相對(duì)于船13的受控變量(位置或速度)將在X方向變化。這也應(yīng)用到Y(jié)和Z方向。
圖6和7說明控制飛機(jī)11時(shí)可以使用的兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。圖6顯示極坐標(biāo)俯視圖形顯示71，它可以由GCS 19使用以發(fā)送相對(duì)速度命令給飛機(jī)11。顯示71包括在同心圓74中心的表示船13的參考交通工具圖標(biāo)73。船13相對(duì)于正北的朝向由圖標(biāo)73相對(duì)360度羅盤75的旋轉(zhuǎn)指示，該羅盤在同心圓74上描述。相對(duì)于船13的笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)被描述為軸77和79。其中軸77與船13和圖標(biāo)73的當(dāng)前朝向?qū)R，而軸79垂直于軸77。線81指向飛機(jī)11相對(duì)于船13的實(shí)際當(dāng)前位置。如圖6的例子中所示，線81指示飛機(jī)11實(shí)際上位于船13的后面并且稍微向右的距離。
向量83指示相對(duì)于船13的速度的飛機(jī)速度(大小和方向)。小圓圈85指示由GCS 19命令的速度的希望的終點(diǎn)(terminus)。當(dāng)飛機(jī)11相對(duì)于船13的實(shí)際速度等于飛機(jī)11相對(duì)于船13的希望速度時(shí)，圓圈85的中心將位于向量83的外端。顯示71的同心圓74指示相對(duì)速度的大小的選擇值。當(dāng)速度向量從顯示71的中心向更遠(yuǎn)擴(kuò)展時(shí)這個(gè)大小增大。因?yàn)轱@示71表示極坐標(biāo)命令系統(tǒng)，所以相對(duì)速度的大小將不會(huì)是負(fù)的。通過簡(jiǎn)單地觀察顯示71，這個(gè)配置允許船13的朝向、命令的飛機(jī)11的相對(duì)速度以及飛機(jī)11的實(shí)際相對(duì)速度快速并且容易地確定。如果GCS操作者想要改變飛機(jī)11相對(duì)于船13的速度，那么他簡(jiǎn)單地點(diǎn)擊圓圈85并拖曳圓圈85到顯示71上表示新的相對(duì)速度的位置。然后這個(gè)命令的或選擇的相對(duì)速度被發(fā)射到飛機(jī)11，該飛機(jī)11由控制系統(tǒng)57(圖5)命令而做出必要的飛行控制調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)并保持命令的相對(duì)速度。通過命令飛機(jī)11以實(shí)現(xiàn)零相對(duì)速度，飛機(jī)11將保持它的相對(duì)于船13的位置。
應(yīng)該理解的是，用于操作顯示71上的圖標(biāo)的系統(tǒng)可以包括被編程到系統(tǒng)中的半自動(dòng)動(dòng)作或快捷鍵。例如，系統(tǒng)可以具有這樣的快捷鍵通過用鼠標(biāo)或其它輸入設(shè)備在顯示71內(nèi)的選擇位置右鍵點(diǎn)擊，該快捷鍵允許操作者命令飛機(jī)11具有零相對(duì)速度。
控制飛機(jī)11的相對(duì)速度時(shí)由命令顯示71提供的優(yōu)點(diǎn)是操作者可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作命令相對(duì)速度向量，并且他也可以看見飛機(jī)11相對(duì)于這個(gè)速度命令的速度。使用一個(gè)小顯示，操作者可以知曉位置并且具有命令控制，加上可以觀察所有下面的信息(1)船相對(duì)于羅盤的朝向；(2)飛機(jī)位置相對(duì)于船的方向；(3)飛機(jī)速度相對(duì)于船的方向；(4)飛機(jī)相對(duì)于船速度的大?。?5)相對(duì)于船的命令的速度的大?。灰约?6)相對(duì)于船的命令的速度的方向。
雖然如上所述用于控制速度時(shí)，但是可以替代地配置極坐標(biāo)顯示71以允許飛機(jī)11相對(duì)于船13的定位，雖然最好僅當(dāng)飛機(jī)11位于遠(yuǎn)離船13處時(shí)使用這個(gè)。在這樣的使用期間，表示飛機(jī)11的位置的圖標(biāo)(未顯示)可以拖曳到顯示71上相對(duì)于船13的想要位置，并且飛機(jī)11可具有零相對(duì)速度，即位置(station)保持，或者具有選擇的相對(duì)速度以從命令的位置重新開始(resume)。當(dāng)用于位置命令時(shí)，顯示71上的同心圓74用作距離或半徑指示器。圖6中所示的是指示預(yù)編程位置點(diǎn)(station point)的三角圖標(biāo)87，相對(duì)于船13設(shè)置該位置點(diǎn)，這里顯示為船13的正后方的一距離。
圖7中顯示GCS 19上的笛卡兒坐標(biāo)俯視顯示89。最好只有當(dāng)飛機(jī)11接近船13時(shí)使用笛卡兒坐標(biāo)。圖標(biāo)91表示接近TDP 93的表示的飛機(jī)11，該TDP 93在船13的甲板95上。坐標(biāo)是在X、Y系統(tǒng)中，具有指示到TDP 93的距離的范圍引導(dǎo)97?？梢耘渲蔑@示89以允許GCS 19的操作者操縱圖標(biāo)91，以便通過相對(duì)于如由甲板95表示的船13拖曳圖標(biāo)91，控制飛機(jī)11的運(yùn)動(dòng)?；蛘呖梢詫@示89配置為只顯示信息，這不允許通過操縱圖標(biāo)91直接控制飛機(jī)11。
在控制已經(jīng)從GCS 19傳遞到FCB 27之后，F(xiàn)CB 27的操作者也可以在極坐標(biāo)或笛卡兒坐標(biāo)中命令飛機(jī)11。當(dāng)控制切換到FCB時(shí)，操縱桿29將在中心位置，該操縱桿將命令相對(duì)速度來保持在它的當(dāng)前值。這意味著飛機(jī)11將以相對(duì)于船13的相同速度和相同的方向繼續(xù)，直到FCB操作者命令相對(duì)速度改變。FCB操作者可以通過分別向前或向后移動(dòng)縱向操縱桿來命令速度的增大或減小，并且速度命令將與桿位移成比例變化。當(dāng)在極坐標(biāo)模式中時(shí)，速度的方向可以通過移動(dòng)FCB 27上的橫向操縱桿改變，使得左和右橫向桿運(yùn)動(dòng)將命令速度向量以與桿位移成比例的速率分別在逆時(shí)針和順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。
FCB 27的操作者也具有通過命令船坐標(biāo)系統(tǒng)中的速度來駕駛飛機(jī)的能力，該船坐標(biāo)系統(tǒng)是X、Y系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)船的甲板或TDP上手動(dòng)定位飛機(jī)或執(zhí)行手動(dòng)著陸，這個(gè)模式是必需的?？v向操縱桿的向前或向后移動(dòng)將在X方向(船甲板上船頭和船尾)命令速度，而橫向操縱桿的右或左移動(dòng)將在Y方向(船甲板上左舷和右舷)命令速度?？刂破魃舷蚯耙苿?dòng)最好將命令向甲板后面的速度，而向右移動(dòng)最好將命令向甲板的左舷側(cè)的速度。當(dāng)操縱桿居中時(shí)，飛機(jī)11將被命令保持它相對(duì)于TDP的當(dāng)前位置。選擇這些慣例是因?yàn)镕CB 27的操作者當(dāng)飛機(jī)11接近時(shí)將面對(duì)甲板的后面，并且這個(gè)慣例將以與桿移動(dòng)相同的方向移動(dòng)飛機(jī)11。為了使命令獨(dú)立于飛機(jī)11的朝向，在X、Y坐標(biāo)系統(tǒng)中而不是在飛機(jī)坐標(biāo)系(axes)中命令速度。
特別適合本發(fā)明的控制系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用是，操縱飛機(jī)到用于另一個(gè)控制系統(tǒng)的采集窗口中。例如，飛機(jī)可以由自動(dòng)降落或著陸系統(tǒng)被操縱到用于采集的窗口中。
圖8是說明本發(fā)明的系統(tǒng)的相對(duì)速度控制方法的流程圖。該方法從步驟99開始，在該步驟中，飛機(jī)上攜帶的傳感器系統(tǒng)確定飛機(jī)相對(duì)于地面的位置和速度。在步驟101中，飛機(jī)接收到通信參考交通工具的位置和速度的數(shù)據(jù)傳輸，該數(shù)據(jù)傳輸在步驟103中與從步驟99感測(cè)的數(shù)據(jù)一起使用，以計(jì)算飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的速度和/或位置。在步驟105中命令飛行控制設(shè)備以便駕駛飛機(jī)到想要的相對(duì)速度和/或位置。也顯示了可選的步驟107，在該步驟中，通信想要的相對(duì)速度和/或位置的發(fā)射數(shù)據(jù)由飛機(jī)接收。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)的一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)是，它考慮使用各種自治(autonomous)和半自治模式控制飛機(jī)11，包括1.自動(dòng)降落在這個(gè)模式中，操作者操縱飛機(jī)11到到采集窗口中，然后命令自動(dòng)降落系統(tǒng)將飛機(jī)11著陸在TDP上。定義X、Y、Z坐標(biāo)系統(tǒng)，正X軸從船尾向外，具有對(duì)指定接近角的旋轉(zhuǎn)的選項(xiàng)。Y是右舷側(cè)向外為正，而Z是向上方向?yàn)檎?。一旦采集，?3上的傳感器就跟蹤飛機(jī)11，并且發(fā)送三維位置數(shù)據(jù)到GCS 19，該GCS 19又發(fā)射這些位置給飛機(jī)11。
2.自動(dòng)接近接近階段命令飛機(jī)跟隨預(yù)置的接近軌跡(profile)從它的當(dāng)前位置到TDP上的點(diǎn)。接近軌跡指定X方向的速度和Z位置(高度)作為到TDP的距離的函數(shù)。接近軌跡要求飛機(jī)Y位置到達(dá)零并在接近時(shí)始終保持在零，意味著飛機(jī)11以希望的接近角與船13對(duì)齊。當(dāng)飛機(jī)已經(jīng)接近到達(dá)TDP時(shí)，位置保持功能將從事于保持飛機(jī)11在TDP上盤旋。
3.甲板跟隨進(jìn)行位置保持之后，可以命令飛機(jī)11開始跟隨甲板起伏和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)(surge heave and sway motion)，保持飛機(jī)11在選擇的相對(duì)于TDP的位置。
4.下降到甲板下降到甲板是自動(dòng)降落的最后階段，在該階段中命令飛機(jī)11以指定的相對(duì)于TDP的速率下降。
5.復(fù)飛/中止(Waveoff/Abort)如果GCS 19或FCB 27的操作者選擇，那么可以命令飛機(jī)11復(fù)飛，并且它將執(zhí)行預(yù)定的操作以離開船13。飛機(jī)11在正X方向運(yùn)動(dòng)(向船13的后面)并且進(jìn)入柔和的垂直爬升預(yù)定的時(shí)間段，在該預(yù)定的時(shí)間段之后命令相對(duì)速度向量為零，并且飛機(jī)高度保持在那時(shí)的當(dāng)前值。
如果控制系統(tǒng)的故障管理邏輯確定自動(dòng)降落不能完成，那么自動(dòng)進(jìn)入中止。中止的原因可以包括過大的位置或速度誤差、控制系統(tǒng)的部分的丟失或故障、以及數(shù)據(jù)上行鏈路的丟失。中止期間飛機(jī)11的控制最好與復(fù)飛相同，唯一的差別是中止是自動(dòng)發(fā)起的，而復(fù)飛是由GCS或FCB操作者發(fā)起的。
6.飛到位置飛到位置模式允許GCS操作者在距離船13一定距離和方向指定一個(gè)點(diǎn)，飛機(jī)11將自動(dòng)飛到該點(diǎn)。飛機(jī)11加速到預(yù)先計(jì)劃的速度簡(jiǎn)況(profile)，飛到指定位置，減速并停止在那個(gè)位置。然后它在那里保持相對(duì)位置，直到它被命令做其它的。這個(gè)模式是命令飛機(jī)飛到采集窗口的方便方法，飛機(jī)從該采集窗口被采集，并且啟動(dòng)自動(dòng)降落。如果數(shù)據(jù)通信丟失，那么也可以自動(dòng)使用這種類型的模式，以發(fā)送飛機(jī)11到預(yù)定位置和飛行路徑。
本發(fā)明提供顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，包括(1)飛機(jī)的自治控制，它通過比較來自機(jī)上傳感器的值和發(fā)射到飛機(jī)的指示參考交通工具的速度和位置的數(shù)據(jù)，命令飛機(jī)達(dá)到并保持飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和/或速度；(2)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具容易地控制飛機(jī)，而操作者不必考慮飛機(jī)相對(duì)于地面的位置或速度；(3)通過將圖形顯示上相對(duì)速度向量的終點(diǎn)的表示、操縱到相對(duì)于參考交通工具的速度的希望的角度和大小，從而控制相對(duì)于參考交通工具的飛機(jī)的速度；(4)通過操縱觸覺輸入設(shè)備如操縱桿，控制相對(duì)于參考交通工具的飛機(jī)的位置和/或速度。
雖然已經(jīng)參考說明性的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是不打算在受限制的意義上解釋這個(gè)描述。參考該描述時(shí)，本發(fā)明的各種修改和說明性實(shí)施例的組合以及其它實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯然的。
權(quán)利要求
1.一種用于控制飛機(jī)飛行的系統(tǒng)，包含傳感器系統(tǒng)，安置在飛機(jī)上，用于感測(cè)飛機(jī)的位置和飛機(jī)的慣性運(yùn)動(dòng)，該傳感器系統(tǒng)適合通信感測(cè)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示飛機(jī)的位置和慣性運(yùn)動(dòng)；接收機(jī)，安置在飛機(jī)上并且適合接收發(fā)射的參考數(shù)據(jù)，該參考數(shù)據(jù)通信參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)；命令的數(shù)據(jù)，表示飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的速度；以及控制系統(tǒng)，安置在飛機(jī)上，用于使用感測(cè)的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)計(jì)算飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的計(jì)算速度，并且用于控制飛機(jī)上的飛行控制設(shè)備，使得飛機(jī)達(dá)到并保持相對(duì)于參考交通工具的選擇的速度，該選擇的速度對(duì)應(yīng)于命令的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中命令的數(shù)據(jù)在飛機(jī)飛行之前預(yù)編程到控制系統(tǒng)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中接收機(jī)還適合接收通信命令的數(shù)據(jù)的傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中命令的數(shù)據(jù)從參考交通工具發(fā)射。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中使用遠(yuǎn)離飛機(jī)的控制站，通過操縱圖形用戶接口產(chǎn)生命令的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中使用遠(yuǎn)離飛機(jī)的控制站，通過操縱觸覺用戶接口產(chǎn)生命令的數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中從參考交通工具發(fā)射通信參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)的發(fā)射的數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中傳感器系統(tǒng)使用全球定位系統(tǒng)接收機(jī)模塊確定飛機(jī)的位置。
9.一種用于控制飛機(jī)飛行的系統(tǒng)，包含飛機(jī)上攜帶的傳感器，該傳感器適合確定飛機(jī)相對(duì)于地面的位置和飛機(jī)的慣性運(yùn)動(dòng)，該傳感器也適合輸出通信飛機(jī)的位置和運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)；飛機(jī)上攜帶的接收機(jī)，適合接收發(fā)射的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通信參考交通工具相對(duì)于地面的位置和參考交通工具相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)；以及飛機(jī)上攜帶的控制系統(tǒng)，連接到傳感器和接收機(jī)，該控制系統(tǒng)使用來自傳感器的數(shù)據(jù)和由接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)，計(jì)算飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的位置和飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的運(yùn)動(dòng)，該控制系統(tǒng)適合命令飛機(jī)上的飛行控制設(shè)備，用于使飛機(jī)以如下方式操縱達(dá)到并保持相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置或相對(duì)于參考交通工具的選擇的速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和速度在飛機(jī)飛行之前被選擇并且輸入到控制系統(tǒng)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中接收機(jī)適合接收通信飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和速度的數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中從參考交通工具發(fā)射通信飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和速度的數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中從參考交通工具發(fā)射通信參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中傳感器使用全球定位系統(tǒng)接收機(jī)模塊確定飛機(jī)的位置。
15.一種控制飛機(jī)飛行的方法，該方法包含以下步驟(a)使用飛機(jī)上攜帶的傳感器確定飛機(jī)相對(duì)于地面的位置和飛機(jī)的慣性運(yùn)動(dòng)；(b)使用飛機(jī)上攜帶的接收機(jī)接收發(fā)射的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通信參考交通工具相對(duì)于地面的位置和參考交通工具相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)；(c)使用飛機(jī)上攜帶的控制系統(tǒng)，通過比較來自傳感器的數(shù)據(jù)和發(fā)射的數(shù)據(jù)，計(jì)算飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的速度；以及(d)用控制系統(tǒng)命令飛機(jī)上的飛行控制設(shè)備，從而使飛機(jī)達(dá)到并保持相對(duì)于參考交通工具的選擇的速度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包含步驟飛機(jī)飛行之前，將通信飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和速度的數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包含步驟在步驟(d)之前，用接收機(jī)接收包含數(shù)據(jù)的傳輸，該數(shù)據(jù)通信飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和速度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包含步驟從參考交通工具發(fā)射通信飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和速度的傳輸。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包含步驟在步驟(b)之前，從參考交通工具發(fā)射通信參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。
20.一種多交通工具系統(tǒng)，包含參考交通工具；至少一架飛機(jī)；參考交通工具上攜帶的參考傳感器系統(tǒng)，適合確定參考交通工具相對(duì)于地面的位置和相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)；每架飛機(jī)上攜帶的飛機(jī)傳感器系統(tǒng)，適合確定每架相應(yīng)的飛機(jī)相對(duì)于地面的位置和慣性運(yùn)動(dòng)；每架飛機(jī)上攜帶的接收機(jī)，用于接收通信參考交通工具的位置和運(yùn)動(dòng)的發(fā)射數(shù)據(jù)；每架飛機(jī)上攜帶的控制系統(tǒng)，適合計(jì)算每架相應(yīng)的飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的速度，并且適合命令飛行控制設(shè)備，用于使每架相應(yīng)的飛機(jī)以相對(duì)于參考交通工具的選擇的速度飛行。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多交通工具系統(tǒng)，其中參考交通工具是船。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多交通工具系統(tǒng)，其中參考交通工具是第二架飛機(jī)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的多交通工具系統(tǒng)，其中參考交通工具是陸基交通工具。
24.一種飛行控制系統(tǒng)，用于控制飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的速度，所述系統(tǒng)包含由參考交通工具攜帶的控制臺(tái)；以及手持控制器；其中控制臺(tái)或手持控制器可用于控制飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的速度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的飛行控制系統(tǒng)，其中手持控制器包括觸覺輸入設(shè)備。
26.一種圖形顯示，用于控制飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的速度，包含運(yùn)動(dòng)交通工具圖標(biāo)，表示運(yùn)動(dòng)交通工具；速度向量圖標(biāo)，表示飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的實(shí)際速度；命令的相對(duì)速度圖標(biāo)，表示飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的選擇的速度；其中飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的速度，可以通過在圖形顯示內(nèi)移動(dòng)命令的相對(duì)速度圖標(biāo)來選擇性地控制。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，其中對(duì)圖形顯示編程以產(chǎn)生信號(hào)，用于控制飛機(jī)以響應(yīng)命令的相對(duì)速度圖標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，還包含相對(duì)速度大小圖標(biāo)，表示飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的速度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的圖形顯示，其中相對(duì)速度大小圖標(biāo)是圍繞運(yùn)動(dòng)交通工具圖標(biāo)的多個(gè)圓圈。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，其中速度向量圖標(biāo)變化，以響應(yīng)命令的相對(duì)速度圖標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，以便表示飛機(jī)達(dá)到并保持飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的選擇的速度。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，還包含極坐標(biāo)系統(tǒng)，用于指示運(yùn)動(dòng)交通工具的朝向。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，還包含笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)，它鏈接到運(yùn)動(dòng)交通工具圖標(biāo)，以幫助選擇命令的相對(duì)速度圖標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。
33.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，還包含飛機(jī)位置圖標(biāo)，表示飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的當(dāng)前物理位置。
34.根據(jù)權(quán)利要求26所述的圖形顯示，還包含位置保持圖標(biāo)，表示飛機(jī)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)交通工具的預(yù)編程的位置或速度。
全文摘要
一種用于控制飛機(jī)飛行的系統(tǒng)，包含傳感器(37，43)、接收機(jī)(45)和數(shù)字控制系統(tǒng)(57)，它們都在飛機(jī)上攜帶。傳感器(37，43)確定飛機(jī)相對(duì)于地面的位置和飛機(jī)的慣性運(yùn)動(dòng)。接收機(jī)(45)接收發(fā)射的數(shù)據(jù)(51，55)，該數(shù)據(jù)通信參考交通工具相對(duì)于地面的位置和運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)(57)使用來自傳感器(37，43)和接收機(jī)(45)的數(shù)據(jù)，計(jì)算飛機(jī)相對(duì)于參考交通工具的位置和速度，然后命令飛機(jī)上的飛行控制設(shè)備(33)以如下方式操縱飛機(jī)保持相對(duì)于參考交通工具的選擇的位置和/或速度。該系統(tǒng)允許使用圖形或觸覺用戶接口。
文檔編號(hào)B64C13/20GK1934562SQ200480042484
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者肯尼斯·E·布伊爾塔, 詹姆斯·E·哈里斯, 布賴恩·P·霍恩扎, 杰弗里·W·埃普, 凱尼·J·舒爾特 申請(qǐng)人:貝爾直升機(jī)泰克斯特龍公司