專利名稱：地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管理系統(tǒng)，特別是涉及一種地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地效飛行器利用了空氣的可壓縮性，通過貼近地面(或水面)飛行的方式，獲得“氣墊”效應(yīng)；同時(shí)，利用地面效應(yīng)，減少機(jī)翼誘導(dǎo)阻力，有效提升升力性能，實(shí)現(xiàn)高速航行。 機(jī)翼上下表面的氣壓壓差形成升力，但也導(dǎo)致下部氣流朝上方環(huán)流，這種向上環(huán)繞包圍機(jī)翼的氣流稱之為渦流。渦流降低了機(jī)翼升力效率，嚴(yán)重時(shí)影響飛行安全。飛行器在貼地飛行時(shí)，由于地表的壓制作用，這種渦流的運(yùn)動(dòng)軌跡由空中的圓形軌跡(如圖I所示)延遲為橢圓形軌跡(如圖2所示)。這種地面效應(yīng)延遲了渦流的上繞速度，增加了渦流的上繞路徑，減少對(duì)機(jī)翼上表面的氣流干擾，顯著提升了機(jī)翼的升力效率。這種地效的效果達(dá)到最大時(shí)，通常相當(dāng)于增加了多達(dá)40%的升力。或者，反過來說，在同等升力需求下，利用這種渦流的延緩效果，可以顯著減少機(jī)翼的物理尺寸要求，由此顯著減輕了結(jié)構(gòu)重量。從運(yùn)行角度說，在同等功耗下，地效增加的升力越多，地效飛行器的航程越大，或是地效飛行器的商載越大。飛行器在十分接近地面時(shí)，例如，機(jī)翼下表面距離地面只有十多厘米時(shí)，機(jī)翼下方空氣受到極度壓縮，形成一個(gè)特別強(qiáng)大的氣壓高壓區(qū)，機(jī)翼下方空氣流動(dòng)幾乎停滯，形成最大的“氣墊”效應(yīng)。因此，通過地面效應(yīng)來延緩機(jī)翼渦流影響，以及產(chǎn)生最大的“氣墊”效應(yīng)這兩個(gè)要求，是地效飛行器利用地效飛行的基本原理，并作為地效飛行的工作環(huán)境。換言之，為保障地效飛行器安全、有效和正常地利用地效來飛行，最低離地高度不能低于最大“氣墊”效應(yīng)高度，而最大飛行高度不宜高于延緩機(jī)翼渦流的最有效高度。如果偏離這個(gè)高度區(qū)域，地效飛行器雖然可以使用，但失去了利用地效這一特色獲得的效益，從而失去了與常規(guī)飛機(jī)或航船運(yùn)輸方式的競爭力。我國兩院院士顧誦芬、中國科學(xué)院院士、中國力學(xué)協(xié)會(huì)會(huì)長崔爾杰曾聯(lián)名撰寫《填補(bǔ)運(yùn)輸效率的黃金空白一地面效應(yīng)原理與地效飛行器》一文，宣傳和推動(dòng)我國的地效飛行器的研發(fā)，我國的一些高科技企業(yè)也在大力研發(fā)這類先進(jìn)的運(yùn)輸工具。地效飛行器不僅可以廣泛承擔(dān)各類運(yùn)輸任務(wù)，而且在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防領(lǐng)域具有特殊的戰(zhàn)略價(jià)值，例如用于海難救援，支持快速部署。國際上公認(rèn)的地效飛行技術(shù)先驅(qū)是蘇聯(lián)和德國，其他歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家均在大力研究這一先進(jìn)的運(yùn)輸載體。蘇聯(lián)早在上世紀(jì)六十年代就開始秘密研制大型地效飛行器，一種被西方命名為“里海怪物”的大型地效飛行器長106. I米，翼展40米，起飛重量高達(dá)500噸。但是，地效飛行作為當(dāng)代一種新的學(xué)科和先進(jìn)的高科技領(lǐng)域，當(dāng)前僅有搭載2-10人左右的小型地效飛行器初步投入使用，大型地效飛行器的主要優(yōu)勢(shì)在于載荷大且要求中長程運(yùn)輸能力，尚有操控方面的技術(shù)壁壘亟待攻克，才能進(jìn)入實(shí)用階段。因?yàn)椋匦эw行器的最大優(yōu)勢(shì)不僅在于利用地效完成起飛和降落，更在于利用地效性能穩(wěn)定地巡航。這就要求方便可靠的技術(shù)手段來精確判斷地效性能，解決大型地效飛行器的飛行操控手段，保障貼地巡航的飛行安全。不能僅僅限于風(fēng)平浪靜的良好天氣條件運(yùn)行，也不能通過培養(yǎng)駕駛員的高超個(gè)人技能來實(shí)現(xiàn)地效飛行器的實(shí)用化和普及。國際上現(xiàn)有對(duì)地效性能的公知是，地效飛行器的最大“氣墊”效應(yīng)高度不超過十幾厘米，而最大延緩機(jī)翼渦流的高度大致為機(jī)翼翼弦的二分之一。即，如果機(jī)翼的翼弦長2米，利用地效飛行時(shí)，地效飛行器的最大離地高度以I米左右為宜；在大于翼展10倍的高度上，通常認(rèn)為地效作用完全喪失。
國際上，通常把增加地效性能的飛行過程稱之為IGE(Into Ground Effect，增加地效性能)；把減少地效性能的飛行過程稱之為OGE (Out Ground Effect,減少地效性能)。既然地效性能由渦流路徑變化和“氣墊”作用兩部分組成，當(dāng)前借用航空器飛行高度和飛行速度來控制地效飛行的性能，并非是一種簡明、直接的精確操控方式?？梢姡鳛橐环N運(yùn)輸工具，尤其是具有商業(yè)價(jià)值的中大型地效飛行器，進(jìn)入實(shí)用化所必須解決的關(guān)鍵難題是，有技術(shù)手段保障在一個(gè)非常狹小的高度變化范圍內(nèi)，安全地、有效地、精確地利用地效性能，低空巡航飛行；其次，這種技術(shù)手段還應(yīng)降低駕駛員對(duì)地效飛行器的操作技巧，減輕駕駛員工作負(fù)荷，方便日常運(yùn)行。第三，應(yīng)有直接、簡便、精確和可靠的地效性能操控參數(shù)，改進(jìn)現(xiàn)有的借用航空器飛行高度和速度的操控方式。出于對(duì)地效性能的效果和飛行安全性考慮，當(dāng)前的地效飛行器可實(shí)用的運(yùn)行方式是貼水面運(yùn)行，并非貼陸地飛行，本發(fā)明討論的地效運(yùn)行也是指貼水面的運(yùn)行，不再專門聲明。地效飛行器的可用地效飛行高度范圍區(qū)間非常小，最大飛行高度非常低，在IGE與OGE之間的可用高度空間非常狹小，這就要求精確地控制和操作。一旦因駕駛員觀察、判斷或操作失誤，就會(huì)與水面碰擦，造成地效飛行器的結(jié)構(gòu)破損、機(jī)體傾覆、部件撞毀、甚至機(jī)毀人亡的重大損失。如何精確控制IGE和OGE特性，同時(shí)還要保障貼地飛行的安全，就成為地效飛行器的一個(gè)特殊安全問題。即便有技術(shù)措施發(fā)揮IGE和OGE性能，在貼地飛行階段，駕駛員通過肉眼觀察地平線的能力受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，尤其是水面所導(dǎo)致的水汽，自然環(huán)境中的雷雨、大霧、早晨和黃昏等天氣因素的影響下，保持良好的飛行姿態(tài)，避免與水面碰撞，是保障地效飛行安全的基本要素。據(jù)公開資料報(bào)道，在研制進(jìn)程中，“里海怪物”大型地效飛行器因?yàn)榘l(fā)生此類重大事故，造成機(jī)體嚴(yán)重?fù)p傷，導(dǎo)致該項(xiàng)目擱置?？傊獫M足以下要求要有方便和精確的操控手段，充分利用地效性能，要保障貼地飛行的安全性，要降低飛行操作的技能要求，要實(shí)現(xiàn)有效地操控，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輔助飛行，才能解決其實(shí)用性，使得地效飛行器具備推廣和普及條件。解決這個(gè)難題的技術(shù)方案中，有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要素一是實(shí)現(xiàn)貼地飛行的技術(shù)保障手段；二是實(shí)現(xiàn)貼地飛行的技術(shù)監(jiān)督手段。這兩個(gè)技術(shù)要素的一個(gè)基本前提是，具有滿足地效飛行所需的操控參數(shù)和計(jì)量裝置。在這種操控參數(shù)和計(jì)量裝置的基礎(chǔ)上，形成基于自動(dòng)化監(jiān)控和自動(dòng)化輔助地效飛行的技術(shù)方案。由此，實(shí)現(xiàn)一種適用于地效飛行器的、基于自動(dòng)化機(jī)制的地效飛行管理系統(tǒng)。自從發(fā)明地效飛行器以來，人們一直沿用航空器的空速和飛行高度作為操控參數(shù)，相應(yīng)地，其計(jì)量裝置主要沿用航空產(chǎn)品。例如，地效飛行器通常采用航空大氣測(cè)量裝置來測(cè)量飛行速度。這種裝置依據(jù)的原理是皮托效應(yīng)。皮托效應(yīng)測(cè)速是法國工程師HenryPITOT早在1837年發(fā)明的，一直沿用至今，但皮托效應(yīng)測(cè)速的缺點(diǎn)是，低速測(cè)量時(shí)不可靠。航空大氣測(cè)量裝置的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最小適用空速不低于60節(jié)(111公里/小時(shí))。為了避免低速測(cè)量誤差過大而缺乏實(shí)用性，實(shí)際大氣數(shù)據(jù)測(cè)量產(chǎn)品的可實(shí)用的最小空速通常不低于70節(jié)。在這些速度下，地效飛行器通常已達(dá)離地狀態(tài)，因此缺乏精確操控地效飛行速度的計(jì)量手段。(普通飛機(jī)的起飛速度通常達(dá)到110節(jié)以上，使用皮托式空速測(cè)量裝置沒有問題)。在飛行高度測(cè)量方面，地效飛行器沿用了航空器測(cè)量飛行高度的裝置。它主要有兩種類型一是航空氣壓高度表，二是航空無線電高度表。航空氣壓高度表的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)規(guī)定，最小誤差為5米。地效飛行時(shí)，聞度變化范圍很小，例如如例中，地效飛行時(shí)的最大飛行高度為I米左右，則氣壓高度表的典型誤差 高達(dá)500%。航空無線電高度表的原理是計(jì)算發(fā)射和接收無線電波的時(shí)差而獲得距離(高度)信息，航空無線電高度表的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)水平規(guī)定，最小誤差為0. 6米，仍以前例為例，高度誤差也達(dá)10%。況且在地效應(yīng)用場(chǎng)合里，因?yàn)榫嚯x地面(或水面)較近，地表上的物體形狀各異，包括水浪的起伏，導(dǎo)致無線電高度讀數(shù)的干擾。地效性能不僅取決于地效飛行器的自身設(shè)計(jì)性能，還深受地效飛行器所處的運(yùn)行環(huán)境影響。在實(shí)際飛行中，左右機(jī)翼所產(chǎn)生的地效性能往往出現(xiàn)較明顯的差異，這是當(dāng)前地效飛行不能穩(wěn)定、安全地運(yùn)行的一個(gè)重要因素。簡而言之，地效飛行器走向?qū)嵱没囊粋€(gè)核心技術(shù)難題在于，地效飛行器必須貼地飛行，這是維系地效飛行的命脈，同時(shí)，這又是超低空飛行的危險(xiǎn)地帶，例如波濤威脅著飛行安全?，F(xiàn)有的航空氣壓高度表和航空無線電高度表無法為地效飛行提供高精度的測(cè)控手段，難以實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)化操控解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，其保障穩(wěn)定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性。本發(fā)明基于科學(xué)原理，提出滿足地效飛行所需的、更有效的地效飛行操控手段，這包括操控參數(shù)、計(jì)量技術(shù)及其裝置。在此基礎(chǔ)上，它還應(yīng)有一定的自動(dòng)化技術(shù)手段，以保障穩(wěn)定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性；自動(dòng)化地保持地效飛行的穩(wěn)定性，減緩駕駛員的操作疲勞，增加地效飛行器的實(shí)用價(jià)值；最后，該系統(tǒng)還可以提供視頻和音頻形式的速度或者高度超限告警能力。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，其特征在于，其包括地效性能數(shù)據(jù)庫、翼渦距離和翼下空速探測(cè)器、誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼-渦距離和翼下空速探測(cè)器與地效性能數(shù)據(jù)庫連接，地效性能數(shù)據(jù)庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)連接，視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺(tái)連接；地效性能數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所設(shè)計(jì)的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數(shù)據(jù)，翼渦距離和翼下空速探測(cè)器利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，誤差控制及算法模塊包括翼-渦距離和翼下空速探測(cè)器安裝位置的幾何數(shù)據(jù)修正計(jì)算，處理平臺(tái)完成飛行高度和速度選擇、操作控制以及自動(dòng)化的監(jiān)控，視頻指示裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的解算信息來完成地效飛行的最大高度、最小高度和飛行速度數(shù)據(jù)的指示功能，音頻告警裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的告警信息來完成地效飛行的高度和速度數(shù)據(jù)告警功能，飛行控制裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的動(dòng)態(tài)指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的跟隨控制。
本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于本發(fā)明保障穩(wěn)定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性。本發(fā)明自動(dòng)化地保持地效飛行的穩(wěn)定性，減緩駕駛員的操作疲勞，增加地效飛行器的實(shí)用價(jià)值；最后，本發(fā)明還可以提供視頻和音頻形式的速度或者高度超限告警能力。


圖I為無地效時(shí)渦流的運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖。圖2為有地效時(shí)渦流的運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖。圖3為本發(fā)明有地效時(shí)渦流的運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖。圖4為本發(fā)明地效飛行管理系統(tǒng)的原理框圖。圖5為本發(fā)明地效飛行器裝有圖形識(shí)別傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明計(jì)算實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的原理示意圖。圖7為本發(fā)明地效性能圖形化顯示控制的一種顯示畫面設(shè)計(jì)方案的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的目的在于，基于科學(xué)原理，提出一種更有效的地效飛行操控手段。在這個(gè)新的技術(shù)解決方案中，首先提出用于控制地效飛行的、新的操控參數(shù)理念，直截了當(dāng)?shù)?、有效地?yīng)用于控制IGE和OGE這兩個(gè)地效性能階段；其次，通過自動(dòng)化的技術(shù)手段，對(duì)這些新的操控參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)督和控制，減少地效飛行的駕駛員的人工操作工作份額。第三，通過應(yīng)用軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化地效飛行的飛行性能管理功能。由此，將這種技術(shù)方案命名為地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，服務(wù)于推進(jìn)地效飛行器實(shí)用化的需求。在提出新的操控參數(shù)方面，本發(fā)明基于地效所致的渦流路徑變化、減少誘導(dǎo)阻力，相當(dāng)于放大了機(jī)翼的展弦比這一技術(shù)原理，將發(fā)生展弦比放大效應(yīng)時(shí)的翼梢端面與分離的渦流路徑之間的直線距離作為一個(gè)操控參數(shù)A(以下簡稱為“翼-渦距離”)，而不是間接地以飛行高度或者飛行速度作為操控基礎(chǔ)，參見圖3。顯然，這個(gè)直線距離最大時(shí)，就是地效性能最大之時(shí)。與之相應(yīng)地，我們得到飛行器利用地效飛行時(shí)的最大可用高度和飛行速度。這樣，就不再需要通過測(cè)量地效飛行器相對(duì)于地面的地理高度方能間接評(píng)估地效性能的間接控制方式。地效性能不僅取決于地效飛行器的自身設(shè)計(jì)性能，還深受地效飛行器所處運(yùn)行環(huán)境的影響。在實(shí)際飛行中，左右機(jī)翼的地效性能往往出現(xiàn)較明顯的差異，這是導(dǎo)致地效飛行失去穩(wěn)定性的一個(gè)原因。因此，可以進(jìn)一步定義左右機(jī)翼各自分別測(cè)量，簡稱為左翼-渦距和右-翼渦距兩個(gè)子參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)精確操控，由此改進(jìn)地效飛行器的飛行穩(wěn)定性，增加實(shí)用價(jià)值，改進(jìn)乘員舒適性。其次，本發(fā)明提出將形成“氣墊”時(shí)的氣流速度作為另一個(gè)操控參數(shù)。前述表明，翼下氣流速度最低時(shí)，“氣墊”效果最大，反之亦然，即當(dāng)翼下氣流速度與鄰近空氣速度一致時(shí)，可認(rèn)為氣墊作用已消失。由此，通過測(cè)量形成“氣墊”的氣流速度(以下簡稱為“翼下空速”)，自動(dòng)化地測(cè)量和操控“氣墊”效果。換言之，當(dāng)翼下氣流最小即“氣墊”效應(yīng)最大時(shí)，就是地效飛行器的最小安全飛行高度。類似地，可以進(jìn)一步分別測(cè)控左右翼下空速，實(shí)現(xiàn)精確操控，由此改進(jìn)地效飛行器的飛行穩(wěn)定性，提升乘員舒適性。在測(cè)量技術(shù)方面，提出通過基于圖形識(shí)別的處理技術(shù)，自動(dòng)化地持續(xù)測(cè)量和操控上述翼渦距離和翼下空速這兩個(gè)參數(shù)。這一測(cè)量手段可以通過全息攝影、視頻攝像、毫米波、紅外和激光探測(cè)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)。附加地，為了增強(qiáng)可視性效果，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的技術(shù)措施，包括在傳感器附近配置柔軟的高強(qiáng)度耐用性纖維質(zhì)編織物，其移動(dòng)狀態(tài)及變化作為圖形識(shí)別技術(shù)的測(cè)量對(duì)象。類似地，也可以利用氣壓變化的基本原理，選用機(jī)電式的位移感受裝置，典型地，例如角位移傳感器，可以精確測(cè)量出受氣流影響而變化的距離，由此建立數(shù)學(xué)模型，測(cè)算出翼渦距離和翼下空速的數(shù)值。 通過計(jì)算機(jī)化的處理平臺(tái)，利用上述翼-渦距離和翼下空速兩個(gè)參數(shù)，通過運(yùn)算，得到用于自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的動(dòng)態(tài)指令，保障地效飛行器按照預(yù)定性能飛行。在自動(dòng)飛行時(shí)，這些指令輸出給地效飛行器的飛行控制裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的跟隨控制；在人工飛行時(shí)，這些指令輸出給顯示系統(tǒng)，以便駕駛員操控。這種操作可以是單一功能的，即僅有操控參數(shù)的測(cè)算功能；也可以是綜合化的，即利用處理平臺(tái)，提供測(cè)量、解算、控制和顯示功能。這種包括操控參數(shù)測(cè)算和處理平臺(tái)的綜合化裝置稱之為地效飛行管理系統(tǒng)。如圖4所示，本發(fā)明地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)包括地效性能數(shù)據(jù)庫、翼渦距離和翼下空速探測(cè)器、誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼渦距離和翼下空速探測(cè)器與地效性能數(shù)據(jù)庫連接，地效性能數(shù)據(jù)庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)連接，頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺(tái)連接；地效性能數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所設(shè)計(jì)的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表征了地效飛行器在各種工作條件下的最大地效升力效果；以及最小翼下空速值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表征了地效飛行器在各種工作條件下的最大“氣墊”效果，由此建立對(duì)應(yīng)于“最大地效升力”和“最大氣墊效應(yīng)”對(duì)應(yīng)的飛行高度和速度數(shù)據(jù)，通過匹配相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，得到所需動(dòng)力值。這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系即可構(gòu)成操控地效飛行所需要的飛行高度、速度和動(dòng)力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。地效性能數(shù)據(jù)庫中所需存放的具體參數(shù)可以不是最終的距離值和速度值，而是探測(cè)這種距離和速度所采用的物理傳感器自身對(duì)應(yīng)的測(cè)量物理量。當(dāng)服務(wù)于自動(dòng)化的飛行管理任務(wù)時(shí)，地效性能數(shù)據(jù)庫還應(yīng)存放完整的地效飛行器性能和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，以便支持地效飛行管理系統(tǒng)的飛行性能計(jì)算和自動(dòng)引導(dǎo)。需要說明的是，上述地效飛行器所設(shè)計(jì)的地效性能自身是研發(fā)地效飛行器所必須進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集和分析過程，這些地效性能是基于物理原理的客觀規(guī)律表現(xiàn)，并非本發(fā)明所特別需要的人為活動(dòng)。翼-渦距離和翼下空速這兩個(gè)操控參數(shù)的效果不僅存在可視性，且存在著溫場(chǎng)和壓場(chǎng)的特殊變化，這是用以測(cè)量的基礎(chǔ)。翼渦距離和翼下空速探測(cè)器利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過圖像識(shí)別技術(shù)來完成精確的距離和速度測(cè)量自身是當(dāng)代圖像識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域的一種典型應(yīng)用。翼梢端面處的上繞渦流和翼下的“氣墊”效果在水面上體現(xiàn)的可視化形式是翻卷的水汽，同時(shí)，力學(xué)作用也必然造成溫場(chǎng)和壓場(chǎng)的變化。典型地，用于本發(fā)明所需的距離和速度探測(cè)器可以通過全息攝影、視頻攝像、毫米波、紅外和激光探測(cè)等技術(shù)手段，結(jié)合具體的可視化設(shè)計(jì)手段來實(shí)現(xiàn)。也可以結(jié)合地效飛行器的總體設(shè)計(jì)構(gòu)思，利用各類機(jī)電式的位移感受裝置，例如角位移傳感器，實(shí)現(xiàn)翼-渦距離和翼下空速這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量。全息攝影普遍應(yīng)用于研究火箭高速飛行時(shí)的沖擊波，視頻攝像和紅外傳感器技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大型民用飛機(jī)的起飛和著陸階段的視景增強(qiáng)，加上計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，國際市場(chǎng)上不僅有了合成視景系統(tǒng)產(chǎn)品，還建立了業(yè)界的適航標(biāo)準(zhǔn)。因此，采集和處理的技術(shù)手段是多種多樣的，是成熟的。誤差控制及算法模 塊是一種用于校準(zhǔn)采集原始數(shù)據(jù)的解算模塊，通常，誤差控制及算法模塊包括翼-渦距離和翼下空速探測(cè)器安裝位置的幾何數(shù)據(jù)修正計(jì)算，也包括實(shí)測(cè)偏差，諸如地效飛行器在不同載重和運(yùn)行環(huán)境條件下翼-渦距離和翼下空速的實(shí)際值數(shù)據(jù)，由此可以通過“數(shù)學(xué)模型+實(shí)測(cè)偏差修正”這一工程常用方式，提供精確而便捷的測(cè)量數(shù)據(jù)輸出。處理平臺(tái)是一種計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)，也可以是低成本的運(yùn)算器芯片形式，它們的內(nèi)部使用應(yīng)用軟件，完成基于IGE和OGE兩個(gè)地效性能的階段對(duì)應(yīng)的飛行高度和速度選擇、操作控制以及自動(dòng)化的監(jiān)控。這種應(yīng)用軟件是多種多樣的，例如，通過距離和速度探測(cè)器所探測(cè)并修正過的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件可以分析和比較地效性能數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，得出所需飛行性能與距離和速度之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值。例如，翼-渦距離的增加體現(xiàn)在附加升力的增加；從而可以導(dǎo)出，在同等升力或者說同等載重條件下，可以減少的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。換言之，這就是更加節(jié)省燃油的飛行高度或者速度。為了便于工程實(shí)用，這些邏輯關(guān)系可以表述為一種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與地效性能數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)比值。無論是翼-渦距離，還是翼下空速，當(dāng)這個(gè)比值為“I”時(shí)，即可表征地效飛行器已經(jīng)達(dá)到最大地效性能，而小于或者大于這個(gè)比值時(shí)，分別表征需要調(diào)節(jié)的控制量變化要求；繼而，通過監(jiān)控這個(gè)比值與數(shù)值“I”的變化趨勢(shì)，得出調(diào)節(jié)控制的參數(shù)變化的操作方向。本發(fā)明提出的一種比值方法是，將設(shè)計(jì)值作為比值的分母，將實(shí)測(cè)值作為分子，這樣的比值變化較為符合人的心理習(xí)慣，方便駕駛員監(jiān)視或操作運(yùn)行。在處理平臺(tái)的應(yīng)用軟件中，典型地還可以包括方便駕駛員操作的地效飛行高度與飛行速度之間的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算，指示輸出和告警功能算法，以便為視頻指示和音頻告警裝置提供所需要的指示和告警信息輸入。在這個(gè)基礎(chǔ)上，處理平臺(tái)就可以通過應(yīng)用軟件，例如地效飛行管理模塊，為地效飛行器提供飛行高度和飛行速度的操控調(diào)節(jié)值，特別地，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化平衡功能，即通過實(shí)時(shí)監(jiān)控，比較和自動(dòng)化補(bǔ)償左右機(jī)翼的地效性能，可以較明顯地減少地效飛行器的波動(dòng)和震蕩，增強(qiáng)了飛行軌跡的穩(wěn)定性，增強(qiáng)地效飛行器的實(shí)用價(jià)值，改進(jìn)乘員舒適性。在地效性能數(shù)據(jù)庫具有完整的地效飛行器性能和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的情況下，地效飛行管理模塊不僅可以提供所需的地效飛行高度和速度值計(jì)算和輸出，還可以與飛行控制裝置交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)地效飛行器的自動(dòng)化飛行管理任務(wù)。典型地，算法的核心能力體現(xiàn)在精確操控IGE和OGE兩個(gè)地效性能的階段，使利用本發(fā)明技術(shù)方案的地效飛行器可以充分發(fā)揮地效性能，自動(dòng)化地保持地效飛行器的飛行軌跡的穩(wěn)定性和均衡性，具有實(shí)用性和競爭性。視頻指示裝置可以采用常規(guī)的電子顯示器，視頻指示裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的解算信息來完成地效飛行的最大高度、最小高度和飛行速度數(shù)據(jù)的指示功能。音頻告警裝置包括揚(yáng)聲器和駕駛員耳機(jī)，音頻告警裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的告警信息來完成地效飛行的高度和速度數(shù)據(jù)告警功能。電子顯示器提供的圖形指示信息包括基于圖形傳感器采集的原始數(shù)據(jù)、由計(jì)算機(jī)模擬的地平線或水平面顯示。這個(gè)視頻形象的地平線可以準(zhǔn)確、有效地彌補(bǔ)駕駛員超低空飛行時(shí)的肉眼觀察地平線的效果，包括實(shí)際地形或水浪的高度輪廓，增強(qiáng)了飛行安全。飛行控制裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的動(dòng)態(tài)指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的跟隨控制，保障地效飛行器按照預(yù)定性能飛行。本發(fā)明利用了一系列的科學(xué)原理，首先，提出利用地效飛行的力學(xué)原理來操控地效飛行的運(yùn)行，而不是簡單地沿用航空器的飛行高度和空速概念進(jìn)行操控的技術(shù)方案。即通過技術(shù)手段自動(dòng)識(shí)別翼渦距離，以及自動(dòng)識(shí)別翼下空速這兩個(gè)典型的地效特征性性能，由此提出地效飛行器操控技術(shù)的一種新的解決方案；其次，通過建立實(shí)測(cè)值與地效性能數(shù)據(jù)的比值這種工程方式，有效而方便地解決了直接針對(duì)IGE和OGE兩個(gè)地效性能階段的操控。第三，通過對(duì)左翼渦距和右翼渦距等子參數(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)了地效飛行器的飛行穩(wěn)定性，增加了地效飛行器的實(shí)用價(jià)值，改進(jìn)了乘員舒適性。在解決問題的思路上，不同于現(xiàn)有的地效飛行器借助航空高度表和航空速度表、并通過簡單測(cè)量飛行高度和飛行速度，間接地控制地效飛行的傳統(tǒng)思維、科學(xué)原理和技術(shù)方案。換言之，本發(fā)明變革了現(xiàn)有的地效飛行控制要素，使地效飛行器的運(yùn)行操作更安全，更實(shí)用。技術(shù)方案的這一變革，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有航空高度表和速度表在地效飛行器上的應(yīng)用精度過差的長期困擾，有效地解決了現(xiàn)有地效飛行器這一新技術(shù)領(lǐng)域中的特殊問題。即通過技術(shù)手段的改變，為解決現(xiàn)有問題提供了一種新的技術(shù)方案。利用本發(fā)明所述的測(cè)量翼-渦距離，以及翼下空速這兩個(gè)參數(shù)來控制地效飛行器的運(yùn)行操作，在具體手段上采用了圖形識(shí)別技術(shù)，有效解決了地效飛行器超低空貼地飛行時(shí)的精確測(cè)量需求，在實(shí)現(xiàn)途徑上不同于地效飛行器業(yè)界現(xiàn)有的、沿用航空界的飛行高度和空速控制方式。本發(fā)明提出操控翼-渦距離，以及翼下空速這兩個(gè)參數(shù)的方式是直接測(cè)量地效性能和效果，從技術(shù)原理上是測(cè)量和判斷地效氣動(dòng)力性能是否滿足地效飛行需求。這種直接滿足地效飛行器運(yùn)行操控的方法改變了業(yè)界現(xiàn)有的、通過沿用航空飛行的測(cè)量地表高度和飛行速度的來推斷地效性能的、間接獲得地效性能的需求。本發(fā)明創(chuàng)新的技術(shù)重點(diǎn)是提出了兩個(gè)直接控制地效飛行器運(yùn)行的操控參數(shù)，本發(fā)明利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比值作為操控解算和判據(jù)。同時(shí)，地效飛行器自身的地效性能計(jì)算、利用圖像識(shí)別技術(shù)完成參數(shù)測(cè)量、通過電子裝置實(shí)現(xiàn)識(shí)別、計(jì)算、指示和告警等技術(shù)，在他們各自的技術(shù)領(lǐng)域里，是成熟的，是這些領(lǐng)域的技術(shù)人員普遍知曉的。如圖5所示，在地效飛行器的左右機(jī)翼的翼梢端面外側(cè)和下方各裝備一套圖形識(shí)別傳感器(星狀符號(hào)示意)，稱之為翼梢傳感器。其中，外側(cè)傳感器識(shí)別和探測(cè)翼-渦距離，下方傳感器識(shí)別和探測(cè)翼下空速；在飛行器的頭部，配置一套有一定前傾角、從而具有一定前視功能的圖形識(shí)別傳感器，稱之為頭部傳感器，它識(shí)別前方地平線輪廓，以及探測(cè)飛行器頭部位置的空速數(shù)據(jù)。這些圖形識(shí)別傳感器自身可以使用現(xiàn)有的測(cè)量傳感器手段，包括各類基于計(jì)算機(jī)控制的全息攝影、視頻攝像、毫米波、紅外、激光或者COMS圖像測(cè)量傳感器等技術(shù)手段，結(jié)合具體的可視化設(shè)計(jì)手段來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)費(fèi)充裕時(shí)，也可將不同種類的圖形傳感器組合起來，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成適合地效飛行器專用的測(cè)量傳感器這一產(chǎn)品形式。
本發(fā)明提出的一種翼-渦距離實(shí)測(cè)數(shù)值與理論最大值的比值公式如下式(I)操控參數(shù)Hmax =實(shí)測(cè)數(shù)值/理論最大值............式(I)本發(fā)明提出的一種翼下空速的實(shí)測(cè)數(shù)值與鄰近氣流流速數(shù)值的比值公式如下式(2)操控參數(shù)Hmin =翼下空速/鄰近氣流流速............式(2)地效效應(yīng)在飛行器運(yùn)行時(shí)生成，而可用的地效性能需要達(dá)到一定速度后才能產(chǎn)生，即翼梢處上繞渦流開始與翼梢端面產(chǎn)生分離。由翼梢外側(cè)傳感器采集這個(gè)距離變化的數(shù)據(jù)。翼梢下方的傳感器采集翼下氣流的流速數(shù)據(jù)，作為翼下空速數(shù)據(jù)。頭部傳感器采集頭部位置的氣流流速，作為計(jì)算Hmin所需的鄰近氣流流速的數(shù)值，頭部傳感器還要探測(cè)前方地形輪廓，為識(shí)別和回避前方障礙提供視覺識(shí)別和告警的信息輸入。計(jì)算平臺(tái)利用翼梢傳感器測(cè)得的翼-渦距離實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與地效性能數(shù)據(jù)庫的理論最大數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，即得到操控參數(shù)Hmax。在圖6中，數(shù)字I為機(jī)翼的示意，數(shù)字2為翼-渦直線距離的變化示意；數(shù)字3為翼-渦直線距離的測(cè)量示意，最外側(cè)的距離即為最大距離。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率持續(xù)增加時(shí)，操控參數(shù)Hmax的比值由小到大，也就是表征了 IGE這一過程。當(dāng)達(dá)到一個(gè)所設(shè)計(jì)的比值時(shí)，地效飛行器即可脫離地面，騰空飛行。這一點(diǎn)可以定為起飛離地速度，由此推導(dǎo)出起飛離地距離；如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率持續(xù)增加，操控參數(shù)Hmax的比值繼續(xù)增加，比值達(dá)到I時(shí)，達(dá)到最大地效飛行的高度，以及對(duì)應(yīng)的飛行速度。無論發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)一步增加，還是從此減少，操控參數(shù)Hmax的比值都會(huì)向小I的方向變化，地效性能從此開始衰退。進(jìn)而，操控參數(shù)Hmax的比值下降意味著地效性能所提供的附加升力在下降，這就精確地表征了 OGE過程。直到操控參數(shù)Hmax的比值減少到一個(gè)特定設(shè)計(jì)值時(shí)，可以認(rèn)為地效性能基本喪失，這一點(diǎn)如果是發(fā)動(dòng)機(jī)功率減少所致，所對(duì)應(yīng)的飛行速度為著陸的速度值；這一點(diǎn)如是發(fā)動(dòng)機(jī)功率持續(xù)增加所致，所對(duì)應(yīng)的飛行速度即可用于判斷OGE階段結(jié)束，地效飛行器需要完全依賴自身的飛行性能實(shí)現(xiàn)騰空飛行。計(jì)算平臺(tái)利用翼梢端面向下方安裝的傳感器測(cè)得的翼下空速，與頭部傳感器測(cè)得的氣流流速比較，即操控參數(shù)Hmin的比值。操控參數(shù)Hmin的比值趨向于變小時(shí)，表征為IGE過程。Hmin比值達(dá)到最小時(shí)，即認(rèn)為翼下氣流的流速最小，“氣墊”效應(yīng)最大。對(duì)應(yīng)地，得到地效飛行的最低高度，以及相應(yīng)的飛行速度。相反，操控參數(shù)Hmin的比值趨向于增加時(shí)，“氣墊”效應(yīng)在減小，表征為OGE過程。操控參數(shù)Hmin的比值接近于I時(shí)，可以認(rèn)為“氣墊”效應(yīng)基本消失。此時(shí)對(duì)應(yīng)的高度和飛行速度可作為地效飛行器脫離地效“氣墊”效應(yīng)時(shí)的控制參數(shù)。可見，通過Hmax和Hmin這兩個(gè)參數(shù)控制，我們得到了地效飛行器利用地效飛行時(shí)的最大飛行高度和最小飛行高度。在最大與最小飛行高度范圍內(nèi)，我們得到了地效飛行器利用地效飛行的實(shí)用高度范圍。Hmax和Hmin這兩個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)直截了當(dāng)?shù)乇碚髁说匦эw行的IGE和OGE這兩個(gè)地效性能的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了地效飛行性能的精確判斷。地效作用與飛行速度直接相關(guān)。如果高度不變，通過速度變化來獲得相應(yīng)的地效性能變化。為了方便駕駛員的監(jiān)控和操作，我們可以列出地效飛行的飛行高度與飛行速度組合數(shù)據(jù)表；通過這種組合表，我們可以導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率關(guān)系。本發(fā)明提出的一種典型的Hmax、高度、速度和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的飛行實(shí)用數(shù)據(jù)系列組合如表I所示。表IHmax、高度、速度和發(fā)動(dòng)機(jī)功率數(shù)據(jù)組合表
權(quán)利要求
1.一種地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，其特征在于，其包括地效性能數(shù)據(jù)庫、翼渦距離和翼下空速探測(cè)器、誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼渦距離和翼下空速探測(cè)器與地效性能數(shù)據(jù)庫連接，地效性能數(shù)據(jù)庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)連接，視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺(tái)連接；地效性能數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所設(shè)計(jì)的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數(shù)據(jù)，翼渦距離和翼下空速探測(cè)器利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，誤差控制及算法模塊包括翼-渦距離和翼下空速探測(cè)器安裝位置的幾何數(shù)據(jù)修正計(jì)算，處理平臺(tái)完成飛行高度和速度選擇、操作控制以及自動(dòng)化的監(jiān)控，視頻指示裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的解算信息來完成地效飛行的最大高度、最小高度和飛行速度數(shù)據(jù)的指示功能，音頻告警裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的告警信息來完成地效飛行的高度和速度數(shù)據(jù)告警功能，飛行控制裝置根據(jù)處理平臺(tái)提供的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的動(dòng)態(tài)指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的跟隨控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，其特征在于，所述地效飛行器的左右機(jī)翼的翼梢端面外側(cè)和下方各裝備一套圖形識(shí)別傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，其特征在于，所述處理平臺(tái)是一種計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地效飛行器的地效飛行管理系統(tǒng)，其包括地效性能數(shù)據(jù)庫、翼渦距離和翼下空速探測(cè)器、誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼渦距離和翼下空速探測(cè)器與地效性能數(shù)據(jù)庫連接，地效性能數(shù)據(jù)庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺(tái)連接，視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺(tái)連接；地效性能數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所設(shè)計(jì)的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數(shù)據(jù)，翼渦距離和翼下空速探測(cè)器利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明保障穩(wěn)定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性。
文檔編號(hào)G05D1/00GK102629139SQ20121010227
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者顧世敏 申請(qǐng)人:中國航空無線電電子研究所