一种基于跑道识别的飞机自动刹车系统及方法与流程

本发明涉及民用飞机领域，具体是一种基于跑道识别的飞机自动刹车系统及方法。

背景技术：

1、机轮刹车系统是飞机的最重要的系统之一，在飞机的起飞和着陆过程中起着重要的作用。飞机着陆后飞行员采用脚蹬刹车或者自动刹车实现飞机的减速功能。其中，自动刹车广泛应用于民用飞机中，通过飞行员选择不同档位，实施恒减速率刹车，在飞机着陆后自动实施刹车减轻飞行员的工作负担。但是其为预设恒减速率刹车，为提升机组人员以及乘客的舒适度，构建基于跑道识别的自动刹车系统以及方法保障军、民用飞机的使用。

2、公开号cn108146622a的发明中公开了使用自动刹车开关的飞机电传刹车系统及刹车方法，该发明中自动刹车系统分为一级刹车和二级刹车，一级自动刹车和二级自动刹车分别输出不同的刹车压力通过防滑系统来实施刹车。但该发明中自动刹车不同级输出不同最大刹车压力，没有对于具体的控制方法的描述。

3、公开号cn102092373a的发明中公开了一种飞机自动刹车方法及装置，该发明中通过自动刹车选择开关选择不同档位，根据预设的减速率实施恒减速率刹车。但是该发明中选定一个档位只能施加一个减速率，如果想要改变减速率只能改变不同档位进行，不能根据跑道的实际工况进行减速率的自动调整。

4、公开号为cn202111102552.x发明中公开了一种飞机自动刹车的控制系统及控制方法，该发明中通过自动刹车选择开关选择不同档位，根据预设的减速率实施恒减速率刹车，但是该发明中是只能根据固定减速率实施刹车，不能根据跑到距离自动控制飞机进行减速，也不能根据跑道实际工况进行自动调整。

5、现有技术中，飞机的机轮刹车系统具备自动刹车功能，飞行员可以选择不同的减速率。但是没有根据实际跑道工况自动调整减速率，也没有进行分段式刹车，在不同的时间段进行不同减速率的刹车，提高乘客的舒适度以及刹车效率。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的不能根据跑道实际工况自动调整减速率，且自动刹车过程只能采用恒定减速率刹车的不足，本发明提供了一种基于跑道识别的飞机自动刹车系统及方法。

2、本发明提出的基于跑道识别的飞机自动刹车系统包括刹车开关、前左机轮速度传感器、前右机轮速度传感器、机轮刹车系统、显示模块、告警模块和地面跑道数据模块。其中：所述刹车开关的输出端与机轮刹车系统的刹车控制器的第一输入端电气连接，接收刹车开关发出的开关信号；前左机轮速度传感器的输出端与机轮刹车系统的刹车控制器的第二输入端电气连接，接收前左机轮速度传感器检测的前左机轮加速度信号；前右机轮速度传感器的输出端与机轮刹车系统的刹车控制器的第三输入端电气连接，接收前右机轮速度传感器检测的前由机轮加速度信号；机轮刹车系统的刹车控制器的第一输出端与显示模块的输入端电气连接，接收刹车控制器发送的需显示的信息；机轮刹车系统的刹车控制器的第二输出端与告警模块的输入端电气连接，接收刹车控制器发送的需告警的信息；机轮刹车系统的刹车控制器的第三输出端与所述地面跑道数据模块的输入端电气连接，地面跑道数据模块接收刹车控制器发送的飞机型号、轮胎类型、轮胎压力和飞机重量；地面跑道数据模块的输出端与机轮刹车系统的刹车控制器的第四输入端电气连接，接收地面跑道数据模块发送的跑道信息；所述跑道信息包括跑道距离以及跑到能够提供的最大加速度。

3、本发明提出的基于跑道识别的飞机自动刹车系统自动刹车的具体过程是：

4、步骤1、判断机轮刹车系统是否处于自动刹车待命状态：

5、通过刹车控制器判断机轮刹车系统是否处于自动刹车待命状态。

6、在判断是否处于自动刹车待命状态时，以刹车控制器接收的轮载信息、刹车开关信息、液压源压力信息，以及指令传感器采集脚蹬位移信息共计四个判断条件。

7、在判断机轮刹车系统是否处于自动刹车待命状态时，当获取的轮载信息指示飞机在空中、液压源压力信息＞自动刹车压力阈值ph、刹车开关信息指示在打开、且采集到的脚蹬位移信息pd与脚蹬刹车阈值pc之间的关系为pd≤pc，当同时满足所述四个判断条件时，刹车控制器判断处于自动刹车待命状态；反之，当所述四个判断条件中有任一个判断条件不满足时，则刹车控制器判断处于非自动刹车待命状态。

8、步骤2、刹车控制器接收跑道信息；

9、刹车控制器发送飞机型号信号、轮胎类型信号、轮胎压力信号和飞机重量信号至地面跑道数据模块。通过所述地面跑道数据模块对飞机型号信号、轮胎类型信号、轮胎压力信号和飞机重量信号的匹配，查询到跑道信息；所述跑道信息包括跑道距离s和跑道能够提供的最大加速度amax。将得到的跑道信息发送给刹车控制器。

10、步骤3、判断是否激活自动刹车：

11、在判断所述刹车控制器是否激活自动刹车时，通过刹车控制器分别接收轮载信息、前左机轮速度传感器获取前机轮速度vn1，以及前右机轮速度传感器获取前机轮速度vn2。

12、判断是否激活自动刹车的具体过程是，当获取的轮载信息指示飞机在地面且持续时间为t1，或两个前机轮速度vn1和vn2均≥自动刹车激活速度阈值vc，且持续时间t2，当上述两个条件任一条件满足时，刹车控制器判断自动刹车激活；反之，则刹车控制器判断处于自动刹车非激活状态。

13、式中，t1为轮载持续时间阈值，vc为自动刹车的激活速度阈值，t2为自动刹车的速度持续时间阈值。

14、步骤4、确定飞机平均加速度：

15、通过刹车控制器确定飞机平均加速度。所述刹车控制器根据跑道距离s，通过公式(1)计算飞机平均加速度a0：

16、

17、式中，a0为飞机平均加速度，v0为飞机着陆时的初始速度，s为跑道距离。

18、将得到的飞机平均加速度a0与跑道能够提供的最大加速度amax进行比较，如果a0＞amax，则解除自动刹车，并向显示单元发送信息告知飞行员；如果a0≤amax，则继续执行步骤5。

19、步骤5、判断飞机加速度是否正常：

20、通过所述刹车控制器判断飞机加速度是否正常。

21、所述刹车控制器在判断飞机加速度是否正常时，根据该刹车控制器接收到的飞机实时加速度at、前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2，通过公式(2)、(3)、(4)判断飞机加速度是否正常：

22、|at-an1|≤ac                                         (2)

23、|at-an2|≤ac                                         (3)

24、|an1-an2|≤ac                                         (4)

25、式中，at为飞机实时加速度，an1为前左机轮的加速度，an2为前右机轮的加速度，ac为加速度误差阈值。

26、在判断飞机加速度是否正常时，若at、an1和an2同时满足公式(2)(3)和(4)，则认为该飞机实时加速度at、前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2均正常。

27、若at、an1和an2满足公式(2)和(3)，不满足公式(4)，则认为所述飞机实时加速度at、前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2均正常。

28、若at、an1和an2满足公式(2)和(4)，不满足公式(3)，则认为所述飞机实时加速度at、前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2均正常。

29、若at、an1和an2满足公式(3)和(4)，不满足公式(2)，则认为所述飞机实时加速度at、前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2均正常。

30、若at、an1和an2满足公式(2)，不满足公式(3)和(4)，则认为所述飞机实时加速度at和前左机轮的加速度an1正常，前右机轮的加速度an2故障。

31、若at、an1和an2满足公式(3)，不满足公式(2)和(4)，则认为所述飞机实时加速度at和前右机轮的加速度an2正常，飞机实时加速度an1故障。

32、若at、an1和an2满足公式(4)，不满足公式(2)和(3)，则认为所述前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2正常，飞机实时加速度at故障。

33、若at、an1和an2同时不满足公式(2)、(3)和(4)，则认为飞机实时加速度at、前左机轮的加速度an1和前右机轮的加速度an2均故障。

34、步骤6、确定飞机加速度在正常与否各状态下的基准加速度：

35、通过刹车控制器确定基准加速度。

36、当步骤5判断at、an1和an2均正常时，通过公式(5)确定该状态下的基准加速度ab：

37、

38、当步骤5中判断at和an1正常，且an2故障时，通过公式(6)确定该状态下的基准加速度ab：

39、

40、当步骤5中判断at和an2正常，且an1故障时，通过公式(7)确定该状态下的基准加速度ab：

41、

42、当步骤5中判断an1和an2正常，且at故障时，通过公式(8)确定该状态下的基准加速度ab：

43、

44、当步骤5中判断at、an1和an2均故障，退出自动刹车功能，并且发送退出自动刹车功能信息到显示单元告知飞行员。

45、步骤7、刹车控制器判断进行恒减速率刹车或者分段式刹车；

46、若步骤4中飞机平均减速率a0和最大加速度amax之间满足a0≤0.9*amax，则执行步骤九进行分段式刹车。

47、若飞机平均减速率a0和最大加速度amax之间满足0.9*amax＞a0≤amax，则执行步骤8进行恒减速率刹车。

48、若飞机平均减速率a0和最大加速度amax之间满足a0。＞amax，则输出最大刹车压力3000psi，同时发送冲出跑道告警信息给飞行员。

49、步骤8、实施恒减速率刹车；

50、刹车控制器实施恒减速率刹车时，从恒减速率压力初始值pc按照预设上升斜率k7上升；

51、当检测到基准减速率ab＞a0-ac时，通过飞机基准加速度ab与平均加速度a0的差值进行pid控制计算刹车压力prc：

52、prc＝(ab-a1)×pid

53、式中，prc为刹车压力。

54、步骤9、确定飞机加速度：

55、在确定飞机加速度时，首先确定刹车过程。通过刹车控制器将所述刹车过程分为三段刹车过程，分别实施不同加速度的刹车。所述三段刹车过程分别为第一段刹车过程、第二段刹车过程和第三段刹车过程。所述第一段刹车过程、第二段刹车过程和第三段刹车过程分别对应第一恒定加速度a1、第二恒定加速度a2和第三恒定加速度a3。

56、确定的三段刹车过程分别对应的恒定加速度的具体过程是：刹车控制器根据飞机平均加速度a0、设定的第一段刹车过程的第一恒定加速度增益值k1，通过公式(9)计算第一段刹车过程的第一恒定加速度a1：

57、a1＝k1*a0                                        (9)

58、根据第一段刹车过程的第一距离增益值k4、跑道距离s，通过公式(10)计算第一段刹车过程距离s1：

59、s1＝k4*s                                         (10)

60、式(9)和(10)中：a1为第一段跑道加速度；a0为平均加速度；k1为飞机在第一段刹车过程的第一恒定加速度增益值，k1为0～1；s1为第一段刹车过程距离；s为跑道距离；k4为飞机在第一段刹车过程的第一距离增益值，k4为0～1。

61、刹车控制器根据飞机平均加速度a0、设定的第二段刹车过程的第二恒定加速度增益值k2，通过公式(11)计算第二段刹车过程的第二恒定加速度a2：

62、a2＝k2*a0                                        (11)

63、根据第二段刹车过程的第二距离增益值k5、跑道距离s，通过公式(12)计算第二段刹车过程距离s2

64、s2＝k5*s                                         (12)

65、式(11)和(12)中，a2为第二段刹车过程加速度；a0为平均加速度；k2为飞机在第二段刹车过程的第二恒定减速率增益值，k2大于1；s2为第二段刹车过程距离；s为跑道距离；k5为飞机在第二段刹车过程的第二距离增益值，k5为0～1。

66、刹车控制器根据飞机平均加速度a0、设定的第三段刹车过程的第三恒定加速度增益值k3，通过公式(13)计算第三段刹车过程的第三恒定减速率a3：

67、a3＝k3*a0                                          (13)

68、根据第三段刹车过程的距离增益值k6、跑道距离s，通过公式(14)计算第三段刹车过程距离s3：

69、s3＝k6*s                                           (14)

70、式(13)和(14)中，a3为第三段刹车过程加速度；k3为飞机在第三段刹车过程的第三恒定减速率增益值，k3为0～1；a0为平均加速度；s3为第三段刹车过程距离；s为跑道距离；k6为飞机在第三段刹车过程的第三距离增益值，k6为0～1。

71、所述k1、k2、k3、k4、k5和k6均满足公式(15)：

72、k1*k4+k2*k5+k3*k6＝1                             (15)

73、步骤10、实施分段刹车：

74、通过刹车控制器实施分段刹车。

75、当飞机在第一段刹车过程实施刹车时，刹车控制器输出的刹车压力为pr1，刹车压力从0开始按照压力上升斜率k7上升。

76、飞机在第一段刹车过程实施刹车的具体过程是，

77、通过刹车控制器判断第一段刹车过程的加速度a1与基准加速度ab的差值是否大于预先设定的加速度误差阈值ac，当a1-ab＞ac时，刹车压力pr1按照压力上升斜率k7继续上升；当a1-ab≤ac时，通过基准速度ab与第一段刹车过程加速度a1的差值，进行pid控制计算第一段跑道刹车压力pr1：

78、pr1＝(ab-a1)×pid

79、式中，ab为基准加速度，a1为第一段跑道加速度，pr1为第一段跑道刹车压力。

80、当飞机在第二段刹车过程实施刹车时，刹车控制器输出的刹车压力pr2，刹车压力从第一段刹车过程刹车有压力pr1开始，使该压力按上升斜率k7上升。

81、飞机在第二段刹车过程实施刹车的具体过程是，

82、通过刹车控制器判断第二段刹车过程的加速度a2与基准加速度ab的差值是否大于预先设定的加速度误差阈值ac，当a2-ab＞ac时，刹车压力pr2按照压力上升斜率k7继续上升；当a2-ab≤ac时，通过基准加速度ab与第二段刹车过程加速度a2的差值，进行pid控制计算第二段刹车过程刹车压力pr2：

83、pr2＝(ab-a2)×pid

84、式中，ab为基准加速度，a2为第二段刹车过程的加速度，pr2为第二段刹车过程刹车压力。

85、当飞机在第三段刹车过程实施刹车时，刹车控制器输出的刹车压力pr3，刹车压力从第二段刹车过程刹车有压力pr2开始按照压力下降斜率k8进行下降。

86、飞机在第三段刹车过程实施刹车的具体过程是，

87、刹车控制器判断基准加速度ab与第三段刹车过程的加速度a3的差值是否大于预先设定的加速度误差阈值ac，当ab-a3＞ac时，刹车压力pr2按照压力下降斜率k8继续下降；当ab-a3≤ac时，通过基准加速度与第三段刹车过程加速度a3的差值进行pid控制计算第三段刹车过程刹车压力pr3：

88、pr3＝(ab-a3)×pid

89、式中，ab为基准加速度，a3为第三段刹车过程加速度，pr3为第三段刹车过程刹车压力。

90、步骤11、刹车控制器判断是否对自动刹车功能进行脚蹬超控：

91、通过刹车控制器判断是否对自动刹车功能进行脚蹬超控。

92、上升刹车控制器接收指令传感器检测的脚蹬指令信号，当脚蹬指令≥脚蹬指令超控阈值po且持续时间≥t3时，刹车控制器判断自动刹车功能被脚蹬超控，执行步骤12；反之，则继续实施自动刹车。

93、步骤12、刹车控制器实施脚蹬刹车：

94、如果脚蹬指令压力＜自动刹车压力，则按照压力下降斜率k8使压力下降，直至刹车压力≤脚蹬刹车指令；如果脚蹬指令指令≥自动刹车压力，按照压力上升斜率k7进行压力上升直至刹车压力≥脚蹬刹车指令。

95、步骤13、判断是否退出自动刹车：

96、通过刹车控制器判断是否退出自动刹车。

97、在判断是否退出自动刹车时，刹车控制器接收速度传感器检测到的机轮速度信号。当机轮速度≤退出自动刹车速度阈值，或者检测到刹车开关为关时，刹车控制器退出自动刹车。

98、反之，则继续实施自动刹车。

99、至此，完成所述基于跑道识别的飞机自动刹车系统自动刹车过程。

100、本发明能够实现对机轮刹车系统的基于跑道识别的精准控制。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

101、1.本发明在传统系统中增加了地面跑道数据模块，提出的自动刹车方法能够根据选定的跑道，通过跑道数据库匹配跑道提供的减速率进行减速。

102、2.本发明提出了将选定跑道进行分段处理，增加了前左机轮速度传感器和前右机轮速度传感器用以检测前机轮速度，更准确快速的获得飞机速度，根据飞机速度以及跑道距离将刹车过程分为三段，按照第一段刹车过程减速率递增，第二段刹车过程减速率最大，第三段刹车过程减速率递减的规律进行减速，提升了乘客的舒适度。

103、3.本发明提出了跑道提供的减速率能力，通过跑道提供的减速率判断实施恒减速率、分段减速或者最大刹车压力的方式，降低飞机冲出跑道的风险。

104、刹车控制器通过飞机型号、轮胎类型、轮胎压力以及飞机重量匹配跑道距离以及跑道提供的最大加速度，根据不同工况，判断实施恒减速率刹车、分段式刹车或者输出最大刹车压力，实现了在规定跑道距离自动刹停飞机，减轻了飞行员的负担，飞机刹车的安全性提高了8％，飞机冲出跑道的风险降低了3％。同时，将跑道进行分段处理，采用第一段跑道减速率低，第二段跑道减速率高，第三段跑道减速率低的刹车方式，提升了乘客的舒适度。