尾座式共轴双旋翼飞行器单旋翼失效的检测与处置方法及飞控系统与流程

本发明涉及电动垂直起降飞行器飞行控制，具体涉及一种尾座式共轴双旋翼飞行器在单旋翼失效工况下的失效检测与处置方法，以及实现该方法的飞控系统。

背景技术：

1、尾座式共轴双旋翼电动垂直起降飞行器（共轴主旋翼组与翼尖推进桨、滑流内副翼组合布局）在悬停与低速模态下，偏航通道依赖共轴上旋翼与下旋翼的差速（反扭矩差）。当上旋翼或下旋翼之一发生失效（电机或电子调速器故障）时，传统闭环控制无法辨识失效侧：失效旋翼的拉力指令被闭环持续泵高至饱和，健在旋翼反被压低，整机在数秒内失控坠地，留给飞控系统的处置时间窗口极短。

2、进一步地，单旋翼失效的运动学特征（共轴拉力指令不对称、偏航自旋及其增长趋势）与阵风拍击、阵风纠偏的运动学特征高度重叠：阵风拍击施加的偏航力矩恰好使偏航控制环输出同样的不对称指令与自旋增长，仅基于运动学统计量的检测方法无法区分二者，误触发率不可接受——误锁会把正常的阵风纠偏误判为旋翼失效，反而制造事故。

3、此外，单旋翼失效后偏航通道的共轴差速能力减半甚至归零，按健康构型调参的常规应急处置链（如阵风翻滚改出处置链、大风迎风悬停保持处置链）若直接作用于失效构型，会与失效处置相互干扰。

4、在大风迎风悬停（风悬）工况下，问题更为突出：失效处置与顶风作战争夺推进桨权限，当推进桨为顶风保持位置而顶满转速时，其偏航差动权限物理归零，形成"死螺旋"，加速整机坠地。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：提供一种尾座式共轴双旋翼飞行器单旋翼失效的检测与处置方法及飞控系统，使单旋翼失效能够被快速、准确地检测并锁存失效侧——尤其能够在运动学特征与阵风拍击高度重叠的工况下区分真实失效与阵风扰动，避免误锁；并在锁存后完成控制再分配与分级应急处置，实现全包线的安全处置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种尾座式共轴双旋翼飞行器单旋翼失效的检测与处置方法，所述尾座式共轴双旋翼飞行器包括共轴布置的上旋翼与下旋翼、分设于左右翼尖的左推进桨与右推进桨以及滚转操纵面，所述上旋翼与所述下旋翼各自由驱动电机驱动，所述飞行器设有推力回读装置，所述推力回读装置用于回读所述上旋翼与所述下旋翼的实发推力，所述推力回读装置为所述驱动电机的电子调速器的遥测回读、电流传感器、电压传感器、转速传感器与拉力传感器中的至少一种，所述滚转操纵面为位于所述上旋翼与所述下旋翼的滑流内的副翼、襟副翼与左右差动推力单元中的至少一种，包括以下步骤：步骤 1：实时采集所述上旋翼与所述下旋翼的拉力指令、所述推力回读装置回读的实发推力、机体运动学特征以及风悬子状态，所述机体运动学特征包括机体偏航角速度，以及滚转角速度与姿态角变化率中的至少一种；步骤 2：按所述风悬子状态分级设定失效检测门限，所述风悬子状态为非激活时采用静风档门限组，所述风悬子状态为激活时采用风悬档门限组，所述风悬档门限组的偏航自旋门限高于所述静风档门限组的偏航自旋门限，且所述风悬档门限组的确认窗时长不短于所述静风档门限组的确认窗时长；当所述上旋翼与所述下旋翼的拉力指令之差超过不对称门限、且至少一项所述机体运动学特征满足失效特征条件并持续达到所述确认窗时长时，判定存在疑似单旋翼失效，所述上旋翼与所述下旋翼中拉力指令较大的一侧为被泵高一侧；所述失效特征条件包括方向锁定条件，所述方向锁定条件要求所述机体偏航角速度的方向，与假定所述被泵高一侧旋翼失效时整机残存反扭矩所引起的自旋方向一致；步骤 3：以所述推力回读装置回读的实发推力为确认证据，当所述被泵高一侧旋翼的实发推力跌落至其拉力指令的规定比例以下、且该跌落持续达到所述确认窗时长时，确认所述疑似单旋翼失效成立、判定该侧旋翼失效并锁存失效侧；当在所述确认窗时长内所述实发推力跟踪所述拉力指令时，撤销所述疑似单旋翼失效的判定并按健康构型维持控制，阵风拍击与阵风纠偏工况由此被结构性否决；步骤4：按锁存的失效侧执行健康感知控制再分配：将失效侧旋翼的拉力指令清零，由健在侧旋翼承担所述上旋翼与所述下旋翼的合计拉力需求，将偏航通道由共轴差速切换为所述左推进桨与所述右推进桨的差动拉力，滚转通道由所述滚转操纵面承担；步骤 5：将所述单旋翼失效的锁存设为最高优先级失能事件，在所述锁存生效期间挂起其它应急处置链并禁止被挂起的所述其它应急处置链重新武装，当所述锁存与所述其它应急处置链在同一控制拍内竞争时所述锁存优先生效、所述其它应急处置链立即复位，由再分配后的控制构型全权接管；步骤 6：执行分级应急出口：冻结航向目标并切换至应急控制增益，按风况分级处置——静风工况下待姿态回稳后原地降落；风悬工况下先保持姿态，待姿态回稳后按离地高度分流，执行增速转入固定翼巡航或原地受控降落。

3、进一步地，所述尾座式共轴双旋翼飞行器还包括风速估计模块，所述风悬子状态由所述风速估计模块的输出确定，所述风悬子状态在所述风速估计模块估计的来流风速不小于风悬分界风速时激活；所述静风档门限组与所述风悬档门限组分别由所述风悬子状态的激活与未激活选定。

4、进一步地，当离地高度低于规定的武装高度时，步骤 2 与步骤 3 的失效检测不启动。

5、进一步地，步骤 2 中，所述机体运动学特征为所述机体偏航角速度，所述失效特征条件为所述方向锁定条件。

6、进一步地，步骤 3 中，所述规定比例为 40%~80%。

7、进一步地，步骤 4 中，将偏航通道切换为所述差动拉力时，将所述健在侧旋翼的反扭矩作为前馈项计入所述差动拉力的分配；所述滚转操纵面为位于所述上旋翼与所述下旋翼的滑流内的副翼；在固定翼巡航模态下发生所述单旋翼失效时，失效侧旋翼的拉力指令清零，由健在侧旋翼独担动态平尾的俯仰配平职能。

8、进一步地，步骤 5 中，被挂起的所述其它应急处置链包括翻滚改出处置链与风悬保持处置链。

9、进一步地，步骤 6 中，所述冻结航向目标为将航向目标冻结为锁存时的当期航向；所述姿态回稳的判据为：机体姿态角速度低于规定角速度值、姿态偏差低于规定角度值并持续规定时长；静风工况下，姿态回稳确认后执行原地垂直降落。

10、进一步地，步骤 6 中，风悬工况下先挂起风悬保持处置链、保持姿态并任其随风漂移，姿态回稳确认后：当离地高度不低于规定高度值时，进入前过渡增速并转入机翼承载的固定翼巡航；当离地高度低于规定高度值时，执行原地受控降落。

11、本发明的另一技术方案为：一种尾座式共轴双旋翼飞行器单旋翼失效的检测与处置方法，所述尾座式共轴双旋翼飞行器包括共轴布置的上旋翼与下旋翼、分设于左右翼尖的左推进桨与右推进桨以及滚转操纵面，所述上旋翼与所述下旋翼各自由驱动电机驱动，所述飞行器设有推力回读装置，所述推力回读装置用于回读所述上旋翼与所述下旋翼的实发推力，包括以下步骤：步骤 1：实时采集所述上旋翼与所述下旋翼的拉力指令、所述推力回读装置回读的实发推力以及机体运动学特征，所述机体运动学特征包括机体偏航角速度、滚转角速度与姿态角变化率中的至少一种；步骤 2：当所述上旋翼与所述下旋翼的拉力指令之差超过不对称门限、且至少一项所述机体运动学特征满足失效特征条件并持续达到确认窗时长时，判定存在疑似单旋翼失效，所述上旋翼与所述下旋翼中拉力指令较大的一侧为被泵高一侧；步骤 3：以所述推力回读装置回读的实发推力为确认证据，当所述被泵高一侧旋翼的实发推力跌落至其拉力指令的规定比例以下时，确认所述疑似单旋翼失效成立、判定该侧旋翼失效并锁存失效侧；当所述实发推力跟踪所述拉力指令时，撤销所述疑似单旋翼失效的判定并按健康构型维持控制；步骤 4：按锁存的失效侧执行健康感知控制再分配：将失效侧旋翼的拉力指令清零，由健在侧旋翼承担所述上旋翼与所述下旋翼的合计拉力需求，将偏航通道由共轴差速切换为所述左推进桨与所述右推进桨的差动拉力，滚转通道由所述滚转操纵面承担；步骤 5：将所述单旋翼失效的锁存设为最高优先级失能事件，挂起其它应急处置链，由再分配后的控制构型接管；步骤 6：执行分级应急出口：冻结航向目标并切换至应急控制增益，按风况分级处置——静风工况下待姿态回稳后原地降落；风悬工况下先保持姿态，待姿态回稳后按离地高度分流，执行增速转入固定翼巡航或原地受控降落。

12、本发明还提供一种尾座式共轴双旋翼飞行器单旋翼失效处置飞控系统，包括：飞控计算机；共轴上旋翼动力组与共轴下旋翼动力组，各包括旋翼、驱动电机和电子调速器；推力回读装置，所述推力回读装置用于回读所述共轴上旋翼动力组与所述共轴下旋翼动力组的实发推力，所述推力回读装置为所述驱动电机的电子调速器的遥测回读、电流传感器、电压传感器、转速传感器与拉力传感器中的至少一种，所述推力回读装置的信号输出端与所述飞控计算机的信号输入端连接；分设于左右翼尖的左推进桨动力组与右推进桨动力组；滚转操纵面，所述滚转操纵面为位于所述共轴上旋翼动力组与所述共轴下旋翼动力组的滑流内的副翼、襟副翼与左右差动推力单元中的至少一种；以及与所述飞控计算机连接的姿态惯性测量单元；所述飞控计算机被配置为执行上述的检测与处置方法。

13、本发明的有益效果在于：其一，以推力回读装置回读的实发推力崩塌作为失效确认证据，所述推力回读装置可由电子调速器的遥测回读、电流传感器、电压传感器、转速传感器与拉力传感器中的至少一种实现，利用了失效与阵风在"指令—实发推力"因果关系上的结构性差异——单旋翼失效时被泵高一侧的实发推力崩塌、不再跟踪指令，而阵风拍击与阵风纠偏期间上下旋翼均健在、实发推力跟踪指令，故阵风工况被结构性否决，纯运动学检测无法克服的误锁问题得以根除；其二，触发条件以方向锁定条件约束机体偏航角速度的方向，使其与假定被泵高一侧旋翼失效时整机残存反扭矩所引起的自旋方向一致，并可取滚转角速度与姿态角变化率中的至少一项配合判定，既排除反向扰动引起的误判，又不依赖单一运动学量；其三，失效检测门限按风悬子状态分级设定，静风档门限组保证检测速度、风悬档门限组保证抗扰性，兼顾两类工况；其四，锁存后的健康感知控制再分配以失效侧清零、健在侧承担上下旋翼合计拉力需求、偏航移交推进桨差动、滚转归滚转操纵面重构控制构型，失效后仍保有完整的三通道姿态控制能力乃至固定翼巡航能力；其五，失效锁存作为最高优先级失能事件挂起其它按健康构型调参的处置链并禁止其重新武装，在同一控制拍竞争时立即复位，避免多处置链互搏；其六，分级应急出口按风况与高度分流，静风原地降落、风悬停战后增速逃逸或受控降落，实现全包线安全处置。

14、需要说明的是本发明与申请人同族申请的主张边界：悬停模态与巡航模态之间的切换本身（含过渡走廊）由同族申请主张，本发明的处置链复用其过渡走廊，但不主张模态切换本身；翻滚改出处置链与风悬保持处置链本身由同族申请主张，本发明主张的是失效锁存对上述处置链的优先级仲裁与挂起、以及失效后的分级应急出口；回型收放起落架由同族申请主张，本发明仅引用其大迎角受控着陆工况；尾部旋翼动态平尾布局由同族申请主张，本发明在巡航模态下由健在侧旋翼独担俯仰配平职能系失效构型下的复用，不重复主张动态平尾布局本身。