用于飞行器的阵风补偿系统和方法与流程

本公开的实施例总体涉及用于飞行器的阵风补偿系统和方法，并且涉及可以用于机械减小阵风对飞行器的影响的系统和方法。

背景技术：

飞行器经常遇到大气湍流，诸如空气的平均或均匀流动在风速和/或方向上的迅速变化。例如，大气湍流可以包括但不限于，风切变、风梯度、晴空湍流、尾流湍流、气穴等。大气湍流可以包括水平和竖直的风切变或阵风。竖直风切变或阵风一般发生在较高水平的大气下并且在竖直表面(诸如山脉)以上或者附近。水平切变可以发生在气象峰或者沿海区域附近。只要有可能，飞行员就尽力避免在湍流状况下飞行。

在飞行期间，商用运输飞行器经常以正常巡航配置操作，该配置最小化或以其它方式减小燃料消耗。在正常巡航配置中，飞行器的各个控制表面可以缩回或处于最小化或以其它方式减小阻力的其它这种位置。然而，巡航配置不可以良好地适于补偿机翼和其它飞行器表面上由阵风引起的结构载荷。

空气动力有效的控制表面配置不可以良好地适于处理阵风。飞行器被要求满足由联邦航空局(FAA)规定的离散阵风载荷标准。因此，当飞行器遇到阵风时，一个或多个控制表面被偏转。简而言之，某些机翼配置优选地使阵风载荷重新分布。以此方式，代替通过给飞行器增加结构重量来提供充足的阵风载荷设计裕度，可以在重新配置控制表面以补偿阵风载荷时要求更少的结构。然而，虽然用偏转的控制表面来使飞行器飞行关于阵风载荷在结构上是重量有效的，但是这种阵风配置不是燃料高效的，因为偏转的表面引起了阻力。

总之，飞行器上的总载荷包括：“1g载荷”，其表示一般在直线水平未加速的飞行中持续的力和力矩；机动载荷，其是从直线水平未加速的飞行的临时的飞行员命令偏差的结果；阵风载荷，其是大气湍流的结果。

进一步地，飞行器可以包括一个或多个监视系统，其检测阵风以便减轻载荷。例如，载荷系数可以用作阵风的指示符并且用于重新配置飞行器的控制表面。然而，这种信号不可以区分有意的飞行器机动和阵风。进一步地，使用载荷系数一般要求飞行器穿过阵风并且在控制表面能够被重新配置之前响应于阵风。因此，将载荷系数用作反馈信号不会在峰值载荷之前为待被最优重新配置的控制表面提供充足的时间。

因此，需要一种有效地配置飞行器以补偿阵风的系统和方法。需要一种抗阵风又不会增加飞行器的总结构重量的系统和方法。

技术实现要素：

本公开的某些实施例提供阵风补偿系统，其经配置以适应性地减小施加到飞行器内的阵风载荷。阵风补偿系统可以包括安装到飞行器上的传感器子系统。传感器子系统经配置以输出一个或多个信号。阵风补偿系统还可以包括阵风信号子系统，其经配置以接收来自传感器子系统的(多个)信号并且基于对(多个)信号的分析生成阵风信号。阵风估计子系统经配置以响应于阵风估计信号输出阵风信号以移动控制表面。在至少一个实施例中，传感器子系统可以包括临近飞行器的前部的第一传感器，以及经配置以输出第二信号的第二传感器，其中第一传感器经配置以输出第一信号。阵风信号子系统经配置以接收第一和第二信号并且基于对第一和第二信号的分析生成阵风信号。

本公开的某些实施例提供阵风补偿系统，其经配置以适应性地减小施加到飞行器内的阵风载荷。阵风补偿系统可以包括临近飞行器前部的第一传感器。第一传感器经配置以输出第一信号。第二传感器经配置以输出第二信号。第二传感器可以利用与第一传感器的感测机制不同的感测机制。阵风信号子系统经配置以接收第一和第二信号并且基于对第一和第二信号的分析而生成阵风信号。阵风信号子系统可以经配置以输出阵风信号以响应于阵风信号移动控制表面。在至少一个实施例中，不同的传感器，诸如预测传感器或压力孔传感器，可以向阵风信号子系统提供信号。在至少一个其它实施例中，不是两个传感器，而是单个传感器可以用于与阵风信号子系统连接。

本公开的某些实施例提供阵风补偿系统，其经配置以适应性地减小施加到飞行器内的阵风载荷。阵风补偿系统可以包括临近飞行器的前部的第一传感器。第一传感器经配置以输出第一信号。第二传感器可以位于飞行器的前部的远侧(即，第二传感器比第一传感器离飞行器的前部更远)。第二传感器经配置以输出第二信号。阵风信号子系统可以经配置以接收第一和第二信号并且基于对第一和第二信号的分析而生成阵风信号。阵风信号子系统可以输出阵风信号以响应于阵风信号超过载荷减轻阈值而修改载荷参数信号(诸如正常加速信号、攻角信号、载荷信号、压力信号、升力信号等)。

根据阵风信号修改的载荷参数信号可以引起飞行器的控制表面从正常配置改变为阵风载荷减小配置。在至少一个实施例中，该系统可以包括载荷减轻(LA)子系统，其经操作耦接到飞行器的一个或多个控制表面。LA子系统可以经配置以检测或生成载荷参数信号。LA子系统经配置以在载荷参数信号未被阵风信号修改时维持(多个)控制表面处于正常配置(例如，控制表面仍然可用于重新配置，以便移动机动载荷)。例如，在未被阵风信号修改时，正常加速信号仍然可以引起控制表面移动成载荷减轻配置以减小机动载荷。LA子系统经配置以响应于载荷参数信号被阵风信号修改而将(多个)控制表面移动成阵风载荷减小配置。

在至少一个实施例中，第一传感器可以是风向标，其经配置以输出作为风向标攻角信号的第一信号。第二传感器可以是惯性传感器，其经配置以输出作为惯性攻角信号的第二信号。风向标可以临近飞行器的机头。惯性传感器可以被定位在飞行器的机翼上或机翼内，或者各种其它方位处。在至少一个实施例中，第一和第二传感器中的一个或两个可以包含加速计。

载荷减轻阈值可以包括载荷大小，其超过由飞行器的有意机动引起的施加在飞行器的机翼上的载荷。例如，载荷大小可以大于由飞行器的有意机动引起(诸如由飞行员引起)的施加在机翼的表面上的力值。在至少一个其它实施例中，可以基于载荷减轻阈值正被超过而成比例地移动控制表面。

阵风信号子系统可以包括可操作地耦接到至少一个存储器的至少一个控制单元。作为示例，阵风信号子系统可以经配置以按照如下等式生成阵风信号：

α_gust＝α_air+(sin^-1((VS-L*q*π/180)/TAS)+β*sinΦ-θ)/cosΦ，

其中α_gust是阵风信号，θ是飞行器的俯仰角，β是飞行器的侧滑角，Φ是飞行器的滚转角，q是飞行器的俯仰率，VS是飞行器的竖直速度，TAS是飞行器的实际空速，以及α_air是风向标攻角。

本公开的某些实施例提供阵风补偿方法，其经配置以适应性地减小施加到飞行器内的阵风载荷。阵风补偿方法可以包括：用临近飞行器的前部的第一传感器检测飞行器的至少一个参数(诸如攻角)，从第一传感器输出基于(多个)参数的第一信号，用位于飞行器的前部的远侧的第二传感器检测飞行器的(多个)参数，从第二传感器输出基于(多个)参数的第二信号，使用阵风信号子系统以基于对第一和第二信号的分析生成阵风信号，比较阵风信号与载荷减轻阈值，以及响应于阵风信号超过载荷减轻阈值而根据阵风信号修改载荷参数信号。

本公开的某些实施例提供飞行器，其可以包括机身、从机身延伸的第一和第二机翼、至少一个竖直稳定器、至少一个水平稳定器、可移动地固定到第一和第二机翼、(多个)竖直稳定器和(多个)水平稳定器中的一个或多个的一个或多个控制表面，以及经配置以适应性地减小施加到飞行器内的阵风载荷的阵风补偿系统，其中机身包括具有驾驶舱的内舱。阵风补偿系统可以包括临近驾驶舱固定的第一传感器。第一传感器经配置以输出第一信号。第二传感器可以位于驾驶舱的远侧。第二传感器经配置以输出第二信号。阵风信号子系统经配置以接收第一和第二信号，并且基于对第一和第二信号的分析生成阵风信号。阵风信号子系统经配置输出阵风信号以响应于阵风信号超过载荷减轻阈值而修改载荷参数信号。载荷减轻(LA)子系统可以可操作地耦接到(多个)控制表面。LA子系统经配置以检测载荷参数信号。LA子系统经配置以在载荷参数信号未被阵风信号修改时维持(多个)控制表面处于正常配置。LA子系统经配置以响应于载荷参数信号被阵风信号修改将(多个)控制表面移动成阵风载荷减小配置。

附图说明

图1图示说明根据本公开的实施例的飞行器的透视俯视图。

图2图示说明根据本公开的实施例的阵风补偿系统的框图。

图3图示说明根据本公开的实施例的阵风补偿系统的框图。

图4图示说明根据本公开的实施例的用于飞行器的阵风补偿方法的流程图。

图5图示说明根据本公开的实施例的飞行器的透视前视图。

具体实施方式

当结合附图阅读时，可以更好地理解前述内容以及下文详细描述的某些实施例。如本文使用的，以单数形式叙述和前面有单词“一”或“一个”的元件或步骤应当被理解为不一定排除元件或步骤的复数形式。进一步地，参考“一个实施例”不意在解释为排除同样合并所述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确地声明表示相反意义，否则“包含”或“具有”一个元件或多个元件(具有特定性质)的实施例可以包括不具有所述性质的附加元件。

本公开的某些实施例提供用于快速且准确地识别飞行器机翼上的阵风或阵风载荷的系统和方法。如果阵风足以要求各个机翼控制表面偏转，则该系统和方法提供快速响应时间。该系统和方法还提供区别阵风和飞行员启动的机动的能力。比现有系统和方法更快地提供所述信息可以减小机翼上的阵风载荷并且因此减少当前用于确保符合FAA规定的结构量。通过减小总飞行器结构，飞行器的重量被减小并且燃料经济性增加。

各种飞行器包括惯性传感器，诸如加速计，其例如可以被安装在机翼上。惯性传感器用于检测阵风的发生。机翼上的载荷可以例如通过在机翼上的阵风载荷达到全部载荷效应之前使部分机翼表面偏转而被减小。因此，可以从飞行器的前部的一个或多个攻角风向标获取数据以促进阵风的检测。当例如通过(多个)攻角风向标和/或惯性传感器提供的信息检测到阵风时，本公开的实施例可以分析该信息，并且(相比于现有方法)提前偏转机翼以减小施加在机翼上的载荷。以此方式，预期飞行器的结构重量可以被减小，进而减小燃料消耗，同时仍然符合FAA关于阵风的安全要求。

本公开的某些实施例提供用于估计阵风的方法，该方法可以包括：接收来自至少一个攻角风向标的至少一个输入，接收来自位于(多个)攻角风向标下游的一个或多个惯性传感器(诸如一个或多个加速计)的至少一个输入，使用接收的输入来计算阵风的大小，以及基于计算的大小偏转至少一部分飞行器机翼。在至少一个实施例中，攻角风向标可以位于临近飞行器的机头。(多个)惯性传感器可以被安装在飞行器的机翼上或者各种其它方位处。

本公开的某些实施例提供区别阵风和飞行员操纵的机动的方法。该方法可以包括：在计算机处接收飞行员操纵的输入，在计算机处接收至少一个传感器和至少一个攻角风向标的输入，确定飞行器机翼上的载荷是否可归因于飞行员操纵的命令或阵风，以及如果机翼上的载荷被预期是由于阵风引起的，则偏转飞行器机翼的至少一部分。

本公开的某些实施例提供经配置以减小由离散阵风相遇导致的飞行器结构载荷的系统和方法。例如，本公开的某些实施例可以提供基于攻角以及其它空气和惯性数据参数的阵风检测系统，以及被设计以提供结构载荷减轻的控制表面偏转子系统。

本公开的某些实施例提供阵风补偿系统和方法，其经配置以通过比较风向标攻角和惯性攻角(其可以被确定为俯仰姿态和基于飞行器的整体运动的飞行路径角之间的差)来估计阵风。在各种飞行器中，整体运动受机翼和水平尾翼上方的气流的影响。风向标具有相对低的惯性。因而，风向标可以对局部气流的改变做出即时反应。进一步地，风向标一般位于飞行器的机头，进而在机翼和尾翼穿过阵风之前提供感测阵风的超前时机。当风向标和惯性攻角显著不同时，所述差指示还未影响飞行器运动的气动扰动。换句话说，本公开的实施例可以经配置以在完全遇到阵风之前检测阵风。

本公开的实施例可以利用各种其它类型的传感器来检测阵风。例如，可以使用光探测和测距(LIDAR)传感器、德尔塔压力传感器等。

本公开的实施例提供可以经配置以检测超过特定阈值的阵风的系统和方法。例如，机翼表面重新配置可以适于超过特定阈值的阵风。检测阈值可以被调节以最大化节能清洁的机翼配置的利用，同时在产生结构重量的益处的情形下保持结构载荷改进。

图1图示说明根据本公开的实施例的飞行器100的透视俯视图。飞行器100可以包括控制表面，诸如(例如但不限于)襟副翼或副翼104、升降舵106、鸭翼108、扰流片等。升力生成控制表面(诸如襟副翼或副翼104)可以是附接到固定翼飞行器的机翼后缘的铰接的控制表面。襟副翼或副翼104可以控制飞行器的滚转或倾斜(绕纵向轴线旋转的角度)。在至少一个实施例中，每个机翼上的襟副翼104可以一起降低以与专用的襟翼组几乎相同的方式起作用。在其它实施例中，每个机翼上的副翼104可以被区别致动，诸如一个副翼向下而另一个副翼向上以控制飞行器100的滚转。

升降舵106和鸭翼108可以用于控制飞行器100的俯仰运动，并且被称为俯仰控制表面。升降舵106可以位于飞行器的尾部并且帮助控制飞行器100的竖直移动。可以存在两个升降舵106，其中每个升降舵附接到机身的每一侧。进一步地，升降舵106控制飞行器100的机头的位置和机翼的攻角。鸭翼108被安装在飞行器100的前部，以类似于升降舵106的方式操作。

如下文解释的，飞行器100可以包括阵风补偿系统，其可以作为经配置以减小飞行器对湍流112的响应的主动飞行器控制系统。术语湍流可以与短语阵风互换使用。主动飞行器控制系统在飞行期间遇到湍流112时是随时可用的。例如，气象预报可能不准确，现有雷达警告可能未检测到湍流(除非存在水分)，并且躲避可能是不及时或不可能的，从而使飞行器100飞入湍流112。在感测湍流112时，阵风补偿系统可以与许多不同的设备协作操作，生成飞行器飞行控制命令，和/或致动直接的升力控制表面和俯仰控制表面，所述设备可以用于感测和测量湍流。

飞行器100可以包括风向标110，其可以位于临近飞行器100的机头113。风向标110可以经配置作为攻角传感器并且用于测量关于飞行器100的纵向参考面114的局部气流角。

飞行器100还可以包括一个或多个惯性传感器120。例如，惯性传感器120可以是加速计或包括加速计。惯性传感器120可以被安装到飞行器100的机翼122。因此，安装在机翼122上的惯性传感器120可以经配置以检测机翼122的攻角。

如图所示，风向标110可以被定位在惯性传感器120的上游(即，先于惯性传感器120遇到气流的位置)。风向标110可以位于飞行器100上比惯性传感器120更接近机头113的位置。以此方式，风向标110可以在惯性传感器120之前遇到阵风。

可选地，飞行器100可以包括附加风向标和来自机翼上游的其它传感器。进一步地，飞行器100可以包括比所示更多或更少的惯性传感器120。进一步地，惯性传感器120可以被定位在飞行器100的各种其它区域。例如，惯性传感器120可以被定位在机翼的上游但是在风向标110的下游(例如，位于机头113的远侧)。在至少一个实施例中，一个或多个惯性传感器120可以安装到飞行器100的尾翼124。

在操作中，空气信号(诸如风向标攻角信号)由诸如风向标110的第一传感器输出，并且被阵风补偿系统的(图1中未示出的)控制单元接收。类似地，一个或多个惯性信号(诸如惯性攻角信号)被诸如惯性传感器120的一个或多个第二传感器输出，并且由控制单元接收。然后，控制单元分析空气信号和惯性信号以确定阵风的存在，如下文解释的。

图2图示说明根据本公开的实施例的阵风补偿系统200的框图。阵风补偿系统200可以包括通过一种或多种有线或无线连接与风向标110和(多个)惯性传感器120通信的阵风信号子系统202。代替风向标，(多个)传感器110可以是各种其它类型。例如，(多个)传感器110可以是或者包括前视传感器、安装在机翼或机体上的压力孔、反应传感器(诸如加速计)等中的一个或多个。阵风信号子系统202可以进而可操作地耦接(诸如通过一种或多种有线或无线连接)到载荷减轻(LA)子系统204。LA子系统204可以用于减轻与1g飞行飞行器机动和阵风相关的载荷。LA子系统204可以包括具有竖直阵风抑制(VGS)系统的机动载荷减轻系统。

阵风信号子系统202可以包括控制单元206和存储器208。在至少一个实施例中，控制单元206可以包括存储器208，反之亦然。可选地，控制单元206可以与存储器208分开并且与存储器208不同。类似地，LA子系统204可以包括控制单元210和存储器212。在至少一个实施例中，控制单元210可以包括存储器212，反之亦然。可选地，控制单元210可以与存储器212分开并且与存储器212不同。替换地，单个控制单元和存储器可以关于阵风信号子系统202和LA子系统204两者被使用。例如，阵风补偿系统200可以包括用于控制阵风估计和载荷减轻两者的操作的单个控制单元和/或存储器。

在操作中，LA子系统204可以从(多个)惯性传感器120接收载荷参数信号220。载荷参数信号220可以是或者包括惯性攻角信号224、载荷指示(无论是估计的、测量的还是预测的)、升力指示(无论是估计的、测量的还是预测的)、压力指示、侧滑角信号、横向加速度信号或者输出到阵风信号子系统202的类似信号中的一个或多个。载荷参数信号220可以包括法向加速度信号，其与垂直于飞机的长度(诸如垂直于(图1中示出的)飞行器100的中心纵向平面114)的飞行器的加速度有关。法向加速度可以垂直于飞行器100的长度(例如，施加到机翼的下表面上的方向向上的阵风，或者施加在机身和竖直稳定器上的方向向侧面的阵风)。基于载荷参数信号220，控制单元210可以确定在(多个)惯性传感器120位于的飞行器的区域处遇到的阵风的存在。控制单元210可以基于对载荷参数信号220的分析重新配置飞行器的控制表面(诸如副翼、襟副翼、升降舵、鸭翼、扰流片等)。例如，载荷参数信号220可以表示法向施加到(多个)惯性传感器120位于的机翼表面上的阵风力。通过分析载荷参数信号220，控制单元210可以确定阵风的存在。用于操作LA子系统204的指令可以存储在存储器212内。

注意，载荷参数信号220基于例如施加在机翼上的阵风力。因此，当阵风施加在机翼上时，机翼的控制表面可以响应于阵风通过分析载荷参数信号220由LA子系统重新配置。然而，在通过载荷参数信号220对阵风进行检测的初始时间和控制表面重新配置的随后时间之间可能存在时间延迟。阵风信号子系统202用于在阵风施加到机翼上或机翼内之前估计、测量或预测阵风，以便在例如阵风被施加到机翼内之前(和/或在峰值载荷被施加到机翼内之前)重新配置控制表面。

阵风信号子系统202接收来自诸如风向标110的第一传感器的空气信号(诸如风向标攻角信号222)和来自(多个)惯性传感器120的惯性信号(诸如惯性攻角信号224)。虽然第一传感器被示为风向标110，但是应当理解第一传感器可以可选地为各种其它类型的传感器。控制单元206比较风向标攻角信号222与惯性攻角信号224。如果风向标攻角信号222和惯性攻角信号224相等或在预限定的范围内，则控制单元206可以抑制向LA子系统204输出阵风信号。然而，如果风向标攻角信号222不同于惯性攻角信号(例如，差异大于预限定的范围)，则阵风信号子系统202可以向LA子系统204输出阵风信号226，然后LA子系统204可以基于阵风信号226重新配置飞行器的控制表面。在至少一个实施例中，阵风信号226可以用于修改载荷参数信号220，该载荷参数信号220被LA子系统204用于将飞行器的一个或多个控制表面从正常配置操作成阵风载荷减小配置。

在至少一个实施例中，阵风信号子系统202可以分析从诸如风向标110的第一传感器和诸如至少一个惯性传感器120的第二传感器接收的信号。阵风信号子系统202可以通过俯仰姿态或角度、竖直速度、实际空速、滚转姿态或角度、俯仰率、侧滑角、风向标攻角等中的一个或多个来确定阵风信号226。作为示例，阵风信号子系统202的控制单元206可以按照如下等式确定阵风信号226：

α_gust＝α_air+(sin^-1((VS-L*q*π/180)/TAS)+β*sinΦ-θ)/cosΦ，

其中α_gust是阵风信号226，θ是俯仰角度数，β是侧滑角度数，Φ是滚转角度数，q是每秒度的俯仰率，VS是每秒英尺的竖直速度，TAS是每秒英尺的实际空速，以及α_air是风向标攻角。替换地，控制单元206可以通过使用其它公式和/或方法来确定阵风信号226。

风向标在惯性传感器之前响应于阵风，因为攻角立即改变，同时惯性传感器等待机翼上的升力变化。因此，阵风信号226可以比载荷参数信号220更快地确定。因而，阵风信号226允许LA子系统204在例如机翼或惯性传感器120位于其上或内的其它区域遇到阵风之前重新配置飞行器的控制表面。以此方式，控制表面可以例如在峰值阵风载荷被施加到机翼内之前被重新配置成阵风载荷减小配置。用于操作阵风信号子系统202的指令可以被存储在存储器208中。

如所述的，风向标110提供经配置以输出第一信号的第一传感器，而每个惯性传感器120提供经配置以输出第二信号的第二传感器。第一和第二信号被分析以确定阵风信号。例如，第二信号可以从第一信号中减去以确定差，该差可以用作初始阵风信号。

替换地，代替风向标110，第一传感器可以是可以用于确定空气信号(诸如攻角信号)的各种其它类型的传感器。例如，第一传感器可以是加速计、LIDAR传感器、德尔塔压力传感器等，其可以在第二传感器的上游，第二传感器可以是惯性传感器，诸如附加加速计。在至少一个其它实施例中，该系统可以包括比所示传感器更多或更少的传感器。例如，系统200可以包括耦接到阵风信号子系统202和LA子系统204的单个传感器。

如所述的，阵风信号子系统202分析风向标110和(多个)惯性传感器120输出的攻角信号。可选地，阵风信号子系统202可以分析攻角之外的飞行器的各种参数。例如，传感器可以是压力传感器，并且阵风信号子系统202可以经配置以分析空气压力信号。在至少一个其它实施例中，传感器可以是空速传感器，并且阵风信号子系统202可以经配置以分析空速信号。

图3图示说明根据本公开的实施例的阵风补偿系统200的框图。阵风信号子系统202可以包括滤波器300(诸如wash-out滤波器)、阈值开关302和滤波器304(诸如滞后滤波器)。虽然控制单元206被示为独立的且独特的元件，但是控制单元206可以替换地包括滤波器300、阈值开关302和滤波器304。替换地，阵风信号子系统202可以不包括滤波器300或304中的一个或多个。

在操作中，阵风信号子系统202可以如上所述确定阵风信号226。例如，控制单元206可以分析(图2中示出的)风向标攻角信号222和(图2中示出的)惯性攻角信号224。风向标攻角信号222和惯性攻角信号224中的每一个可以与(图1中示出的)飞行器100的(图1中示出的)纵向参考平面114相关。因此，攻角信号222和224中的每一个可以是与飞行器100的纵向参考平面114相关的角度测量值(诸如度数)。可选地，攻角信号222和224可以与例如横向阵风相关。在至少一个实施例中，控制单元206可以将角度测量值转换成速度和/或加速度测量值。例如，特定的角度测量值可以与施加到风向标110和(多个)惯性传感器120位于的飞行器的部分内的空气速度一致。

控制单元206可以确定风向标攻角信号222和惯性攻角信号224之间的差，并且生成阵风信号226。阵风信号226可以被wash-out滤波器300滤波，wash-out滤波器300可以经配置以例如移除阵风信号226中的稳态分量。wash-out滤波器300可以经配置以拾起(pick up)在限定的载荷频率范围内的离散阵风，并且忽略不可以被抑制的连续阵风。替换地，阵风信号子系统202可以不包括wash-out滤波器300。

在被wash-out滤波器300滤波之后，阵风信号226可以被阈值开关302接收。阈值开关302经配置以在阵风信号226满足或超过阈值大小时，向LA子系统204输出阵风信号226，阈值大小可以存储在存储器208中。作为一个非限制性示例，阈值大小可以是10-20ft/s。因此，如果阈值大小超过10-20ft/s，则可以确定施加到机翼内的载荷不应归因于正常的飞行器机动。替换地，阈值大小可以大于或小于10-20ft/s。进一步地，阈值大小可以在不同的单元中测量，诸如角度测量单元或力和/或加速度的单元。如果阵风信号226未超过阈值大小，则阵风信号子系统202抑制向LA子系统204输出阵风信号226。替换地，阵风信号子系统202可以连续地输出阵风信号226。

在至少一个实施例中，阈值大小可以基于飞行员控制输入而被适应性修改。例如，当飞行员机动操纵飞机时，阈值大小可以基于有意机动而增加或减小。例如，如果飞行员有意操纵飞机上升或下降，则阈值大小可以大于飞行器处于巡航姿态时的阈值大小。

如果阵风信号226超过阈值大小，则阈值开关302切换到输出状态。输出状态可以是或包括力修改器，诸如阵风偏差。作为一个非限制性示例，力修改器可以是重力的倍数，诸如0.10-0.20g。可选地，力修改器可以大于或小于0.10-0.20g。因此，阵风信号226可以被力修改器修改并且被滞后滤波器304接收。滞后滤波器304可以用于在阵风信号226被输出到LA子系统204之前使阵风信号226平稳。替换地，阵风信号子系统202可以不包括滞后滤波器304。

如上所述，阈值开关302经配置以在两种状态之间切换：阵风信号226未被输出到LA子系统204的第一状态和阵风信号226被力修改器修改并且被输出给LA子系统204的第二状态。被输出到LA子系统204的阵风信号226可以不与阵风施加到飞行器内的力成比例。例如，当超过阈值大小时，无论阵风信号是20ft/s、30ft/s、50ft/s还是类似值，被输出到LA子系统204的阵风信号226可以相同。以此方式，阵风信号226可以不与施加到飞行器内的实际阵风成比例。相反，输出的阵风信号226可以用于修改载荷参数信号220。相比之下，载荷参数信号220可以与施加到飞行器内的阵风成比例。阵风信号226可以修改载荷参数信号220并且用于允许LA子系统204在阵风被实际施加到飞行器的部分(诸如机翼)之前开始偏转飞行器的某些控制表面。简而言之，阵风信号226可以用于在阵风作用在飞行器的某些承载表面(诸如机翼)之前抢先偏转控制表面。替换地，阈值开关302可以经配置以向LA子系统204输出成比例的阵风信号。

当LA子系统204接收阵风信号226时，LZ子系统204可以开始偏转控制表面以减小阵风的力(例如，阵风载荷)。阵风信号226可以在LA子系统204分析载荷参数信号220之前被LA子系统接收。因而，LA子系统204通过阵风信号226预料阵风并且在飞行器的部分(诸如机翼)遇到阵风之前开始偏转飞行器的(多个)控制表面以抑制阵风。

虽然未示出，但是LA子系统204还可以包括各种滤波器。例如，结构陷波滤波器可以被LA子系统204用于对载荷参数信号220进行滤波。进一步地，非线性滤波器可以用于对组合信号滤波，该组合信号可以包括通过接收的阵风信号226修改的载荷参数信号。替换地，LA子系统204可以包括比所述更多或更少的滤波器。

参考图1-3，阵风可以被施加到飞行器100内。飞行器的第一传感器(诸如风向标)检测阵风并且输出第一信号。例如，第一信号可以是攻角信号。攻角从存储的法向加速度信号的变化可以指示阵风。第一传感器在第二传感器(诸如惯性传感器)之前检测到阵风。然后，阵风信号子系统202基于对从传感器子系统接收的信号的分析(诸如通过(但不限于)比较从第一传感器接收的第一信号和从第二传感器接收的第二信号)计算阵风信号。在至少一个实施例中，阵风信号子系统202可以将第一和第二信号的角度测量值转换成速度和/或加速度信号。阵风信号子系统202可以比较第一和第二信号以确定两者间的差。如果差超过阈值大小(诸如阵风偏差激活阈值)，则阵风信号子系统202向LA子系统204输出阵风信号226。以此方式，输出的阵风信号226可以表示阵风偏差激活信号，其引起LA子系统204在阵风遇到飞行器的某些表面(诸如机翼)之前将飞行器100的控制表面偏转成阵风载荷减小配置。因此，LA子系统204在阵风的峰值载荷施加到飞行器的某些表面(诸如机翼)之前过渡到阵风载荷减小配置。

阵风信号子系统202可以用于检测超过预限定阈值的离散阵风。响应于阵风信号子系统202输出超过阈值的阵风信号226，LA子系统204将控制表面(诸如副翼、扰流片等)快速地重新配置成阵风载荷减小配置，该阵风载荷减小配置经配置以减小飞行器100上的离散阵风载荷。如果仅使用LA子系统204，则阵风信号子系统202更是如此这般地抑制阵风载荷。阵风信号子系统202输出阵风信号226(当传感器之间的差超过载荷减轻阈值时)以将阵风偏差添加到载荷参数信号220，进而快速地实现阵风载荷减小配置。如所述的，(多个)第一传感器可以位于(多个)第二传感器(其可以位于机翼上)上游，并且因而可以在阵风到达机翼之前检测到阵风。

如本文使用的，术语“控制器”、“控制单元”、“单元”、“中央处理单元”、“CPU”、“计算机”等可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，该系统包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路以及能够执行本文所述功能的任何其它电路或处理器的系统。这种术语仅是示例性的，并且因此不意在以任何方式限制这种术语的定义和/或意义。

参考图2和图3，(多个)控制单元(诸如控制单元206和210)可以经配置以执行存储在一个或多个存储元件(诸如存储器208和212)中的指令集以便处理数据。例如，每个控制单元可以包含一个或多个存储器。存储元件也可以根据期望或需要存储数据或其它信息。存储元件可以采用处理机内的信息源或物理存储元件的形式。

指令集可以包括各种命令，其指导(多个)控制单元作为处理机以执行具体操作，诸如本文所述主题的各种实施例的方法和过程。指令集可以采用软件程序的形式。软件可以是各种形式，诸如系统软件或应用元件。进一步地，软件可以采用独立的程序或模块的集合、较大程序内的程序模块或部分程序模块的形式。软件还可以包括以面向对象程序设计为形式的模块化程序设计。处理机处理输入数据可以响应于用户命令，或者响应于先前处理的结果，或者响应于另一处理机发出的请求。

本文实施例的示意图可以图示说明一个或多个控制或处理单元。应当理解，处理或控制单元可以表示电路模块，其可以被实施为与执行本文所述操作的指令(例如，存储在有形且非临时性计算机可读存储介质(诸如计算机硬盘驱动、ROM、RAM等)上的软件)相关的硬件。硬件可以包括硬线连接以执行本文所述功能的状态机电路。可选地，硬件可以包括电子电路，该电子电路包括和/或连接到一个或多个基于逻辑的设备，诸如微处理器、处理器、控制器等。可选地，控制单元可以表示处理电路，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、(多个)微处理器、量子计算设备等中的一个或多个。在各种实施例中，电路可以经配置以执行一个或多个算法以实施本文所述的功能。一个或多个算法可以包括本文公开实施例的各个方面，不论是否在流程图或方法中明确地识别。

如本文使用的，术语“软件”和“固件”可互换，并且包括存储在存储器内以便计算机执行的任何计算机程序，所述存储器包括RAM存储器、ROM存储器、EPPOM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅是示例性的，并且因此不限于可用于存储计算机程序的存储器类型。

图4图示说明根据本公开的实施例的用于飞行器的阵风补偿方法的流程图。在400处，使用第一传感器(诸如临近飞行器的机头的风向标)输出第一信号(诸如攻角信号)。在402处，使用第二传感器(诸如位于飞行器的机翼内或上或各种其它方位处的惯性传感器)输出第二信号(诸如惯性攻角信号)。

第一和第二信号可以被阵风信号子系统接收。在404处，分析第一和第二信号以确定阵风信号。在至少一个实施例中，第一和第二信号可以被输出为角度测量值，其可以被转换成相应的风速和/或风加速度。

在406处，确定阵风信号是否引起载荷减轻命令。例如，确定阵风信号是否超过预限定的载荷减轻阈值。载荷减轻阈值可以是诸如风速或载荷的阈值量，其可以大于有意飞行机动期间的风速或施加到飞行器机翼内或上的载荷。如果阵风信号未超过载荷减轻阈值，则该方法继续到408，其中飞行器的控制表面被维持处于正常配置。然后，该方法返回到404。

然而，如果在406处阵风信号超过预限定的载荷减轻阈值，则该方法继续到410，其中LA子系统检测到的载荷参数信号被阵风信号修改。然后，在412处，LA子系统基于经修改的载荷参数信号将控制表面偏转成阵风载荷减小配置。然后，该过程返回到404。

图5图示说明根据本公开的实施例的飞行器500的透视前视图。飞行器500可以包括推进系统，该推进系统可以包括例如两个涡扇发动机512。可选地，推进系统可以包括比所示更多的发动机512。发动机512由飞行器500的机翼516携带。在其它实施例中，发动机512可以由机身518和/或尾部520携带。尾部520也可以支撑水平稳定器522和竖直稳定器524。

机翼516、水平稳定器522和竖直稳定器524可以均包括一个或多个控制表面。诸如风向标的第一传感器530(或多个第一传感器)可以被定位在飞行器500的机头532或者临近飞行器500的机头532。诸如惯性传感器的第二传感器540(例如，加速计)可以耦接到每个机翼516或各种其它方位。阵风信号子系统和LA子系统可以被定位在机身518内，诸如在驾驶舱550或内舱的其它部分内。阵风信号子系统可以与第一传感器530和(多个)第二传感器540通信。LA子系统可以与(多个)传感器540和阵风信号子系统通信。

参考图1-5，本公开的实施例提供快速且有效地配置飞行器以补偿阵风的系统和方法。本公开的实施例提供抗阵风又不增加飞行器的总结构重量的系统和方法。

在至少一个实施例中，第一和第二传感器可以检测阵风。基于对第一和第二传感器输出的信号的分析，一个或多个控制单元可以生成阵风测量或预测。然后，(多个)控制单元可以计算与阵风测量或预测相关的命令(诸如重新配置一个或多个控制表面的命令)。然后，该命令可以引起控制表面被重新配置以减小阵风载荷。如果(多个)控制单元确定不需要载荷减轻(诸如，如果阵风信号未超过限定的阈值)，则控制表面未被重新配置，并且相反地保持处于最小阻力配置。

本公开的实施例提供阵风补偿系统和方法，其经配置以适应性地减小施加到飞行器内的阵风载荷。例如，当检测到阵风时，本公开的实施例可以将飞行器的控制表面从正常配置切换到阵风载荷减小配置(其中一个或多个控制表面被偏转)。

本公开的实施例可以用于减小飞行器的机身、(多个)机翼、尾部等上的载荷。本公开的实施例提供用于减小由于阵风和机动单独或联合引起的载荷的系统和方法。控制表面可以被单独或互相结合致动以减小载荷。进一步地，本公开的某些实施例可以用于对飞行器的无意和暂时扰动进行补偿，作为控制表面被偏转成载荷减轻配置的结果。

虽然各种空间和方向术语(诸如顶部、底部、下、中、横向、水平、竖直、前部等)可以用于描述本公开的实施例，但是应当理解这种术语仅参考附图中所示的取向被使用。这种取向可以被反转、旋转或以其它方式改变，使得上部分被称为下部分，反之亦然，水平变为竖直等。

如本文使用的，“经配置以”执行任务或操作的结构、限制或元件特别地在结构上以对应于任务或操作的方式形成、构造或适应。为了清楚且避免疑惑，仅能够被修改以执行任务或操作的对象未“经配置以”执行本文所使用的任务或操作。

应当理解，以上描述意在是说明性的而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其各个方面)可以互相结合使用。此外，可以作出许多修改以使特定情形或材料适应本公开各种实施例的教导，而不脱离其范围。虽然本文描述的材料的尺寸和类型意在限定本公开的各种实施例的参数，但是实施例没有限制意义并且是说明性实施例。在阅读以上描述的情况下，许多其它实施例对于本领域技术人员将是明显的。因而，本公开的各种实施例的范围应当参考随附权利要求连同这种权利要求授予的等同物的全范围被确定。在随附权利要求中，术语“包括”和“其中”被用作相应术语“包含”和“在其中”的简明英语等同词。另外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不意在对其对象强加数字要求。进一步地，随附权利要求的限制不以手段加功能的格式撰写并且不意在基于35U.S.C.§112(f)进行解释，直到这种权利要求限制明确使用术语“手段为”，然后叙述进一步结构的功能失效。

进一步地，本公开包含根据以下条款所述的实施例：

条款1.一种阵风补偿系统200，其经配置适应性地减小施加到飞行器100内的阵风载荷，所述阵风补偿系统包含：

传感器子系统110/120，其耦接到所述飞行器100，其中所述传感器子系统110/120经配置以输出一个或多个信号；以及

阵风信号子系统202，其经配置以接收所述一个或多个信号并且基于对所述一个或多个信号的分析生成阵风信号226，其中所述阵风信号226子系统202经配置以输出所述阵风信号226以响应所述阵风信号226移动控制表面。

条款2.根据条款1所述的阵风补偿系统200，其中所述传感器子系统110/120包含：

第一传感器110，其临近所述飞行器100的前部，其中所述第一传感器110经配置以输出第一信号；以及

第二传感器120，其位于所述飞行器100的所述前部的远侧并且经配置以输出第二信号，其中所述阵风信号子系统202经配置以接收所述第一和第二信号并且基于对所述第一和第二信号的分析生成所述阵风信号226，并且其中所述阵风信号子系统202经配置以输出所述阵风信号226以响应于所述阵风信号226移动控制表面104/106/108。

条款3.根据条款1所述的阵风补偿系统200，其中所述阵风信号子系统202经配置以输出所述阵风信号226以响应于所述阵风信号226超过载荷减轻阈值而修改载荷参数信号220。

条款4.根据条款1所述的阵风补偿系统200，其中根据所述阵风信号226修改的所述载荷参数信号220引起所述飞行器100的控制表面104/106/108从正常配置改变到阵风载荷减小配置。

条款5.根据条款1所述的阵风补偿系统200，进一步包含可操作地耦接到所述飞行器100的一个或多个控制表面104/106/108的载荷减轻(LA)子系统，其中所述LA子系统204经配置以检测所述载荷参数信号220，其中所述LA子系统204经配置以在所述载荷参数信号220未被所述阵风信号226修改时维持所述一个或多个控制表面104/106/108处于正常配置，并且其中所述LA子系统204经配置以响应于所述载荷参数信号220被所述阵风信号226修改，将所述一个或多个控制表面104/106/108移动成阵风载荷减小配置。

条款6.根据条款2所述的阵风补偿系统200，其中所述第一传感器110包含风向标，其经配置以将所述第一信号输出为风向标攻角信号，并且其中所述第二传感器120是惯性传感器，其经配置以将所述第二信号输出为惯性攻角信号。

条款7.根据条款6所述的阵风补偿系统200，其中所述风向标临近所述飞行器100的机头，并且其中所述惯性传感器被定位在所述飞行器100的机翼或机身之上或之内。

条款8.根据条款2所述的阵风补偿系统200，其中所述第一和第二传感器110/120中的一个或两个经配置以直接测量阵风、测量阵风感应攻角或检测压力或力中的一个或多个。

条款9.根据条款1所述的阵风补偿系统200，其中所述载荷减轻阈值包含载荷大小，其超过由所述飞行器100的有意机动引起的施加在所述飞行器100的机翼上的载荷。

条款10.根据条款1所述的阵风补偿系统200，其中所述阵风信号子系统202包含可操作地耦接到至少一个存储器208的至少一个控制单元206。

条款11.根据条款1所述的阵风补偿系统200，其中所述阵风信号子系统202经配置以按如下等式生成所述阵风信号226：

α_gust＝α_air+(sin^-1((VS-L*q*π/180)/TAS)+β*sinΦ-θ)/cosΦ，

其中α_gust是所述阵风信号226，θ是所述飞行器100的俯仰角，β是所述飞行器100的侧滑角，Φ是所述飞行器100的滚转角，q是所述飞行器100的俯仰率，VS是所述飞行器100的竖直速度，TAS是所述飞行器100的实际空速，以及α_air是风向标攻角。

条款12.一种经配置以适应性地减小施加到飞行器100内的阵风的阵风补偿方法，所述阵风补偿方法包含：

用临近飞行器100的前部的第一传感器110检测飞行器100的至少一个参数；

基于来自所述第一传感器110的所述至少一个参数输出400第一信号；

用第二传感器120检测所述飞行器100的所述至少一个参数；

基于来自所述第二传感器120的所述至少一个参数输出402第二信号；

使用404阵风信号子系统202以基于对所述第一和第二信号的分析生成阵风信号226；以及

响应于所述阵风信号226，用所述阵风信号226修改410载荷参数信号220。

条款13.根据条款12所述的阵风补偿方法，其中所述第二传感器120位于所述飞行器100的所述前部的远侧，并且其中所述阵风补偿方法进一步包含比较406所述阵风信号226与载荷减轻阈值，其中所述修改操作包含响应于所述阵风信号226超过所述载荷减轻阈值，用所述阵风信号226修改所述载荷参数信号220。

条款14.根据条款12所述的阵风补偿方法，进一步包含响应于所述修改操作，引起412所述飞行器100的控制表面104/106/108从正常配置改变到阵风载荷减小配置。

条款15.根据条款12所述的阵风补偿方法，进一步包含：

用载荷减轻(LA)子系统204处理所述载荷参数信号220；

当所述载荷参数信号220未被所述阵风信号226修改时，维持所述控制表面104/106/108处于正常配置；以及

响应于所述修改操作，将所述控制表面104/106/108移动成阵风载荷减小配置。

条款16.根据条款12所述的阵风补偿方法，其中所述载荷减轻阈值包含载荷大小，其超过由所述飞行器100的有意机动引起的施加在所述飞行器100的机翼上的载荷。

条款17.根据条款10所述的阵风补偿方法，其中所述阵风信号226按照如下等式确定：

α_gust＝α_air+(sin^-1((VS-L*q*π/180)/TAS)+β*sinΦ-θ)/cosΦ，

其中α_gust是所述阵风信号226，θ是所述飞行器100的俯仰角，β是所述飞行器100的侧滑角，Φ是所述飞行器100的滚转角，q是所述飞行器100的俯仰率，VS是所述飞行器100的竖直速度，TAS是所述飞行器100的实际空速，以及α_air是风向标攻角。

条款18.一种飞行器500，其包含：

机身518，其包括具有临近所述飞行器500的机头的驾驶舱550的内舱；

第一和第二机翼516，其从所述机身518延伸；

至少一个竖直稳定器524；

至少一个水平稳定器522；

一个或多个控制表面104/106/108，其可移动地固定到所述第一和第二机翼516、所述至少一个竖直稳定器524和所述至少一个水平稳定器522中的一个或多个；以及

阵风补偿系统200，其经配置以适应性地减小施加到所述飞行器500内的阵风载荷，所述阵风补偿系统包含：

第一传感器110，其临近所述机头固定，其中所述第一传感器110经配置以输出第一信号；

第二传感器120，其位于所述机头的远侧，其中所述第二传感器120经配置以输出第二信号；

阵风信号子系统202，其经配置以接收所述第一和第二信号并且基于对所述第一和第二信号的分析生成阵风信号226，其中所述阵风信号子系统202经配置以输出所述阵风信号226以响应于所述阵风信号226超过载荷减轻阈值而修改载荷参数信号220；以及

载荷减轻(LA)子系统204，其可操作地耦接到所述一个或多个控制表面104/106/108，其中所述LA子系统204经配置以检测所述载荷参数信号220，其中所述LA子系统204经配置以在所述载荷参数信号220未被所述阵风信号226修改时维持所述一个或多个控制表面104/106/108处于正常配置，并且其中所述LA子系统204经配置以响应于所述载荷参数信号220被所述阵风信号226修改，将所述一个或多个控制表面104/106/108移动成阵风载荷减小配置。

条款19.根据条款18所述的飞行器500，其中所述第一传感器110是风向标，其经配置以将所述第一信号输出为风向标攻角信号，并且其中所述第二传感器120是固定到机身或所述第一和第二机翼中的一个的惯性传感器，并且其中所述惯性传感器经配置以将所述第二信号输出为惯性攻角信号。

条款20.根据条款18所述的飞行器500，其中所述阵风信号子系统202经配置以按如下等式确定所述阵风信号226：

α_gust＝α_air+(sin^-1((VS-L*q*π/180)/TAS)+β*sinΦ-θ)/cosΦ，

其中α_gust是所述阵风信号226，θ是所述飞行器500的俯仰角，β是所述飞行器500的侧滑角，Φ是所述飞行器500的滚转角，q是所述飞行器500的俯仰率，VS是所述飞行器500的竖直速度，TAS是所述飞行器500的实际空速，以及α_air是风向标攻角。

该书面描述使用示例来公开本公开的各种实施例，并且还使得本领域技术人员可以实践本公开的各种实施例，包括制造和使用任何设备或系统并且执行任何合并的方法。本公开的各种实施例的专利申请范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员容易想到的其它示例。如果各种其它示例具有与权利要求的字面意义相同的结构元件，或者如果各种其它示例包括与权利要求的字面意义无实质区别的等同结构元件，则这种示例意在权利要求的范围内。