自动飞行控制系统人机交互设计优化研究

(整期优先)网络出版时间:2023-06-16
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自动飞行控制系统人机交互设计优化研究

何明尧

东方航空技术有限公司云南分公司

摘要:人机交互设计的应用可以摆脱自动飞行控制系统的弱点,利用计算机软件的超强功能,突破传统仪表在数据处理、显示、存储等方面的不足。人机交互设计作为仪表技术与计算机技术深度结合的产物,可以灵活地完成仪表功能的定制,为飞机的正常安全飞行和任务的完成提供很大的帮助。因此,本文从自动飞行控制系统的基本构成及其原理出发,探究了自动飞行控制系统人机交互设计,并给出了优化措施。

关键词:自动飞行控制系统;人机交互设计;优化研究

自动飞行控制系统是飞机飞行系统的重要机载设备部件之一,其性能直接影响到飞机的正常飞行和任务的完成。自动飞行控制系统的主要组成部分是自动驾驶仪,它是一种老式检电子管测仪器,其缺点在长期使用中不断暴露出来,主要是检测精度差,故障定位水平不高。同时,设备功能简单,但操作复杂。自动飞控系统的各个部分都需要配套相应的检测设备,可靠性不高。

1 自动飞行控制系统

1.1自动飞行控制系统的基本构成

自动飞行控制系统经过多次改进,促进了其改型的成熟发展。同时,自动飞行控制系统具有多种功能,如逻辑处理单元、人机交互单元和动作执行结构、传感器单元等,共有24个部件。自动飞行控制系统可以对机载系统及相关设备进行控制。在这种情况下,它不仅可以共同控制飞机的航向、俯仰、滚转等要素,还可以促进自动飞行控制系统的完善。

1.2自动飞行控制系统的原理

自动飞行控制系统分为三个基本回路。一是导航回路,能够控制飞行器实际的飞行轨迹。二是驾驶仪回路,可以促进系统的安全稳定运行,可以对系统进行合理的控制。回路本身具有一定的独立性,不仅可以促进飞行的稳定性和安全性,还能在驾驶、配平工作中实现透明性功能。三是伺服电路,主要控制执行机构的执行命令,保证系统中输出的命令在执行过程中更加可靠。

自动飞行控制系统启动后,存储在驾驶计算机中的一个设备会记住飞机的整体飞行状态,并以此作为主要基准。对于飞机的每个部分,都需要设置传感器,以确保对飞机的姿态和各种信息进行检测,这些信息也需要输入到自动驾驶仪的计算机中。为了实现自动飞行控制系统的有效控制,有必要对传递函数进行研究。例如,f=B/(E-S)是自动驾驶设备的控制规则,在此期间,系统中的所有控制命令都是根据该规则进行控制和发出的。根据PID控制理论的分析和阐述,控制周期的主要部分是导数项、比例项和变化率中偏差的积分。其中,比例项是根据控制规则生成的控制项。在飞机实际运行过程中,由于某些原因,与基值存在较大距离。在此期间,自动飞行控制系统中的计算机将对存在的误差输出调整命令。因此,应该有效地控制这种变化。

2自动飞行控制系统人机交互研究

自动飞行控制系统主要通过显示控制组件的集成设计、指示灯控制设计和故障监测设计进行优化,从而提高自动飞行控制系统的人机效能。自动飞行控制系统的显示控制部件主要包括自动飞行控制板、转向制导控制台、控制手柄和设备电源开关,分别安装在座舱的不同位置。只有转向控制台可以由左右飞行员操作,而其他显示控制部件只能由左飞行员操作。鉴于人机交互模式对飞行安全的影响,高效的人机交互行为应尽可能基于单一资源通道。因此,可以参考现代先进民用飞机的客舱,考虑对自动飞行控制系统的主要显示控制部件进行一体化设计,从而提高自动飞行控制系统的人机效能。

目前,自动飞行控制系统的指示灯是通过自动飞行控制系统的自动飞行控制板进行统一调光,可以通过对自动飞行控制系统的指示灯控制设计进行优化,来达到驾驶员一键实现驾驶舱指示灯的灯检和调光功能,不仅可以简化自动飞行控制系统内部线路交联,而且可以有效地减轻飞行员负担,提高人机功效。自动飞行控制系统显示与告警是自动飞行控制系统的重要功能,是飞行机组人员与自动飞行控制系统进行人机交互行为的重要渠道,主要用于反馈自动飞行控制系统工作状态、故障、功能失效或非正常条件的警示,提示飞行员采取相应的处置,避免故障态下的不当操作损伤飞机甚至危及飞行安全。可以考虑通过对自动飞行控制系统的显控部件故障监控进行优化,从而提高自动飞行控制系统的人机功效。

3自动飞行控制系统人机交互设计优化

3.1自动飞行控制系统显示控制组件的集成设计优化

自动飞行控制系统显示与控制组件的集成设计可以考虑设计一个显示与控制组件,将自动飞行控制面板、驾驶导航台、控制手柄、设备电源开关等功能集成并简化。位置布局可放置在中央仪表板上方的中心位置,供左右飞行员操作。集成显示控制组件可参考现代先进民用飞机座舱面板设计,使面板布局简单合理,便于飞行员操作,完成功能。集成后的显示控制单元可以对原来四个显示控制单元的离散和模拟接口进行集成和优化。可以考虑将模拟接口改为数字接口,由软件完成逻辑转换、故障监测等功能,可以大大减少产品的外部接口数量,简化板载线路交联,使产品的维护和维修更加方便。综合显示控制组件可参考现代先进民用飞机设计,集自动飞行控制面板、驾驶制导台、控制手柄、设备电源开关等功能于一体。集成后的显示控制组件可用于自动飞行控制系统电源的开关、飞机垂直速度的预选、飞机自动转弯坡度的选择、自动驾驶模式的选择等。为了保证产品的可靠运行,对系统的安全性和可靠性进行了计算和评估,并考虑采用双冗余或冗余架构来提高产品的安全性和可靠性。

3.2自动飞行控制系统指示灯控制设计优化

目前,自动飞行控制系统的指示灯是通过自动飞行控制系统的自动飞行控制面板均匀调光。飞行员通过优化飞行自动控制系统指示灯的控制设计,可以一键实现座舱指示灯的检灯和调光功能,不仅可以简化飞行自动控制系统内部的线路交联,并且可以有效减轻飞行员的负担,提高人机效率。自动飞行控制系统的驾驶灯设计可与座舱调光控制系统集成,实现驾驶灯的统一调光和检光功能。由于自动飞控系统中指示器较多,作为主要的状态指示器部件,根据安全可靠性要求进行冗余设计。在将飞行自动控制系统的驾驶灯与座舱调光控制系统集成时,有必要明确交联信号与设计相关的具体内容。特别是在自动飞控系统内部设计时,一方面需要评估外部电路可能输入的信号对系统的影响,并设计防护措施;另一方面,还需要评估飞控系统内部信号对外部电路的影响,并设计相应的防护措施。

3.3自动飞行控制系统故障监测设计优化

驾驶台上设置了多个带灯的按钮开关,供飞行员选择自动飞行控制系统的模式。各模态开关信号、指示信号与综合飞控计算机的交联都是模拟的,均通过硬线连接。综合飞控计算机采集到有效信号后,通过另一根硬线将指示灯开/关信号发送到驾驶制导台。自动飞行控制板功能的优化可参考驾驶制导台的模式切换和指示灯优化。此外,还可以考虑将自动飞行控制板上的工作状态和冗余信息由指示灯改为通过软件实现的屏幕显示。集成后,显示控制组件可根据可靠性和安全性要求,决定采用双冗余或冗余架构设计,并增加软件控制功能,监控指示灯开/关的故障状态,必要时进行报警设计,避免飞行员判断的工作在模式或状态指示灯与屏幕显示不一致时被系统自动判断。减轻了飞行员的负担,提高了自动飞行控制系统的人机效率。

参考文献

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[2] 苏彬,陈红英. 基于PID控制器的鲁棒自动飞行控制系统设计[J]. 航天控制,2006,24(6):46-50.

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