面向飞机地面操纵的高级飞行员在环横向辅助控制系统

《IEEE Transactions on Control Systems Technology》：Advanced Pilot-in-the-Loop Control System for Aircraft Ground Handling

本文针对飞机高速滑行阶段因跑道摩擦不对称、侧风或执行器故障引发的横向失稳问题，提出并评估了一种模块化的飞行员横向辅助系统（LAS）。该系统通过控制分配算法，协同利用差动刹车（Differential Braking）、前轮转向（Nose Wheel Steering）和方向舵（Rudder）等执行器，无缝集成防滑系统（AS），并有效应对包括前轮转向失效后自由转向动力学在内的多种故障模式。基于高保真多体动力学模型的飞行员在环仿真验证表明，该架构能显著改善方向稳定性，降低飞行员工作负荷，为提升飞机地面运行安全提供了工业实用的解决方案。

　　

当飞机结束翱翔，轮胎触地的一刹那，一场对飞行员技能和飞机稳定性的严峻考验才刚刚开始。尤其是在高速滑行阶段，飞机犹如在刀尖上跳舞，纵向和横向的稳定性都至关重要。多年来，通过先进的防滑系统（Antiskid, AS）设计，飞机纵向制动性能已得到极大提升，有效减少了跑道冲偏（Runway Overrun）事故。然而，相比之下，横向稳定性问题——它可能导致更危险的跑道偏出（Runway Excursion）——却未受到同等程度的关注。据统计，在过去五年中，跑道偏出事故约占所有报告事故的17%，其常见诱因包括跑道摩擦系数不对称、强侧风以及关键操纵系统（如转向系统）的突发故障。面对这些不对称扰动，飞行员往往需要独自应对，努力维持方向控制，其工作负荷和压力巨大。特别是在前轮转向系统故障时，前轮会进入自由转向（Free Caster）模式，失去直接控制能力，进一步加剧了操纵难度。因此，开发一种能够有效辅助飞行员、提升地面操纵安全性的系统显得尤为迫切。

针对这一挑战，José Joaquín Mendoza Lopetegui等研究人员在《IEEE Transactions on Control Systems Technology》上发表了他们的研究成果，提出并评估了一种先进的、模块化的飞行员在环横向辅助控制系统。该研究旨在填补现有研究的空白，即设计一个能综合利用所有可用执行器、与工业级防滑系统无缝集成、并能稳健应对多种执行器故障的辅助架构。

为了开展这项研究，作者团队主要运用了几个关键技术方法：首先，他们建立了针对地面操纵的降阶动力学模型，分别描述了前轮转向系统正常（Engaged Steering）和故障后自由转向（Disengaged Steering）两种模式下的飞机横向运动，模型充分考虑了轮胎力、空气动力学和执行器动力学。其次，他们设计了一套完整的控制架构，其核心包括一个监控飞行员输入和飞机状态（如偏航率、侧滑角）的监控模块（Supervisor Module），用于判断是否需要介入辅助；一个基于动态逆（Dynamic Inversion）和比例-积分（PI）控制的横向控制器（Lateral Controller Module），用于生成所需的纠正偏航力矩；一个采用加权最小二乘（Weighted Least Squares）算法的控制分配器（Control Allocator Module），负责将虚拟控制量最优地分配给各执行器；以及一个专门处理与防滑系统交互的压力分配逻辑（Pressure Allocation Module），确保差动刹车请求能被有效执行而不触发不必要的防滑干预。研究评估是在一个经过实验数据验证的高保真MATLAB/Simulink多体动力学模型和飞行员在环仿真环境中进行的。

监控模块的设计与性能

监控模块是系统与飞行员交互的接口。它通过一个动态偏航率阈值 ^.ψ_th来判断飞行员的操纵是否引发了潜在的横向失稳。该阈值并非固定值，而是综合考虑了当前地速、空速以及飞行员通过方向盘和方向舵输入所表达的意图计算得出，这使得系统能更智能地识别异常。一旦检测到偏航率超出安全包线，系统（δ_LAS=1）会设定一个位于安全包线内的参考偏航率 ^.ψ，并启动辅助控制。研究通过飞行员在环实验对阈值参数进行了调校，确保系统只在必要时介入，且介入时间短暂，以避免干扰飞行员的正常操纵意图，从而保证了良好的人机交互体验。

横向控制器与故障估计

横向控制器负责跟踪监控模块设定的参考偏航率。它采用动态逆方法，根据前轮转向系统健康状态（HS_SCU）的不同，分别基于正常转向模型或自由转向模型，抵消被控对象的原有动力学，并辅以PI控制器来消除跟踪误差。特别值得关注的是，当前轮转向系统发生故障（HS_SCU=0）时，转向角δ_f及其速率 ^.δ_f无法测量且动态复杂。为此，研究者设计了一个扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter, EKF），仅利用可测量的飞机体侧滑角β和偏航率 ^.ψ，来实时估计前轮的自由转向状态（^δ_f, ^.^δ_f），并将估计值用于控制律的补偿。仿真结果表明，该估计器能有效跟踪转向状态，其归一化平均绝对误差（NMAE）在典型故障场景下保持在较低水平（例如，Task 2中δ_f的NMAE为5.3%），为故障模式下的有效控制提供了关键信息。

控制分配与压力管理

控制分配器接收横向控制器计算出的虚拟控制量（即所需偏航力矩τ），并求解一个带约束的优化问题，以确定各执行器（差动刹车ΔP_b^all、前轮转向指令δ_f^comm、方向舵指令δ_rud^comm）的最优指令组合。分配策略通过加权矩阵优先使用转向和方向舵，尽量减少对刹车系统的依赖，从而降低与防滑系统的耦合。压力分配模块则是实现差动刹车精准控制的关键。它包含一个“防滑脱开器（AS Disengager）”，当检测到某侧机轮防滑系统（AS_on^R/L）被激活时，会主动施加一个压力释放指令，迫使防滑系统退出干预，重新夺回刹车压力控制权。随后，“压力管理器（Pressure Manager）”会参考飞行员的刹车指令和估计的跑道打滑压力（P_skid^R/L），在满足差动压力需求的同时，尽量保持两侧刹车压力的平均值接近飞行员意图，从而在纠正方向的同时，不过分牺牲纵向制动性能。

仿真场景与结果分析

研究设计了三个具有挑战性的飞行员在环任务来评估系统性能。Task 1是中心线保持任务，在跑道中出现摩擦系数不对称（μ-split）区域，同时刹车控制单元（BCU）发生短暂故障。Task 2是中心线捕获任务，飞机起始位置偏离中心线，且跑道上存在湿滑区域，更关键的是，前轮转向系统（SCU）发生永久性故障，进入自由转向模式。Task 3同样是中心线捕获任务，但扰动源是强烈的侧风，并且方向舵控制单元（RCU）发生故障导致方向舵卡滞。

结果表明，横向辅助系统在所有任务中均显著改善了飞机的方向稳定性。与系统关闭的情况相比，开启LAS后，最大偏航率（^.ψ_max）和平均侧滑角（β_avg）等关键指标明显降低。例如，在最具挑战性的Task 2（前轮转向故障）中，^.ψ_max从26.3 deg/s降至15.1 deg/s，β_max从9.8 deg降至4.6 deg。同时，飞机轨迹与跑道中心线的平均偏差（e_avg）也得以减小。虽然为了进行横向纠正，制动距离（d_br）有所增加，但这体现了系统在纵向制动性能和横向稳定性之间的权衡，优先确保了安全。此外，系统在面对不同飞行员技能水平、不同飞机参数（如质量、重心位置、轮胎磨损状况）时，都表现出了良好的鲁棒性，降低了性能指标的变异性。

结论与意义

本研究成功开发并验证了一套用于飞机地面高速滑行阶段的先进飞行员在环横向辅助系统。该系统的核心贡献在于其模块化架构，能够智能地监控飞行状态，在检测到横向失稳风险时，无缝地协同差动刹车、前轮转向和方向舵等多个执行器进行干预。系统特别注重工程实用性，不仅实现了与现有防滑系统的兼容工作，还重点解决了前轮转向失效这一常被忽视但至关重要的故障模式下的控制问题。通过高保真的飞行员在环仿真，研究证实该系统能有效抑制因跑道条件突变、侧风及执行器故障引起的偏航和侧滑，显著降低飞行员工作负荷，提升飞机在地面运行时的方向稳定性和安全性。这项工作为未来飞机地面操纵自动化、智能化的发展提供了重要的技术基础和设计思路，具有明确的工程应用价值和广阔前景。