(57)【要約】      （修正有）【課題】セーフティクリティカルな航空宇宙用途における空気圧作動のための三重冗長アーキテクチャを提供する。【解決手段】空気圧サブシステム３００のそれぞれは、別個の冗長空気圧作動アセンブリを制御するように構成されている。サーボドライバ２０４は、空気圧作動アセンブリを制御して電流の測定値を出力し、リレーに連結されたダンプバルブ２０８を制御する。プロセッサ２０２は、第１のリレー３０４を作動させてダンプバルブを開放する、終了信号を生成するように構成されている。三重空気圧アーキテクチャシステムは、第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれと通信可能に連結された、通信バスをさらに含む。各プロセッサは、１つの電流測定値が残りの２つの電流測定値から所定のエラー値の差で逸脱するときに、終了信号を生成し、その終了信号を１つ以上のリレーに対して伝達するように構成されている。【選択図】図３ａ
2019032075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）であって、
第１の空気圧作動アセンブリ（１００）を制御する第１の空気圧サブシステム（５００ａ）であって、第１のサーボドライブ（２０４）から第１のサーボバルブ（２１２）への制御電流を測定して第１の電流測定値を出力するための第１の電流センサ（３０２）と、第１のリレー（３０４）に連結された第１のダンプバルブ（２０２）とを備え、第１のプロセッサ（２０２）が、前記第１のリレー（３０４）を作動させて前記第１のダンプバルブ（２０２）を開放するための終了信号を生成するように構成されている、第１の空気圧サブシステム（５００ａ）、
第２の空気圧作動アセンブリ（１００）を制御する第２の空気圧サブシステム（５００ｂ）であって、第２のサーボドライブ（２０４）から第２のサーボバルブ（２１２）への制御電流を測定して第２の電流測定値を出力するための第２の電流センサ（３０２）と、第２のリレー（３０４）に連結された第２のダンプバルブとを備え、第２のプロセッサ（２０２）が、前記第２のリレー（３０４）を作動させて前記第２のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第２の空気圧サブシステム（５００ｂ）、
第３の空気圧作動アセンブリ（１００）を制御する第３の空気圧サブシステム（５００ｃ）であって、第３のサーボドライブ（２０４）から第３のサーボバルブ（２１２）への制御電流を測定して第３の電流測定値を出力するための第３の電流センサ（３０２）と、第３のリレー（３０４）に連結された第３のダンプバルブとを備え、第３のプロセッサ（２０２）が、前記第３のリレー（３０４）を作動させて前記第３のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第３の空気圧サブシステム（５００ｃ）、並びに、
前記第１の空気圧サブシステム（５００ａ）、前記第２の空気圧サブシステム（５００ｂ）、及び前記第３の空気圧サブシステム（５００ｃ）のそれぞれを通信可能に連結している通信バスであって、前記第１のプロセッサ（２０２）、前記第２のプロセッサ（２０２）、及び前記第３のプロセッサ（２０２）のそれぞれは、前記第１の電流測定値が前記第２の及び第３の電流測定値から所定のエラー値の差で逸脱するときに、前記終了信号を生成して前記終了信号を前記第１のリレー（３０４）に伝達するように構成されている、通信バス
を備える、三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項２】
前記第１の空気圧作動アセンブリ、前記第２の空気圧作動アセンブリ、及び前記第３の空気圧作動アセンブリ（１００）が共通の荷重に連結されている、請求項１に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項３】
前記共通の荷重が航空ビークルの操縦翼面である、請求項２に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項４】
前記第１のプロセッサ（２０２）、前記第２のプロセッサ（２０２）、及び前記第３のプロセッサ（２０２）のそれぞれは、多数決アルゴリズムによって、前記第１の電流測定値が前記第２の電流測定値及び第３の電流測定値からいつ逸脱するかを決定するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項５】
空気圧アーキテクチャシステム（５００）であって、
空気圧作動アセンブリ（１００）を制御するための空気圧サブシステム（５００）であって、前記空気圧作動アセンブリ（１００）はシリンダ（１０４）及びピストンを含み、前記ピストンは前記シリンダ（１０４）の内部エリアを第１の圧力を有する第１のエリアと第２の圧力を有する第２のエリアとに分割する、空気圧サブシステム（５００）と、
少なくとも部分的にプロセッサ（２０２）からの制御コマンドに基づいて制御電流を生成するサーボドライブ（２０４）と、
前記制御電流に応答して前記第１の圧力及び前記第２の圧力を選択的に調整することによって、前記空気圧作動アセンブリ（１００）を選択的に作動させるサーボバルブ（２１２）と、
前記第１の圧力及び前記第２の圧力を反映する圧力データを前記プロセッサ（２０２）に提供する１つ以上の圧力センサであって、前記プロセッサ（２０２）は、少なくとも部分的に前記圧力データに基づいてリアルタイムでトータルフォースフィードバックを実施するように構成される、１つ以上の圧力センサと
を備える、空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項６】
前記トータルフォースは、前記圧力データと前記ピストンの表面積に応じて計算される、請求項５の空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項７】
第１のダンプバルブ（２０２）及び第２のダンプバルブ（２０２）であって、前記第１のダンプバルブ（２０２）は前記サーボバルブ（２１２）と前記第１のエリアの間にインラインで流動的に位置しており、前記第２のダンプバルブは前記サーボバルブ（２１２）と前記第２のエリアの間にインラインで流動的に位置している、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブをさらに備える、請求項５または６に記載の空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項８】
前記空気圧アーキテクチャシステム（５００）は、第２の空気圧アーキテクチャシステム（５００）及び第３の空気圧アーキテクチャシステム（５００）に連結されて、三重空気圧アーキテクチャシステムを提供する、請求項５から７のいずれか一項に記載の空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項９】
三重空気圧アクチュエータシステム（５００）であって、
第１の空気圧作動アセンブリ（１００）内の第１のピストンの動きを制御するための第１の空気圧サブシステム（５００）であって、第１のサーボドライブ（２０４）と、第１のサーボバルブ（２１２）と、第１の電流センサ（３０２）と、第１のリレー（３０４）に連結された第１のダンプバルブ（２０２）と、第１の位置センサと、前記第１のサーボドライブ（２０４）に対して第１の制御コマンドを伝達する第１のプロセッサ（２０２）を備え、
前記第１のサーボドライブ（２０４）は、前記第１のサーボバルブ（２１２）に対して制御電流を伝達し、前記第１の空気圧作動アセンブリ（１００）を前記第１の制御コマンドに応答して選択的に作動させ、
前記第１の位置センサは、前記第１のピストンの直線移動を測定して前記第１のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、
前記第１の電流センサ（３０２）は前記制御電流を測定して第１の電流測定値を出力するように構成され、
前記第１のプロセッサ（２０２）は前記第１のリレー（３０４）を作動させて前記第１のダンプバルブ（２０２）を開放するための終了信号を生成するように構成されている、第１の空気圧サブシステム（５００）、
第２の空気圧作動アセンブリ（１００）内の第２のピストンの動きを制御するための第２の空気圧サブシステム（５００）であって、第２のサーボドライブ（２０４）と、第２のサーボバルブ（２１２）と、第２の電流センサ（３０２）と、第２のリレー（３０４）に連結された第２のダンプバルブと、第２の位置センサと、前記第２のサーボドライブ（２０４）に対して第２の制御コマンドを伝達する第２のプロセッサ（２０２）を備え、前記第２のサーボドライブ（２０４）は、前記第２のサーボバルブ（２１２）に対して制御電流を伝達し、前記第２の空気圧作動アセンブリ（１００）を前記第２の制御コマンドに応答して選択的に作動させ、
前記第２の位置センサは、前記第２のピストンの直線移動を測定して前記第２のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、
前記第２の電流センサ（３０２）は前記制御電流を測定して第２の電流測定値を出力するように構成され、
前記第２のプロセッサ（２０２）は前記第２のリレー（３０４）を作動させて前記第２のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第２の空気圧サブシステム（５００）、
第３の空気圧作動アセンブリ（１００）内の第３のピストンの動きを制御するための第３の空気圧サブシステム（５００）であって、第３のサーボドライブ（２０４）と、第３のサーボバルブ（２１２）と、第３の電流センサ（３０２）と、第３のリレー（３０４）に連結された第３のダンプバルブと、第３の位置センサと、前記第３のサーボドライブ（２０４）に対して第３の制御コマンドを伝達する第３のプロセッサ（２０２）を備え、
前記第３のサーボドライブ（２０４）は、前記第３のサーボバルブ（２１２）に対して制御電流を伝達し、前記第３の空気圧作動アセンブリ（１００）を前記第３の制御コマンドに応答して選択的に作動させ、
前記第３の位置センサは、前記第３のピストンの直線移動を測定して前記第３のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、
前記第３の電流センサ（３０２）は前記制御電流を測定して第３の電流測定値を出力するように構成され、
前記第３のプロセッサ（２０２）は前記第３のリレー（３０４）を作動させて前記第３のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第３の空気圧サブシステム（５００）、並びに
前記第１のプロセッサ（２０２）、前記第２のプロセッサ（２０２）、及び前記第３のプロセッサ（２０２）のそれぞれを通信可能に連結する通信バスであって、
前記第１のプロセッサ（２０２）は、前記第１の電流測定値、前記第２の電流測定値、及び前記第３の電流測定値のそれぞれを前記通信バスを介して受信するように構成され、
前記第２のプロセッサ（２０２）は、前記第１の電流測定値、前記第２の電流測定値、及び前記第３の電流測定値のそれぞれを前記通信バスを介して受信するように構成され、
前記第３のプロセッサ（２０２）は、前記第１の電流測定値、前記第２の電流測定値、及び前記第３の電流測定値のそれぞれを前記通信バスを介して受信するように構成され、
前記第２のプロセッサ（２０２）及び前記第３のプロセッサ（２０２）は、前記第１の電流測定値が前記第２の電流測定値の及び前記第３の電流測定値から所定のエラー値の差で逸脱するときに、前記終了信号を生成し、前記終了信号を前記第１のリレー（３０４）に送信するように構成され、
前記第１のリレー（３０４）は、前記終了信号の受信を受けて前記第１のダンプバルブ（２０２）を開放し前記第１の空気圧作動アセンブリ（１００）をベントするように構成されている、通信バス
を備える、三重空気圧アクチュエータシステム（５００）。
【請求項１０】
前記第１の空気圧サブシステム、前記第２の空気圧サブシステム、及び前記第３の空気圧サブシステム（５００）が、第１のダンプバルブ（２０２）及び第２のダンプバルブを含む、請求項９に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項１１】
前記第１のダンプバルブ（２０２）は空気圧シリンダ（１０４）内の第１の部分をベントし、前記第２のダンプバルブは空気圧シリンダ（１０４）内の第２の部分をベントする、請求項１０に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項１２】
前記第１のダンプバルブ（２０２）及び前記第２のダンプバルブは共通のリレー（３０４）によって制御される、請求項１１に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項１３】
前記第１の空気圧作動アセンブリ、前記第２の空気圧作動アセンブリ、及び前記第３の空気圧作動アセンブリ（１００）が共通の荷重に連結されている、請求項９から１２のいずれか一項に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【請求項１４】
前記第２のプロセッサ（２０２）及び前記第３のプロセッサ（２０２）は、前記通信バス経由で前記第１のリレー（３０４）に対して前記終了信号を伝達するように構成されている、請求項９から１３のいずれか一項に記載の三重空気圧アーキテクチャシステム（５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気圧作動システムに関する。具体的には、フィードバック補償技術を用いる空気圧作動システムの三重アーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧作動システムは、一般的には１つ以上の圧力制御バルブによって制御されるピストンを備え、特定の産業上の用途で使用されている。最近では、バージニア州マナサスのオーロラフライトサイエンスコーポレーション（「オーロラ社」）が、空気圧作動システムを航空機制御システムに組み込んだ。例えば、オーロラ社は最近、離陸時、巡航中、及び着陸時に、空気圧作動によって主操縦翼面を操作して航空機を操縦することが可能な、右座席パイロット用の補助装置を開発した。空気圧作動システムの動態は、機械的にはシンプルであるにも関わらず、本質的に非線形である。なぜならば、圧力制御バルブには切り替え動作の性質があるし、シリンダの中の圧力変化を統御する気流にはそれ自体に非線形の性質があるからである。
【０００３】
従来型の空気圧作動システムコントローラの設計方法は、２つの大まかなカテゴリーに分類することができる。第１の設計方法は、標準比例積分微分（ＰＩＤ）制御アーキテクチャを用いる。この制御アーキテクチャでは、ゲインは経験的に選択される。即ち、コントローラのロバストな設計のために利用可能な、広範な制御理論はほとんど役に立たない。制御補償装置が操作の基にする主フィードバック信号は、位置エラーである。位置エラーは、命令によるピストンの位置と、ピストンの実際の位置との差異として規定される。第２の設計方法は、スライディングモード制御といった複合非線形法を用いる。これらの実装においてはシステムフィードバック用にいくつかの信号が使用されるが、ゲイン選択プロセスまたは制御設計プロセスは、なお大きく発見的方法及び／または実験に基づいている。これは費用がかかり得るし、不正確で、過度に複雑であり得る。
【０００４】
冗長技術を用い、それによって１つのアクチュエータの障害が、システム全体に対してほんのわずかな影響しか与えないようにすることは、しばしば有利である。こうした冗長性は、典型的には、通常はバックアップまたはフェイルセーフという形でシステムの信頼性を向上する意図で、または実際のシステムパフォーマンスを向上するために、システムの重要な構成要素または機能を重複させることを伴う。航空宇宙の用途では、例えば、セーフティクリティカルなシステム（例えばフライバイワイヤ、航空機の油圧システム、飛行制御システムなど）は、三重化されていてよい。三重冗長（またの名を三倍冗長）システムでは、システムは３つのサブコンポーネントを有しており、これら３つの全てが故障して初めて、システム全体が故障する。各サブコンポーネントが故障するのは稀であるから、またサブコンポーネントは個別に故障すると予期されているから、３つのサブコンポーネント全てが故障する確率は、極めて小さいと計算されている。
【０００５】
上記の観点から、複雑な発見的方法及び／または実験を必要とすることなく追加のフィードバックを提供する、空気圧作動コントローラアーキテクチャの必要性が存在する。具体的には、セーフティクリティカルな航空宇宙用途における空気圧作動のための三重冗長アーキテクチャの必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、ロバストなコントローラ設計を提供するためにフォース（ｆｏｒｃｅ）フィードバックを用いる、空気圧作動コントローラ設計を対象とする。具体的には、本発明は、電流フィードバックやフォースフィードバックなどを含むフィードバック補償技術を用いる、空気圧作動システムのための三重アーキテクチャを対象とする。
【０００７】
第１の態様によると、三重空気圧アーキテクチャシステムは、第１の空気圧作動アセンブリ内の第１のピストンの移動を制御する第１の空気圧サブシステムであって、第１のサーボドライバと、第１のサーボバルブと、第１の電流センサと、第１のリレーに連結された第１のダンプバルブと、第１の位置センサと、第１のサーボドライバに対して第１の制御コマンドを伝達する第１のプロセッサを備え、第１のサーボドライバは、第１の制御コマンドに応答して第１の空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるため、制御電流を第１のサーボバルブに送信し、第１の位置センサは、第１のピストンの直線移動を測定して第１のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、第１の電流センサは、制御電流を測定して第１の電流測定値を出力するように構成され、第１のプロセッサは、第１のリレーを作動させて第１のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成される、第１の空気圧サブシステム、第２の空気圧作動アセンブリ内の第２のピストンの動きを制御する第２の空気圧サブシステムであって、第２のサーボドライバと、第２のサーボバルブと、第２の電流センサと、第２のリレーに連結された第２のダンプバルブと、第２の位置センサと、第２のサーボドライバに対して第２の制御コマンドを伝達する第２のプロセッサを備え、第２のサーボドライバは、第２の制御コマンドに応答して第２の空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるため、制御電流を第２のサーボバルブに送信し、第２の位置センサは、第２のピストンの直線移動を測定して第２のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、第２の電流センサは、制御電流を測定して第２の電流測定値を出力するように構成され、第２のプロセッサは、第２のリレーを作動させて第２のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成される、第２の空気圧サブシステム、第３の空気圧作動アセンブリ内の第３のピストンの動きを制御する第３の空気圧サブシステムであって、第３のサーボドライバと、第３のサーボバルブと、第３の電流センサと、第３のリレーに連結された第３のダンプバルブと、第３の位置センサと、第３のサーボドライバに対して第３の制御コマンドを伝達する第３のプロセッサを備え、第３のサーボドライバは、第３の制御コマンドに応答して第３の空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるため、制御電流を第３のサーボバルブに送信し、第３の位置センサは、第３のピストンの直線移動を測定して第３のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、第３の電流センサは、制御電流を測定して第３の電流測定値を出力するように構成され、第３のプロセッサは、第３のリレーを作動させて第３のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成される、第３の空気圧サブシステム、並びに、第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのそれぞれと通信可能に連結している通信バスであって、第１のプロセッサは第１の電流測定値、第２の電流測定値、及び第３の電流測定値のそれぞれを通信バスを介して受信するように構成され、第２のプロセッサは第１の電流測定値、第２の電流測定値、及び第３の電流測定値のそれぞれを通信バスを介して受信するように構成され、第３のプロセッサは第１の電流測定値、第２の電流測定値、及び第３の電流測定値のそれぞれを通信バスを介して受信するように構成され、第２のプロセッサと第３のプロセッサのそれぞれは、第１の電流測定値が第２の及び第３の電流測定値から所定のエラー値の差で逸脱するときに、終了信号を生成してその終了信号を第１のリレーに伝達するように構成され、第１のリレーは、終了信号の受信を受けて第１のダンプバルブを開放し、第１の空気圧作動アセンブリをベントするように構成されている、通信バスを備える。
【０００８】
第２の態様によると、三重空気圧アーキテクチャシステムは、第１の空気圧作動アセンブリを制御する第１の空気圧サブシステムであって、第１のサーボドライバから第１のサーボバルブへの制御電流を測定して第１の電流測定値を出力するための第１の電流センサと、第１のリレーに連結された第１のダンプバルブとを備え、第１のプロセッサが、第１のリレーを作動させて第１のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第１の空気圧サブシステム、第２の空気圧作動アセンブリを制御する第２の空気圧サブシステムであって、第２のサーボドライバから第２のサーボバルブへの制御電流を測定して第２の電流測定値を出力するための第２の電流センサと、第２のリレーに連結された第２のダンプバルブとを備え、第２のプロセッサが、第２のリレーを作動させて第２のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第２の空気圧サブシステム、第３の空気圧作動アセンブリを制御する第３の空気圧サブシステムであって、第３のサーボドライバから第３のサーボバルブへの制御電流を測定して第３の電流測定値を出力するための第３の電流センサと、第３のリレーに連結された第３のダンプバルブとを備え、第３のプロセッサが、第３のリレーを作動させて第３のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第３の空気圧サブシステム、並びに、第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれと通信可能に連結している通信バスであって、第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのそれぞれは、第１の電流測定値が第２の及び第３の電流測定値から所定のエラー値の差で逸脱するときに、終了信号を生成してその終了信号を第１のリレーに伝達するように構成されている、通信バスを備える。
【０００９】
第３の態様によると、空気圧アーキテクチャシステムは、空気圧作動アセンブリを制御するための空気圧サブシステムであって、空気圧作動アセンブリはシリンダ及びピストンを含み、ピストンはシリンダの内部エリアを第１の圧力を有する第１のエリアと第２の圧力を有する第２のエリアとに分割する、空気圧サブシステムと、少なくとも部分的にプロセッサからの制御コマンドに基づいて制御電流を生成するサーボドライバと、制御電流に応答して第１の圧力及び第２の圧力を選択的に調整することによって、空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるサーボバルブと、第１の圧力及び第２の圧力を反映する圧力データをプロセッサに提供する１つ以上の圧力センサであって、プロセッサは、少なくとも部分的に圧力データに基づいてリアルタイムでトータルフォースフィードバックを実施するように構成される、１つ以上の圧力センサとを備える、空気圧作動アセンブリを制御するための空気圧サブシステムを備える。
【００１０】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれは、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブを含む。
【００１１】
ある態様では、第１のダンプバルブは空気圧シリンダ内の第１の部分をベントし、第２のダンプバルブは空気圧シリンダ内の第２の部分をベントする。
【００１２】
ある態様では、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブは、共通のリレーによって制御される。
【００１３】
ある態様では、第１の、第２の、及び第３の制御コマンドは、同様のコマンドである。
【００１４】
ある態様では、第１の、第２の、及び第３の空気圧作動アセンブリは、共通の荷重と連結されている。
【００１５】
ある態様では、第２のプロセッサ及び第３のプロセッサのそれぞれは、通信バスを通じて第１のリレーに終了信号を伝達するように構成される。
【００１６】
ある態様では、終了信号は、５ＶのＤＣ高信号である。
【００１７】
ある態様では、所定のエラー値は、第１の、第２の、及び第３の測定された電流のそれぞれの間の差分を決定することによって計算される。
【００１８】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれは、第１の、第２の、及び第３のプロセッサのそれぞれに対してリアルタイムの圧力フィードバックを提供する、圧力センサを含む。
【００１９】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれは、第１の、第２の、及び第３のプロセッサのそれぞれに対してリアルタイムの圧力フィードバックを提供する、複数の圧力センサを含む。
【００２０】
ある態様では、前記複数の圧力センサは、空気圧シリンダの第１の部分の第１の圧力を測定するための第１の圧力センサと、空気圧シリンダの第２の部分の第２の圧力を測定するための第２の圧力センサを含む。
【００２１】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれは、第１の、第２の、及び第３のプロセッサのそれぞれに対してリアルタイムでトータルフォースフィードバックを提供する圧力センサであって、圧力センサが圧力データを生成し、トータルフォースが圧力データとピストンに作用している空気の断面積とに応じて計算される、圧力センサを含む。
【００２２】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれは、第１の、第２の、及び第３のプロセッサのそれぞれに対してリアルタイムで位置フィードバックを提供する直線位置センサであって、圧力センサが圧力データを生成し、トータルフォースが圧力データとピストンに作用している空気の断面積とに応じて計算される、直線位置センサを含む。
【００２３】
ある態様では、通信バスは、電流バス及び終了バスを含む。
【００２４】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれは、２つのリレーを含む。
【００２５】
ある態様では、前記３つのリレーのそれぞれは、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのうちの別々のものから終了信号を受信するように構成される。
【００２６】
ある態様では、前記３つのリレーのそれぞれは、共通のダンプバルブを制御するように構成される。
【００２７】
ある態様では、前記３つのリレーのそれぞれは、異なるダンプバルブを制御するように構成される。
【００２８】
ある態様では、前記３つのリレーのそれぞれは、異なるダンプバルブを制御して、共通の給気管から圧力をベントするように構成される。
【００２９】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３のサーボバルブのそれぞれは、３ポジションのパイロットバルブシステムである。
【００３０】
ある態様では、第１の、第２の、及び第３の空気圧作動アセンブリは、平行に、かつ三角形の構成に配設されている。
【００３１】
ある態様では、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧作動アセンブリそれぞれの遠位端は、ブラケットプレートを介して互いに機械的に連結されている。
【００３２】
ある態様では、共通の荷重は、航空ビークルの操縦翼面である。
【００３３】
ある態様では、第１の、第２の、及び第３の制御コマンドは、航空ビークルの飛行制御システムからの同種のコマンドである。
【００３４】
ある態様では、第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのそれぞれは、多数決アルゴリズムによって、第１の電流測定値が第２及び第３の電流測定値からいつ逸脱するかを判定するように構成される。
【００３５】
ある態様では、第１の、第２の、及び第３のプロセッサのそれぞれは、第１の、第２の、または第３のサーボドライバに対して、航空ビークルの飛行制御システムからのコマンドである制御コマンドを伝達するように構成される。
【００３６】
ある態様では、トータルフォースは、圧力データとピストンの表面積に応じて計算される。
【００３７】
ある態様では、空気圧アーキテクチャシステムは、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブであって、第１のダンプバルブはサーボバルブと第１のエリアの間にインラインで流動的（ｆｌｕｉｄｌｙ）に位置しており、第２のダンプバルブはサーボバルブと第２のエリアの間にインラインで流動的に位置している、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブをさらに備える。第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブは、１つ以上のリレーの制御の下で、シリンダからの圧力をベントするように構成されていてよい。さらに、１つ以上のリレーは、終了信号によってトリガされて第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブをベントするように、構成されていてよい。
【００３８】
ある態様では、プロセッサは、リアルタイムのトータルフォースフィードバック及び位置フィードバックに基づいて、終了信号を生成しリレーに伝達するように構成される。
【００３９】
ある態様では、プロセッサは、リアルタイムのトータルフォースフィードバックが所定の範囲から逸脱するときに、終了信号を生成しリレーに伝達するように構成される。
【００４０】
ある態様では、空気圧アーキテクチャシステムは、第２の空気圧アーキテクチャシステム及び第３の空気圧アーキテクチャシステムに連結され、三重空気圧アーキテクチャシステムが提供される。
【００４１】
本発明の一態様は、第１の空気圧作動アセンブリ内の第１のピストンの移動を制御する第１の空気圧サブシステムであって、第１のサーボドライバと、第１のサーボバルブと、第１の電流センサと、第１のリレーに連結された第１のダンプバルブと、第１の位置センサと、第１のサーボドライバに対して第１の制御コマンドを伝達する第１のプロセッサとを備え、第１のサーボドライバは、第１の制御コマンドに応答して第１の空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるため、制御電流を第１のサーボバルブに送信し、第１の位置センサは、第１のピストンの直線移動を測定して第１のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、第１の電流センサは、制御電流を測定して第１の電流測定値を出力するように構成され、第１のプロセッサは、第１のリレーを作動させて第１のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成される、第１の空気圧サブシステム、第２の空気圧作動アセンブリ内の第２のピストンの移動を制御する第２の空気圧サブシステムであって、第２のサーボドライバと、第２のサーボバルブと、第２の電流センサと、第２のリレーに連結された第２のダンプバルブと、第２の位置センサと、第２のサーボドライバに対して第２の制御コマンドを伝達する第２のプロセッサとを備え、第２のサーボドライバは、第２の制御コマンドに応答して第２の空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるため、制御電流を第２のサーボバルブに送信し、第２の位置センサは、第２のピストンの直線移動を測定して第２のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、第２の電流センサは、制御電流を測定して第２の電流測定値を出力するように構成され、第２のプロセッサは、第２のリレーを作動させて第２のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成される、第２の空気圧サブシステム、第３の空気圧作動アセンブリ内の第３のピストンの移動を制御する第３の空気圧サブシステムであって、第３のサーボドライバと、第３のサーボバルブと、第３の電流センサと、第３のリレーに連結された第３のダンプバルブと、第３の位置センサと、第３のサーボドライバに対して第３の制御コマンドを伝達する第３のプロセッサを備え、第３のサーボドライバは、第３の制御コマンドに応答して第３の空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるため、制御電流を第３のサーボバルブに送信し、第３の位置センサは、第３のピストンの直線移動を測定して第３のピストンの位置フィードバックを提供するように構成され、第３の電流センサは、制御電流を測定して第３の電流測定値を出力するように構成され、第３のプロセッサは、第３のリレーを作動させて第３のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成される、第３の空気圧サブシステム、並びに、第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのそれぞれと通信可能に連結している通信バスであって、第１のプロセッサは第１の電流測定値、第２の電流測定値、及び第３の電流測定値のそれぞれを通信バスを介して受信するように構成され、第２のプロセッサは第１の電流測定値、第２の電流測定値、及び第３の電流測定値のそれぞれを通信バスを介して受信するように構成され、第３のプロセッサは第１の電流測定値、第２の電流測定値、及び第３の電流測定値のそれぞれを通信バスを介して受信するように構成され、第２のプロセッサと第３のプロセッサのそれぞれは、第１の電流測定値が第２の及び第３の電流測定値から所定のエラー値の差で逸脱するときに、終了信号を生成してその終了信号を第１のリレーに伝達するように構成され、第１のリレーは、終了信号の受信を受けて第１のダンプバルブを開放し、第１の空気圧作動アセンブリをベントするように構成されている、通信バスを含んでいてよい、三重空気圧アーキテクチャシステムを含む。前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのうちの少なくとも１つは、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブを含む。第１のダンプバルブは空気圧シリンダ内の第１の部分をベントし、第２のダンプバルブは空気圧シリンダ内の第２の部分をベントし得る。第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブは、共通のリレーによって制御され得る。第１の、第２の、及び第３の空気圧作動アセンブリは、共通の荷重と連結されていてよい。第２のプロセッサ及び第３のプロセッサのうちの少なくとも１つは、通信バスを通じて第１のリレーに終了信号を伝達するように構成されていてよい。所定のエラー値は、第１の、第２の、及び第３の測定された電流のそれぞれの間の差分を決定することによって計算され得る。前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのうちの少なくとも１つは、第１の、第２の、及び第３のプロセッサのそれぞれに対してリアルタイムの圧力フィードバックを提供する圧力センサを含んでいてよい。前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのうちの少なくとも１つは、２つのリレーを含んでいてよい。前記３つのリレーのうちの少なくとも１つは、前記第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのうちの別々のものから終了信号を受信するように構成されていてよい。前記３つのリレーのうちの少なくとも１つは、異なるダンプバルブを制御して、共通の給気管から圧力をベントするように構成される。共通の荷重は、航空ビークルの操縦翼面であってよい。第１の、第２の、及び第３の制御コマンドは、航空ビークルの飛行制御システムからの同種のコマンドであってよい。第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのうちの少なくとも１つは、多数決アルゴリズムによって、第１の電流測定値が第２及び第３の電流測定値からいつ逸脱するかを決定するように構成されていてよい。
【００４２】
本発明の別の態様は、第１の空気圧作動アセンブリを制御する第１の空気圧サブシステムであって、第１のサーボドライバから第１のサーボバルブへの制御電流を測定して第１の電流測定値を出力するための第１の電流センサと、第１のリレーに連結された第１のダンプバルブとを備え、第１のプロセッサが、第１のリレーを作動させて第１のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第１の空気圧サブシステム、第２の空気圧作動アセンブリを制御する第２の空気圧サブシステムであって、第２のサーボドライバから第２のサーボバルブへの制御電流を測定して第２の電流測定値を出力するための第２の電流センサと、第２のリレーに連結された第２のダンプバルブとを備え、第２のプロセッサが、第２のリレーを作動させて第２のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第２の空気圧サブシステム、第３の空気圧作動アセンブリを制御する第３の空気圧サブシステムであって、第３のサーボドライバから第３のサーボバルブへの制御電流を測定して第３の電流測定値を出力するための第３の電流センサと、第３のリレーに連結された第３のダンプバルブとを備え、第３のプロセッサが、第３のリレーを作動させて第３のダンプバルブを開放するための終了信号を生成するように構成されている、第３の空気圧サブシステム、並びに、第１の、第２の、及び第３の空気圧サブシステムのそれぞれと通信可能に連結している通信バスであって、第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのそれぞれは、第１の電流測定値が第２の及び第３の電流測定値と所定のエラー値の差で相違したときに、終了信号を生成してその終了信号を第１のリレーに伝達するように構成されている、通信バスを含む、三重空気圧アーキテクチャシステムを含む。第１の、第２の、及び第３の空気圧作動アセンブリは、共通の荷重と連結されていてよい。共通の荷重は、航空ビークルの操縦翼面であってよい。第１のプロセッサ、第２のプロセッサ、及び第３のプロセッサのうちの少なくとも１つは、多数決アルゴリズムによって、第１の電流測定値が第２及び第３の電流測定値からいつ逸脱するかを決定するように構成されていてよい。
【００４３】
本発明の別の実施形態は、空気圧作動アセンブリを制御するための空気圧サブシステムであって、空気圧作動アセンブリはシリンダ及びピストンを含み、ピストンはシリンダの内部エリアを第１の圧力を有する第１のエリアと第２の圧力を有する第２のエリアとに分割する、空気圧サブシステムと、少なくとも部分的にプロセッサからの制御コマンドに基づいて制御電流を生成するサーボドライバと、制御電流に応答して第１の圧力及び第２の圧力を選択的に調整することによって、空気圧作動アセンブリを選択的に作動させるサーボバルブと、第１の圧力及び第２の圧力を反映する圧力データをプロセッサに提供する１つ以上の圧力センサであって、プロセッサは、少なくとも部分的に圧力データに基づいてリアルタイムでトータルフォースフィードバックを実施するように構成される、１つ以上の圧力センサとを備える、空気圧サブシステムを含む、空気圧アーキテクチャシステムを含み得る。トータルフォースは、圧力データとピストンの表面積に応じて計算され得る。空気圧アーキテクチャシステムは、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブであって、第１のダンプバルブはサーボバルブと第１のエリアの間にインラインで流動的に位置しており、第２のダンプバルブはサーボバルブと第２のエリアの間にインラインで流動的に位置している、第１のダンプバルブ及び第２のダンプバルブもまた備えていてよい。空気圧アーキテクチャシステムが、第２の空気圧アーキテクチャシステム及び第３の空気圧アーキテクチャシステムに連結されて、三重空気圧アーキテクチャシステムが提供されていてよい。
【００４４】
本発明のこれらの利点及びその他の利点は、以下の明細と添付の図面を参照することによって容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】例示的な線形空気圧作動アセンブリの概略図である。
【図２】例示的な線形空気圧作動アセンブリ用の単線空気圧システムの概略図である。
【図３ａ】線形空気圧作動アセンブリ用の、単線連続組み込み試験（ＣＢＩＴ）空気圧システムの概略図である。
【図３ｂ】線形空気圧作動アセンブリ用の、単線連続組み込み試験（ＣＢＩＴ）空気圧システムの概略図である。
【図３ｃ】線形空気圧作動アセンブリ用の、単線連続組み込み試験（ＣＢＩＴ）空気圧システムの概略図である。
【図４ａ】圧力を利用したフィードバックシステムにおける、時間の経過に伴う圧力の測定値の変化を示すグラフである。
【図４ｂ】圧力を利用したフィードバックシステムにおける、時間の経過に伴う圧力の測定値の変化を示すグラフである。
【図５ａ】３つの空気圧サブシステムを用いた、例示的な三重空気圧アーキテクチャシステムの概略図である。
【図５ｂ】三重空気圧アーキテクチャシステムを具体化した三重ピストンアセンブリを示す。
【図６ａ】３つの空気圧サブシステムそれぞれの概略図である。
【図６ｂ】３つの空気圧サブシステムそれぞれの概略図である。
【図６ｃ】３つの空気圧サブシステムそれぞれの概略図である。
【図７ａ】三重空気圧アーキテクチャシステムの特定の試験結果を示すグラフである。
【図７ｂ】三重空気圧アーキテクチャシステムの特定の試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照して以下で説明する。図面中の構成要素は必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、むしろ本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。例えば、ある要素の大きさは、明確にするためと記載の利便性のために、誇張されていてよい。さらに、可能な場合には、実施態様中の同一または同様の要素に言及するのに、図面全体を通じて同一の参照番号が使用される。周知の機能または構造は、不要な詳細によって本発明を不明確にし得ることから、以下の記載では詳細には説明されない。明細書中のいかなる文言も、特許請求されていない任意の要素が実施形態の実施のために不可欠であることを示していると解釈すべきではない。以下の記載では、「第１の」「第２の」「頂部」「底部」「側部」「前」「後」などといった用語は、利便性のための用語であって、限定する用語と解釈すべきではない。本願に関しては、以下の用語及び定義が適用される。
【００４７】
本書で使用する場合、数値（または数値の範囲）に係るまたは数値（または数値の範囲）を表す「約」及び「およそ」の語は、その値または値の範囲に合理的に近似していることを意味する。したがって、本書に記載の実施形態は、記載の数値及び数値の範囲のみに限定されるものではなく、合理的に有効な偏差も包含すべきである。本書で使用する場合、水平及び垂直という用語は、航空機が地上にあるときといったように、地面に対する角度または面を表すために使用される。
【００４８】
「航空ビークル」及び「航空機」という用語は、限定しないが、固定翼機、無人航空ビークル、可変翼機、及び垂直離着陸機（ＶＴＯＬ）を含む、飛行可能な機械を意味する。ＶＴＯＬ機は、固定翼機（例えばハリアージェット）、回転翼機（例えばヘリコプター）、ティルトローター／ティルトウイング機、及び／または本書で開示するような新たなカテゴリーの航空機を含み得る。
【００４９】
本書で使用する場合、「及び／または」とは、「及び／または」でつながれているリスト中の任意の１つ以上のアイテムを意味する。例えば、「ｘ及び／またはｙ」は、３つの要素からなるセット｛（ｘ）、（ｙ）、（ｘ、ｙ）｝中の任意の要素を意味する。言い換えれば、「ｘ、及び／またはｙ」とは、「ｘとｙのうちのどちらか、または両方」を意味する。別の例として、「ｘ、ｙ、及び／またはｚ」は、７つの要素からなるセット｛（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）、（ｘ、ｙ）、（ｘ、ｚ）、（ｙ、ｚ）、（ｘ、ｙ、ｚ）｝中の任意の要素を意味する。言い換えれば、「ｘ、ｙ、及び／またはｚ」とは、「ｘとｙとｚのうちの１つ以上」を意味する。
【００５０】
本書で使用する場合、「伝達する」及び「通信する」という用語は、データを発信元から送付先へ送信もしくは他の方法で伝えることと、データを送付先へ伝えるために、通信媒体、システム、チャネル、ネットワーク、装置、回線、ケーブル、ファイバー、回路、及び／またはリンクに送達することとの、両方を意味する。
【００５１】
「回路」（ｃｉｒｃｕｉｔｓ及びｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）という用語は、物理的な電子部品（即ちハードウェア）、並びにハードウェアを設定し得、ハードウェアによって実行され得、及び／またはハードウェアに関連付けられ得る、任意のソフトウェア及び／またはファームウェア（「コード」）を意味する。本書で使用する場合、具体的なプロセッサ及びメモリは、第１のセットの１つ以上の命令行を実行するときには第１の「回路」を備えていてよく、第２のセットの１つ以上の命令行を実行するときには第２の「回路」を備えていてよい。
【００５２】
本書で使用する場合、「例示的な」という用語は、非限定的な例または実例の役割を果たすことを意味する。本書で使用する場合、「例えば」及び「例として」という用語は、１つ以上の非限定的な例または実例のリストを開始する。本書で使用する場合、回路は、ある機能を実施するために必要なハードウェアとコード（必要な場合）を備えているときにはいつでも、（例えばオペレータによって調整可能な設定、工場設定などによって）その機能の性能が無効になっているか有効になっているかに関わらず、その機能を実施するために「動作可能」である。
【００５３】
本書で使用する場合、「プロセッサ」という用語は、ハードウェアとして実装されているか、有形に具体化されたソフトウェアとして実装されているか、その両方であるか、及びプログラム可能であるかどうかに関わらず、処理用の装置、機器、プログラム、回路、構成要素、システム、及びサブシステムを意味する。本書で使用する場合、「プロセッサ」という用語は、限定しないが、１つ以上のコンピュータ装置、配線で接続された回路、信号を変更する装置及びシステム、制御システム用の装置及び機械、中央処理装置、プログラム可能な装置及びシステム、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、チップ上のシステム、個別の要素及び／または回路、ステートマシン、バーチャルマシン、データプロセッサ、処理設備を備えるシステム、並びに、上記の任意の組み合わせを含む。
【００５４】
本書では、ロバストなコントローラ設計を提供するためにフォースフィードバックを用いる、空気圧作動システムコントローラが開示される。空気圧作動システムコントローラは、線形システム（または線形化されたシステム）用に利用可能な最新のマルチ入力／マルチ出力（ＭＩＭＯ）法の使用を可能にする、システム動態モデリングを用い得る。空気圧作動システムは、それ自体の健全性を評価して故障を軽減する一方で、その機能をフルに発揮可能な状態を保つための、三重アーキテクチャを使用して、具体化され得る。空気圧作動システムは、フォースフィードバックに加えて、またはフォースフィードバックの代わりに、空気圧サーボバルブを駆動するモータに流れる電流を含む、他の情報源からのフィードバック制御を用い得る。
【００５５】
本書で検討される空気圧作動システムは、航空宇宙マーケットにおける制御アクチュエータ、産業用機械、及びロボット工学といった、見込みがある数々の産業上の用途に適している。これらの用途では、空気圧作動システムは専用コントローラ内に実装され得る。例えば、本書で開示する様々な空気圧システム及び制御方法は、自動操縦を含む、航空ビークル制御システムに適用され得る。本開示から受益し得る例示的な航空ビークル制御システムは、２０１７年３月２１日に出願され、「航空機乗組員自動化のシステム及び方法」と題する、ジェシカ  Ｅ．デューダ（Ｊｅｓｓｉｃａ  Ｅ．  Ｄｕｄａ）らによって共有されている米国特許第１５／４６４，７８６号（以下「７８６号出願」）によって開示されている。７８６号出願は、コアプラットフォームからのコマンドに応答して航空機の１つ以上の操縦装置を作動させる作動システムを有する、航空機乗組員自動化システムを開示している。作動システムは、開示の空気圧作動システム及び空気圧作動技術を用い得る。
【００５６】
空気圧作動システム内でフォースフィードバックを用いることによって、特定の厳密さ及び／または性能保証を要する、数々の利点が提供される。第１に、フォースフィードバックを用いる空気圧作動システムは、他の非線形的な手法と比べて、ソフトウェア内に実装するのに非常に簡便である。その結果、コントローラ内に実装されたソフトウェアの試験方法及び認証の可能性は、より容易になる。第２に、フォースフィードバックを用いる空気圧作動システムコントローラによって、設計フェーズ中の、最新の制御システム設計及び性能分析技法の使用が可能になる。こうして、システム帯域幅、外乱除去、ロバスト性限界、周波数応答などに関して、十分に情報を得た上での決定が行われる。第３に、フォースフィードバックを用いる空気圧作動システムコントローラは、物理システムにおける変動に対して、耐性がある。関連する例には、幅広い荷重に接続する能力と、（特に始動時の）供給応力の大きな変化への耐性が含まれる。最後に、フォースフィードバックを用いる空気圧作動システムコントローラは、位置制御と直接的なフォース制御との間を迅速かつシームレスに移行する能力に、直接役に立つ。
【００５７】
三重アーキテクチャ設計によって、空気圧システムがオペレータにリアルタイムで警報を発し、それによってオペレータが安全かつ円滑に航空ビークルの制御を遷移させるか、完全無人操縦の場合にはミッションを終了させ基地に帰還させることが可能になる。理解されるように、開示の三重アーキテクチャによって、数々の利点も提示される。第１に、三重アーキテクチャによって、３つの冗長な空気圧制御ラインが設けられ、それによって、１つまたは２つのラインが故障しても空気圧システム全体が稼働可能になる。第２に、各ラインは、独自の閉ループ制御を行うことができるが、空気圧ピストンは、単一の機械アセンブリ内で連結することができる。第３に、各ラインは、自身とその２つの兄弟空気圧ラインに対する、連続組み込み試験（ＣＢＩＴ）を実施する。第４に、三重アーキテクチャは、投票の技法を用いて１つのシステムの故障を検出し、そのシステムを停止することができる。例えば、三重アーキテクチャは、１つ以上の空気圧構成要素（例えばピストン、サーボドライバ、プロセッサ、センサなど）の故障または断線を検出することができる。最後に、三重アーキテクチャは、リアルタイムのフィードバック補償を使用して、各空気圧ライン内で１つのノードのみを使った故障検出を可能にしている。圧力フィードバック補償がない場合には、三重アーキテクチャは、例えば３つの空気圧ラインのそれぞれの間で追加の共有接続を必要とし得る。その結果、ＣＢＩＴに関する投票アルゴリズムもまた、より複雑なものになるであろう。
【００５８】
図１は、空気圧システム内で使用される例示的な線形空気圧作動アセンブリ１００を示す。示されるように、空気圧作動アセンブリ１００は、概してシリンダ１０４と、シリンダ１０４に動作可能に連結された直線位置センサ１０６と、シリンダ１０４と摺動自在に係合しているピストンアセンブリ１０８と、一式のエア継手１０２（例えば給気口／排気口）と、複数の荷重コネクタ１１２とを備える。エア継手１０２は、シリンダ１０４を給気管１１０及び空気圧システムの他の構成要素と連結するように構成される。
【００５９】
示されるように、ピストンアセンブリ１０８は、概してピストン１０８ａと、ピストンロッド１０８ｂと、テールロッド部１０８ｃを含む。稼働中、ピストンアセンブリ１０８は、移動軸Ｄに沿って直線的に（シリンダ１０４の長さに対して横方向に）、両端（例えば前端部と後端部）の間を移動し、それによってピストンロッド１０８ｂを介して荷重を伝えるように構成されている。ピストン１０８ａの外径は、シリンダ１０４の内壁と接触／摺動自在に係合するようにサイズ決め及び形状決めされており、それによって、シリンダ１０４の全内部エリア（Ａ）を、ピストン１０８ａの左（前方向）で第１の圧力（ｐ１）を有する第１のエリア（Ａ１）と、ピストン１０８ａの右（後方向）で第２の圧力（ｐ２）を有する第２のエリア（Ａ２）とに分割している。ピストン１０８ａはさらに、ピストン１０８ａの外径とシリンダ１０４の内壁との間に密封を形成して維持する、１つ以上のＯリング１１４を含んでいてよい。ピストンアセンブリ１０８及びシリンダ１０４といった空気圧作動アセンブリ１００の様々なハードウェア構成要素は、例えば、鋼（例えばクロムメッキ炭素鋼、３１６ステンレス鋼など）、金属合金（例えば電気泳動法及びリルサンで被覆した鋳造アルミニウム合金などといったアルミニウム合金）、非金属（例えばナイロン、ガラス強化ポリアミドなどといったポリアミド）などから作られていてよい。
【００６０】
直線位置センサ１０６は、導体１１６を介して、コントローラ（例えばプロセッサ）に（アナログまたはデジタル電子式の）リアルタイム位置フィードバックを提供し、ピストンロッド１０８ｂがその行程の範囲を通じて延伸する量を示す。直線位置センサ１０６は、例えば、閉ループフィードバック制御を促進するために角度、速度、及び移動量を測定する、電位差計であってよい。代わりに、直線位置センサ１０６は、１つ以上の他のシリンダ内直線変位トランスデューサ（ＬＤＴ）または外部ＬＤＴを用いていてもよい。シリンダ内ＬＤＴは、例えば、磁気ひずみトランスデューサを使用してよい。一方、外部ＬＤＴは、ホール効果技術を用いてピストン１０８ａ上の永久磁石の位置を感知する、外部感知バーを使用してよい。稼働中、磁石によって磁場がシリンダ１０４中に広がり、それによって、センサに対して位置特定信号が提供される。
【００６１】
給気管１１０は、空気圧作動アセンブリ１００と給気との間（及び／または空気圧システムの他の構成要素との間）で圧縮大気（または、圧縮二酸化炭素といった他の気体）を運ぶのに使用される。給気管１１０は、ポリウレタン（ＰＵＲ）管、ナイロン管、ＰＴＦＥ管、ポリウレタン（ＰＵＲ）管などのうちの１つ以上を用いていてよい。給気管１１０は、１つ以上のエア継手１０２を使用して、空気圧作動アセンブリ１００、または他の構成要素に連結される。１つ以上のエア継手１０２は、ネジ付き管継手、バーブ付き（ｂａｒｂｅｄ）ホース継手、迅速交換式（ｑｕｉｃｋ−ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ）エア継手などといった、様々なタイプの管継手／ホース継手を用いていてよい。
【００６２】
空気圧作動アセンブリ１００は、シリンダ１０４内でピストン１０８ａのどちら側かの圧力を選択的に増大させることによってピストンアセンブリ１０８が移動する、「押／押」式の配列として構成されていてよい。具体的には、ピストンアセンブリ１０８の移動は、制御／サーボバルブを介して第１の圧力（ｐ１）と第２の圧力（ｐ２）を選択的に制御／調整することによって、制御される。第１の圧力（ｐ１）と第２の圧力（ｐ２）が等しいとき、ピストンアセンブリ１０８は静止している（即ち、移動していない）。ピストンアセンブリ１０８を後方に移動するためには、第１の圧力（ｐ１）を引き上げる一方で、第２の圧力（ｐ２）を所定の圧力まで引き下げ（または一定に保持し）てよい。それによってピストンアセンブリ１０８は、所定の位置または終端に到達するまで（例えば後端部いっぱいに）右に押される。所定の位置または後端部に到達すると、第２の圧力（ｐ２）を引き上げる一方で、第１の圧力（ｐ１）を所定の圧力まで引き下げてよい。それによってピストンアセンブリ１０８は、所定の位置または終端に到達するまで（例えば前端部いっぱいに）反対方向（例えば左）に押される。
【００６３】
空気圧作動アセンブリ１００は、システムの他の構成要素と連結するための複数の荷重コネクタ１１２を含む。第１の荷重コネクタ１１２はテールロッド部１０８ｃの遠位端に位置していてよく、第２の荷重コネクタ１１２はシリンダ１０４の後端部に位置していてよい。荷重コネクタ１１２は、示されるように、コネクタの端部を貫通するボルトまたはピンによって別の構成要素が締結され得る、クレビスであってよい。クレビスが示されているが、ネジ付きロッド、フック、１ウェイまたは２ウェイのコネクタクランプ、フランジ付きの１ウェイまたは２ウェイのコネクタクランプ、Ｔ分岐コネクタクランプ、スイベルコネクタクランプなどを含む、他の荷重コネクタ１１２も検討される。使用中の摩擦を軽減するため、荷重コネクタ１１２は、１つ以上の常設式ブッシングもしくは交換式ブッシング、ベアリング（例えばボールベアリング）などを備えていてよい。
【００６４】
図２は、状態のセルフモニタリングを用いない、単線空気圧システム２００の概略を示す。示されるように、単式空気圧システム２００は、概して空気圧作動アセンブリ１００、プロセッサ２０２、サーボドライバ２０４、１つ以上の圧力センサ２０６、１つ以上のダンプバルブ２０８、給気２１０、電気機械式サーボバルブ２１２、電源２１４、及び切替装置２１６を備える。空気圧システム２００の様々な構成要素は、稼働場所で迅速に交換されるように設計された、モジュラー式の構成要素（例えば、列線交換ユニット（ＬＲＵ））であってよい。
【００６５】
様々な図で１つ以上の圧力センサ２０６が単一のブロックとして示されているが、この１つ以上の圧力センサ２０６は、必ずしも単一の構成要素ではない。例えば、ピストン１０８ａの両側のシリンダ１０４内の圧力（ｐ１、ｐ２）を検出するために、別々の圧力センサ２０６が使用されてよい。空気圧作動アセンブリ１００は、塊（ｍａｓｓ）３０６ａ、直線ばね３０６ｂ、及び粘性ダンパー３０６ｃを含むとして示されている荷重３０６に、機械的に（例えば、ピストンロッド１０８ｂを介して）取り付けられていてよい。
【００６６】
給気２１０は、サーボバルブ２１２への入力の役割を果たす。給気２１０は、例えば、約５０〜１５０重量ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）で、より好適には約６０〜１２０ｐｓｉで、最も好適には約８０ｐｓｉで、圧縮空気を供給するエアコンプレッサーであってよい。しかし、圧縮空気の圧力レベル（ｐｓｉ）が、特に具体的な構成要素、所望の動的性能、所望のシステム効率などに依存し得ることは、当業者には理解されるだろう。したがって、本開示がこの提示された例示的なｐｓｉの範囲に限定されると解釈されるべきではない。空気圧作動アセンブリ１００は、ピストンの出力において引くまたは押す力を生成するために給気２１０からの圧力がシリンダ１０４の両側に供給され得るという点で、複動式である。
【００６７】
電気機械式サーボバルブ２１２は、電気モータの制御下でモータ電流を介して、給気２１０からシリンダ１０４への気流（ｍドット１、ｍドット２）を制御して第１の圧力（ｐ１）及び第２の圧力（ｐ２）を選択的に調整し、それによってピストンアセンブリ１０８をシリンダ１０４内で選択的に移動させる。この目的のため、サーボバルブ２１２は、圧縮空気を１つ以上の所定の気流速度（ｍドット１、ｍドット２）でシリンダ１０４に導くように構成されている。例えば、サーボバルブ２１２は、高帯域幅のモータ電流コントローラであってよいサーボドライバ２０４からの電気入力信号またはコマンドに応じて、シリンダ１０４への気流を測定し得る。
【００６８】
サーボバルブ２１２は、例えば、３位置式のパイロットバルブシステムであってよい。第１の位置では、サーボバルブ２１２は、給気２１０と（シリンダ１０４内の）ピストンアセンブリ１０８の両側との間の空気の流れを妨げる（ｍドット１＝O，  ｍドット２＝O）ため、閉鎖されている。第２の位置では、サーボバルブ２１２は、給気２１０からピストンアセンブリ１０８の前側へと圧縮空気を送り（ｍドット１＝＋）、同時にピストンアセンブリ１０８の後側から圧力（ｐ３）をベントする（ｍドット２＝−）。最後に、第３の位置では、サーボバルブ２１２は、給気２１０からピストンアセンブリ１０８の後側へと圧縮空気を送り（ｍドット２＝＋）、同時にピストンアセンブリ１０８の前側から圧力（ｐ３）をベントする（ｍドット１＝−）。第２及び第３の位置では、気流速度（ｍドット１、ｍドット２）は、且つサーボドライバ２０４からサーボバルブ２１２へのコマンドに応答して、独立的かつ比例的に制御することができる。適切なサーボバルブは、双方向のリニアフォースモータ並びにスプール及びスリーブを有する、５ポート式、４方向の比例バルブである、Ｅｎｆｉｅｌｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製ＬＳ−Ｖ０５ｓモデルのバルブといった、Ｅｎｆｉｅｌｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能なものを含む。
【００６９】
サーボドライバ２０４は、プロセッサ２０２から受信した、ピストンアセンブリ１０８の位置、速度、圧力、または力を制御する指示に基づき、モータ電流を使用して、サーボバルブ２１２を制御する。プロセッサ２０２は、（例えば制御コマンドまたは他の指示を出力するための）出力回路２０２ａ、並びに（例えばフィードバック及び／または指示を受信するための）入力回路２０２ｂを含む。プロセッサ２０２は、例えば、プログラマブルシステムオンチップ（ＰＳｏＣ）マイクロコントローラ集積回路（ＩＣ）であってよい。例示のＰＳｏＣ  ＩＣチップは、ＣＰＵコア、並びに設定可能なアナログ及びデジタルの統合周辺装置の混合信号アレイを含み得る。
【００７０】
プロセッサ２０２は、ピストンアセンブリ１０８の状態をモニタリングするため、１つ以上のセンサにさらに連結されていてよい。検討されるように、プロセッサ２０２は、空気圧システム２００のリアルタイム制御を実施するように構成されていてよい。この目的のため、プロセッサ２０２の制御原理は、１つ以上のセンサからのフィードバック信号を使用してよい。１つ以上のセンサは、例えば、それぞれピストン１０８ａの位置及び、ピストン１０８ａの両側でシリンダ１０４内の圧力をモニタリングする、直線位置センサ１０６及び、１つ以上の圧力センサ２０６を含んでいてよい。１つ以上の圧力センサ２０６は、シリンダ１０４内のシリンダ１０４と制御バルブ１０８の間（例えば、前記供給ライン１１０内にインラインで）か、またはシステム内の他の場所に位置していてよい。さらに、航空ビークルの関連では、プロセッサ２０２は、飛行制御システムからの所望の位置コマンドを受信してよい。
【００７１】
空気圧システム２００は、空気圧システム２００内の１つ以上の所定の地点において空気圧を解放することによって空気圧作動アセンブリ１００を停止／解除する、１つ以上のダンプバルブ２０８をさらに含み得る。示されるように、空気圧システム２００は、空気圧システム２００の完全停止を容易にするため、サーボバルブ２１２の両側にダンプバルブ２０８を含み得る。具体的には、３つのダンプバルブ２０８が設けられてよい。第１のダンプバルブは、サーボバルブ２１２と給気２１０との間の、インラインのベント圧力（ｐａ）を解放するようにして、流動的に位置している。第２のダンプバルブは、サーボバルブ２１２と前端部エア継手１０２との間の、インラインのベント圧力（ｐａ）を解放するようにして、流動的に位置している。第３のダンプバルブは、サーボバルブ２１２と後端部エア継手１０２との間の、インラインのベント圧力（ｐａ）を解放するようにして、流動的に位置している。
【００７２】
各ダンプバルブ２０８は、電源２１４に電気的に連結されていてよい。電源２１４は、（例えばダンプバルブ２０８内のソレノイドを作動または停止することによって）ダンプバルブ２０８を作動及び／または停止して選択的に圧力（ｐａ）をベントするのに、必要な電力を供給する。電源２１４は、例えば、バッテリ、変圧器、ビークルの電源（地上ビークルであれ航空ビークルであれ）などといった、１２ｖ〜２４ｖのＤＣ電源であってよい。
【００７３】
ダンプバルブ２０８の作動を制御するため、電源２１４と各ダンプバルブ２０８との間に切替装置２１６が設けられていてよく、その結果、電源２１４からダンプバルブ２０８に電力が選択的に供給される。切替装置２１６には、ボタン（瞬時ボタン）、スイッチ、リレーなどのうちの１つ以上が用いられていてよい。
【００７４】
切替装置２１６は、空気圧システム２００（例えば空気圧作動アセンブリ１００）またはその一部を従事させる及び／または解除するために、コントローラまたはオペレータによって手動で作動されてよい。例えば、オペレータが空気圧システム２００を解除したいと思った場合、オペレータは、切替装置２１６をトリガして、空気圧システム２００のあちこちに位置している１つ以上のダンプバルブ２０８を作動させ、空気圧作動アセンブリ１００から圧力を解放する。ある態様では、切替装置２１６は、オペレータがダンプバルブ２０８のサブセットのみを有効にできるようにしてよい。空気圧システム２００が自動操縦機能を提供するために使用されている場合、パイロットは、１つ以上のダンプバルブ２０８（例えば全部のダンプバルブ２０８）が即座に自動操縦機能を解除して航空機の制御をパイロットに戻すようにトリガしてよい。しかし、空気圧システム２００の停止は、パイロットによる制御への突然且つ即時の移行という結果になり得る。
【００７５】
図３ａから図３ｃは、単一ラインの連続組み込み試験（ＣＢＩＴ）空気圧システム３００の概略を示す。空気圧システム３００の様々な構成要素は、モジュラー式構成要素として設けられていてよい。示されるように、単式ＣＢＩＴ空気圧システム３００は、概して空気圧作動アセンブリ１００、プロセッサ２０２、サーボドライバ２０４、１つ以上の圧力センサ２０６、１つ以上のダンプバルブ２０８、給気２１０、電気機械式サーボバルブ２１２、電源２１４、リレー３０４、及び電流センサ３０２を備える。理解され得るように、単一ラインのＣＢＩＴ空気圧システム３００は、空気圧システム２００の構成要素のうちの多数を組み込んでいるが、サーボドライバ２０４とサーボバルブ２１２の間の電気モータ電流を測定するための、電流センサ３０２をさらに含んでいる。電流センサ３０２は、測定データ（即ち測定されたモータ電流）をプロセッサ２０２の入力回路２０２ｂに対して出力する。
【００７６】
ピストンアセンブリ１０８は、図３ａでは中間位置で示されている。中間位置では、前側チャンバ（Ａ１）内のピストンの断面積は、後側チャンバ（Ａ２）内のピストンの断面積と同様であるが、通常はそれよりも小さい。なぜならば、前側の断面積は、シリンダ１０４のピストンチャンバの外に出るピストンロッド１０８ｂも含んでいるからである。言い換えると、中間位置では、第１のエリア（Ａ１）は第２のエリア（Ａ２）よりも小さい。なぜならば、ピストンロッド１０８ｂが、シリンダ１０４内で第１のエリア（Ａ１）の小さからぬ部分を占めているからである。ピストンロッドに外部荷重が一切かかっていないと仮定すると、（Ａ１）と（ｐ１）の積に等しいピストンの前側の力（ｆ１）が、（Ａ２）と（ｐ２）の積に等しいピストンの後側の力（ｆ２）と等しいとき、ピストンアセンブリ１０８は静止している。ピストンアセンブリ１０８を後方に移動するためには、サーボバルブ２１２の制御の下、第１の圧力（ｐ１）を引き上げる一方で、所定の量の空気圧（ｐ３）をベントすることによって第２の圧力（ｐ２）を所定の圧力まで引き下げ（または一定に保持し）てよい。それによってピストンアセンブリ１０８は、図３ｂに示すように所定の位置または終端に到達するまで（例えば後端部いっぱいに）右に押される。所定の位置または後端部いっぱいに到達すると、第２の圧力（ｐ２）を引き上げる一方で、所定の量の空気圧（ｐ３）をベントすることによって第１の圧力（ｐ１）を所定の圧力まで引き下げてよく、それによってピストンアセンブリ１０８は、図３ｃに示すように所定の位置または終端に到達するまで（例えば前端部まで）左に押される。
【００７７】
プロセッサ２０２は、少なくとも部分的に電流センサ３０２からの測定データに基づいて、例えば電源２１４とダンプバルブ２０８の間に位置している１つ以上のリレー３０４を介してライン圧力（ｐａ）をベントするように、ダンプバルブ２０８の１つ以上に対して指示してよい。単一空気圧作動アセンブリ１００のＣＢＩＴは、精密なシステムモデルを用いて、ピストンのサーボドライバへのモータ電流の測定値とサーボドライバのモータ電流の予測値（例えば保存データ値）とを比較することによって、実施することができる。具体的には、単一ラインのＣＢＩＴ空気圧システム３００のある構成要素の故障は、モータ電流の測定値がモータ電流の予測値から所定の偏差で異なっているときに、特定することができるのである。これが可能な理由は、発信されるサーボコマンドとモータ電流の測定値との間の関係が既知であり、この既知の関係からの逸脱は、不具合を表すからである。この故障を検出することによって、単一ラインＣＢＩＴ空気圧システム３００が、リレー３０４及びダンプバルブ２０８を使用して、ラインからの空気圧（ｐ３）をベントすることによってシステムの空気圧を自動的に無効にすることが可能になる。空気圧システム２００と同様に、単一ラインＣＢＩＴ空気圧システム３００の故障は、パイロットによる制御への突然且つ即時の移行に帰結し得る。
【００７８】
電流のモニタリングに加えて、ＣＢＩＴ空気圧システム３００は、ＣＢＩＴ空気圧システム３００を表し、制御するための４つの状態を使用する、多変数制御設計方法を用いていてよい。この４つの状態は、空気圧ピストンの位置と、空気圧ピストンの速度と、２つのシステムの圧力（空気圧ピストンの両側の圧力）を含む。この目的のため、ＣＢＩＴ空気圧システム３００は、１つ以上のプロセッサ１１８及び／またはセンサ（例えば位置データを出す直線位置センサ１０６）を使用してピストンアセンブリ１０８の位置を追跡し、圧力センサ２０６を使用してシリンダ１０４内のピストンアセンブリ１０８の両側の圧力を測定し得る。プロセッサは、これらのセンサを使用して、（部分的には位置データに基づいて）ピストン１０８ａのピストン速度を計算することができる。
【００７９】
空気圧アクチュエータの使用に関する課題は、チャンバ圧及び空気の質量流量が概して非線形であり、それによって、線形モデリングに依拠する古典的なフィードバック制御モデリングツールの有効性が低減することである。ピストンチャンバ内の空気圧および質量流量は、いくつかの理由によって概して非線形であり得る。第１に、図４ａを参照すると、サーボバルブ２１２は、ピストンアセンブリ１０８の片側（例えば後側）に供給圧力で給気し得るか、または閉鎖位置に近づいたときには、ピストンアセンブリ１０８をベントし得る。グラフ４００ａは、サーボバルブ２１２の位置に応じた、ピストンアセンブリ１０８の後側に関する圧力の当初の変化速度を示す。示されるように、サーボバルブ２１２がピストンの片側に対してベントから加圧へと切り替わった時に、圧力変化の速度に鋭い変化が起きる。第２に、図４ｂを参照すると、グラフ４００ｂは、固定制御バルブコマンド位置においてサーボバルブ２１２を通る気流もまた非線形であることを示している。例えば、サーボバルブ２１２の片側と反対側との圧力差が一定のレベルを上回る場合、気流は閉塞（ｃｈｏｋｅ）するであろう。これは、空気が圧縮可能な気体であるという事実によって生じる現象である。これらの現象は、ピストンの動態に関して、即ち完全フィードバック制御システムの動態に関して、重大な役割を果たしうる。しかし、圧力状態を無視することによって、フィードバックコントローラは不確実性に曝される。その一方で、圧力状態を予測するには、複雑な非線形モデリングが必要となる。
【００８０】
これらの課題に対処するため、ピストンアセンブリ１０８の位置と、ピストンアセンブリ１０８の速度と、２つのシステム圧力測定値（ｐ１、ｐ２）を使用してＣＢＩＴ空気圧システム３００をモデリングするのではなく、２つのシステム圧力測定値（ｐ１、ｐ２）の代わりにピストンアセンブリ１０８上のネットフォースをフィードバックとして使って、モデリングが実施されてよい。ネットフォースは、１つ以上の圧力センサ２０６から入手可能な２つの圧力信号（ｐ１、ｐ２）を使用して、プロセッサ２０２によって直接測定することができる。具体的には、ネットフォース（Ｆ）は、ピストン１０８ａの断面積とピストン１０８ａにかかる圧力を使って、方程式１及び２を用いて計算することができる。式中、Ｆはポンドを単位とするネットフォースであり、ｒはインチを単位とするピストン１０８ａの半径であり、ｐ１はｐｓｉを単位とする前端にかかる圧力であり、ｐ２はｐｓｉを単位とする後端部にかかる圧力であり、ｐＡＴＭはｐｓｉを単位とする大気圧（〜１４．７ｐｓｉ）である。
【００８１】
ＦＦｒｏｎｔ＝（Ａｒｅａｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ）×（Ｐａｐｐｌｉｅｄ）＝（πｒ２）×（ｐ１−ｐＡＴＭ）
方程式１
ＦＢａｃｋ＝（Ａｒｅａｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ）×（Ｐａｐｐｌｉｅｄ）＝（πｒ２）×（ｐ２−ｐＡＴＭ）
方程式２
【００８２】
所望のピストンフォース（Ｆ）の閉ループ制御が十分な正確性と帯域幅を有している場合、ネットフォースフィードバックによって、空気圧の作動（例えば閉塞）によって生じるチャンバ圧力への非線形効果を、実質的に低減することができる。所望のピストンチャンバ圧力を達成するために、高帯域幅のフォース制御は、ピストンチャンバ圧力の迅速な測定と、所望のピストン圧力の迅速な計算と、高帯域幅のサーボバルブの作動とを必要とする。ネットフォース（Ｆ）をこうして高帯域幅制御することによって、ピストンに関する完全フィードバック制御システムの動作に対する、圧力挙動の非線形効果が実質的に低減される。これによって、しばしば線形モデルのシステムに基づいている、最新の制御設計方法の利用が可能になる。これらの最新の方法の利点は、システムモデル内の不確実性を説明する際に、古典的な方法と比べてはるかにより正確であることである。所望の性能を達成するためにフォースコントローラが必要とする帯域幅は、システム内に存在する非線形効果の特性周波数と、閉ループシステムの所望の性能の帯域幅に依存し得る。正確な帯域幅と要求精度は、システムの要求精度とレスポンスに依存する。しかし、大雑把な基準としては、補償コントローラ、即ちフォースフィードバックは、完全作動システムの所望の帯域幅よりも少なくとも１０倍は迅速であり、補償コントローラ内で使用されるセンサは、コントローラの所望の定常状態精度の少なくとも１０倍の解像度を有しているべきである。例えば、本発明の一用途では、ピストン制御の所望の閉ループ帯域幅は約４Ｈｚであり、チャンバ圧力の非線形効果によるシステムの共振が、約１Ｈｚという望ましくないシステムの振動を生じさせたことが、経験的観察によって示された。こうして、１００Ｈｚよりも良好的な制御帯域幅のフォースコントローラによって、ピストンの固有の非線形的動態を補正するのに十分な応答時間が提供された。この同じ用途では、チャンバ圧力の測定値の正確性は約０．１ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）であり、その間このシステムは、約１００ｐｓｉまでのチャンバ圧力で稼働した。
【００８３】
上記の空気圧制御技術は、三重空気圧アーキテクチャにおいてさらに具体化され得る。三重空気圧アーキテクチャシステムは、所望の冗長性を提供するのに加えて、自動操縦の解除に伴う自動操縦からパイロットによる制御への突然且つ即座の移行といった、上記の単一ラインシステム２００、３００に関連する特定の欠陥を軽減する。自動操縦で三重空気圧アーキテクチャシステムを使用することのさらなる利点は、３つの空気圧作動アセンブリを使用することによって、操縦桿／ジョイスティックの操作に関してローラーベアリングベースの設計がもはや必要とされないことである。
【００８４】
図５ａは、並行して稼働する３つのほぼ同様または同一の空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃを用いた、例示の三重空気圧アーキテクチャシステム５００の概略を示す。これらのサブシステムは、空気圧サブシステムラインＡ（「ラインＡ」）５００ａ、空気圧サブシステムラインＢ（「ラインＢ」）５００ｂ、空気圧サブシステムラインＣ（「ラインＣ」）５００ｃとして示されている。示されるように、空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃのそれぞれは、同じタスクを実施するための空気圧作動アセンブリ１００を含んでおり、したがって互いに機械的に連結されていてよい。３つの空気圧作動アセンブリ１００は、さらに、一端または両端において、共通荷重コネクタ１１２を共有していてよい（バス接続をよりよく示すため、図５ａからは後端荷重コネクタ１１２が省かれている）。
【００８５】
空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃは、センサバス５０４を介してセンサの読み取り値（例えば電流、圧力、速度、位置、力、及び他の測定値）を、また終了バス５０２を介して終了信号を、といったようにフィードバック及び指示の交換を促進するため、互いに通信可能且つ動作可能に連結されている。三重空気圧アーキテクチャシステム５００の三重冗長性の観点から、３つの空気圧作動アセンブリ１００は、それぞれの空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃを介して、類似した制御コマンドを（例えば、飛行制御システムから）受信する。
【００８６】
空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃのそれぞれは、サーボドライバ２０４からサーボバルブ２１２へのモータ電流を命令するプロセッサ２０２を含む。モータ電流は、インラインの電流センサ３０２を使ってモニタリングされる。各プロセッサ２０２が、３つのライン全てで測定されたモータ電流をモニタリングする。システムの故障がない場合、空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃのそれぞれで測定されたモータ電流は、ほぼ同じであることが予期される。なぜならば、これら３つの空気圧作動アセンブリ１００は、共通の（即ち同一の）荷重３０６を同じ命令を受けた位置まで移動させるように構成されているからである。この結果、各空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃからのフィードバックは、ほぼ同じになるはずである。この目的のため、各プロセッサ２０２は、３つのモータ電流すべてが確実に一致するように（即ち、互いに所定の許容可能な偏差の範囲内になるように）して、投票アルゴリズムを実行する。この投票アルゴリズムは、「三重モジュール冗長性」アルゴリズムの１バージョンであり得る。
【００８７】
３つの空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃのうちの１つにおけるモータ電流の測定値が他の２つの空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃと一致しない（即ち、所定の許容可能な偏差の範囲外であり、ライン／サブシステムの故障を表している）場合、その故障したサブアセンブリのリレー３０４に対して、終了信号（例えば５ＶのＤＣ高信号）が送信され得る。稼働中、リレー３０４は、プロセッサ２０２からの終了信号がリレーによって受信されない限り、空気圧ダンプバルブ２０４に対して電力を提供することによって、空気圧ダンプバルブ２０４を閉鎖（ライン内の圧力を維持）し続ける。このリレー３０４の配設は有利である。なぜならば、ラインのうちの１つでプロセッサ２０２が故障しても、三重空気圧アーキテクチャシステム５００全体が無効にならないだろうからである。故障を検出するサブシステムのプロセッサ２０２は、任意のサブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃによって故障が検出されたときに、故障した空気圧サブシステムのリレー３０４に対して終了信号を送信し、それによって故障した空気圧サブシステムを無効にする（例えばベント／ダンプする）ように構成されている。その後、残りの２つの健全な空気圧サブシステムは、失われた空気圧作動アセンブリ１００をカバーするために、動作を変更し得る。残りの２つのサブシステムは、この２ピストン式システムの動態及び性能が、３ピストン式システムの正常な動作と密接にマッチするようにして、制御ゲインを変更する。２ピストン式の動作用に変更されたコントローラは、正常に動作しているシステムを設計するのと同じ方法を使用して設計され、操作され得る。
【００８８】
図５ｂは、三重空気圧アーキテクチャシステム５００の実施形態である、三重ピストンアセンブリを示す。示されるように、３つの空気圧作動アセンブリ１００は、平行に且つ三角形の構成で配設されていてよい。３つの空気圧作動アセンブリ１００は、一式のブラケットプレート５０６を使用して、互いに対して適切な位置に固定され得る。示されるように、各ブラケットプレート５０６は、三角形の構成に配設された３つのブラケット穴を含む。ブラケットプレート５０６の外周もまた、三角形であってよい。三重ピストンアセンブリは三角形の構成で示されているが、用途に応じて他の構成も可能である。例えば、３つの空気圧作動アセンブリ１００は、平行に且つ平面構成で（隣同士に単一面内に）配設されてよい。
【００８９】
図５ｂの３つの空気圧作動アセンブリ１００は、後端部に３つの別個の荷重コネクタ１１２を用いているとして示されているが、３つの空気圧作動アセンブリ１００が、１つの共通の荷重コネクタ１１２を共有しているか、または（例えば、航空ビークルの固定部への）取り付けのために後端部ブラケットプレート５０６を使用するように、構成されていてもよい。荷重コネクタ１１２は前端部には示されていないが、同様に荷重コネクタ１１２を共有するか、または３つの別個の荷重コネクタ１１２を用いるかしていてよい。いずれにせよ、ロードコネクタ１１２は、各空気圧作動アセンブリ１００のピストンロッド１０８ｂのテールロッド部１０８ｃに連結されていてよい。
【００９０】
図６ａから図６ｃは、ラインＡ  ５００ａ、ラインＢ  ５００ｂ、ラインＣ  ５００ｃのそれぞれを概略的に示す。上記のように、３つの空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃはほぼ同一であり、したがって図６ａのみを詳細に検討する。しかし、理解され得るように、図６ａに関する検討は、他の空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃの観点からではあるが、図６ｂ〜図６ｃにも同様に該当する。
【００９１】
ここで図６ａを参照すると、ラインＡ  ５００ａが概略的に示されている。ラインＡ  ５００ａの様々な構成要素は、モジュラー式構成要素であってよい。示されるように、ラインＡ  ５００ａは概して、空気圧作動アセンブリ１００と、プロセッサ２０２と、サーボドライバ２０４と、１つ以上の圧力センサ２０６と、複数のダンプバルブ２０８と、空気供給２１０と、電気機械式サーボバルブ２１２と、電源２１４と、複数のリレー３０４と、電流センサ３０２と、終了バス５０２及びセンサバス５０４に連結するための１つ以上のバスインターフェースとを備える。１つ以上のバスインターフェースは、終了バス５０２とセンサバス５０４を介して、３つの空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃの間の通信とフィードバックを可能にしている。バスインターフェースは、有線接続された１つ以上の電気コネクタ（例えばマルチピンコネクタ）、ワイヤレストランシーバなどを用いる。ある態様では、三重空気圧アーキテクチャシステム５００は、ピアツーピア通信ネットワーク、またはマスタースレーブネットワークを用いていてよい。例示のネットワークは、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ  バス）を含む。
【００９２】
示されるように、ラインＡ  ５００ａは、３つのリレー３０４を含む。１つのリレー（Ａ−Ａ）はラインＡ  ５００ａのプロセッサ２０２からの終了信号によって制御されており、一方で残りの２つのリレー（Ｂ−Ａ）、（Ｃ−Ａ）は、それぞれラインＢ  ５００ｂ及びラインＣ  ５００ｃのプロセッサ２０２からの終了信号によって制御されている。単一ラインのＣＢＩＴ空気圧システム３００と同様に、ラインＡ  ５００ａは、サーボドライバ２０４とサーボバルブ２１２の間の電気モータ電流を測定するための、電流センサ３０２を含んでいる。電流センサ３０２は、センサバス５０４に対して測定データ（即ち、測定されたモータ電流）を出力する。この測定データは、３つのライン全て（即ちラインＡ  ５００ａ、ラインＢ  ５００ｂ、及び／またはラインＣ  ５００ｃ）のプロセッサ２０２に対して伝達されるか、及び／または、所望であれば、ラインＡ  ５００ａのプロセッサ２０２の入力回路２０２ｂに直接伝達される。稼働中、ラインのそれぞれから同様のフィードバックが予期されている。言い換えれば、ラインＡ  ５００ａの兄弟プロセッサ２０２（ラインＢ  ５００ｂ及びラインＣ  ５００ｃのプロセッサ２０２）は、それぞれのサーボバルブ２１２に対して同様のモータ電流を命令することが予期されている。なぜならば、この３つの空気圧作動アセンブリ１００は、同じ荷重３０６を同じ命令の位置へと駆動するからである。その結果、３つのライン（ラインＡ、ラインＢ、及びラインＣ）の各プロセッサ２０２は、残りの２つのラインをモニタリングするように構成されている。例えば、ラインＡ５００ａは、ラインＢ  ５００ｂ及び／またはラインＣ  ５００ｃのプロセッサによって、終了され得る。
【００９３】
３つのライン（即ちラインＡ  ５００ａ、ラインＢ  ５００ｂ、及びラインＣ  ５００ｃ）は、それぞれ３つのリレー３０４を有するとして示されているが、空気圧システム５００は、各ライン５００ａ、５００ｂ、５００ｃにおいて２つのリレー３０４のみしか使わなくても、なお確実に機能することができる。例えばラインＡ  ５００ａに関しては、ラインＡ  ５００ｃのプロセッサ２０２がラインＡ  ５００ｃを終了（即ち自己終了）するように構成されていいなくてよい。そのため、リレー（Ａ−Ａ）を割愛することによってリレー（Ｂ−Ａ）、（Ｃ−Ａ）のみを残してもよい。それにもかかわらず、自己終了が検討されており、自己終了が用いられて、オプションのリレー３０４（Ａ−Ａ）、（Ｂ−Ｂ）、及び（Ｃ−Ｃ）を介してさらなる冗長性が提供されてよい。
【００９４】
その結果、各プロセッサ２０２は、いかなる差異をも識別するために、測定された３つの空気圧作動アセンブリ１００全てのモータ電流をモニタリングする。したがって、３つの空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃ内の各プロセッサ２０２は、３つの電流センサ３０２のそれぞれからの３つのモータ電流全てが一致するように、投票アルゴリズムを実施してよい。１つのラインのモータ電流が残り２つの兄弟（ｓｉｂｌｉｎｇ）ラインと一致しない場合、終了バス５０２を介して一致していないラインのリレー３０４に終了信号が送信され、ダンプバルブ２０２の電力が切断される。それによって、単一の故障した空気圧システム内の圧力（ｐａ）がダンプ／ベントされる。
【００９５】
空気圧システム５００内で安全でない故障が生じると、モータ電流が所定の「正常」な動作範囲から逸脱する結果となるであろう。圧力フィードバック及び／またはフォースフィードバックが含まれているので、空気圧システムの致命的な故障の全てを検出するためには、モータ電流測定値のモニタリングだけが必要である。したがって、各個別の空気圧作動アセンブリ１００の制御ループ内で、モータ電流フィードバックに加えて、圧力フィードバック及び／またはフォースフィードバックを使用することによって、サーボドライバ２０４からの電気モータ電流を測定し、空気圧システム５００の各個別の空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃにおける、全構成要素に関する情報をキャプチャすることが可能になる。
【００９６】
例として、圧力補償がなく、３つのピストン全てが機械的に連結されており、１つの個別の空気圧作動アセンブリ１００がそのチャンバのうちの１つに至る空気ホースを喪失したというシナリオを検討されたい。１つのピストンの喪失によって全てのコントローラが影響され得るが、各直線位置センサ１０６の出力は、他のものと同じままであるだろう。投票アルゴリズムは、ピストンの位置のみに依存しており、ピストン上の外部荷重の変化に対するシステム応答のこの変化を識別することは不可能であろう。空気圧システム５００は、モータ電流のモニタリングを通じて、断線したラインの電流センサ３０２におけるモータ電流測定値の、他の２つの動作可能ラインの値からの逸脱を検出する。空気圧システム５００はさらに、１つ以上の圧力センサ２０６を介し、圧力フィードバック及び／またはフォースフィードバックを通じて、故障したラインにおける圧力の急低下をプロセッサ２０２のうちの１つを経由してさらに検出し得る。
【００９７】
三重アーキテクチャによって検出され対処された例示的な故障モードのリストが、表１で提供されている。アイテム番号３及び４で記載された故障を検出するために、例えば、圧力フィードバック制御が使用され得る。アイテム番号６及び７に関しては、故障は、空気圧システム５００が制御動作を生成した時点で、モータ電流の逸脱に応答して検出される。空気圧作動アセンブリ１００が低荷重下にあって静止している場合、番号６及び７に該当する故障は、直ちには検出されない可能性がある。なぜならば、故障の結果モータ電流がゼロとなり、ゼロになるということは、低荷重下かつ静止時に予期されるモータ電流に近いものであり得るからである。
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【００９８】
上記のとおり、各プロセッサ２０２は、３つの各空気圧サブシステム５００ａ、５００ｂ、５００ｃ全てのモータ電流を測定し、各ライン内のモータ電流ＥＡＢ、ＥＡＣ、及びＥＢＣ間の差分（デルタエラー値ＥＸＹ）を計算する。ノイズを低減するために、これらのエラー値はフィルタリングされてもよい。エラー値が許容可能な閾値を超過するか、または所定の許容可能な閾値または範囲を逸脱すると、システム故障が検出される。所定の許容可能な閾値は、故障を迅速に検出するためと、故障に起因しない不一致を却下するため（擬陽性を避けるため）との両方のために選択される。却下されるべき不一致の例は、センサノイズに起因する逸脱と、３つの空気圧ピストンそれぞれの小さな差異に起因する逸脱である。エラー閾値の選択には、チャンバの内在ノイズ及び性能偏差、並びにコントローラの構成要素の故障の影響を考慮に入れるべきである。エラーの閾値は、例えば、合計測定範囲の５％を超えるあらゆる誤差（をエラーとするもの）であってよい。表２に要約されている三重投票ロジックでは、システムの健全性を評価するためのエラー値及びシステム故障閾値が用いられている。
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【００９９】
三重空気圧アーキテクチャシステム５００及び、ラインの故障を識別する三重投票ロジックの有効性を実証するために、一連の実験が実施された。この結果は、図７ａ及び図７ｂに要約されている。
【０１００】
図７ａは、３つの空気圧ライン中で測定されたモータ電流を示すグラフである。各空気圧ラインは、同様の（例えば同一の）ステップ位置コマンドを実施することによって監視された。電流データは、「マイクロコントローラユニット」内で提示される。これは、データ取得のために使用される、マイクロコントローラのアナログ−デジタルコンバータの、伸縮されていない出力である。サーボバルブを引き抜くことによって、ラインＣ上にサーボの故障が作り出された。現実世界と実験との間の不一致を取り入れるため、ラインＣで使用されるピストンと機械アセンブリは、ラインＡ及びラインＢのそれらとは同一になっていない。これらの差異にかかわらず、三重空気圧アーキテクチャシステム５００のＣＢＩＴアルゴリズムは、これらの正常な不一致は無視し、その一方でなお実際のシステムの故障は首尾よく検出するのであった。グラフから明らかなように、サーボの故障後にラインＣで測定されたモータ電流は、その後に受信される位置コマンド（グラフ中の電流の急な山形（ｓｐｉｋｅ）／ピークによって示されている）に応答していない。したがって、三重空気圧アーキテクチャシステム５００のＣＢＩＴアルゴリズムは、ラインＣの電流がラインＡ及びラインＢの電流とは顕著に異なっていると、正しく判定したのであった。
【０１０１】
図７ｂは、３つの空気圧ラインで測定されたモータ電流の差異を示すグラフである。上記のとおり、各プロセッサ２０２は、３つのライン全て、即ちラインＡ  ５００ａ、ラインＢ  ５００ｂ、及びラインＣ５００ｃのモータ電流を測定し、各ラインのモータ電流ＥＡＢ、ＥＡＣ、及びＥＢＣ間の差分を計算する。エラー値が許容可能な閾値を超過すると、システム故障が検出される。ここで再び、ラインＣ上でサーボを引き抜くことによってサーボの故障が作り出された。短時間（約２秒）の遅延の後、故障が検出され、ラインＣは自動的にダンプされた。具体的には、エラー値ＥＡＣ及びＥＢＣは、どちらも許容可能な偏差の閾値を超過し、ＥＡＢはしなかった。このことは、２つの故障を表す測定値に共通のラインが、故障の原因であったことを表している。
【０１０２】
故障の検出までの短時間の遅延は、生成された故障の性質に帰することができる。具体的には、ラインＣでサーボが引き抜かれたときに、モータ電流の読み取り値として０が送信される。これは、荷重が０で位置コマンドがない状態の健全なラインとは大きく違わない。新たな位置コマンドが受信されたとき（それによって各ラインでモータ電流が要求されたとき）、健全なライン（ラインＡ及びラインＢ）は新たに非０のモータ電流を生成し、ラインＣの故障は、分化されたものとして直ちに検出される。
【０１０３】
部品、特徴などの特定の配設に関して様々な実施態様が記載されてきたが、これらの実施態様は、全ての可能な配設または特徴を網羅することを意図しているのではなく、実に多くの他の実施形態、変更形態、及び変形形態が、当業者にとっては解明可能であろう。したがって、本発明が上記で明示的に記載された以外の態様でも実施可能であり得ることは、理解されるだろう。上記で引用された特許及び特許文献は、全体として参照により本願に援用される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【外国語明細書】
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2019032075000002.pdf
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