CN103473967B - 具有操纵力感的飞机模拟操纵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，属于飞机驾驶舱数字模拟操纵技术领域。所述飞机模拟操纵装置包括：与每一个操纵组件相对应并为其提供操纵力感的控制通道，由飞行气动数据生成控制通道控制指令的主控计算机，将控制指令转换后传输至控制通道的网络交换机，通过网络交换机获取主控计算机输出的控制指令的控制器，控制通道包括：由伺服驱动器和力矩电机组成的伺服电机，与伺服电机输出端转轴同轴安装有转矩传感器，伺服电机转轴通过连杆机构与传动装置连接。本发明通过力矩电机实现操纵力感的模拟，可以精确地满足真实飞机的力感-位移曲线，且操纵力可随飞行状态的改变而实时变化，实现自动驾驶接通状况下的随动功能。
Description
技术领域
本发明公开了具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，属于飞机驾驶舱数字模拟操纵技术领域。
背景技术
飞行模拟操纵时需要通过各种类型的力加载装置为驾驶盘、驾驶杆、脚蹬等飞行操纵组件提供力感，以模拟真实飞机的操纵感受和特性，进而为操纵装置设计提供技术支持。传统的实现方法包括使用弹簧机构或液压式操纵机构，弹簧机构简单，精度低，仅能实现线性的操纵力感，操纵力无法随飞行状态的改变而实时变化，无法实现自动驾驶接通状况下的随动功能；液压式操纵机构通过对液压缸输出力大小的调节，实现操纵力感的模拟，比弹簧控制精度略高，但其控制逻辑相对复杂，需要实时解算不同状态的下控制阀的通断，且液压控制系统占用的物理空间较大，因此需要一种能够提供精确可控地操纵力感的模拟装置，以满足飞行模拟操纵的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了具有操纵力感的飞机模拟操纵装置。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，包括：
与每一个操纵组件相对应并为其提供操纵力感的控制通道，操纵组件通过传动装置将反作用力传递给控制通道，
由飞行气动数据生成控制通道控制指令的主控计算机，
将控制指令转换后传输至控制通道的网络交换机，
通过网络交换机获取主控计算机输出的控制指令的控制器，
所述控制通道包括：由伺服驱动器和力矩电机组成的伺服电机，与伺服电机输出端转轴同轴安装有转矩传感器，伺服电机转轴通过连杆机构与传动装置连接，
所述伺服驱动器根据控制器输出的控制指令得打驱动信号，所述力矩电机在驱动信号作用下工作，所述转矩传感器测量操纵组件的反作用力，所述伺服传感器根据力矩电机转子角速度、操纵组件反作用力重置驱动信号进行下一时刻的伺服控制。
所述具有操纵力感的飞机模拟操纵装置中，力矩电机输出端接有减速器。
所述具有操纵力感的飞机模拟操纵装置中，操作组件为驾驶盘时，所述连杆机构为球铰链杆，伺服电机转轴通过球铰链杆与传动装置连接。
所述具有操纵力感的飞机模拟操纵装置中，操作组件为驾驶杆或者脚蹬时，所述连杆机构为联轴器，伺服电机转轴通过联轴器与传动装置连接。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：通过力矩电机实现操纵力感的模拟，可以精确地满足真实飞机的力感-位移曲线，且操纵力可随飞行状态的改变而实时变化，实现自动驾驶接通状况下的随动功能。
附图说明
图1是本发明三通道控制原理示意图。
图2是本发明驾驶盘传动机构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
操纵装置应能够反映所模拟飞机的驾驶盘、驾驶杆、脚蹬的力特性，并且能够根据实际飞行中飞机不同飞行状态下的舵面的气动载荷，实时调整力特性，以及实现自动驾驶仪随动功能。实时地、逼真地复现飞机在不同飞行条件下和不同操纵模式下（自动、手动、应急）操纵系统的静态和动态特性。
如图1所示，具有操纵力感的飞机模拟操纵装置包括
三个分别为驾驶盘、驾驶杆及脚蹬组件提供操纵力感的控制通道，操纵组件通过传动装置将反作用力传递给控制通道，给个控制通道包括：由伺服驱动器和力矩电机组成的伺服电机，与伺服电机输出端转轴同轴安装有转矩传感器，伺服电机转轴通过连杆机构与传动装置连接，
由飞行气动数据生成控制通道控制指令的主控计算机，
将控制指令转换后传输至控制通道的网络交换机，
通过网络交换机获取主控计算机输出的控制指令，控制指令包括目标位置和目标速率，实现对伺服电机作动的控制器。
操作组件为驾驶盘时，所述连杆机构为球铰链杆，伺服电机转轴通过球铰链杆与传动装置连接。操作组件为驾驶杆或者脚蹬时，所述连杆机构为联轴器，伺服电机转轴通过联轴器与传动装置连接。
针对每个操纵组件，分别由属于每个控制通道的力矩电机进行力加载和随动驱动，电机向伺服驱动器提供位置信号和力信号，伺服驱动器为电机提供设置值。同时每个控制通道的伺服驱动器通过实时网络交换机获得由控制器传来的控制信号，以驱动力矩电机按照指令进行操作，控制器通过UDP协议与主控计算机进行数据交换。
如图2所示的具有操纵力感的驾驶盘操纵装置：力矩电机转轴的一端经过编码器与数据采集器连接，力矩电力转轴另一端依次接有减速器、转矩传感器后与连杆机构相连接，上位机即为图1中的伺服驱动器，控制器通过网络交换机得到主控计算机输出的控制指令，伺服驱动器根据控制指令得到驱动信号，力矩电机在伺服驱动器输出的驱动信号下工作，驱动信号代表力矩输出转矩设置值，力矩电机转子角度/角速度经过编码器编码为位置信息传输至伺服驱动器，驾驶盘在力矩电机输出转矩作用下反馈反作用力至控制通道，转矩传感器将测量的驾驶盘反作用力传输至伺服驱动器，伺服驱动器根据力矩电机位置信息以及驾驶盘反作用力得到下一时刻设置值，进而实现力矩电机输出量自动跟踪输入量。
利用本发明涉及的具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，可以实现以下功能：
1.力的静态特性模拟
驾驶盘、驾驶杆、脚蹬的静态力特性，也即驾驶盘、驾驶杆、脚蹬移动的位置对应的手或脚的操纵力曲线；
2.中立定位
以驾驶杆为例,操纵装置加电后，以慢速驱动驾驶杆纵向向后移动，同时监测驱动力的大小，当驾驶杆纵向到达极限位置后，会碰到机械限位，此时，驾驶杆将不能再向后移动，操纵装置继续加大驱动力，当驱动力达到设定值门限后，驾驶杆不移动，则操纵装置认为驾驶杆已经达到机械限位，将驱动力卸载，并向反方向驱动驾驶杆，由于驾驶杆中立位置到机械限位的距离是事先确定好的固定距离，所以操纵装置驱动驾驶杆反向移动该固定距离并停止，至此便确定了驾驶杆纵向的中立位置。驾驶盘和脚蹬亦同理；
3.配平
在操纵装置运行期间，控制器实时接收主控计算机发来的指令并进行相应处理。控制器设置配平命令，当飞行模拟操纵平台的配平操纵按钮被触发后，触发信号经主控计算机处理后按照操纵装置通信协议发给控制器，力感控制器以设定速度驱动操纵组件移动，该配平命令结束后，操纵组件即以当前位置为新的中立位置继续工作。具体配平速度需根据实际飞机件的速度给定；
4.力的动态特性模拟
在飞机的实际飞行中，当外界环境状态影响舵面气动载荷时，飞行操纵组件的实际力特性会发生变化，本操纵装置根据实际的操纵力变化，在飞行模拟时实时调整力特性已达到操纵力动态特性的模拟。力特性受环境状态影响的数学模型是根据飞机气动数据或试飞数据建立的，并集成在控制器内。影响力特性的外部环境的变量由主控计算机通过UDP协议实时发给控制器，控制器根据这些变量实时调整飞行操纵组件的力特性；
5.自动驾驶模拟
控制器设有自动驾驶命令接口，在模拟飞行中，当飞机处于自动驾驶状态时，主控计算机实时将飞行操纵组件的目标位置发给控制器，控制器驱动飞行操纵组件跟随给定目标位置，实现自动驾驶仪随动功能。
加电后，操纵装置会自动运动到前止点和后止点，以确定中立位置。当自动驾驶仪接通时，直接由主控计算机为控制器提供目标位置和目标速率，以驱动飞行操纵组件按照指令运动。当飞行员操作配平按钮时，操纵装置会自动根据控制模型调整飞行操纵组件的中立位置。人工操纵的力感控制则包括静态特性和动态特性模拟。通过力矩电机系统可以精确地按照力感-位移曲线模拟静态操纵力感，同时配合根据气动数据建立的模型，可以进一步根据舵面气动载荷模拟动态操纵力感，尽可能为飞行员提供真实的操纵力感。
综上所述，本发明通过力矩电机实现操纵力感的模拟，可以精确地满足真实飞机的力感-位移曲线，且操纵力可随飞行状态的改变而实时变化，实现自动驾驶接通状况下的随动功能。
Claims (4)
1.具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，包括：
与每一个操纵组件相对应并为其提供操纵力感的控制通道，操纵组件通过传动装置将反作用力传递给控制通道，
由飞行气动数据生成控制通道控制指令的主控计算机，
将控制指令转换后传输至控制通道的网络交换机，
通过网络交换机获取主控计算机输出的控制指令的控制器，
其特征在于：
所述控制通道包括：由伺服驱动器和力矩电机组成的伺服电机，与伺服电机输出端转轴同轴安装有转矩传感器，伺服电机转轴通过连杆机构与传动装置连接，
所述伺服驱动器根据控制器输出的控制指令得到驱动信号，所述力矩电机在驱动信号作用下工作，所述转矩传感器测量操纵组件的反作用力，所述伺服驱动器根据力矩电机转子角速度、操纵组件反作用力重置驱动信号进行下一时刻的伺服控制。
2.根据权利要求1所述的具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，其特征在于：所述力矩电机输出端接有减速器。
3.根据权利要求1或2所述的具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，其特征在于：所述操纵组件为驾驶盘时，所述连杆机构为球铰链杆，伺服电机转轴通过球铰链杆与传动装置连接。
4.根据权利要求1或2所述的具有操纵力感的飞机模拟操纵装置，其特征在于：所述操纵组件为驾驶杆或者脚蹬时，所述连杆机构为联轴器，伺服电机转轴通过联轴器与传动装置连接。
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