淺析直升機飛行模擬器操縱負(fù)荷系統(tǒng)設(shè)計

趙兀君

摘 要 本文所述的操縱負(fù)荷系統(tǒng)作為某型直升機工程模擬器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要的功能是模擬出飛行員在駕駛某型直升機過程中的周期變距桿、總距桿和腳蹬的操縱力感覺。憑借對操縱力微小變化的敏銳感覺，飛行員判斷直升機操縱性能和飛行狀態(tài)，并做出正確的判斷和執(zhí)行相應(yīng)的操縱動作。操縱負(fù)荷系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)直接影響到直升機飛行模擬器的等級評定。操縱負(fù)荷系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程應(yīng)用到機械設(shè)計、電機伺服控制、單片機技術(shù)、模型軟件開發(fā)和系統(tǒng)軟件編程等多個學(xué)科的知識。在研制過程中開展了電動負(fù)荷系統(tǒng)的初步研究，搭建的原型系統(tǒng)對可變?nèi)烁械年P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗證。這些問題的解決對操縱負(fù)荷系統(tǒng)的成功設(shè)計具有重要意義。未來應(yīng)對工程化進(jìn)行進(jìn)一步工作，即按照直升機模擬器的需求，對人感系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)的模擬。

關(guān)鍵詞 直升機；飛行仿真；模擬器；操縱負(fù)荷系統(tǒng)

前言

操縱負(fù)荷系統(tǒng)是飛行模擬器的重要人感系統(tǒng)，用于模擬直升機飛行操縱系統(tǒng)的動靜態(tài)力感和位移特性，開發(fā)和研制具有高逼真度的操縱負(fù)荷系統(tǒng)是研制高級別模擬器的前提和基礎(chǔ)。操縱力感的逼真度直接影響模擬器等級水平，飛行員在力感模擬不達(dá)標(biāo)的訓(xùn)練模擬器上進(jìn)行飛行訓(xùn)練，會產(chǎn)生錯誤的操縱習(xí)慣，影響訓(xùn)練效果；在力感模擬不準(zhǔn)確的工程模擬器上開展仿真試驗，會直接影響試驗結(jié)果[1]。

系統(tǒng)的主要功能是為飛行員在駕駛模擬器進(jìn)行模擬飛行時提供操縱力感模擬。在周期變距桿、總距桿和腳蹬的操縱過程中，操縱負(fù)荷力加載機構(gòu)向飛行員實時提供反作用力，并根據(jù)力-位移特性和操縱系統(tǒng)狀態(tài)實時調(diào)整反作用力的大小，從而能夠真實模擬直升機操縱力感。操縱負(fù)荷系統(tǒng)的加載方式有多種，如彈簧加載、液壓伺服加載和直流力矩電機加載等方式。本文主要研究基于電機控制的電動負(fù)荷操縱系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)飛行員操縱飛行器各操縱通道時，飛行員的操縱力與電動加載機構(gòu)輸出之合力使得操縱機構(gòu)產(chǎn)生位移，操縱負(fù)荷系統(tǒng)各通道配裝的位移傳感器高速采集當(dāng)前位移，并實時傳送給操縱負(fù)荷計算機中的操縱負(fù)荷模型，模型根據(jù)當(dāng)前操縱位移信號和飛行控制系統(tǒng)狀態(tài)算出相應(yīng)的加載力，操縱負(fù)荷模型解算出的當(dāng)前應(yīng)加載力稱之為模型力，模型力作為內(nèi)環(huán)的輸入驅(qū)動力加載機構(gòu)進(jìn)行力跟蹤。力加載機構(gòu)的實際輸出力自操縱機構(gòu)反傳給飛行員，因此使得飛行員感到與當(dāng)前操縱狀態(tài)和飛行狀態(tài)相對應(yīng)的操縱力感，實現(xiàn)操縱力感模擬；操縱負(fù)荷系統(tǒng)以操縱力為輸入，以操縱位移為輸出，并且實時將操縱位移信號傳送給主仿真計算機飛行仿真模型，參與飛行動力學(xué)解算[3]。如下圖所示。

1.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要為駕駛桿上輸出桿力，使得飛行員感受到逼真的桿力特性。本論文研究的加載系統(tǒng)是以電能為能量源的力輸出系統(tǒng)，即核心為電機輸出的扭矩。因此，電機工作模式應(yīng)為力矩模式，產(chǎn)生的力矩通過鋼索滑輪組或減速器等傳動機構(gòu)后傳送至操縱桿端產(chǎn)生力反饋效果[4]。

1.2 控制器

控制器也稱為人感計算機，為嵌入式計算機。為實現(xiàn)桿力特性模擬的高逼真度，需要進(jìn)行高速迭代計算。相關(guān)研究論文表明，控制器的采樣頻率應(yīng)不小于2000Hz，本論文研制的控制器采樣頻率采用2000Hz[5]。

1.3 傳感器

電驅(qū)動操縱負(fù)荷系統(tǒng)主要使用的傳感器為：拉壓力傳感器和位移傳感器。拉壓力傳感器主要用來測量電機輸出端的負(fù)載力信號，并將采集到的力信號反饋給操縱負(fù)荷計算機，與計算的輸出理論力值進(jìn)行比較，消除累積誤差，提高系統(tǒng)的操縱力感模擬精度。位移傳感器主要是測量飛行員操縱駕駛桿的位移行程，通過控制器采集來計算負(fù)荷系統(tǒng)輸出力的大小[6]。

2 駕駛桿原型系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計了一套典型直升機電動負(fù)荷駕駛桿，又稱為主動桿，具備手柄、減速器、連桿、支撐件，控制器、電機、力傳感器和位移傳感器?？芍庇^反映系統(tǒng)工作原理?？刂破髋c主控平臺之間通過RS422總線通訊，實時收發(fā)系統(tǒng)指令及工作狀態(tài)，在該原型系統(tǒng)上可對電動負(fù)荷系統(tǒng)控制律進(jìn)行真實工作條件下的仿真驗證。

主動桿裝置的基本原理是通過安裝于電動加載單元桿力傳感器感受駕駛員的操縱力，桿位移傳感器檢測桿的當(dāng)前位置，送到主動桿控制器的DSP芯片，運行于DSP芯片的軟件解算人感數(shù)學(xué)模型，最終輸出到電動加載單元伺服電機的電壓空間矢量，使人感加載機構(gòu)單元跟蹤桿位移指令，驅(qū)動操縱桿，實現(xiàn)預(yù)期的人感效果?？刂苹驹砣缦聢D所示[7]。

3 人感建模方法

在飛行模擬中，人工感覺將根據(jù)不同飛行條件而采用不同形式的模型進(jìn)行模擬。模擬的方法一般有三種：①彈簧加載方法；②半實物模擬方法；③力伺服加載方法。本文所設(shè)計的人感系統(tǒng)采用力伺服加載方法，這種加載方法模擬精度高、桿力模型及參數(shù)易于修改，可適應(yīng)不同模擬對象和不同工作模式桿力特性變化要求，目前已被廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜地面飛行模擬器上，空中飛行模擬器也采用這種人感系統(tǒng)模擬方案。采用力伺服加載方法，加載系統(tǒng)應(yīng)該包括駕駛桿、桿力傳感器、位移傳感器、力伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)、人感仿真數(shù)學(xué)模型及人感計算機組成[8]。

4 試驗結(jié)果分析

依據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制四通道彈簧梯度曲線圖，正常工作模式縱向通道測試對比圖，橫向通道測試對比圖，總距通道測試對比圖，腳蹬通道測試對比圖。其中原系統(tǒng)曲線由測試原系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)點根據(jù)測試數(shù)據(jù)所繪[9]。

由數(shù)據(jù)表可得出如下表結(jié)論：

5 結(jié)論與展望

本文分析了直升機操作負(fù)荷系統(tǒng)的基本工作原理，提出基本的駕駛桿原型系統(tǒng)設(shè)計方式，并針對系統(tǒng)設(shè)計提出了一種適用的人感建模的實踐方法。

本文開展了電動負(fù)荷系統(tǒng)的初步研究，搭建的原型系統(tǒng)對可變?nèi)烁械年P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗證。未來應(yīng)對工程化進(jìn)行進(jìn)一步工作，即按照直升機模擬器的需求，對人感系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)。包括初始化配平，操縱過程中的速率配平，對于機械式操縱系統(tǒng)中鉸鏈力矩的模擬。此外，可變?nèi)烁邢到y(tǒng)對直升機的操縱飛行品質(zhì)有巨大的影響，今后在工程化工作中，也應(yīng)該加強可變?nèi)烁械娘w行品質(zhì)研究工作。

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