CN101794523A - 一种飞机半实物仿真装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机半实物仿真装置。本发明属于仿真技术领域，包括飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统，由网络连成整体；飞行训练器有服务器、中央操控台、侧杆和显示机构；舵面控制机构有飞机实物模型、副翼、方向舵、升降舵和舵回路控制系统；飞行视景系统显示飞行姿态、数据或轨迹；大气数据测试装置包括计算机和直流电源模块、电源控制模块、适配器模块、信号调理箱模块；三自由度电动转台包括内框、中框、外框和台体基座及其控制系统；惯性导航系统有传感器组件、计算机，传感器组件安装于三自由度电动转台。本发明具有结构新颖、装配紧凑、动态性能好、直观方便和仿真度高等优点。

Description

一种飞机半实物仿真装置

技术领域

本发明属于仿真技术领域，特别是涉及一种飞机半实物仿真装置。

背景技术

目前，飞行运动及自动飞行控制系统仿真以实现飞行运动规律、飞行控制方法研究为目的，现有飞行控制系统中缺少飞机半实物仿真装置，其模拟数据不准确，造成仿真数据偏差大，真实感差，失真现象严重，甚至由于数据失真造成训练结果与架机实操的不一致，带来飞行安全等隐患。急需一种飞机半实物仿真装置来弥补此技术缺陷。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种飞机半实物仿真装置。

本发明的目的是提供一种结构新颖、装配紧凑、经济实用、性能稳定、数据准确、模拟飞机自动和人工驾驶动态性能好、直观方便和仿真度高等特点的飞机半实物仿真装置。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种飞机半实物仿真装置，其特征是：半实物仿真装置包括飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统；飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统由计算机网络连成一个飞机半实物仿真整体：

飞行训练器有服务器、中央操控台、侧杆和显示机构；服务器连接中央操控台、侧杆控制传感器和显示机构，数据处理结果显示于显示机构和飞行视景系统；

舵面控制机构有飞机实物模型、副翼、方向舵、升降舵和舵回路控制系统；舵回路计算机管理系统接收来自飞行训练器的舵面位置数据以及舵面位置传感器，产生控制指令，通过步进电机控制飞机的副翼、方向舵、升降舵；

飞行视景系统由飞行训练器产生的飞机运动数据驱动，显示飞机飞行姿态，飞行数据及飞行轨迹图形；

大气数据测试装置包括计算机和直流电源模块、电源控制模块、适配器模块、信号调理箱模块；计算机连接直流电源模块和适配器模块，直流电源模块有电源控制模块，直流电源模块连接适配器模块，适配器模块通过信号调理箱模块连接大气数据计算机和大气数据仪表；

三自由度电动转台包括内框、中框、外框和台体基座以及控制系统，在台体基座上装有外框，外框装有中框，中框装有内框；外框转轴有一台直流驱动力矩电机，电机、码盘同轴安装；中框轴置于外框架上，有两台并联驱动直流力矩电机，电机、码盘分置两端；内框有一台驱动直流力矩电机，码盘、电机同轴安装，外框、中框和内框轴在空间上相互垂直，且交于一点；控制系统实现对各电机转动的控制；

惯性导航系统有传感器组件、计算机，传感器组件安装于三自由度电动转台。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：飞行训练器的显示机构模拟飞机驾驶舱内的显示仪表，包括1台服务器和5块显示屏，5块显示屏均为触摸屏，分别用于顶板、机长侧显示界面、副驾驶侧显示界面、中央操纵台和教员控制台；显示机构的显示格式、图形与真实飞机驾驶舱显示一致。

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：飞行训练器的服务器接收侧杆和控制台的操作指令，并处理相关数据，产生控制指令；由舵回路控制系统的计算机驱动步进电机及其控制器模拟电传操纵系统中的舵回路从而驱动舵面偏转；舵面位置反馈回服务器。

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：飞行视景系统显示飞机飞行姿态，包括实时显示副翼、升降舵、方向舵的角度变化和起落架的收放状态。

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：信号调理箱模块有模拟输入输出信号、离散量信号、串行数据、角度位置信号和程控电阻信号硬件模块。

所述的大气数据计算机测试装置，其特征是：角度位置信号为设置的同步器角度信号，程控电阻信号为调节程控电阻数值的信号。

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：三自由度电动转台的外框和中框为半框式音叉结构，内框为一个平面圆盘。

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：内框、中框、外框驱动直流力矩电机设有位置反馈元件光电编码盘。

所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：内框连装有负载安装夹具、电机、电机转轴、支承轴承、码盘，负载安装夹具固定在电机转轴上，电机转轴有支承轴承，电机转轴连装有码盘。

本发明具有的优点和积极效果是：

飞机半实物仿真装置由于采用了本发明的技术方案，与现有技术相比具有结构新颖、装配紧凑、经济实用、性能稳定、数据准确、模拟飞机自动和人工驾驶动态性能好、直观方便和仿真度高等优点。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是飞机自动驾驶装置的舵面控制结构示意图；

图3是飞机自动驾驶装置的副翼结构示意图；

图4是飞机自动驾驶装置的方向舵结构示意图；

图5是飞机自动驾驶装置的升降舵结构示意图；

图6是飞机自动驾驶装置的舵回路系统原理示意框图；

图7是飞机自动驾驶装置的飞行训练器硬件结构示意图；

图8是三自由度电动转台的装配结构示意图；

图9是三自由度电动转台的内框结构示意图；

图10是三自由度电动转台的中框结构示意图；

图11是三自由度电动转台的外框及基座结构示意图；

图12是三自由度电动转台的外框结构示意图；

图13是图12的俯视结构示意图；

图14是三自由度电动转台的外框轴结构示意图；

图15是图14的俯视结构示意图；

图16是三自由度电动转台的总体结构框图；

图17是三自由度电动转台的三框伺服控制系统原理图；

图18是三自由度电动转台的操纵台前面板布局；

图19是大气数据计算机测试装置的装配结构示意图；

图20是大气数据计算机测试装置的内部结构示意图；

图21是大气数据计算机测试装置的信号调理箱框架示意图；

图22是大气数据计算机测试装置的直流电源箱结构示意图；

图23是大气数据计算机测试装置的交流电源箱结构示意图；

图24是大气数据计算机测试装置的仿真界面结构示意图；

图25是飞机实物模型。

图中，1-基座，2-外框，2.1-刻度盘，2.2-轴承组件，2.3-外框主轴，2.4-电机，2.5-辅助轴承，2.6-编码器，3-中框，3.1-中框轴，3.2-轴承组件，3.3-电机，3.4-编码器，3.5-刻度盘，4-内框，4.1-夹具，4.2-内框轴，4.3-轴承组件，4.4-辅助轴承，4.5-编码器，4.6-限位开关，4.7-刻度盘，5-显示器，6-适配器，7-直流电源模块，8-计算机，9-信号调理箱，10-副翼，11-升降舵，12-方向舵。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1至图25。

实施例1

一种飞机半实物仿真装置，其特征是：半实物仿真装置包括飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统；飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统由计算机网络连成一个飞机半实物仿真整体：

飞行训练器有服务器、中央操控台、侧杆和显示机构；服务器连接中央操控台、侧杆控制传感器和显示机构，数据处理结果显示于显示机构和飞行视景系统；

舵面控制机构有飞机实物模型、副翼、方向舵、升降舵和舵回路控制系统；舵回路计算机管理系统接收来自飞行训练器的舵面位置数据以及舵面位置传感器，产生控制指令，通过步进电机控制飞机的副翼、方向舵、升降舵；

飞行视景系统由飞行训练器产生的飞机运动数据驱动，显示飞机飞行姿态，飞行数据及飞行轨迹图形；

大气数据测试装置包括计算机和直流电源模块、电源控制模块、适配器模块、信号调理箱模块；计算机连接直流电源模块和适配器模块，直流电源模块有电源控制模块，直流电源模块连接适配器模块，适配器模块通过信号调理箱模块连接大气数据计算机和大气数据仪表；

三自由度电动转台包括内框、中框、外框和台体基座以及控制系统，在台体基座上装有外框，外框装有中框，中框装有内框；外框转轴有一台直流驱动力矩电机，电机、码盘同轴安装；中框轴置于外框架上，有两台并联驱动直流力矩电机，电机、码盘分置两端；内框有一台驱动直流力矩电机，码盘、电机同轴安装，外框、中框和内框轴在空间上相互垂直，且交于一点；控制系统实现对各电机转动的控制；

惯性导航系统有传感器组件、计算机，传感器组件安装于三自由度电动转台。

本实施例飞机半实物仿真装置以实现飞行运动规律、飞行控制方法研究为目的，基于飞行训练器，集飞行管理引导系统、大气数据计算机系统、惯性基准系统、三自由度电动转台、舵面控制系统、飞行视景显示系统为一体，构成半实物仿真装置。

飞机半实物仿真装置以飞行训练器为中心，结合大气数据计算机系统、惯性基准系统、舵面控制系统等机载实物，构成开放式的半实物仿真系统。为对飞行运动规律、飞行控制方法、舵回路控制系统性能等研究提供软硬件平台。

本实施例的各部分组成与结构：

一.飞机自动驾驶模拟装置

飞机自动驾驶模拟装置包括飞行训练器、飞机模型舵面控制机构和飞行视景系统，飞行训练器、飞机模型舵面控制机构和飞行视景系统采用计算机网络连接构成一个整体。

飞行训练器有服务器、中央操控台、侧杆和显示机构；服务器连接中央操控台、侧杆控制传感器和显示机构，数据处理结果显示于显示机构和飞行视景系统；

飞行训练器的显示机构模拟飞机驾驶舱内的显示仪表，包括1台服务器和5块显示屏，5块显示屏均为触摸屏，分别用于顶板、机长侧显示界面、副驾驶侧显示界面、中央操纵台和教员控制台；显示机构的显示格式、图形与真实飞机驾驶舱显示一致。

飞行训练器的服务器接收侧杆和控制台的操作指令，并处理相关数据，产生控制指令；飞行训练器先通过网络将模拟信号传送给舵面控制装置的计算机，计算机对信号进行处理之后，利用串口将数字信号传送给Hub，由Hub将数字信号传出，驱动步进电机及其控制器动作。步进电机及其控制器模拟电传操纵系统中的舵回路从而驱动舵面偏转；舵面位置反馈回计算机。

飞机模型舵面控制机构有飞机实物模型、副翼、方向舵、升降舵和舵回路计算机控制系统；舵回路计算机控制系统连接控制飞机实物模型、副翼、方向舵、升降舵，接收传感器数据，计算机管理系统连接飞行训练器。舵回路计算机管理系统接收副翼、方向舵、升降舵的控制指令，在飞行视景系统上显示舵面运动图形，舵面运动速度和位置参数。

飞行视景系统由飞行训练器产生的飞机运动数据驱动，显示飞机飞行姿态，飞行数据或飞行轨迹图形。显示飞机飞行姿态包括实时反映副翼、升降舵、方向舵的角度变化和起落架的收放状态。飞行数据包括飞机的经纬度、海拔、真航向、俯仰滚转、地速、真空速、飞往的航路点与航向、到下一个航路点的距离，到达下一个航路点的时间。

飞机自动驾驶装置的具体结构及其工作原理如下：

1.飞机自动驾驶装置的功能

飞机自动驾驶装置可以模拟实现飞机的人工驾驶、自动驾驶，完成飞机各个飞行阶段的飞行控制。

飞行训练器主要模拟电子飞行仪表系统，飞机运动规律数学模型，飞行管理引导系统，多功能控制显示组件，飞行控制组件，飞机电子中央监控系统，飞行增稳计算机等，为舵面控制装置、飞行视景、大气数据计算机测试装置、三自由度电动转台、提供飞机的运动数据。

飞机模型(舵面控制)模拟飞机主操纵舵面(升降舵、方向舵、副翼)的控制。

飞行视景主要模拟飞行员的视景以及第三方视景。飞行员视景主要模拟飞行员从驾驶舱看到的情况，第三方视景主要模拟从第三者角度观看飞机的运动姿态与运动轨迹。

2.飞机自动驾驶装置

2.1飞行训练器

飞行训练器包括中央操控台、侧杆、飞行管理引导系统(FMGS)、FCU、MCDU、ECAM和EFIS等系统的管理和显示及教员控制台、飞行参数管理等，并及时接收来自外设的各个输入参数，由飞控程序经过运算后，将需要发送的参数发送给各个客户机。

飞行训练器驾驶舱显示系统的显示格式和图形与飞机驾驶舱真实显示一致。视景系统主要是由飞机气动仿真模型所计算的数据驱动的，气动模型计算飞机性能和姿态数据。

该系统包括一台主机和五块显示屏(触摸屏)，分别用于顶板、机长侧显示界面、副驾驶侧显示界面、中央操纵台和教员控制台。

2.2飞机模型(舵面控制)装置

(1)该系统主要实现以下功能：

飞机舵面位置实时变化(方向舵、升降舵、副翼)。

与舵回路伺服系统的硬件构成大闭环系统，即数据有输入输出。输入主要有舵面位置反馈，输出主要有三个舵面的控制指令。

舵回路管理系统(数据处理、分析与存储)。可以直接给出三个舵面的控制指令，舵面运动图形显示，并且曲线显示测回来的舵面运动速度、位置参数。

(2)舵回路计算机管理系统

根据飞行控制系统中舵面控制系统的工作原理与工作过程，模拟电传操纵系统设计了舵面控制系统，通过操纵飞行训练器产生舵面偏转指令信号，经过一系列设备，最终传输到步进电机控制舵面偏转。另外，还增加了额外的仿真测试环节，即人工键入舵面偏转指令数据，实现舵面的偏转。

采用飞行训练器作为数据产生单元，模拟飞机座舱侧杆等指令产生装置；用工业控制机模拟主飞行计算机接收并处理数据，产生控制指令；用步进电机及其控制器模拟电传操纵系统中的舵回路从而驱动舵面偏转。舵面位置反馈回工业控制机。此外，还有一个简单的仿真测试，人为输入控制指令数据控制舵面偏转。

飞行训练器先通过网络将模拟信号传送给工业控制机，工控机对信号进行处理之后，利用串口将数字信号传送给8Hub，由Hub将数字信号传给5个控制器，从而驱动步进电机的运转，达到控制舵面偏转的目的。但是由于机械或者控制存在传动误差，导致结果与理想值存在一定的偏差，这时我们可以利用一个反馈环节来消除误差。其中反馈环节由5个位置传感器和一个信号处理板及一个A/D转换器组成。

2.3飞行视景系统

(1)飞行视景系统由飞行训练器产生的飞机运动数据驱动，通过投影仪实现飞机飞行姿态，飞行速度，飞行轨迹的三维图形显示。

(2)视景系统所实现的功能包括：

实现了北京首都机场和昆明巫家坝机场的视景；

在视景中实时显示飞行参数(包括高度、速度、航向)与导航参数(如航路点的名称等)；

提供四级能见度选择和三种视点类型选择；

根据飞机不同的位置与姿态变化，实时反映副翼、升降舵、方向舵的角度变化和起落架的收放状态；

设置视景管理系统，能够完成视景数据的存储和分析处理，并且可以通过已有的飞行数据来驱动视景系统。

(3)视景系统主要包括教员控制台页面、VisSim.exe、VisSimR.exe、WkstnMgr.exe、ZPPP.exe、ZBAA.exe以及相关数据文件七部分，其中

教员控制台页面负责视景机场的选择和视景的控制功能按钮；

VisSim.exe负责收集HMI和ACON数据并发送到视景计算机上；

VisSimR.exe负责接受与处理数据，并提供视景所需数据。

ZPPP.exe、ZBAA.exe为视景程序。

二.大气数据计算机测试装置

一种大气数据计算机测试装置，进行大气数据计算机模拟仿真，计算机测试装置包括计算机8和直流电源7模块、电源控制模块、适配器6模块、信号调理箱9模块；计算机连接有直流电源模块和适配器模块，直流电源模块设有电源控制模块，直流电源模块连接适配器模块，适配器模块有信号调理箱模块连接大气数据计算机和大气数据仪表。

信号调理箱模块有模拟输入输出信号、离散量信号、串行数据、角度位置信号和程控电阻信号硬件模块。角度位置信号为设置的同步器角度信号，程控电阻信号为调节程控电阻数值的信号。

电源控制模块为产生被测大气数据组件需要的直流电源、交流电源或UPS模块。直流电源为箱式结构直流电源，电源电压为5-28V，电流为5-15A。

直流电源箱主要是产生各种所需直流电源，直流电源箱原理框图如图20所示。直流电源模块技术指标：

1)、28VDC 10A电源输出：1路

输入电压范围：220V±10％，50±2Hz

负载能力：15A

纹波及噪声：低于输出电压的1％

负载调整范围：低于±5％

具过流、短路保护及自恢复能力

2)、±15VDC 5A电源输出：1路

输入电压范围：220V±10％，50±2Hz

负载能力：5A

纹波及噪声：低于输出电压的1％

负载调整范围：低于±5％

具过流、短路保护及自恢复能力

3)、12VDC 5A电源输出：1路

输入电压范围：220V±10％，50±2Hz

负载能力：5A

纹波及噪声：低于输出电压的1％

负载调整范围：低于±5％

具过流、短路保护及自恢复能力

4)、5VDC 6A电源输出：1路

输入电压范围：220V±10％，50±2Hz

负载能力：6A

纹波及噪声：低于输出电压的1％

负载调整范围：低于±5％

具过流、短路保护及自恢复能力。

交流电源箱主要是产生各种所需交流电源，交流电源箱原理框图如图21所示。

计算机连接有显示器5和打印机模块。计算机连接电动升降速度表、马赫空速表和高度表。

装置功能主要有装置自检，装置校验，大气数据计算机测试，指示仪表测试，大气数据计算机仿真测试，报表打印。

1)、装置自检

进行装置全面检测，判断装置故障。

2)、装置校验

对装置进行精度校验。

3)、大气数据计算机测试

对大气数据计算机进行测试，测试完成后自动产生报表，记录测试数据。

4)、仿真测试

模拟大气数据计算机，计算大气参数，向升降速度表(4039893-902)，马赫空速表(4039891-903)和高度表(65205-211)发送信号，模拟飞行状态，并通过装置软件显示模拟状态。

5)、报表打印

浏览历史报表并打印。

该大气数据计算机测试装置的具体连接结构及其工作说明如下：

大气数据计算机测试装置是大气数据系统的综合自动测试装置，能够对大气数据计算机提供工作和测试所需的信号，进行测试和校验，并产生测试报表。

大气数据计算机测试装置还可以对该件号大气数据计算机进行模拟仿真，即通过人工输入静压、动压、总温等大气数据原始参数，模拟仿真软件计算出相应的大气飞行参数(包括：升降速度，马赫数，计算空速，气压高度，最大允许空速，接收场压装订等)，将其转换成升降速度表(P/N.4039893-902)，马赫空速表(P/N.4039891-903)和气压高度表(P/N.65205-211)所需的信号，提供上述指示器指示，以完成上述指示器的仿真测试。

1、仿真测试的连接

请先将大气数据计算机与装置断开连接。

升降速度表(4039893-902)，马赫空速表(4039891-903)，高度表(65205-211)。

将高度表(65205-211)与适配器S50连接，马赫空速表(4039891-903)与S32连接，高度表(65205-211)与S24连接。

2、软件操作

在主界面进入仿真程序，进行仿真前初始化，进入仿真界面如图6。

左上方框内是升降速度指示(Ft/m)，左面中间是参数输入框，左下是气压高度指示(Ft)，右面为马赫空速指示，右上是空速指示(Kn)，右面中间为马赫指示，右下是VMO指示(Kn)。

仿真测试方式有两种，可以通过鼠标右击Ps，Pt目标值显示栏选择单位来进行选择。

第一.输入Ps，Pt和升降速度进行仿真

选择inhg/inhg单位，通过输入Ps，Pt和升降速度进行仿真测试。

第二.输入高度，马赫数和升降速度进行仿真

选择Ft/M单位，通过输入高度，马赫数和升降速度进行仿真测试。

仿真参数通过鼠标左击目标值显示栏进行输入。

选择方式和输入参数后，点击“开始计算”，就可以仿真出即时的大气参数，并把相应的参数发送给相应的仪表。

三.飞行器姿态模拟三自由度电动转台

飞行器姿态模拟三自由度电动转台，包括内框4、中框3、外框2和台体基座1，在台体基座1上装有外框2，外框2装有中框3，中框3装有内框4；外框转轴有一台驱动直流力矩电机，电机、码盘同轴安装；中框轴置于外框架上，有两台并联驱动直流力矩电机，电机、码盘分置两端；内框有一台驱动直流力矩电机，码盘、电机同轴安装，外框、中框和内框轴在空间上相互垂直，且交于一点。基座为立方体，三个框架设计为U-U-I形，即外框和中框均为半框式音叉结构，内框为一个平面圆盘，其基本尺寸由负载安装空间确定。

内框、中框、外框驱动直流力矩电机设有位置反馈元件光电编码盘。内框4连装有负载安装夹具4.1、电机、电机内框转轴4.2、支承轴承组件4.3、编码器4.5，负载安装夹具4.1固定在电机内框转轴4.2上，电机内框转轴4.2有辅助轴承4.4，电机转轴连装有编码器4.5。电机转轴连装有刻度盘4.7，内框设有转动限位开关4.6。中框3设有左、右两根半中框轴3.1、轴承组件3.2、电机3.3、编码器3.4；左、右两根半轴安装在中框的两侧，由一对角接触轴承组件3.2支承在外框架上；编码器3.4、刻度盘3.5分别安装在右半轴上。外框2设有外框电机2.4、电机外框主轴2.3、轴承组件2.2、编码器2.6；外框2的半框结构空心腔内有加强筋；外框2连装在电机外框主轴2.3上，外框主轴2.3有角接触轴承组件2.2支承，电机主轴2.3下端有辅助轴承2.5，电机主轴2.3下部连装有编码器2.6，外框2与基座1间装有刻度盘2.1。

飞行器姿态模拟三自由度电动转台的具体结构及其工作原理如下：

1.转台组成结构：

飞行器姿态模拟三自由度电动转台由基座和三个运动框架组成，用以安装试验负载，模拟飞行器的三维姿态运动。

转台转动轴坐标系依据飞行器运动坐标系而定。飞行器的姿态运动坐标轴系(机体轴系)和相应的转台转动轴坐标系设置为：三轴转台的内、中、外三框的转动轴分别对应飞行器的“滚动轴”、“俯仰轴”和“偏航轴”，即以内框表征飞行器的滚转运动，中框表征俯仰运动，外框表征偏航运动。转台三轴在空间相互垂直，且交于一点。

结合三轴坐标轴系，转台整体由内框、中框、外框和台体基座四部分组成。其结构：基座为立方体，三个框架设计为U-U-I形，即外框和中框均为半框式音叉结构，内框为一个平面圆盘，其基本尺寸由负载安装空间确定。三框均由直流力矩电机直接驱动，采用光电编码盘为位置反馈元件。

内框采用一台直流力矩电机驱动，码盘、电机同轴安装；中框轴置于外框架上，采用两台直流力矩电机并联驱动，为使外框架运动平稳，电机、码盘分置两端。外框转轴采用一台直流力矩电机驱动，电机、码盘同轴安装。如图8所示。

(1)内框轴系组件

内框轴系是三轴转台的关键组成部分之一，它包括内框(即内框电机转轴)、负载安装夹具、内框电机、支承轴承、码盘等，如图9所示。内框安装盘采用LC4高强度合金铝制造。

(2)中框轴系组件

中框轴系包括中框、中框左右半轴、中框驱动电机、轴承、码盘等。中框轴系组件支承在外框架上，如图10所示。

中框轴系由左、右两根半轴构成，分别安装在中框的左右两侧，由一对角接触轴承支承在外框架上。轴的形状、尺寸都由结构设计确定，材料为40Cr合金钢。两个驱动电机、码盘分别安装在左、右半轴上。

(3)外框轴系组件

外框轴系组件由外框、外框轴、外框电机、轴承、码盘、底座等组成，如图11所示。

外框为半框结构，壁厚15mm，在空心腔内增加一加强筋，以增加外框架的整体刚度和强度。框架采用铸造方式，材料为ZL107并进行淬火时效处理。

外框轴是三轴台的总承重旋转件，为保证精度和性能，外框轴必须有足够的刚度和强度如图5。外框轴为中空整体型结构，采用40Cr合金钢材，其外形如图13所示。

一对大孔径角接触轴承相对安装，为主要承力件，并稳定主轴系运转。下端的小轴承，能更好地增加主轴系的稳定性，提高码盘的安装精度。驱动电机安装在两主承力轴承与辅助轴承之间，能更好地保证主轴运转的平稳性。码盘是不受力的精密测量元件，安装在主轴的最下端。

台体底座为铸铁件，采用HT300铸铁，具有吸震性能强、抗压强度高、稳定性好等特点。加工前进行人工时效处理，底座底部安装楔形调平地脚，并在上表面适当位置配有吊装孔。

2.使用的装置：

1)三轴驱动电机

a.电机需用功率计算：

电机需用的功率与负载、框架结构和系统动态性能要求有关。依据负载特性、安装形式和初步确定的框架结构尺寸，可以确定出相对各框转动轴的转动惯量，由系统的动态性能(频带、最大加速度)，即可确定相应各轴驱动电机的需用力矩。各框的转动惯量及所需电机的性能数据见表1。

表1各框转动惯量及所需驱动力矩

	内框轴	中框轴	外框轴
				转动惯量(Kgm2)	1.4	22	82
最大加速度	2000	800	600
				最大驱动力矩(Nm)按最大加速度计算	48.9	307.2	858.6
最大转速(°/s)	400	220	120

b.各框驱动电机的选型配置

电机选配的基本原则：满足最大驱动力矩和系统性能要求，技术成熟、性能可靠、电磁兼容性好。鉴于此采用精密直流有刷力矩电机。对于微机控制下该类型直流力矩伺服系统，我们已有比较完善的技术配套措施、比较成熟有效的控制策略和方法，以及一些实现电磁兼容性好、抗干扰能力强的经验和技术措施。初步配置各框的电机数据及参数型号如表2所示。

表2各框电机主要性能参数

	内框	中框	外框
				参考型号	J250LYX30	J320LYX70	J425LYX110B
峰值堵转力矩(Nm)	75	240	1500
				最大空载转速(rpm)	145	85	65
峰值堵转电压(V)	60	120	140
				峰值堵转电流(A)	19	18	73.5
需用数量(台)	1	2	1

2)角位置测量装置-光电编码盘的选配

编码盘选配的主要依据是转台系统角位置测量分辨率、测量准确度和系统的动态性能要求。由技术规格要求：角位置分辨率：±0.002，角位置准确度：±7.2”，系统最宽通频带(内框)：10Hz，现三框均选用德国Heidenhain公司的ERN180型码盘，其主要性能数据如表3。

表3  ERN180码盘主要性能数据

增量信号	正弦1Vpp	机械允许转速	1000rpm
				刻度线数	5000	固有频率	≥1000Hz
角分辨率	0.0001°(0.36″)	电源	5V±10％
				系统准确度	±5角秒	工作温度	0℃-50℃
振动	≤100m/s2(55-2000Hz)	冲击	≤1000m/s2(6ms)

上述元部件配置从根本上保证了转台系统的动态及静态性能指标的实现。

3)轴承的选配

为保证位置精度和低速性能，采用国外高性能、高等级的优质轴承，同时进行优化的轴系设计，并在控制系统中采用合适的控制策略，使系统达到满意的性能。轴承的主要技术数据列于表4。

表4各框轴承型号及参数

3、转台控制系统

控制系统是转台的重要组成部分，其主要功能是实现控制策略、完成技术性能、功能，保证系统安全可靠地工作。

1)控制系统的结构组成

图7为转台系统总体结构图。采用集散式(DCS)控制机制，以上、下位机形成两级控制结构，实现系统的分散直接控制和集中综合监控管理功能。上位机形成转台系统的集中监控、综合管理级，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控功能。下位机是转台控制系统的直接控制级，用以构成转台内、中、外框三个独立的伺服控制回路。

图8为内、中、外框伺服控制系统原理图。在伺服系统中，由码盘和IK121接口卡构成数字式角位置反馈回路，满足系统的精度和动态性能要求。

2)控制系统的工程实现

电控部分包括操纵台和控制柜。

操纵台为弱电部分，放置上位机、下位机、CMS检测系统，其前面板布局如图9所示，面板左侧的“内框”、“中框”、“外框”为各框工作指示灯，右侧的“停止”、“准备”、“运行”为工作状态切换按钮，均通过电缆与CMS检测系统相连。

“停止”、“准备”和“运行”三个工作状态按钮使系统调试方便、操作安全可靠，可以通过前面板上的工作状态按钮进行人工操作，也可通过上位机软件进行操作。按下“停止”按钮时，转台各框架停在原位。

控制柜为强电部分，放置三框功率放大器(PWM)和变压器装置。电控柜各单元设有电源开关，每个机柜设有一个总电源开关。两个机柜内部各单元之间的连接通过专用电缆完成。

Claims (9)

1.一种飞机半实物仿真装置，其特征是：半实物仿真装置包括飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统；飞行训练器、舵面控制机构、飞行视景系统、大气数据测试装置、三自由度电动转台和惯性导航系统由计算机网络连成一个飞机半实物仿真整体：

飞行训练器有服务器、中央操控台、侧杆和显示机构；服务器连接中央操控台、侧杆控制传感器和显示机构，数据处理结果显示于显示机构和飞行视景系统；

舵面控制机构有飞机实物模型、副翼、方向舵、升降舵和舵回路控制系统；舵回路计算机管理系统接收来自飞行训练器的舵面位置数据以及舵面位置传感器，产生控制指令，通过步进电机控制飞机的副翼、方向舵、升降舵；

飞行视景系统由飞行训练器产生的飞机运动数据驱动，显示飞机飞行姿态，飞行数据及飞行轨迹图形；

大气数据测试装置包括计算机和直流电源模块、电源控制模块、适配器模块、信号调理箱模块；计算机连接直流电源模块和适配器模块，直流电源模块有电源控制模块，直流电源模块连接适配器模块，适配器模块通过信号调理箱模块连接大气数据计算机和大气数据仪表；

三自由度电动转台包括内框、中框、外框和台体基座以及控制系统，在台体基座上装有外框，外框装有中框，中框装有内框；外框转轴有一台直流驱动力矩电机，电机、码盘同轴安装；中框轴置于外框架上，有两台并联驱动直流力矩电机，电机、码盘分置两端；内框有一台驱动直流力矩电机，码盘、电机同轴安装，外框、中框和内框轴在空间上相互垂直，且交于一点；控制系统实现对各电机转动的控制；

惯性导航系统有传感器组件、计算机，传感器组件安装于三自由度电动转台。

2.根据权利要求1所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：飞行训练器的显示机构模拟飞机驾驶舱内的显示仪表，包括1台服务器和5块显示屏，5块显示屏均为触摸屏，分别用于顶板、机长侧显示界面、副驾驶侧显示界面、中央操纵台和教员控制台；显示机构的显示格式、图形与真实飞机驾驶舱显示一致。

3.根据权利要求1或2所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：飞行训练器的服务器接收侧杆和控制台的操作指令，并处理相关数据，产生控制指令；由舵回路控制系统的计算机驱动步进电机及其控制器模拟电传操纵系统中的舵回路从而驱动舵面偏转；舵面位置反馈回服务器。

4.根据权利要求1所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：飞行视景系统显示飞机飞行姿态，包括实时显示副翼、升降舵、方向舵的角度变化和起落架的收放状态。

5.根据权利要求1所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：信号调理箱模块有模拟输入输出信号、离散量信号、串行数据、角度位置信号和程控电阻信号硬件模块。

6.根据权利要求5所述的大气数据计算机测试装置，其特征是：角度位置信号为设置的同步器角度信号，程控电阻信号为调节程控电阻数值的信号。

7.根据权利要求1所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：三自由度电动转台的外框和中框为半框式音叉结构，内框为一个平面圆盘。

8.根据权利要求7所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：内框、中框、外框驱动直流力矩电机设有位置反馈元件光电编码盘。

9.根据权利要求7或8所述的飞机半实物仿真装置，其特征是：内框连装有负载安装夹具、电机、电机转轴、支承轴承、码盘，负载安装夹具固定在电机转轴上，电机转轴有支承轴承，电机转轴连装有码盘。

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