CN103594006B - 一种飞行器仿真系统及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器仿真系统，包括顺次连接的操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构，还包括反馈机构，反馈机构设置在控制机构和执行机构之间。公开了一种基于上述飞行器仿真系统的仿真方法。本发明通过顺次连接的操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构，将反馈机构设置在所述控制机构和所述执行机构之间，并通过反馈机构采集和反馈执行机构的信号，如此可实时采集并调整负载力及其变化特性力，对于飞行模拟器输出的负载力出现较大误差时，反馈机构可将误差信号反馈给控制机构，使控制机构对输出信号进行调整，从而减小飞行模拟器中的负载力误差，使得飞行模拟器实时、逼真地复现不同飞行条件下的负载特性，提高飞行模拟器的逼真度。

Description

一种飞行器仿真系统及其仿真方法

技术领域

本发明涉及飞行模拟器技术领域，特别涉及一种飞行器仿真系统及其仿真方法。

背景技术

飞行模拟器是人在地面上进行飞行训练的实时仿真设备，飞行模拟器的逼真度直接决定飞行模拟器的飞行品质，并且影响飞行员的操纵感觉，而操纵感觉是飞行员评定飞行模拟器品质时至关重要的指标，所以如何使飞行模拟器实时地、逼真地复现不同飞行条件下的操纵感觉是非常重要的。

现有技术中，飞行模拟器包括顺次连接的操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构，操纵机构为模拟驾驶杆和脚蹬，传动机构用于传输执行机构与操纵机构之间的力，执行机构用于施加模拟的负荷力，控制机构用于控制执行机构负荷力的大小，如此使人与飞行模拟器可以进行交互，模拟驾驶杆和脚蹬上的负载力及其变化特性，通过仿真，对驾驶杆或脚蹬施加随飞行状态参数变化的力，从而使飞行员在地面模拟训练中较真实的感受到空气动力的变化，并在这个空气动力的背景下完成各种飞行操纵。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术中飞行模拟器仿真缺少校核设备，无法对仿真的负载力及其变化特性力进行准确地采集和校验，使得飞行模拟器输出的负载力存在较大误差，并且在飞行模拟器运行当中无法快速校正或减小误差，从而使得飞行模拟器不能实时地、逼真地复现不同飞行条件的操纵负荷力，使得飞行模拟器的飞行品质大幅降低。

发明内容

为了解决现有技术缺少对仿真的负载力进行采集和校验设备的问题，本发明实施例提供了一种飞行器仿真系统及其仿真方法。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种飞行器仿真系统，包括顺次连接的操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构，所述飞行器仿真系统还包括反馈机构，所述反馈机构设置在所述控制机构和所述执行机构之间，所述反馈机构用于采集所述传动机构和执行机构上的信号，并将所述信号反馈回所述控制机构，所述控制机构通过所述信号计算得到负荷信号并传送给所述执行机构。

进一步地，所述执行机构包括伺服驱动器和伺服电机，所述伺服电机与所述传动机构连接，所述伺服驱动器与所述控制机构连接，所述伺服电机用于驱动所述传动机构。

作为优选，所述飞行器仿真系统还包括电流环组件，所述电流环组件设置在所述伺服驱动器中，所述电流环组件用于实时控制所述伺服驱动器中电流大小。

进一步地，所述反馈机构包括力传感器和信号采集器，所述力传感器设置在所述传动机构与所述伺服电机之间，且所述力传感器与所述信号采集器电连接，所述信号采集器与所述控制机构连接，所述力传感器用于实时检测所述传动机构上力的大小，所述信号采集器用于实时将所述力传感器上的信号传递给所述控制机构。

作为优选，所述反馈机构还包括位移传感器，所述位移传感器与所述信号采集器电连接，所述位移传感器设置在所述传动机构上，所述位移传感器用于实时采集所述传动机构上的位移信号，所述信号采集器将所述位移信号采集后传递给所述控制机构。

进一步地，所述控制机构包括飞控计算机和操纵负荷计算机，所述飞控计算机与所述操纵负荷计算机连接，所述操纵负荷计算机与所述信号采集器电连接，所述飞控计算机向所述操纵负荷计算机传递所需飞行状态参数，所述操纵负荷计算机用于输出负荷信号。

作为优选，所述飞行器仿真系统还包括线性控制器，所述线性控制器设置在所述操纵负荷计算机上，所述线性控制器根据所述信号采集器的采集信号计算负荷信号。

进一步地，所述飞行器仿真系统还包括PID控制器，所述PID控制器设置在所述操纵负荷计算机，所述PID控制器用于计算和修正所述负荷信号，所述PID控制器中设置有传递函数，所述传递函数为：

$G\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)$

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，所述传递函数用于减小所述负荷信号的偏差值。

作为优选，所述飞行器仿真系统还包括多余力补偿器，所述多余力补偿器设置在所述操纵负荷计算机上，所述多余力补偿器用于消除或减小所述伺服电机上的多余力矩。

另一方面，提供一种飞行器仿真系统的仿真方法，所述仿真方法包括：

步骤1：向操纵机构上施加力；

步骤2：反馈机构检测并采集所述操纵机构上的力信号；

步骤3：所述反馈机构将力信号传递给控制机构，所述控制机构通过所述力信号计算得到负荷力信号；

步骤4：所述控制机构将所述负荷力信号传递给执行机构，所述执行机构将所述负荷力信号转换为负荷力，所述负荷力通过传动机构，传递给所述操纵机构，使所述施加力与所述负荷力达到平衡；

其中，反馈机构实时检测所述操纵机构上的力，若所述施加力与所述负荷力未平衡，则将所述施加力与所述负荷力的偏差值通过所述反馈机构反馈给所述控制机构，所述控制机构对所述负荷力进行修正，并重复步骤2-4，使所述施加力与所述修正的负荷力达到所要求的动态平衡范围。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的飞行器仿真系统及其仿真方法，通过顺次连接的操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构，将反馈机构设置在所述控制机构和所述执行机构之间，并通过反馈机构采集和反馈所述执行机构的信号，如此可实时采集并调整仿真的负载力及其变化特性力，对于飞行模拟器输出的负载力出现较大误差时，反馈机构可将误差信号反馈给控制机构，使控制机构对输出信号进行调整，从而能够减小飞行模拟器中的负载力误差，使得飞行模拟器能够实时地、逼真地复现不同飞行条件下的负载力特性，提高飞行模拟器的逼真度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供飞行器仿真系统结构示意图。

其中：1操纵机构，

2传动机构，

3执行机构，

31伺服驱动器，

32伺服电机，

4反馈机构，

41力传感器，

42信号采集器，

43位移传感器，

5控制机构，

51飞控计算机，

52以太网，

53操纵负荷计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供一种飞行器仿真系统，包括顺次连接的操纵机构1、传动机构2、执行机构3和控制机构5，所述飞行器仿真系统还包括反馈机构4，所述反馈机构4设置在所述控制机构5和所述执行机构3之间，所述反馈机构4用于采集所述传动机构2和执行机构3上的信号，并将所述信号反馈回所述控制机构5，所述控制机构5通过所述信号计算得到负荷信号并传送给所述执行机构3。

其中，控制机构5内的杆力仿真模型程序根据飞行状态参数和飞行员向操纵机构1的施加力，进行计算并向执行机构3输送负荷信号，飞行状态参数包括模拟此时的高度和飞行速度等，执行机构3将负荷信号转换为负荷力，并通过传动机构2作用在操纵机构1上，如此使飞行员的施加力与负荷力相互作用，使飞行员在地面模拟训练中较真实的感受到空气动力的变化，并在这个空气动力的背景下完成各种飞行操纵。本发明设置有反馈机构4，反馈机构4通过采集在传动机构2上施加力与负荷力之间的偏差信号，并将偏差信号反馈给控制机构5，控制机构5根据偏差信号与飞行状态参数进行综合计算处理，将新的负荷信号输出，从而调整偏差信号大小，使得控制机构5、执行机构3、传动机构2和操纵机构1通过反馈机构4形成闭环系统，使本发明能够实时采集并调整执行机构3上力的大小，并通过反馈机构4将施加力与负荷力之间的偏差调整在所要求的范围内，保证负荷力的准确度，从而能够增加飞行模拟器的逼真度。

本发明实施例通过顺次连接的操纵机构1、传动机构2、执行机构3和控制机构5，将反馈机构4设置在所述控制机构5和所述执行机构3之间，并通过反馈机构4采集和反馈所述执行机构3的信号，如此可实时采集仿真的负载力及其变化特性力，对于飞行模拟器输出的负载力出现较大误差时，反馈机构4可将误差信号反馈给控制机构5，使控制机构5对输出信号实时进行调整，从而能够减小飞行模拟器中的负载力误差，使得飞行模拟器能够实时地、逼真地复现不同飞行条件下负载特性，提高飞行模拟器的逼真度。

如图1所示，进一步地，所述执行机构3包括伺服驱动器31和伺服电机32，所述伺服电机32与所述传动机构2连接，所述伺服驱动器31与所述控制机构5连接，所述伺服电机32用于驱动所述传动机构2，伺服驱动器31用于保证伺服电机32较高的定位精度和良好的快速响应特性。

如图1所示，作为优选，所述飞行器仿真系统还包括电流环组件，所述电流环组件设置在所述伺服驱动器31中，所述电流环组件用于实时控制所述伺服驱动器31中电流大小。

其中，当伺服电机32全电压启动时，如果没有限流环节，会产生很大的冲击电流，会影响系统的稳定性；当发生故障或机械卡死时，电动机可能会堵转，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护电路，伺服电机32在全电压启动时就会跳闸，给模拟工作带来不便。为了解决伺服电机32在启动或堵转时电流过大问题，在伺服驱动器31中安装电流环组件，通过电流环组件中负反馈来控制电流的大小，使电流不超过允许值。如此能够充分利用伺服电机32的允许过载能力，在过渡过程中，电流一直保持为最大值，使系统能尽可能大的快速启动或停止，获得快速动态响应，从而使系统又快又稳的运行。

如图1所示，进一步地，所述反馈机构4包括力传感器41和信号采集器42，所述力传感器41设置在所述传动机构2与所述伺服电机32之间，且所述力传感器41与所述信号采集器42电连接，所述信号采集器42与所述控制机构5连接，所述力传感器41用于实时检测所述传动机构2上力的大小，所述信号采集器42用于将所述力传感器41上的信号实时传递给所述控制机构5。

其中，力传感器41能够实时检测施加力和负荷力的大小，并可以检测信号理论负荷力与实际输出负荷力的偏差值，采集模块将力传感器41中检测的数据传输给控制机构5，由控制机构5重新计算调整，输出新的负荷信号，从而增加输出负荷力的准确度，使本发明模拟度更高。

如图1所示，作为优选，所述反馈机构4还包括位移传感器43，所述位移传感器43与所述信号采集器42电连接，所述位移传感器43设置在所述传动机构2上，所述位移传感器43用于实时采集所述传动机构2的位移信号，所述信号采集器42将所述位移信号采集后传递给所述控制机构5。

其中，位移传感器43能够检测传动机构2上的位移量，如此可实时检测伺服电机32的运行状态以及伺服电机32的输出力矩，并且能通过采集模块将位移量反馈给控制机构5，由控制机构5实时控制伺服电机32的输出力矩。

如图1所示，进一步地，所述控制机构5包括飞控计算机51和操纵负荷计算机53，所述飞控计算机51与所述操纵负荷计算机53连接，所述操纵负荷计算机53与所述信号采集器42电连接，所述飞控计算机51向所述操纵负荷计算机53传递所需飞行状态参数，所述操纵负荷计算机53用于输出负荷信号。

其中，模拟飞行高度、模拟飞行速度以及特定飞行状态都是由飞控计算机51完成，飞控计算机51将这些飞行状态参数通过以太网52传输给操纵负荷计算机53，操作负荷计算机将这些飞行状态参数、力信号和位移信号经过整理和计算产生负荷信号，并将负荷信号传输给信号采集器42，由信号采集器42传输给伺服驱动器31。

如图1所示，作为优选，所述飞行器仿真系统还包括线性控制器，所述线性控制器设置在所述操纵负荷计算机53上，所述线性控制器根据所述信号采集器的采集信号计算负荷信号。

其中，线性控制器能够使控制机构5中所输出的负荷力维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，来满足飞行模拟器的模拟要求。根据线性模拟器的控制原理对整个控制系统的力信号进行偏差调节，从而使力信号的实际值与飞控计算机51中的预定值一致。

作为优选，所述飞行器仿真系统还包括PID控制器，所述PID控制器设置在所述操纵负荷计算机53，所述PID控制器用于计算和修正所述负荷信号，所述PID控制器中设置有传递函数，所述传递函数为：

$G\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)$

其中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，所述传递函数用于调节偏差信号，比例系数由本发明中传动比、负荷力大小以及伺服电机32的扭矩值确定；积分时间常数根据系统动态响应确定；微分时间常数根据系统稳态响应误差确定。比例环节可成比例的放大控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，操纵负荷计算机53能产生控制作用，以减少偏差。积分环节的作用是消除静差，提高系统的无差度。微分环节的作用能反映偏差信号的变化规律，并能在偏差信号失控之前，在系统中加入一个有效的早期修正信号，从而使计算出的负荷力更加精确，消除或减小偏差值，减少系统调节时间，加快系统的响应速度，并能提高系统的稳定性。

如图1所示，进一步地，所述飞行器仿真系统还包括多余力补偿器，所述多余力补偿器设置在所述操纵负荷计算机53上，所述多余力补偿器用于消除或减小所述伺服电机32上的多余力矩。

其中，由于机构中存在惯性，当伺服电机32中的输入力矩变为0时，伺服电机32会继续转动产生小的位移量，小位移量由位移传感器43采集，并通过信号采集器42传输给操作负荷计算机，则计算机会根据此位移信号，输出新的负荷信号，使得本该停止的伺服电机32又转动起来，如此会导致整体失控，因此需要设置多余力补偿器来消减多余力矩，使系统的控制性能和加载精度提高。

实施例二

本发明实施例提供一种飞行器仿真系统的仿真方法，所述仿真方法包括：

步骤1：向操纵机构上施加力；

步骤2：反馈机构检测并采集所述操纵机构上的力信号；

步骤3：所述反馈机构将力信号传递给控制机构，所述控制机构通过所述力信号计算得到负荷力信号；

步骤4：所述控制机构将所述负荷力信号传递给执行机构，所述执行机构将所述负荷力信号转换为负荷力，所述负荷力通过传动机构，传递给所述操纵机构，使所述施加力与所述负荷力达到平衡；

其中，反馈机构实时检测所述操纵机构上的力，若所述施加力与所述负荷力未平衡，则将所述施加力与所述负荷力的偏差值通过所述反馈机构反馈给所述控制机构，所述控制机构对所述负荷力进行修正，并重复步骤2-4，使所述施加力与所述修正的负荷力达到所要求的动态平衡范围。本发明中操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构顺次连接，反馈机构设置在所述控制机构和所述执行机构之间，执行机构包括伺服驱动器和伺服电机，所述伺服电机与所述传动机构连接，所述伺服驱动器与所述反馈机构连接，反馈机构包括力传感器、位移传感器和信号采集器，所述力传感器设置在所述传动机构与所述伺服电机之间，且所述力传感器与所述信号采集器电连接，所述信号采集器与所述控制机构连接，所述位移传感器与所述信号采集器电连接，所述位移传感器设置在所述伺服电机上，力传感器和位移传感器分别实时检测传动机构上的力信号、伺服电机上的位移信号，并将力信号和位移信号反馈给信号采集器，由信号采集器将力信号和位移信号传递给控制机构，控制机构包括飞控计算机和操纵负荷计算机，所述飞控计算机与所述操纵负荷计算机连接，所述操纵负荷计算机与所述信号采集器电连接，模拟飞行高度、模拟飞行速度以及特定飞行状态由飞控计算机完成，飞控计算机将这些飞行状态参数通过以太网传输给操纵负荷计算机，操作负荷计算机将这些飞行状态参数、力信号和位移信号经过整理和计算产生负荷信号，并将负荷信号传输给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机工作，伺服电机将负荷信号转换为负荷力矩，负荷力矩通过传动机构传递给操纵机构，使作用在操纵机构上的负荷力与飞行员施加在操纵机构上的施加力达到平衡，若负荷力与施加力未达到平衡，力传感器会将负荷力与施加力之间的偏差值，通过信号采集模器传递给操纵负荷计算机，本发明中还包括PID控制器，所述PID控制器设置在所述操纵负荷计算机上，将偏差信号通过PID控制器进行计算和修正，得到更为准确的负荷力信号，由操纵负荷计算机重新进行传输，若仍出现偏差，则重复上述步骤，使所述施加力与所述修正的负荷力达到所要求的平衡范围，并且本发明还包括有传递函数，将传递函数设置在PID控制器中，通过此传递函数可消除或减小偏差值，减少系统调节时间，加快系统的响应速度，并能提高系统的稳定性，使修正后的负荷力更为精确。

本发明实施例通过上述步骤，采集和反馈所述传动机构和执行机构的信号，如此可实时采集和调整仿真的负载力及其变化特性力，对于飞行模拟器输出的负载力出现较大误差时，反馈环节可将误差信号反馈给控制机构，使控制机构对输出信号进行调整，从而能够减小飞行模拟器中的负载力误差，使得飞行模拟器能够实时地、逼真地复现不同飞行条件负载特性，提高飞行模拟器的逼真度。

本发明系统响应速度快，仿真精度高，可以实时再现飞机在不同速度、高度下的负荷力，能够满足飞行模拟器中的仿真需求。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种飞行器仿真系统，包括顺次连接的操纵机构、传动机构、执行机构和控制机构，其特征在于，所述飞行器仿真系统还包括反馈机构，所述反馈机构设置在所述控制机构和所述执行机构之间，所述反馈机构用于采集所述传动机构和执行机构上的信号，并将所述信号反馈回所述控制机构，所述控制机构接受所述信号后计算得到负荷信号并传送给所述执行机构；

所述执行机构包括伺服驱动器和伺服电机，所述伺服电机与所述传动机构连接，所述伺服驱动器与所述控制机构连接，所述伺服电机用于驱动所述传动机构；

所述反馈机构包括力传感器和信号采集器，所述力传感器设置在所述传动机构与所述伺服电机之间，且所述力传感器与所述信号采集器电连接，所述信号采集器与所述控制机构连接，所述力传感器用于实时检测所述传动机构上力的大小，所述信号采集器用于将所述力传感器上的信号实时传递给所述控制机构；

所述控制机构包括飞控计算机和操纵负荷计算机，所述飞控计算机与所述操纵负荷计算机连接，所述操纵负荷计算机与所述信号采集器电连接，所述飞控计算机向所述操纵负荷计算机传递所需的飞行状态参数，所述操纵负荷计算机用于输出负荷信号；

所述飞行器仿真系统还包括线性控制器，所述线性控制器设置在所述操纵负荷计算机上，所述线性控制器根据所述信号采集器的采集信号计算所述负荷信号；

所述飞行器仿真系统还包括PID控制器，所述PID控制器设置在所述操纵负荷计算机上，所述PID控制器用于计算和修正所述负荷信号，所述PID控制器中设置有传递函数，所述传递函数为：

$G\left(s\right)=K_p(1+\frac{1}{T_{i}s}+T_{d}s)$

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，所述传递函数用于减小所述负荷信号的偏差值；

所述飞行器仿真系统还包括多余力补偿器，所述多余力补偿器设置在所述操纵负荷计算机上，所述多余力补偿器用于消除或减小所述伺服电机上的多余力矩；

所述反馈机构还包括位移传感器，所述位移传感器与所述信号采集器电连接，所述位移传感器设置在所述传动机构上，所述位移传感器用于实时采集所述传动机构上的位移信号，所述信号采集器将所述位移信号采集后实时传递给所述控制机构。

2.根据权利要求1所述的飞行器仿真系统，其特征在于，所述飞行器仿真系统还包括电流环组件，所述电流环组件设置在所述伺服驱动器中，所述电流环组件用于实时控制所述伺服驱动器中电流大小。

3.一种基于权利要求1或2所述的飞行器仿真系统的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：

步骤1：向操纵机构上施加力；

步骤2：反馈机构检测并采集所述操纵机构上的力信号；

步骤3：所述反馈机构将力信号传递给控制机构，所述控制机构通过所述力信号计算得到负荷力信号；

步骤4：所述控制机构将所述负荷力信号传递给执行机构，所述执行机构将所述负荷力信号转换为负荷力，所述负荷力通过传动机构，传递给所述操纵机构，使所述施加力与所述负荷力达到平衡；

其中，反馈机构实时检测所述操纵机构上的力，若所述施加力与所述负荷力未平衡，则将所述施加力与所述负荷力的偏差值通过所述反馈机构反馈给所述控制机构，所述控制机构对所述负荷力进行修正，并重复步骤2-4，使所述施加力与所述修正的负荷力达到所要求的动态平衡范围。