CN107195219A - 一种电动操纵负荷系统、飞机飞行模拟系统和加载模拟操纵阻力的方法 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种电动操纵负荷系统、飞机飞行模拟系统和加载模拟操纵阻力的方法，属于飞机飞行仿真技术领域。所述电动操纵负荷系统包括操纵机构、阻力输出装置、主控机和力传感器，其中：所述操纵机构与所述阻力输出装置的阻力输出端连接；所述力传感器安装在所述操纵机构与所述阻力输出装置的阻力输出端的连接处；所述阻力输出装置和所述力传感器分别与主控机电性连接。采用本公开，所述主控机可以根据力传感器检测情况对计算出的模拟操纵阻力进行数值调整，使所述阻力输出装置实际输出的模拟操纵阻力与所述主控机理论计算的模拟操纵阻力更接近，从而，该电动操纵负荷系统的模拟精度较好。

Description

一种电动操纵负荷系统、飞机飞行模拟系统和加载模拟操纵 阻力的方法

技术领域

本公开是关于飞机飞行仿真技术领域，尤其是关于一种电动操纵负荷系统、飞机飞行模拟系统和加载模拟操纵阻力的方法。

背景技术

在航空领域，通常使用飞机飞行模拟系统来训练飞行人员，飞机飞行模拟系统是一种用于模拟飞机飞行器的系统。电动操纵负荷系统是飞机飞行模拟系统中最基本、最重要的系统之一，用于模拟飞机操纵机构的操作力感，飞机操纵机构的操作力感与飞行员的操作精准度密切相关，所以，电动操纵负荷系统需要很高的模拟精度。

现有的电动操纵负荷系统通常包括操纵机构、主控机和操纵阻力输出装置，其中，操纵机构和操纵阻力输出装置的阻力输出端相连，主控机和操纵阻力输出装置电性连接。当飞行员向操纵机构施加操纵力时，操纵机构会向主控机发送操纵机构的运动信号(如驾驶杆、驾驶盘或脚蹬的位移信号等)，主控机根据模拟飞行参数计算出模拟操纵阻力，并控制操纵阻力输出装置的电动机向操纵机构输出该模拟操纵阻力，该模拟操纵阻力与飞行员的操纵力相对应。

在实现本公开的过程中，发明人发现至少存在以下问题：

由于电动机内部存在摩擦及阻尼，导致电动机实际输出的操纵阻力不精准，与主控机计算出的操纵阻力存在偏差，导致电动操纵负荷系统的模拟精度较差。

发明内容

为了克服相关技术中存在的电动操纵负荷系统的模拟精度较差的问题，本公开提供了一种电动操纵负荷系统、飞机飞行模拟系统和加载模拟操纵阻力的方法。所述技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种电动操纵负荷系统，所述电动操纵负荷系统包括操纵机构、阻力输出装置、主控机和力传感器，其中：

所述操纵机构与所述阻力输出装置的阻力输出端连接；

所述力传感器安装在所述操纵机构与所述阻力输出装置的阻力输出端的连接处；

所述阻力输出装置和所述力传感器分别与主控机电性连接。

可选的，所述阻力输出装置包括电动机和伺服驱动器；

所述电动机的阻力输出端与所述操纵机构相连；

所述电动机与所述伺服驱动器电性连接；

所述伺服驱动器与所述主控机电性连接。

可选的，所述电动机为直线电机。

可选的，所述主控机设置有用于与飞行模拟控制计算机通信的通信模块。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种飞机飞行模拟系统，所述飞机飞行模拟系统包括第一方面所述的电动操纵负荷系统。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种加载模拟操纵阻力的方法，所述方法应用于第一方面所述的电动操纵负荷系统，所述方法包括：

所述主控机获取模拟飞行参数，根据所述模拟飞行参数，计算模拟操纵阻力，向所述阻力输出装置，发送对应所述模拟操纵阻力的控制信号；

所述阻力输出装置根据所述主控机发送的控制信号，向所述操纵机构输出模拟操纵阻力；

所述主控机获取所述力传感器检测到的力，根据所述模拟操纵阻力和所述力传感器检测到的力，确定阻力调整值，根据所述阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值调整。

可选的，所述阻力输出装置根据所述主控机发送的控制信号，向所述操纵机构输出模拟操纵阻力，包括：

所述阻力输出装置的伺服驱动器接收所述主控机发送的控制信号；

所述伺服驱动器根据所述控制信号，确定对应的输出电流，向所述阻力输出装置的电动机输送所述输出电流；

所述电动机在所述输出电流作用下，向所述操纵机构输出模拟操纵阻力。

可选的，所述根据所述模拟操纵阻力和所述力传感器检测到的力，确定阻力调整值，包括：

将所述模拟操纵阻力与所述力传感器检测到的力之差，确定为阻力调整值。

可选的，所述根据所述阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值调整，包括：

根据所述阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值增加调整。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开实施例中，该电动操纵负荷系统包括主控机、操纵机构、阻力输出装置和力传感器，其中，主控机用于控制该电动操纵负荷系统工作；操纵机构用于让飞行员施加操纵力；阻力输出装置用于输出模拟操纵阻力；力传感器用于检测输出的模拟操纵阻力，并将检测到的模拟操纵阻力反馈给主控机。这样，主控机可以根据力传感器检测情况对计算出的模拟操纵阻力进行数值调整，使阻力输出装置实际输出的模拟操纵阻力与主控机理论计算的模拟操纵阻力更接近，从而，该电动操纵负荷系统的模拟精度较好。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：

图1是根据实施例一示出的一种电动操纵负荷系统的结构示意图；

图2是根据实施例一和三示出的一种电动操纵负荷系统的原理示意图；

图3是根据实施例三示出的一种加载模拟操纵阻力的方法的流程图；

图4是根据实施例三示出的一种加载模拟操纵阻力的方法的流程图。

图例说明

1、操纵机构 2、阻力输出模块

3、主控机 4、力传感器

5、飞行模拟控制计算机 11、操纵杆

12、连杆 21、电动机

22、伺服驱动器 41、输出杆

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例一

本实施例公开了一种电动操纵负荷系统，如图1所示，该电动操纵负荷系统包括操纵机构1、阻力输出模块2、主控机3和力传感器4，其中：操纵机构1与阻力输出模块2的阻力输出端连接；力传感器4安装在操纵机构1与阻力输出装置2的阻力输出端的连接处；阻力输出模块2和力传感器4分别与主控机3电性连接。

其中，操纵机构可以是驾驶杆机构、驾驶盘机构或脚蹬的踏板机构，为方便介绍，本实施例中以驾驶杆机构为例进行详细说明。

主控机3是一种嵌入式工控机，作为该电动操纵负荷系统的主控计算机，具有处理器、内存、实时控制软件和接口等，用于控制该电动操纵负荷系统工作。

在实施中，主控机3还可以根据模拟飞行参数，利用其实时控制软件中的飞行杆力计算模型(一种仿真建模模型)，周期性计算模拟操纵阻力，该模拟操纵阻力也即是主控机3控制电动机21理论上输出的模拟操纵阻力。其中，上述计算周期可以设置为一毫秒，也即是主控机3一毫秒计算一次模拟操纵阻力。

可选的，阻力输出装置2可以包括电动机21和伺服驱动器22；电动机21的阻力输出端与操纵机构1相连；电动机21与伺服驱动器22电性连接；伺服驱动器22与主控机3电性连接。

其中，伺服驱动器22，又称为伺服放大器或伺服控制器，是用来控制电动机的一种控制器。

电动机21是用来输出操纵阻力的电力传动装置，本实施例中，所用电动机21为直线电机，直线电机是一种用于将电能直接转换成直线运动机械能的电力传动装置。采用直线电机与现有技术中旋转电机相比，直线电机与操纵机构之间可以省去大量中间传动机构，可以加快电动操纵负荷系统的反映速度，提高系统精确度。

在实施中，通常，电动机21的内部放置有传感器，该传感器用于检测电动机21的运动信息(如位移和速度等)，并将运动信息发送给主控机3。电动机21与伺服驱动器22电性连接，伺服驱动器22与主控机3电性连接，伺服驱动器22可以用于对承载运动信息的电信号进行信号放大和转发。

电动操纵负荷系统的力传感器4安装在操纵机构1与电动机21的阻力输出端的连接处，具体的，如图1所示，操纵机构1可以包括操纵杆11和连杆12，操纵杆11与连杆12铰接，电动机4的阻力输出端为输出杆41，力传感器4的一端安装在连杆12远离操纵杆11的一端，另一端安装在输出杆41上，这样，力传感器4可以实时检测出电动机4输出的模拟操纵阻力。

而且，力传感器4还与主控机3电性连接，可以将检测到的电动机4实际输出的模拟操纵阻力反馈给主控机3。主控机3可以根据力传感器4反馈的模拟操纵阻力，对后续的模拟操纵阻力进行调整，下文将会有详细介绍。

可选的，主控机3设置有用于与飞行模拟控制计算机5通信的通信模块。

其中，飞行模拟控制计算机5主要用于向主控机3发送上述所述的模拟飞行参数。

上述通信模块大多使用有线网络，也可以采用无线网络。本实施例中的通信模块采用的是有线的以太网，这种网的传输速度快。

具体的，模拟飞行参数主要包括舵面的气动力、飞机的飞行高度、飞行速度和飞机角加速度等。其中，气动力由飞行模拟控制计算机5确定之后，发送给主控机3；其它的模拟飞行参数由飞行模拟控制计算机5发送给主控机3之后，主控机3再根据它们计算其它的力，如惯性力、库伦摩擦力、弹簧力和止动力等。主控机3再将上述各个力叠加之后即可计算得到模拟操纵阻力。

基于上述所述，如图2所示，该电动操纵负荷系统的工作原理可以如下：首先，主控机3达到计算周期时，根据模拟飞行参数计算出模拟操纵阻力，根据计算的模拟操纵阻力和力传感器4检测的力确定阻力调整值，将计算出的模拟操纵阻力与阻力调整值进行数值增加调整，得到调整后的模拟操纵阻力。然后，主控机3向伺服驱动器22发送对应调整后的模拟操纵阻力的控制信号。再然后，伺服驱动器22向电动机21发送对应该控制信号的输出电流。最后，电动机21通电向操纵机构1输出模拟操纵阻力。

这样，主控机3计算的模拟操纵阻力经过阻力调整值调整之后，再控制调整后的模拟操纵阻力向电动机输出，阻力调整值可以弥补一部分电动机21损失的力，使主控机3理论计算的模拟操纵阻力和阻力输出装置2实际输出的模拟操纵阻力在数值上更加接近。

本公开实施例中，该电动操纵负荷系统包括主控机、操纵机构、阻力输出装置和力传感器，其中，主控机用于控制该电动操纵负荷系统工作；操纵机构用于让飞行员施加操纵力；阻力输出装置用于输出模拟操纵阻力；力传感器用于检测输出的模拟操纵阻力，并将检测到的模拟操纵阻力反馈给主控机。这样，主控机可以根据力传感器检测到的情况对计算出的模拟操纵阻力进行数值调整，使阻力输出装置实际输出的模拟操纵阻力与主控机理论计算的模拟操纵阻力更接近，从而，该电动操纵负荷系统的模拟精度较好。

实施例二

本公开实施例还示出了一种飞机飞行模拟系统，该飞机飞行模拟系统包括飞行模拟控制计算机和实施例一所述的电动操纵负荷系统。如实施例一所述，该电动操纵负荷系统包括主控机、操纵机构、阻力输出装置和力传感器。飞行模拟控制计算机与电动操纵负荷系统的主控机之间通过通信模块进行数据互换，如主控机向飞行模拟控制计算机发送位移信号，飞行模拟控制计算机向主控机发送模拟飞行参数。

该飞机飞行模拟系统中的电动操纵负荷系统如实施例一所述，包括主控机、操纵机构、阻力输出装置和力传感器，其中，主控机用于控制该电动操纵负荷系统工作；操纵机构用于让飞行员施加操纵力；阻力输出装置用于输出模拟操纵阻力；力传感器用于检测输出的模拟操纵阻力，并将检测到的模拟操纵阻力反馈给主控机。这样，主控机可以根据力传感器检测到的情况对计算出的模拟操纵阻力进行数值调整，使阻力输出装置实际输出的模拟操纵阻力与主控机理论计算的模拟操纵阻力更接近，从而，该电动操纵负荷系统的模拟精度较好。

实施例三

本公开实施例还示出了一种加载模拟操纵阻力的方法，该方法可以应用于实施例一和实施例二所述的电动操纵负荷系统，如图3所示，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：

步骤301，主控机3获取模拟飞行参数，根据模拟飞行参数，计算模拟操纵阻力，向阻力输出装置2，发送对应模拟操纵阻力的控制信号。

其中，模拟操纵阻力参数如实施例一所述包括舵面的气动力、飞行高度、飞行速度、飞机角加速度和过载等。

在实施中，主控机3获取模拟飞行参数的流程可以如下：首先，主控机3从阻力输出装置中获取阻力输出装置2的电动机21的位移信号，并将该位移信号发送给飞机飞行模拟系统的飞行模拟控制计算机5。然后，飞行模拟控制计算机5根据位移信号及其它信息如铰链力矩等计算出气动力。最后，飞行模拟控制计算机5将气动力及上述其它参数发送给主控机3。从而主控机3获取模拟飞行参数。

主控机3根据模拟飞行参数计算模拟操纵阻力的方法和实施例一相同，详见实施例一，此处不再赘述。主控机3计算出模拟操纵阻力后，首先，将该模拟操纵阻力承载在控制信号上，或者，主控机3先将模拟操纵阻力转换为电流值，再将该电流值承载在控制信号上，然后，将该控制信号发送给阻力输出装置2。

步骤302，阻力输出装置2根据主控机3发送的控制信号，向操纵机构1输出模拟操纵阻力。

可选的，如实施例一所述，阻力输出装置2又包括电动机21和伺服驱动器22，相应的，如图4所示，步骤302又可以按照如下流程进行处理：

步骤3021，阻力输出装置2的伺服驱动器22接收主控机3发送的控制信号。

步骤3022，伺服驱动器22根据控制信号，确定对应的输出电流，向阻力输出装置2的电动机21输送输出电流。

在实施中，伺服驱动器21接收到主控机3发送的控制信号之后，基于控制信号承载的信息，确定输出电流的值，并将该输出电流输送给电动机21。其中，上述控制信号承载的信息可以有以下两种情况：第一，控制信号承载的信息是电流值，该情况下，伺服驱动器22可以通过控制信号直接确定电流值；第二，控制信号承载的信息是模拟操纵阻力，该情况下，伺服驱动器22中预先存储有力与电流值之间的对应关系，例如每牛顿力表示m安培的电流，从而可以确定电流值。确定的电流值即是输出电流的大小。

步骤3023，电动机21在输出电流作用下，向操纵机构1输出模拟操纵阻力。

电动机21接收到伺服驱动器22输送的输出电流后，电动机21通电产生模拟操纵阻力并将该模拟操纵阻力输送给操纵机构1。

步骤303，主控机3获取力传感器4检测到的力，根据模拟操纵阻力和力传感器检测到的力，确定阻力调整值，根据阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值调整。

可选的，主控机3根据模拟操纵阻力和力传感器4检测到的力，确定阻力调整值的处理可以是：将主控机3计算的模拟操纵阻力与力传感器4检测到的力之差，确定为阻力调整值。相应的，根据阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值调整的处理可以是：根据上述阻力调整值，对后续主控机3计算得到的模拟操纵阻力进行数值增加调整。

基于上述所述，飞行员推动操纵机构1的操纵杆11的过程中，主控机3通过伺服驱动器22获取电动机21的位移信号和速度信号，并将位移信号发送给飞行模拟控制计算机5。如步骤301所述，飞行模拟控制计算机5根据位移信号等计算出气动力，并将气动力和其它的模拟飞行参数发送给主控机3。后续过程可以是：首先，主控机3达到计算周期时，根据模拟飞行参数计算出模拟操纵阻力，根据力传感器4检测的力计算阻力调整值，将计算出的模拟操纵阻力与阻力调整值进行数值增加调整，得到调整后的模拟操纵阻力。然后，主控机3向伺服驱动器22发送对应调整后的模拟操纵阻力的控制信号。再后，伺服驱动器22向电动机21发送对应该控制信号的输出电流。最后，电动机21通电向操纵机构1输出模拟操纵阻力。这样，主控机3计算的模拟操纵阻力经过阻力调整值调整之后，再控制调整后的模拟操纵阻力向电动机输出，阻力调整值可以弥补一部分电动机21损失的力，使主控机3理论计算的模拟操纵阻力和阻力输出装置2实际输出的模拟操纵阻力在数值上更加接近。

为方便理解，如图2中该方法的原理示意图所示，下面在主控机3的两个计算周期内，举例说明主控机3控制模拟操纵阻力输出的过程：

在实际模拟中，飞行员推动操纵机构1的操纵杆11的过程中，当主控机3达到计算周期时，不妨假设，当前周期确定的模拟操纵阻力为a值的模拟操纵阻力。主控机3向伺服驱动器22发送对应a值模拟操纵阻力的控制信号。伺服驱动器22向电动机21发送对应该控制信号的电流。电动机21通电产生模拟操纵阻力，而由于电动机21内部固有的摩擦等会损耗一部分力，那么该模拟操纵阻力，可能不是a值的模拟操纵阻力，可以令电动机21输出的模拟操纵阻力的值为b。电动机21再向操纵机构1输出b值的模拟操纵阻力。电动机21的输出杆41与操纵机构1的连杆12之间的力传感器4可以检测到b值的模拟操纵阻力，并可以将b值的模拟操纵阻力发送给主控机3。

上述需要指出的是，力传感器4向主控机3反馈力所需的时间通常在微秒级别，远小于主控机3计算模拟操纵阻力的周期(计算周期可以是一毫秒)。也就是说，主控机3先接收到力传感器4发送的模拟操纵阻力，再达到下一个计算模拟操纵阻力的周期。

当主控机3达到下一个计算周期时，计算出模拟操纵阻力，可以令该模拟操纵阻力的值为c。主控机3将c值的模拟操纵阻力与b值的模拟操纵阻力之差作为阻力调整值(也即是c-b)。主控机3向伺服驱动器22发送对应c值模拟操纵阻力与调整值之和的控制信号(也即是2c-b)。伺服驱动器22向电动机21发送对应该控制信号的电流。电动机21通电输出模拟操纵阻力，可以将其值记为d。力传感器4又可以检测到d值的模拟操纵阻力，并将d值的模拟操纵阻力发送给主控机3。

后续周期过程均是循环上述过程，循环周期可以是主控机3计算模拟操纵阻力的周期。在每个循环周期中主控机3计算出的模拟操纵阻力与传感器4检测到的模拟操纵阻力之差，也即每个循环周期的阻力调整值，可能相同，也可能不相同。

这样，上述主控机3理论计算的c值的模拟操纵阻力与电动机21实际输出的d值的模拟操纵阻力可以更加接近(也即是c-d更接近于零)。经过反复试验，当该电动操纵负荷系统达到稳态时，电动机21实际输出的模拟操纵阻力与主控机3理论计算出的模拟操纵阻力之间的相对偏差在百分之十以内[也即是(c-d)/c在百分之十以内]，从而可以提高该电动操纵负荷系统的模拟精度。

本公开实施例中，飞行员使用上述方法控制电动操纵负荷系统加载模拟操纵阻力的过程中，主控机可以根据力传感器检测到的力对计算出的模拟操纵阻力进行数值调整，使阻力输出装置实际输出的模拟操纵阻力与主控机理论计算的模拟操纵阻力更接近，从而，该电动操纵负荷系统的模拟精度较好。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种电动操纵负荷系统，其特征在于，所述电动操纵负荷系统包括操纵机构、阻力输出装置、主控机和力传感器，其中：

所述操纵机构与所述阻力输出装置的阻力输出端连接；

所述力传感器安装在所述操纵机构与所述阻力输出装置的阻力输出端的连接处；

所述阻力输出装置和所述力传感器分别与主控机电性连接。

2.根据权利要求1所述的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述阻力输出装置包括电动机和伺服驱动器；

所述电动机的阻力输出端与所述操纵机构相连；

所述电动机与所述伺服驱动器电性连接；

所述伺服驱动器与所述主控机电性连接。

3.根据权利要求2所述的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述电动机为直线电机。

4.根据权利要求1所述的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述主控机设置有用于与飞行模拟控制计算机通信的通信模块。

5.一种飞机飞行模拟系统，其特征在于，所述飞机飞行模拟系统包括权利要求1-4任一项所述的电动操纵负荷系统。

6.一种加载模拟操纵阻力的方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4任一项所述的电动操纵负荷系统，所述方法包括：

所述主控机获取模拟飞行参数，根据所述模拟飞行参数，计算模拟操纵阻力，向所述阻力输出装置，发送对应所述模拟操纵阻力的控制信号；

所述阻力输出装置根据所述主控机发送的控制信号，向所述操纵机构输出模拟操纵阻力；

所述主控机获取所述力传感器检测到的力，根据所述模拟操纵阻力和所述力传感器检测到的力，确定阻力调整值，根据所述阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值调整。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阻力输出装置根据所述主控机发送的控制信号，向所述操纵机构输出模拟操纵阻力，包括：

所述阻力输出装置的伺服驱动器接收所述主控机发送的控制信号；

所述伺服驱动器根据所述控制信号，确定对应的输出电流，向所述阻力输出装置的电动机输送所述输出电流；

所述电动机在所述输出电流作用下，向所述操纵机构输出模拟操纵阻力。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述模拟操纵阻力和所述力传感器检测到的力，确定阻力调整值，包括：

将所述模拟操纵阻力与所述力传感器检测到的力之差，确定为阻力调整值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值调整，包括：

根据所述阻力调整值，对后续计算得到的模拟操纵阻力进行数值增加调整。