CN110706550A - 一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，包括主仿真计算机、操纵负荷计算机、控制器、执行装置和力传感器、速度传感器和位移传感器，主仿真计算机与操纵负荷计算机相连，向操纵负荷计算机提供计算模型力所需的飞行参数；操纵负荷计算机将模型力输入至控制器；控制器控制执行装置动作；执行装置产生的力经力传感器传送到操纵杆上；操纵杆通过速度传感器和位移传感器与操纵负荷计算机相连，操纵杆受力运动状态改变而产生的飞行器位移变化及速度变化，经速度传感器和位移传感器将信号输送至操纵负荷计算机。本发明不仅体积小巧，运动灵活，控制方便，而且能够使驾驶员可以比较真实的感受空气动力的变化，再现真实飞机的操作感受。
Description
技术领域
本发明涉及模拟飞行器技术领域，更具体的说是涉及一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统。
背景技术
模拟飞行器的研究开发是开展现代仿真技术研究的重要方向，它主要用于训练飞行员的飞行技能和战术对抗水平，使飞行员尽快掌握飞行要领，具有经济、简单、安全、高效的特点。操纵负荷系统作为模拟飞行器的关键子系统之一，其主要作用是为接受训练的飞行员提供驾驶杆处、脚蹬处的操纵力，以便在模拟飞行器上逼真地复现驾驶真实飞机时的操纵力感。
系统力加载方式方面，目前较成熟的高性能飞行模拟机伺服加载系统主要采用液压伺服加载方式，驱动方式采用液压驱动，动力源为加载系统中的液压缸，通过调整液压伺服阀阀芯位置完成对加载系统输出力的控制。然而由于液压系统自身的局限性，采用液压伺服加载系统的飞行模拟机需要常备一些耗材，如液压油、油滤、密封圈等，且随着液压油的反复使用，为了防止液压油油质变化影响训练效果，需要定期更换液压油。此外液压系统普遍比较庞大笨重，随着系统运行伴随产生大量的热量及噪声。
因此，如何提供一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，不仅体积小巧，运动灵活，控制方便，电机的加载力矩大，延时较小，而且能够使驾驶员可以比较真实的感受空气动力的变化，再现真实飞机的操作感受。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，包括：主仿真计算机、操纵负荷计算机、控制器、执行装置和力传感器、速度传感器和位移传感器，其中，
主仿真计算机与操纵负荷计算机相连，向操纵负荷计算机提供计算模型力所需的飞行参数；
操纵负荷计算机与控制器相连，将模型力输入至控制器；
控制器通过D/A接口与执行装置相连，控制执行装置动作；
执行装置与力传感器相连，将执行装置产生的力经力传感器传送到操纵杆上；
操纵杆通过速度传感器和位移传感器与操纵负荷计算机相连，操纵杆受力运动状态改变而产生的飞行器位移变化及速度变化，经速度传感器和位移传感器将信号输送至操纵负荷计算机。
优选的，所述操纵负荷计算机内置有仿真计算模型和比较器，所述仿真计算模型根据接收到的飞行参数和位移、速度信号进行理论模型计算得到模型力，与力传感器检测的实测力共同输入比较器，得到偏差信号，偏差信号输入控制器。
优选的，所述执行装置包括PWM驱动器和执行机构，所述PWM驱动器的输入端与所述控制器相连，输出端与所述执行机构相连。
优选的，所述执行机构包括旋转支架、横向运动伺服电机、纵向运动伺服电机和操纵杆底座，所述旋转支架呈“L型”，其中一边通过减速器与所述横向运动伺服电机传动连接，另一边通过减速器与所述纵向运动伺服电机传动连接；所述操纵杆底座固定在与所述纵向运动伺服电机连接的减速器上，且所述操纵杆底座顶端安装有操纵杆。
优选的，所述操纵杆顶端安装有操纵手柄，且力传感器安装在所述操纵杆上。
优选的，与所述横向运动伺服电机连接的减速器底端安装有固定底座，所述固定底座底端连接有台面板，台面板底端安装有支撑座。
优选的，采用速度前馈补偿控制器来抑制执行机构的多余力。
优选的，采用前馈逆模型观测器来抑制执行机构的多余力。
本发明的有益效果在于：
本发明不仅体积小巧，运动灵活，控制方便，电机的加载力矩大，延时较小，而且能够使驾驶员可以比较真实的感受空气动力的变化，再现真实飞机的操作感受，将模型力通过传动装置准确地传递给操纵杆，从而使驾驶员通过操纵杆获得到高逼真度的操纵力感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1附图为本发明的结构示意图。
图2附图为本发明操纵机构的结构示意图。
图3附图为本发明横向运动伺服电机与纵向运动伺服电机的安装结构示意图。
其中，图中，
1-旋转支架；2-横向运动伺服电机；3-纵向运动伺服电机；4-操纵杆底座；5-减速器；6-操纵杆；7-操纵手柄；8-力传感器；9-固定底座；10-台面板；11-支撑座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参阅附图1-3，本发明实施例提供了一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，包括：主仿真计算机、操纵负荷计算机、控制器、执行装置和力传感器、速度传感器和位移传感器，其中，
主仿真计算机与操纵负荷计算机相连，向操纵负荷计算机提供计算模型力所需的当前飞行状态和当前飞行操纵模式等飞行参数；
操纵负荷计算机与控制器相连，将模型力输入至控制器；
控制器通过D/A接口与执行装置相连，控制执行装置动作；
执行装置与力传感器相连，将执行装置产生的力经力传感器传送到操纵杆上；
操纵杆通过速度传感器和位移传感器与操纵负荷计算机相连，操纵杆受力运动状态改变而产生的飞行器位移变化及速度变化，经速度传感器和位移传感器将信号输送至操纵负荷计算机。
在另一种实施例中，操纵负荷计算机内置有仿真计算模型和比较器，仿真计算模型根据接收到的飞行参数和位移、速度信号进行计算得到模型力，与力传感器检测的实测力共同输入比较器，得到偏差信号，偏差信号输入控制器。仿真计算模型包括模型力仿真模型和舵偏角仿真模型，能够实时解算当前系统所需的模型力及舵偏角，解算得到的模型力即为系统模型力加载回路的输入信号。将解算出的系统模型力与由力传感器所采集的当前系统输出力相比较得到模型力偏差，偏差信号经放大调理后驱动执行装置，由执行装置负责将由电信号构成的偏差信号转化为可以使用力学量表示的实际力信号。由执行装置转化产生的实际力传递到操纵杆上，经由操纵杆传递给驾驶员，使得驾驶员感受到逼真的操纵力感。
执行装置包括PWM驱动器和执行机构，PWM驱动器的输入端与控制器相连，输出端与执行机构相连。控制器将控制信号输送至PWM驱动器，通过PWM驱动器可驱动执行机构动作。模型力和实测力进行比较得到的偏差信号经过PID控制算法处理，进行D/A接口转换输出PWM驱动信号，进入PWM驱动器驱动执行机构动作，从而实现系统对模型力仿真模型的追踪。
参阅附图2-3，执行机构包括旋转支架1、横向运动伺服电机2、纵向运动伺服电机3和操纵杆底座4，旋转支架1呈“L型”，其中一个边通过减速器5与横向运动伺服电机2传动连接，另一个边通过减速器5与纵向运动伺服电机3传动连接；操纵杆底座4固定在与纵向运动伺服电机3连接的减速器5上，且操纵杆底座4顶端安装有操纵杆6。
在另一种实施例中，操纵杆6顶端安装有操纵手柄7，且力传感器8安装在操纵杆6上。
在另一种实施例中，与横向运动伺服电机2连接的减速器5底端安装有固定底座9，固定底座9底端连接有台面板10，台面板10底端安装有支撑座11。台面板10相对支撑座11的顶板高出60mm，为执行机构的纵向运动留出足够的运动空间。
当横向运动伺服电机2转动时，带动减速器5和旋转支架1一起运动，旋转支架1与另一减速器5连接，所以横向运动伺服电机2的转动可以带动整个机构的运动，操纵杆6末端便实现横向运动；在此基础上，当纵向运动伺服电机3运动时，带动操纵杆底座4转动，从而实现操纵杆4的纵向运动。
由于多余力影响着系统阻抗的带宽和外回路稳定性。因此，采用速度前馈补偿控制器来抑制执行机构的多余力，以提高操纵负荷系统的力感模拟逼真度。
在另一种实施例中，采用前馈逆模型观测器来抑制执行机构的多余力。
本发明不仅体积小巧，运动灵活，控制方便，电机的加载力矩大，延时较小，而且能够使驾驶员可以比较真实的感受空气动力的变化，再现真实飞机的操作感受，将模型力通过传动装置准确地传递给操纵杆，从而使驾驶员通过操纵杆获得到高逼真度的操纵力感。
Claims (8)
1.一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，包括：主仿真计算机、操纵负荷计算机、控制器、执行装置和力传感器、速度传感器和位移传感器，其中，
主仿真计算机与操纵负荷计算机相连，向操纵负荷计算机提供计算模型力所需的飞行参数；
操纵负荷计算机与控制器相连，将模型力输入至控制器；
控制器通过D/A接口与执行装置相连，控制执行装置动作；
执行装置与力传感器相连，将执行装置产生的力经力传感器传送到操纵杆上；
操纵杆通过速度传感器和位移传感器与操纵负荷计算机相连，操纵杆受力运动状态改变而产生的飞行器位移变化及速度变化，经速度传感器和位移传感器将信号输送至操纵负荷计算机。
2.根据权利要求1所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述操纵负荷计算机内置有仿真计算模型和比较器，所述仿真计算模型根据接收到的飞行参数和位移、速度信号进行计算得到模型力，与力传感器检测的实测力共同输入比较器，得到偏差信号，偏差信号输入控制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述执行装置包括PWM驱动器和执行机构，所述PWM驱动器的输入端与所述控制器相连，输出端与所述执行机构相连。
4.根据权利要求3所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述执行机构包括旋转支架、横向运动伺服电机、纵向运动伺服电机和操纵杆底座，所述旋转支架呈“L型”，其中一边通过减速器与所述横向运动伺服电机传动连接，另一边通过减速器与所述纵向运动伺服电机传动连接；所述操纵杆底座固定在与所述纵向运动伺服电机连接的减速器上，且所述操纵杆底座顶端安装有操纵杆。
5.根据权利要求4所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，所述操纵杆顶端安装有操纵手柄，且力传感器安装在所述操纵杆上。
6.根据权利要求4或5所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，与所述横向运动伺服电机连接的减速器底端安装有固定底座，所述固定底座底端连接有台面板，台面板底端安装有支撑座。
7.根据权利要求3所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，采用速度前馈补偿控制器来抑制执行机构的多余力。
8.根据权利要求3所述的一种模拟飞行器的电动操纵负荷系统，其特征在于，采用前馈逆模型观测器来抑制执行机构的多余力。
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