CN113460288B - 用于控制飞行器的主动式方向舵脚蹬组件以及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制飞行器的主动式方向舵脚蹬组件以及一种包括该脚蹬组件的飞行器，该方向舵脚蹬组件包括两个方向舵脚蹬单元，所述两个方向舵脚蹬单元彼此独立地分别与飞行器的控制单元通信连接，从而使得所述两个方向舵脚蹬单元能够通过电机控制实现电气耦合联动，每个所述方向舵脚蹬单元包括：第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板，所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板能够沿基本上垂直于踏板面的方向进行平移运动以及围绕转动轴进行旋转运动；主轴，所述主轴通过连杆和摇臂分别与所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板耦连；以彼此并联的方式与所述主轴耦连的第一弹簧和返驱电机，所述第一弹簧与返驱电机能彼此独立地提供对于所述平移运动的力感反馈。

Description

用于控制飞行器的主动式方向舵脚蹬组件以及飞行器

技术领域

本发明涉及一种用于控制飞行器、例如飞机的主动式方向舵脚蹬组件以及一种包括这种主动式方向舵脚蹬组件的飞行器。

背景技术

飞行器电传飞行控制系统以方向舵脚蹬组件作为飞行员的操纵输入，用于控制飞行器的航向姿态；在地面上，还可以用于飞行器的减速和制动。方向舵脚蹬组件通过位移传感器将飞行员机械操纵转换为电信号输出给飞控计算机，实现飞行器偏航控制。

在现有技术中，为了实现主、副驾驶脚蹬的同步，需要将它们用机械连杆进行连接以实现机械联动，即一个飞行员（例如正驾驶飞行员）的一侧脚蹬踏板（例如左侧脚蹬）始终与另一飞行员（例如副驾驶飞行员）的同侧脚蹬踏板（例如左侧脚蹬）处于相同位置。并且为了提供固定的力感反馈和阻尼力，通常设有由例如弹簧和阻尼器构成的力感反馈机构。

在民用飞机上，传统的方向舵脚蹬组件例如具有如下缺点：

1）需要采用大量的机械连接杆、关节铰链等，体积、重量较大，安装调整复杂；

2）需要横跨驾驶舱地板：脚蹬踏板位于地板之上，用于飞行员操纵，而考虑驾驶舱空间的限制，其它部分需要放置于地板之下的电子设备舱中，安装维护操作困难；

3）正、副驾驶方向舵脚蹬需要通过机械连杆连接实现机械联动，一旦一侧脚蹬发生卡阻，在没有脱开机构的情况下，另一侧的飞行员也无法通过脚蹬控制飞机的偏航；

4）采用弹簧和阻尼器提供固定的力感梯度和阻尼力，飞行员无法真实感受到舵面位置和载荷情况。

因此，现有技术中的飞机方向舵脚蹬组件并不完全令人满意。

发明内容

基于上述现有技术，本发明的目的是，提供一种主动式方向舵脚蹬组件，利用该主动式方向舵脚蹬组件能够至少部分地克服现有技术中的上述缺点，并且尤其是实现一方面可靠地提供可变的力感反馈，并且另一方面在无需在驾驶舱地板上预留开口的情况下节省空间地安装该脚蹬组件。

上述目的通过根据本发明的用于控制飞行器的主动式方向舵脚蹬组件得以实现，所述主动式方向舵脚蹬组件包括两个方向舵脚蹬单元，其中，所述两个方向舵脚蹬单元彼此独立地分别与飞行器的控制单元通信连接，从而使得所述两个方向舵脚蹬单元能够通过电机控制实现电气耦合联动，其中，每个所述方向舵脚蹬单元包括：

第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板，所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板通过机械方式耦合联动，并且能够沿基本上垂直于踏板面的方向进行用于控制飞行器航向姿态的平移运动以及围绕转动轴进行用于制动的旋转运动；

主轴，所述主轴通过连杆和摇臂分别与所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板耦连；

以彼此并联的方式与所述主轴耦连的第一弹簧和返驱电机，所述第一弹簧与返驱电机能彼此独立地提供对于所述平移运动的力感反馈。

根据本发明的这种主动式方向舵脚蹬组件弃用了现有技术中正、副驾驶方向舵脚蹬之间通过机械连杆实现的机械联动，而使得所述两个方向舵脚蹬单元通过电机控制实现电气耦合联动，从而一方面可以弃用现有技术中必需的大量机械连接杆、关节铰链等，进而节省用于安装脚蹬组件的结构空间，并且另一方面在发生卡阻等单边脚蹬故障时可以在无需机械连杆脱开的情况下通过另一边的脚蹬单元对飞行器进行控制。此外，通过以彼此并联的方式与所述主轴耦连的第一弹簧和返驱电机能实现：在所述返驱电机组正常工作时，通过返驱电机输出的动态力感反馈与弹簧固定的力感反馈的叠加提供对于所述平移运动的力感反馈；而当返驱电机由于故障等原因而断开时，仍有第一弹簧提供所需的力感反馈。

在一些实施方式中，每个方向舵脚蹬单元还包括：与所述主轴耦连的第一传感器，所述第一传感器被构造成能够将所述平移运动转换为电信号并输出给飞行器的控制单元；与所述转动轴耦连的第二传感器，所述第二传感器被构造成能够将所述旋转运动转换为电信号并输出给飞行器的控制单元。优选地，所述第一传感器和第二传感器设计为旋转可变差动传感器。

在一些实施方式中，每个所述方向舵脚蹬单元还包括与所述转动轴旋转耦连的第二弹簧，所述第二弹簧被构造成用于提供对于所述旋转运动的力感反馈。优选地，所述第二弹簧被构造成扭簧。相对于现有技术中通常使用的拉簧，扭簧所需的结构空间较小，由此进一步减小了脚蹬组件所需的安装空间。

通过以第二弹簧、尤其是扭簧提供的制动力感反馈以及由第二传感器、尤其是旋转可变差动传感器实现的信号传输，本发明在总体上提供了非常紧凑的制动模块，从而相对于传统的四连杆机构实现的制动功能，根据本发明的脚蹬组件能够在无需在驾驶舱地板上预留开口的情况下节省空间地安装于飞行器的驾驶舱地板上。

在一些实施方式中，在所述主轴与所述返驱电机之间设有诸如保险丝或扭矩限制器等形式的脱开机构。当发生卡阻时，飞行员可以大力踩踏脚蹬踏板来断开返驱电机，以保证方向舵脚蹬功能的可用性。

在一些实施方式中，所述返驱电机具有两个工作模式：在通电的第一工作模式中，所述返驱电机能提供动态可变的输出扭矩和速率，力感反馈为所述返驱电机与第一弹簧的合力；在断电的第二工作模式中，所述返驱电机能作为电磁阻尼器提供固定的阻尼力，力感反馈由所述第一弹簧的弹簧力与所述固定的阻尼力提供。

在一些实施方式中，在主轴上串联连接有力矩传感器，用于向所述控制单元反馈脚蹬操纵载荷。优选地，当所述力矩传感器的输出值与理论输出力矩的差值超过预定的阈值时，控制单元可判断该所述主动式方向舵脚蹬单元内部存在卡阻，断开所述返驱电机，并断开两个方向舵脚蹬的电气耦合联动。

在一些实施方式中，设有至少四个第一传感器，从而当其中的一个或多个第一传感器发生故障或断开连接时，其余的第一传感器仍能确保可靠地将平移运动转换为电信号并输出给飞行器的控制单元。优选地，所述至少四个第一传感器分成两组，所述力矩传感器设置在这两组第一传感器之间。由此，当所述两组第一传感器的输出信号有效值的差值大于一个预定的阈值时，可以判断主轴或力矩传感器发生断裂。

在一些实施方式中，设有至少两个返驱电机，所述至少两个返驱电机配置成，在同一时刻，仅有一个返驱电机处于工作模式中。由此，在一个返驱电机发生故障或断开连接时，飞行器的控制单元可以选择接通其中的另一个返驱电机，由此确保始终提供可靠的力感反馈。

在一些实施方式中，所述返驱电机被构造成，能响应于控制单元的控制指令使所述主动式方向舵脚蹬组件的两个方向舵脚蹬单元的第一和第二脚蹬踏板电气联动，使得一个方向舵脚蹬单元的任意一侧脚蹬踏板始终与另一方向舵脚蹬单元的同侧脚蹬踏板处于相同位置，换言之，所述返驱电机能响应于控制单元的控制指令使主、副驾驶的方向舵脚蹬单元的第一和第二脚蹬踏板电气联动，即一个飞行员（例如正驾驶飞行员）的任意一侧脚蹬踏板（例如第一脚蹬踏板）始终与另一飞行员（例如副驾驶飞行员）的同侧脚蹬踏板（例如第一脚蹬踏板）处于相同位置。

在一些实施方式中，所述返驱电机被构造成，能在飞行器的自动飞行模式中响应于控制单元的控制指令使所述第一和/或第二脚蹬踏板进行返驱平移运动或者锁止所述第一和/或第二脚蹬踏板的平移运动。

在一些实施方式中，在所述连杆上设置有丝杠机构，该丝杠机构包括丝杠和连接于所述连杆的螺母，利用调节电机能调节所述丝杠机构并带动所述连杆前后移动，并且由此匹配于飞行员的不同身高。

此外，上述目的也通过一种包括根据本发明的主动式方向舵脚蹬组件的飞行器得以实现。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制，其中：

图1示出根据本发明的一种实施方式的主动式方向舵脚蹬组件的其中一个方向舵脚蹬单元的示意图；

图2示出另一视角下的根据图1的方向舵脚蹬单元的示意图。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。

在整个说明书和权利要求书中所使用的某些术语虽然大部分为人们所熟知，但可仍然需要作出一些解释。

在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“前”、“后”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

在本发明的意义中，术语“飞行器”是指能在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械。本发明中的飞行器可以是飞机，尤其是民用飞机。

术语“一个”、“一种”和“该”、“所述”可互换使用，“至少一个（种）”是指一个（种）或多个（种）所述要素。

术语“和/或”意指任一者或两者。例如“A和/或B”意指仅A、仅B或A和B两者。

词语“优选”和“尤其是”是指在某些情况下可提供某些益处的本发明的实施方案。然而，在相同的情况或其它情况下，其它实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其它实施方案是不可用的，并且并不旨在将其它实施方案排除在本发明的范围之外。

术语“基本上”表示允许合理范围内的误差，例如，本领域技术人员应当理解，本发明中的“基本上垂直于踏板面的方向”是在图1中踏板基本上平行于驾驶舱地板的状态下，飞行员向前踩压踏板时踏板的运动方向，该运动方向在一定的误差范围内可视为垂直于踏板面。

为了更好地解释本发明，下面先举例介绍现有技术中的脚蹬组件的一些设计方案。

目前商用的空客330、380飞机的方向舵脚蹬组件的阻尼器和摩擦器需要单独的机械连杆连接，其中采用弹簧和阻尼器提供固定的力感梯度和阻尼力。而波音787的正、副驾驶方向舵脚蹬单元通过带有脱开机构的机械连杆相连接，当一侧脚蹬出现卡阻时，可以大力脱开。

CN107416186A公开了一种采用四余度电机控制的脚蹬架构，其中主、副驾驶方向舵脚蹬单元采用机械连杆进行机械联动，返驱电机仅能用于脚蹬位置的配平和返驱功能，而不能提供任何力感反馈控制。

EP1873057A1公开了一种主动方向舵脚蹬机构，其中，返驱电机没有余度设计和脱开机构，一旦丧失电机，其方向舵脚蹬功能完全不可用。此外，其刹车功能采用传统的四连杆机构和LVDT（线性可变差动变压器，Linear Variable Differential Transformer）实现，该结构需要较大的结构空间，使得脚蹬整体必须在驾驶舱地板上预留开口的情况下才能安装。

下面结合附图1和2来解释根据本发明的一种实施方式的主动式方向舵脚蹬组件的设计方案，该设计方案尤其是实现一方面可靠地提供可变的力感反馈，并且另一方面在无需在驾驶舱地板上预留开口的情况下节省空间地安装脚蹬组件。

图1示出根据本发明的一种实施方式的主动式方向舵脚蹬组件的正、副驾驶方向舵脚蹬单元的其中一个方向舵脚蹬单元的示意图。根据图1可见，每个方向舵脚蹬单元包括一个第一脚蹬踏板2A和一个第二脚蹬踏板2B，所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板通过机械方式耦合联动，并且能够沿基本上垂直于踏板面的方向（即基本上垂直于图1的绘图平面的方向）进行用于控制飞行器姿态的平移运动以及围绕转动轴23进行用于制动的旋转运动。当飞行员向前踩压第一脚蹬踏板2A的下部转轴进行平移运动时，由于第一脚蹬踏板2A的转轴23上的转动副26与摇臂3连接并且摇臂3与滑块导轨25上的滑块连接，可以实现在滑轨上的向前（在图1中垂直于纸面向内）移动。借助从另一角度示出该脚蹬单元的图2可以更清楚的看出该滑动副24在在滑块导轨25上的移动（图2中左边箭头的方向）。连杆4可以通过滑动副24实现伸缩滑动，该滑动副24也可以在滑块导轨25的滑块上进行转动。连杆4通过转动副连接在主轴16上并可以绕着主轴16转动。第二脚蹬踏板2B通过耦合杆4反向向后移动，反之亦然。第一脚蹬踏板2A和第二脚蹬踏板2B的所述平移运动用于控制飞机的航向姿态。

当飞行员向下踩压第一脚蹬踏板2A和/或第二脚蹬踏板2B的上部时，脚蹬踏板绕着转轴23转动。如图1所示，第二弹簧12、优选扭簧与脚蹬踏板2A和2B的转轴23直接连接，第二弹簧为飞行员提供固定的制动或者说刹车力感反馈。脚蹬踏板2A和2B的转轴23上的齿轮11与第二传感器5、优选旋转可变差动传感器上自带的齿轮啮合，用于将飞行员操纵脚蹬踏板的旋转运动转换为电信号输出给飞机的控制单元的刹车控制系统。脚蹬踏板的旋转运动用于控制飞机在地面上的减速和制动。

图1中示出四个第一传感器9、优选可变差动传感器，通过其自带的齿轮与主轴16上的齿轮10啮合，在平移运动时，所述第一传感器将飞行员操纵脚蹬踏板的平移运动转换为电信号输出给飞机的控制单元。

在主轴16上串联一个力矩传感器13，用于向飞控计算机反馈脚蹬操纵载荷状态。当力矩传感器13的输出值与理论输出力矩的差值超出一个预定的阈值时，即可断定该方向舵脚蹬单元内部存在卡阻，与此同时断开返驱电机19的供电，并断开正、副驾驶方向舵脚蹬单元的电气耦合联动。

在该实施方式中，上述四个第一传感器9需要分成两组，例如可以按照二-二或一-三的数量分组，力矩传感器13布置在两组第一传感器组之间。飞机的控制单元可以通过两组第一传感器9的有效信号一致性来监控力矩传感器13是否断裂，换言之，当所述两组第一传感器的输出信号的差值大于一个预定的阈值时，可以判断力矩传感器13发生断裂。

在图1中示出两台驱电机19，它们通过齿轮20和齿轮21以并联的形式通过齿轮15连接到主轴16上。返驱电机19根据飞机不同的飞行状态输出动态可变的扭矩和速率，带动主轴转动并提供给飞行员变化的方向舵脚蹬操纵力感反馈，使飞行员可以真实地感受到舵面位置和载荷情况。可以理解的是，由飞机的控制单元、例如飞控计算机决定各返驱电机19的工作状态，在同一时刻，同一方向舵脚蹬单元有且仅有一台返驱电机19工作。

第一弹簧18通过齿轮14和齿轮15与上述各返驱电机19以并联的形式连接到主轴16上。当各返驱电机19可以正常工作时，各返驱电机19与第一弹簧18组成的并联组合所提供的力感反馈为返驱电机19输出的动态力感反馈与第一弹簧18的固定力感反馈的叠加；当各返驱电机19均失效或者脱开机构17断开后，方向舵脚蹬单元仅由第一弹簧18提供固定的力感反馈。

在该实施方式中，返驱电机19有两种工作模式：通电时，为返驱电机，可以提供动态可变的输出扭矩和速率；断电时，为电磁阻尼器，可以固定的阻尼力。

各返驱电机19通过（例如保险丝、扭矩限制器等形式的）脱开机构17连接到齿轮16上，以便在返驱电机19发生卡阻时，飞行员可以大力踩踏脚蹬踏板2A或2B来断开返驱电机组，以保证方向舵脚蹬功能的可用性。

在飞行员人工操纵时，返驱电机19能响应控制单元的控制指令，使主、副驾驶的主动式方向舵脚蹬单元的脚蹬踏板2A和2B电气联动，即一个飞行员（例如正驾驶飞行员）的任意一侧脚蹬踏板（例如脚蹬踏板2A）始终与另一飞行员（例如副驾驶飞行员）的同侧脚蹬踏板（例如脚蹬踏板2A）处于相同位置。

在自动飞行模式下，返驱电机19能根据控制单元、例如飞控计算机的指令带动脚蹬踏板2A和2B实现自动返驱运动或锁止脚蹬踏板2A和2B。

为了实现左右两侧脚蹬踏板2A和2B同步地前后位置调节，以满足飞行员不同身高的需要，可以通过图1中示出的调节电机6驱动丝杠7旋转，从而其上的螺母8带动连杆4前后整体移动。

由于弃用了现有技术中的机械耦合联动，并且正、副驾驶的两组方向舵脚蹬单元仅需通过与飞机的控制单元利用信号线有线地或者无线地连接即可实现电气耦合联动，上述各组方向舵脚蹬单元的壳体1可以整体直接安装在驾驶舱地板22上，而无需在驾驶舱地板22上预留开口。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种用于控制飞行器的主动式方向舵脚蹬组件，该方向舵脚蹬组件包括两个方向舵脚蹬单元，其特征在于，所述两个方向舵脚蹬单元彼此独立地分别与飞行器的控制单元通信连接，从而使得所述两个方向舵脚蹬单元能够不通过机械连杆而通过返驱电机控制实现电气耦合联动，其中，每个所述方向舵脚蹬单元包括：

第一脚蹬踏板（2A）和第二脚蹬踏板（2B），所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板通过机械方式耦合联动，并且能够沿基本上垂直于踏板面的方向进行用于控制飞行器航向姿态的平移运动以及围绕转动轴（23）进行用于制动的旋转运动；

主轴（16），所述主轴通过连杆（4）和摇臂（3）分别与所述第一脚蹬踏板和第二脚蹬踏板耦连；以及

以彼此并联的方式与所述主轴耦连的第一弹簧（18）和返驱电机（19），所述第一弹簧与返驱电机能彼此独立地提供对于所述平移运动的力感反馈，

其中，响应于控制单元的控制指令，所述返驱电机能够使所述主动式方向舵脚蹬组件的两个方向舵脚蹬单元的第一和第二脚蹬踏板电气联动，使得一个方向舵脚蹬单元的任意一侧脚蹬踏板始终与另一方向舵脚蹬单元的同侧脚蹬踏板处于相同位置。

2.根据权利要求1所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，每个所述方向舵脚蹬单元还包括：

与所述主轴耦连的第一传感器（9），所述第一传感器被构造成能够将所述平移运动转换为电信号并输出给飞行器的控制单元；

与所述转动轴（23）耦连的第二传感器（5），所述第二传感器被构造成能够将所述旋转运动转换为电信号并输出给飞行器的控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，每个所述方向舵脚蹬单元还包括与所述转动轴（23）旋转耦连的第二弹簧（12），所述第二弹簧被构造成用于提供对于所述旋转运动的力感反馈。

4.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，在所述主轴与所述返驱电机之间设有脱开机构（17）。

5.根据权利要求4所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述脱开机构被构造成保险丝或扭矩限制器形式。

6.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述返驱电机具有两个工作模式：在通电的第一工作模式中，所述返驱电机能提供动态可变的输出扭矩和速率；在断电的第二工作模式中，所述返驱电机能作为电磁阻尼器提供固定的阻尼力。

7.根据权利要求2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，在主轴上串联连接有力矩传感器（13），用于向所述控制单元反馈脚蹬操纵载荷。

8.根据权利要求7所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，设有至少四个第一传感器。

9.根据权利要求8所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述至少四个第一传感器分成两组，所述力矩传感器设置在这两组第一传感器之间。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，当所述力矩传感器的输出值与理论输出力矩的差值超过预定的阈值时，控制单元断开所述返驱电机。

11.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，设有至少两个返驱电机，所述至少两个返驱电机配置成，在同一时刻，仅有一个返驱电机处于工作模式中。

12.根据权利要求2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述第一传感器和第二传感器设计为旋转可变差动传感器。

13.根据权利要求3所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述第二弹簧被构造成扭簧。

14.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述返驱电机被构造成，能在飞行器的自动飞行模式中响应于控制单元的控制指令使所述第一和第二脚蹬踏板进行返驱平移运动或者锁止所述第一和第二脚蹬踏板的平移运动。

15.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，在所述连杆上设置有丝杠机构，该丝杠机构包括丝杠（7）和连接于所述连杆的螺母（8），利用调节电机（6）能调节所述丝杠机构并带动所述连杆前后移动，并且由此匹配于飞行员的不同身高。

16.根据权利要求1或2所述的主动式方向舵脚蹬组件，其特征在于，所述主动式方向舵脚蹬组件能够整体直接安装在飞行器驾驶舱地板之上，而无需在驾驶舱地板上预留开口。

17.一种飞行器，其包括根据权利要求1至16中任一项所述的主动式方向舵脚蹬组件以及控制单元。

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