CN114162309B - 主动侧杆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空器飞行控制技术领域，公开一种主动侧杆系统。主动侧杆系统包括上位机、多个主动侧杆装置和多个控制驱动装置，每个主动侧杆装置和每个控制驱动装置能够通信连接，多个控制驱动装置和上位机能够通信连接；每个主动侧杆装置包括主动侧杆杆头和驱动电机，驱动电机能够驱动主动侧杆杆头动作；上位机配置为接收飞控计算机的状态信号并向多个控制驱动装置发送控制指令，使得多个控制驱动装置分别向各自对应的驱动电机发送驱动信号，以能够实现多个主动侧杆杆头的联动，以告知飞行员多个主动侧杆杆头正同时操纵飞机外，还能够提供可变梯度的感觉力，以便于飞行员能更真实的感受飞机状态。
Description
技术领域
本发明涉及航空器飞行控制技术领域，尤其是涉及一种主动侧杆系统。
背景技术
目前，在飞机的实际操作中，飞机的人感系统包括弹簧加载的被动侧杆系统，这样的被动侧杆系统具有简单的结构，使得飞行员在实际操作中也具有稳定的操作性能。
但现有的被动侧杆系统也存在一定不足，由于采用弹簧进行加载，飞行员操作被动侧杆时，侧杆杆力与侧杆位移之间是基本不变的正比关系，也就是，被动侧杆依靠弹簧提供固定梯度的力感，这使得侧杆操作到一定程度后不能准确反应飞机的飞行状态，这就降低了飞行员对飞机的飞行状态的准确及时感知。在飞机的实际操作中，这就对飞行员的驾驶操作经验提出来较高的要求。
发明内容
针对以上现有技术中存在的至少一个问题，本发明的目的是提供一种主动侧杆系统，该主动侧杆系统能够实现多个主动侧杆杆头的联动，以告知飞行员多个主动侧杆杆头正同时操纵飞机外，还能够提供可变梯度的感觉力，以便于飞行员能更真实的感受飞机状态。
为了实现上述目的，本发明提供一种主动侧杆系统，包括上位机、多个主动侧杆装置和多个控制驱动装置，其中，每个所述主动侧杆装置和每个所述控制驱动装置能够通信连接，多个所述控制驱动装置和所述上位机能够通信连接；每个所述主动侧杆装置包括主动侧杆杆头和驱动电机，所述驱动电机能够驱动所述主动侧杆杆头动作；其中，所述上位机配置为接收飞控计算机的状态信号并向多个所述控制驱动装置发送控制指令，使得多个所述控制驱动装置分别向各自对应的所述驱动电机发送驱动信号，以能够实现多个所述主动侧杆杆头的联动。
在该技术方案中，由于每个主动侧杆装置包括驱动电机，而每个驱动电机能够驱动各自的主动侧杆杆头动作，同时，上位机配置为接收飞控计算机的状态信号并向多个控制驱动装置发送控制指令，而多个控制驱动装置分别向各自对应的驱动电机发送驱动信号，以能够实现多个主动侧杆杆头的联动，这样，上位机可以控制多个控制驱动装置，使得各个驱动电机能够控制各自的主动侧杆杆头的联动，从而可以告知飞行员多个主动侧杆杆头正同时操纵飞机，同时，由于多个控制驱动装置能够分别控制各自对应的驱动电机，这样，驱动电机可以提供可变梯度的驱动力，使得各个主动侧杆杆头还能够提供可变梯度的感觉力，以便于飞行员能更真实的感受飞机状态。
当然，在此需要说明的是，在该主动侧杆系统中，多个主动侧杆杆头能够根据控制需求联动之外，多个主动侧杆杆头中的一个侧杆杆头也可以根据控制需求来单独主动动作，而其他的主动侧杆杆头并不主动动作。
进一步地，每个所述控制驱动装置能够采集各自对应的所述驱动电机的状态信号、以及各自对应的所述主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号。
更进一步地，每个所述控制驱动装置包括控制器和驱动器，其中，各个所述控制器能够基于所述状态信号向各自对应的所述驱动器发送控制信号，各个所述驱动器能够基于所述控制信号向各自对应的所述驱动电机发送驱动信号。
更进一步地，每个所述驱动器能够采集各自对应的所述驱动电机的状态信号并反馈至对应的所述控制器；多个所述控制器能够将接收的所述驱动电机的状态信号、所述主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号传输到所述上位机。
进一步地，多个所述控制驱动装置能够控制各自对应的所述驱动电机以使得多个所述主动侧杆装置具有主动模式和被动模式，其中，所述主动模式包括多个所述主动侧杆杆头的联动。
更进一步地，所述主动模式还包括以下至少一者：模拟多个所述主动侧杆杆头丧失联动故障功能、模拟丧失杆力-杆位移实时调节与卡阻故障的功能、提供振杆并根据飞行状态触发与接触的功能、提供多个所述主动侧杆杆头多输入情况的告警功能、在自动飞行模式下实现侧杆反驱随动功能、在自动飞行模式下允许飞控计算机对其进行超控并提供增加的超控力的功能、和多个所述主动侧杆杆头权限的切换功能。
进一步地，所述上位机具有图形用户界面软件和数据处理软件，所述图形用户界面能够进行参数显示、调参和数据监视，所述数据处理软件能够进行数据通讯，其中，所述图形用户界面软件和数据处理软件能够实现所述主动模式的调节功能，所述调节功能包括以下至少一者：杆力-杆位移根据飞行状态实时调节功能、软止动位置调节功能、启动力和阻尼特性调节功能、以及振杆频率和幅值调节功能。
进一步地，在所述被动模式，每个所述控制驱动装置能够控制各自对应的所述驱动电机根据预设的弹性力位移曲线和侧杆位置来模拟弹性阻尼，使得所述主动侧杆杆头在所述驱动电机提供的模拟弹性阻尼的驱动作用下动作，其中，所述上位机能够输出所述驱动电机提供的弹性力感特性和阻尼力感特性。
进一步地，所述主动侧杆系统包括飞控计算机，其中，所述上位机和所述飞控计算机通信连接，其中，每个所述主动侧杆装置的杆头按钮信号和其他预设信号能够直接绕过所述控制驱动装置传输到所述上位机，并由所述上位机传输到所述飞控计算机。
进一步地，所述主动侧杆系统用作飞机的主动侧杆试验系统。
显而易见，在以上单个实施方式中描述的元件或特征可以在其它实施方式中单独或组合使用。
附图说明
在附图中，尺寸和比例不代表实际产品的尺寸和比例。附图仅仅是说明性的，并且为了清楚起见，省略了某些非必要的元件或特征。
图1示例性地示出了根据本发明的一种实施方式的主动侧杆系统的总体示意图；
图2示例性地示出了根据本发明的一种实施方式的主动侧杆系统的方框示意图；
图3示例性地示出了根据本发明的一种实施方式的主动侧杆系统的载荷传递示意图；
图4示例性地示出了根据本发明的一种实施方式的主动侧杆系统的控制示意图；
图5示例性地示出了根据本发明的一种实施方式的主动侧杆系统的控制流程示意图。
附图标记说明
1-上位机，2-主动侧杆装置，3-控制驱动装置，4-飞控计算机。
具体实施方式
接下来将参照附图详细描述本发明的主动侧杆系统。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。
参考图1和图2，本发明提供的主动侧杆系统包括上位机1、多个主动侧杆装置2和多个控制驱动装置3，其中，每个主动侧杆装置2和每个控制驱动装置3能够通信连接，多个控制驱动装置3和上位机1能够通信连接；每个主动侧杆装置2包括主动侧杆杆头和驱动电机，驱动电机能够驱动主动侧杆杆头动作；其中，上位机1配置为接收飞控计算机的状态信号并向多个控制驱动装置3发送控制指令，使得多个控制驱动装置3分别向各自对应的驱动电机发送驱动信号，以能够实现多个主动侧杆杆头的联动。
在该技术方案中，由于每个主动侧杆装置2包括驱动电机例如伺服电机，而每个驱动电机能够驱动各自的主动侧杆杆头动作，同时，上位机1配置为接收飞控计算机4的状态信号并向多个控制驱动装置发送控制指令，而多个控制驱动装置分别向各自对应的驱动电机发送驱动信号，以能够实现多个主动侧杆杆头的联动，这样，上位机可以控制多个控制驱动装置，使得各个驱动电机能够控制各自的主动侧杆杆头的联动，从而可以告知飞行员多个主动侧杆杆头正同时操纵飞机，同时，由于多个控制驱动装置能够分别控制各自对应的驱动电机，这样，驱动电机可以提供可变梯度的驱动力，使得各个主动侧杆杆头还能够提供可变梯度的感觉力，以便于飞行员能更真实的感受飞机状态。
另外，在该主动侧杆系统中，参考图1和图3，每个控制驱动装置3能够采集各自对应的驱动电机的状态信号、以及各自对应的主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号，并能够基于这些信号形成对主动侧杆装置的闭环控制，以能够实现主动侧杆系统的自动飞行、振杆、多个主动侧杆杆头的耦合联动和多个主动侧杆杆头同时输入警告等功能。
另外，参考图1和图2，每个控制驱动装置3包括控制器和驱动器，控制器可以为Flexii控制器，控制器具有管理、调度载荷系统通道功能，完成载荷系统底层应用功能及数据通信的功能。驱动器可以为Pac-et交流伺服驱动器，驱动器具有接收Flexii控制器信号，驱动伺服电机运转，采集I/O及伺服电动机状态信号，将该信号反馈至控制器的功能。例如在图2中，设置有两个主动侧杆杆头以作为左右主动侧杆杆头，相应地设置有两个控制驱动装置3，即一个控制驱动装置3包括通道1控制器和通道1驱动器，另一个控制驱动装置3包括通道2控制器和通道2驱动器，其中，各个控制器能够基于状态信号向各自对应的驱动器发送控制信号，各个驱动器能够基于控制信号向各自对应的驱动电机发送驱动信号。这样，各个控制器不仅可以控制各个驱动电机，如图1所示的，还能够控制每个主动侧杆装置2以RVDT信号向外部其他设备发出俯仰、滚转指令。而每个主动侧杆装置2的主动侧杆杆端的PTT及其它信号则由电气信号发送到上位机并以可以ARINC429、以太网等发送到飞控计算机。
例如，主动侧杆系统的一种实施例如图1所示：左右侧杆箱中装有伺服电机，驱动器/控制器接收来自飞控计算机的状态信号，向左/右侧杆箱发出驱动信号，并接收侧杆箱中的位置信号和杆力信号形成闭环，实现自动飞行、振杆、左右耦合联动和左右双输入警告等功能，并以RVDT信号向外部其他设备发出俯仰、滚转指令。主动侧杆杆端的PTT及其它信号则通过电气信号发送到上位机并以ARINC429、以太网等发送到飞控计算机。当收到降级指令时，左右侧杆在伺服电机模拟的弹簧阻尼的作用下回中，并提供完整的飞行操纵阻尼，RVDT信号向外提供滚转、俯仰信号。当发生卡阻(在试验件中，将伺服电机处于锁死状态)，左右侧杆将卡阻在当前位置，此时侧杆将作为力回馈杆模式，采集侧杆上的操纵力向飞控计算机发送滚转、俯仰信号。主动侧杆可以提供每个通道持续(侧杆共有俯仰、滚转两个通道)≮160N(以握杆位置中心点为参考点)并可以根据飞行状态信息进行实时加载，操纵行程每个通道≮±25°，并提供软限位以调节行程。另外，在图1中，上位机可以由一台工控机配置有ARINC429板卡、以太网卡组成，上位机中部署有主动侧杆控制软件。另外，控制器和伺服驱动器可以采用标准RJ45 EtherCAT进行通讯，控制器与驱动器通过串行方式依次挂接在一条总线上，控制器作为主站挂接在总线一端。控制器和上位机可以采用标准RJ45Ethernet千兆级以太网进行通讯。
例如，参考图3，主动侧杆系统为力加载系统，飞行员施加的杆力及杆位移通过传感器反馈至控制驱动装置3的驱动器，经由控制驱动装置3的底层模型计算出理论位置及理论杆力。安装在放大装置和前端系统之间的力传感器作为测量力反馈信号，经由Flexii系统(控制驱动装置3的控制器)完成力闭环功能。Flexii系统通过EtherCAT总线将控制参数发送至驱动器，进而控制电动机(驱动电机，例如伺服电机)的力矩输出，其中，前端系统(前舱系统)为：飞行员控制飞机舵面的操纵装置，如升降舵操纵杆、脚蹬、水平安定配平手柄等。
另外，参考图1、图2和图3，每个驱动器能够采集各自对应的驱动电机的状态信号并反馈至对应的控制器；这样，每个控制驱动装置3的驱动器能够采集各自对应的驱动电机的状态信号、以及各自对应的主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号，并将这些信号传输到各自对应的控制器，控制器能够基于这些信号形成对主动侧杆装置的闭环控制。同时，多个控制器能够将接收的驱动电机的状态信号、主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号传输到上位机1，这样，上位机1可以将这些信号传送到飞控计算机，而飞控计算机则可以基于这些信号和实时飞行需求进一步通过上位机1向各个控制器发送控制信号以进一步实时控制各个驱动电机。例如，当收到降级指令时，左右主动侧杆在各自的伺服电机模拟的弹簧阻尼的作用下回中，并提供完整的飞行操纵阻尼，此时，可以通过RVDT信号向外提供滚转、俯仰信号。当发生卡阻(伺服电机处于锁死状态)，左右主动侧杆将卡阻在当前位置，此时主动侧杆将作为力回馈杆模式，采集主动侧杆上的操纵力向飞控计算机发送滚转、俯仰信号。
例如，参考图4，该主动侧杆系统采用位置和力矩双闭环控制结构，对主动侧杆的杆位置和杆力进行综合控制，输出高品质的杆位置和杆力，最大程度上确保操纵品质。控制驱动装置3接收飞控计算机设定的控制指令参数，包括模式选择、力的大小和种类、止动点等。力/位置核心处理模块实时采集力传感器和位置传感器数据，并根据相应的模式生成主动侧杆的操纵杆力和操纵杆位置控制信号。同时，根据耦合或解耦信号，调整对应的主动侧杆装置2的执行机构的控制信号大小，进而实现操纵杆位置、操行杆力以及耦合联动控制。
另外，该主动侧杆系统中，多个控制驱动装置3能够控制各自对应的驱动电机以使得多个主动侧杆装置2具有主动模式和被动模式，其中，主动模式包括多个主动侧杆杆头的联动。这样，该主动侧杆系统能够实现主动模式和被动模式两种模式，当主动模式降级为被动模式后，则采用被动模式进行操控。这样，该主动侧杆系统能够实现主动侧杆和被动侧杆的所有功能。例如在被动模式下，该主动侧杆系统能够和被动侧杆系统一样具有视觉通知机组操作权限以及通过提示音通知机组两个人在同时操纵飞机的功能。
另外，在该主动侧杆系统中，主动模式还包括以下至少一者：模拟多个主动侧杆杆头丧失联动故障功能、模拟丧失杆力-杆位移实时调节与卡阻故障的功能、提供振杆并根据飞行状态触发与接触的功能、提供多个主动侧杆杆头多输入情况的告警功能、在自动飞行模式下实现侧杆反驱随动功能、在自动飞行模式下允许飞控计算机对其进行超控并提供增加的超控力的功能、和多个主动侧杆杆头权限的切换功能。
另外，上位机1具有图形用户界面软件和数据处理软件，图形用户界面能够进行参数显示、调参和数据监视，数据处理软件能够进行数据通讯，其中，图形用户界面软件和数据处理软件能够实现主动模式的调节功能，调节功能包括以下至少一者：杆力-杆位移根据飞行状态实时调节功能、软止动位置调节功能、启动力和阻尼特性调节功能、以及振杆频率和幅值调节功能。例如，可以通过图形用户界面实时修改杆力位移曲线，实现不同的杆力模拟，具体实现方式为：通过两种方式实现主动侧杆杆力的调节，一是通过设置多段弹簧，调整不同侧杆位移角度下电机模拟的弹簧力斜率，实现不同位移下杆力的调节；二是通过设置阻尼力，实现不同侧杆移动速度下杆力的调节(阻尼力与速度成正比)。再例如，可以通过伺服电机实现侧杆限制范围的调节，确保侧杆在机械限制位范围内可以实现调节，实现不同的软止动卡位，具体实现方式为：设定侧杆前极限位置角度和后极限位置角度，通过调整该角度下电机施加给侧杆的刚性力为一个很大的值，实现侧杆到达设定的极限位置角度后，侧杆无法继续移动。
另外，在被动模式，每个控制驱动装置3能够控制各自对应的驱动电机根据预设的弹性力位移曲线和侧杆位置来模拟弹性阻尼，使得主动侧杆杆头在驱动电机提供的模拟弹性阻尼的驱动作用下动作，其中，上位机1能够输出驱动电机提供的弹性力感特性和阻尼力感特性。
此外，参考图1，主动侧杆系统包括飞控计算机4，其中，上位机1和飞控计算机4通信连接，其中，每个主动侧杆装置2的杆头按钮信号和其他预设信号能够直接绕过控制驱动装置3传输到上位机1，并由上位机1传输到飞控计算机4。
参考图5，主动侧杆系统上电之后进行自检，若系统无故障则加载初始参数，同时，通讯连接至飞控计算机。待参数和通讯初始化完成之后，系统执行寻零操作。当系统回到零位后，系统默认为冻结模式。此时，主动侧杆的操纵杆被固定在零位点，系统处于等待命令状态。此时，飞控计算机选择模式，根据相应的模式执行相应的功能，并且各个模式之间可以进行切换。
当系统处于常规模式时，系统根据设定的摩擦力、弹簧力、启动力、阻尼力等加载相应的杆力。在常规加载中，若系统检测到配平命令则按飞控计算机给出的配平速度进行配平操作；
若飞控计算机下发抖杆使能命令，则系统按飞控计算机给出的振幅和频率加载抖杆力功能；
若飞控计算机下发自动飞行命令，则系统按照飞控计算机给出的自动飞行速度进行自动飞行。若在自动飞行过程中，操纵人员介入，只需要操纵力大于突破力，就可以执行手动控制。当手动控制的力小于突破力时，继续执行自动飞行操作；系统通过检测各个通道(比如上述的通道1和通道2)的力传感器状态，判定是否处于双输入状态，若是则给出警告；若飞控计算机下达降级指令，则降级为被动模式。当主动模式降级为被动模式后，主动侧杆装置2通过内部算法来模拟被动模式的操纵力杆，从而带动伺服电机工作。
最后，本发明提供的主动侧杆系统可以用于实际的飞机飞行控制，或者，可以用于模拟实际飞机的主动侧杆试验系统，从而可以用来研究飞机的主动侧杆技术，例如，可以通过主动侧杆系统的多种硬件接口，例如USB、ARINC429、RVDT、以太网等多种通信接口，这可以与机载硬件和其他驾驶舱仿真平台实现交联，能够在真实的驾驶舱环境下对主动侧杆的杆力特性、主动控制律、人机交互特性等进行评估。
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 (10)
1.一种主动侧杆系统，其特征在于，包括上位机(1)、多个主动侧杆装置(2)和多个控制驱动装置(3)，其中，
每个所述主动侧杆装置(2)和各自对应的所述控制驱动装置(3)能够一对一通信连接，多个所述控制驱动装置(3)和所述上位机(1)能够通信连接；
每个所述主动侧杆装置(2)包括主动侧杆杆头和驱动电机，所述驱动电机能够驱动所述主动侧杆杆头动作；
其中，所述上位机(1)配置为接收飞控计算机的状态信号并向多个所述控制驱动装置(3)发送控制指令，使得多个所述控制驱动装置(3)分别向各自对应的所述驱动电机发送驱动信号，以能够实现多个所述主动侧杆杆头的联动。
2.根据权利要求1所述的主动侧杆系统，其特征在于，每个所述控制驱动装置(3)能够采集各自对应的所述驱动电机的状态信号、以及各自对应的所述主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号。
3.根据权利要求2所述的主动侧杆系统，其特征在于，每个所述控制驱动装置(3)包括控制器和驱动器，其中，各个所述控制器能够基于所述状态信号向各自对应的所述驱动器发送控制信号，各个所述驱动器能够基于所述控制信号向各自对应的所述驱动电机发送驱动信号。
4.根据权利要求3所述的主动侧杆系统，其特征在于，每个所述驱动器能够采集各自对应的所述驱动电机的状态信号并反馈至对应的所述控制器；
多个所述控制器能够将接收的所述驱动电机的状态信号、所述主动侧杆杆头的位置信号和杆力信号传输到所述上位机(1)。
5.根据权利要求1所述的主动侧杆系统，其特征在于，多个所述控制驱动装置(3)能够控制各自对应的所述驱动电机以使得多个所述主动侧杆装置(2)具有主动模式和被动模式，其中，所述主动模式包括多个所述主动侧杆杆头的联动。
6.根据权利要求5所述的主动侧杆系统，其特征在于，所述主动模式还包括以下至少一者：模拟多个所述主动侧杆杆头丧失联动故障功能、模拟丧失杆力-杆位移实时调节与卡阻故障的功能、提供振杆并根据飞行状态触发与接触的功能、提供多个所述主动侧杆杆头多输入情况的告警功能、在自动飞行模式下实现侧杆反驱随动功能、在自动飞行模式下允许飞控计算机对其进行超控并提供增加的超控力的功能、和多个所述主动侧杆杆头权限的切换功能。
7.根据权利要求5所述的主动侧杆系统，其特征在于，所述上位机(1)具有图形用户界面软件和数据处理软件，所述图形用户界面能够进行参数显示、调参和数据监视，所述数据处理软件能够进行数据通讯，其中，所述图形用户界面软件和数据处理软件能够实现所述主动模式的调节功能，所述调节功能包括以下至少一者：杆力-杆位移根据飞行状态实时调节功能、软止动位置调节功能、启动力和阻尼特性调节功能、以及振杆频率和幅值调节功能。
8.根据权利要求5所述的主动侧杆系统，其特征在于，在所述被动模式，每个所述控制驱动装置(3)能够控制各自对应的所述驱动电机根据预设的弹性力位移曲线和侧杆位置来模拟弹性阻尼，使得所述主动侧杆杆头在所述驱动电机提供的模拟弹性阻尼的驱动作用下动作，其中，所述上位机(1)能够输出所述驱动电机提供的弹性力感特性和阻尼力感特性。
9.根据权利要求1所述的主动侧杆系统，其特征在于，所述主动侧杆系统包括飞控计算机(4)，其中，所述上位机(1)和所述飞控计算机(4)通信连接，其中，每个所述主动侧杆装置(2)的杆头按钮信号和其他预设信号能够直接绕过所述控制驱动装置(3)传输到所述上位机(1)，并由所述上位机(1)传输到所述飞控计算机(4)。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的主动侧杆系统，其特征在于，所述主动侧杆系统用作飞机的主动侧杆试验系统。
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| GB2196588A (en) * | 1986-09-12 | 1988-05-05 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Rudder control arrangement for aircraft |
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Patent Citations (6)
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|---|
| 采用被动侧杆的民机设计中的人为因素考虑;李林;王镭;;民用飞机设计与研究(第02期);67-69 * |
Also Published As
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