CN114170865B - 一种可变人感控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变人感控制系统，包括人感计算机、分别与人感计算机连接的力传感器、位移传感器、伺服阀、传动器以及杆力装置，力传感器用于测量反馈实际施加的杆力大小；位移传感器测量杆力位移，并与人感计算机建立飞控调控的信息交互反馈；伺服阀用于对人感计算机控制输出并进行信息转换，以作为人感控制系统压力调节的执行部件输出。本发明通过模拟飞机操纵系统的启动力等非线性特性，以及对操纵机构的杆力梯度等动态特性进行模拟；从而达到对被研究对象人感特性进行空中飞行模拟目的，具备缩短飞行员的实际飞机上的训练时间，提高飞行员的素质水平的优点。
Description
技术领域
本发明涉及飞机机载系统技术领域，具体为一种可变人感控制系统。
背景技术
可变人感系统是飞机机载系统的核心机载设备，提高飞机飞行员飞行能力的关键部分。飞机的人感系统经历了一系列的发展过程，早期机械式飞控体系设计十分简易，安全性较低，已经成为了历史。当前的人感系统是发展较为缓慢，成为成熟的复合飞控体系内的短板。据了解，全球飞行事故有一半是由于飞机在飞行过程中出现差错，进而酿成惨剧，因而，如何提升人感系统的相对性能是提高飞行员飞行能力的重要手段之一。
本发明基于“DSP+FPGA”硬件平台设计了一种机载可变人感加载控制系统；通过调节杆力的各种非线性特性，如摩擦力、启动力等，能够快速模拟各种飞机飞行性能。飞行员在飞行时需要考虑到飞机各种操纵性能，飞行品质，并将飞机飞行过程控制在合理范围内，缩短飞行员的实际飞机上的训练时间，提高飞行员的素质水平。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种可变人感控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明通过模拟飞机操纵系统的启动力、摩擦力、空行程、间隙等非线性特性，以及对操纵机构的杆力梯度、频率和阻尼比等动态特性进行模拟；给试验驾驶员提供一个与被模拟飞机一致的操纵力感觉，从而达到对被研究对象人感特性进行空中飞行模拟目的，具备缩短飞行员的实际飞机上的训练时间，提高飞行员的素质水平的优点，解决了现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种可变人感控制系统，包括人感计算机、分别与所述人感计算机连接的力传感器、位移传感器、伺服阀以及杆力装置，其中，
所述力传感器用于测量反馈实际施加的杆力大小；
所述位移传感器测量杆力位移，并与人感计算机建立飞控调控的信息交互反馈；
所述伺服阀用于对所述人感控制系统进行信息转换，以作为人感控制系统压力调节的执行部件输出；
所述杆力装置，用于施加操纵人员的激励参数，
所述人感计算机包括控制数字板、控制模拟板以及连接底板，其中，
控制数字板用于实现人感控制系统可变人感控制算法及系统通讯交互；
控制模拟板用于实现人感控制系统的回采信号处理控制输出；
所述连接底板用于实现控制数字板、控制模拟板及外部电气接口两两间信息交联；
所述控制数字板包括数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA，数字处理器DSP与可编程逻辑控制器FPGA建立双口RAM通信，用于数据采集、控制输出以及算法实现，且数字处理器DSP以及可编程逻辑控制器FPGA分别控制电液压锁的通断，用于保证所述人感控制系统安全性。
作为对本发明中所述一种可变人感控制系统的改进，所述控制数字板还包括二次电源模块、数据存储模块、传感器信号采集模块以及通讯模块，其中，
所述二次电源模块输入端通过控制模拟板以及控制数字板与连接底板连接，输出端分别连接所述数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA，以及其他元器件的电源端；
所述数据存储模块连接数字处理器DSP；
所述传感器信号采集模块连接可编程逻辑控制器FPGA，用于采集位移传感器信号以及力传感器信号；
所述通讯模块包括分别与数字处理器DSP连接CAN通讯总线模块、RS232/422/485接口通信模块以及ARINC429接口通信模块，所述CAN通讯总线模块用于人感控制系统与外部终端进行维护测试，所述RS232/422/485接口通信模块以及ARINC429接口通信模块用于与外部终端飞控系统建立数据交互。
作为对本发明中所述一种可变人感控制系统的改进，所述控制模拟板包括尖峰抑制模块、浪涌保护模块、掉电保护电路、电源模块以及传感器调理模块，其中，
所述尖峰抑制模块、浪涌保护模块实现对外部输入的电源线上的尖峰浪涌进行抑制，通过限流保护电路抑制其对外部电网的冲击；
掉电保护电路的储能电容通过电阻进行储能，不会产生瞬态大电流，计算机掉电后，储能电容放电，供系统应急工作使用；
电源模块采用EMI模块和DC转换模块，且所述电源模块输出端串联二次电源模块后接入所述数字处理器DSP及外设调理电路，EMI模块输入端连接外部直流稳压电源，提供人感计算机正常工作的电压；
传感器调理模块，将信号调理转换后送至可编程逻辑控制器FPGA以用于采集位移、力以及阀电流信号，并经数字处理器DSP计算出相应地伺服指令，输出进行人感舵机的伺服控制。
作为对本发明中所述一种可变人感控制系统的改进，所述电磁阀负端控制电路连接数字处理器DSP，电磁阀正端控制电路连接可编程逻辑控制器FPGA，用于可编程逻辑控制器FPGA对数字处理器DSP进行监测，当数字处理器DSP不能正常工作时，可编程逻辑控制器FPGA切断系统的电液压锁装置，保证系统进入安全状态。
作为对本发明中所述一种可变人感控制系统的改进，所述数字处理器DSP离散输入输出端通过光耦合器隔离，实现离散信号的接收、输出。
作为对本发明中所述一种可变人感控制系统的改进，所述可编程逻辑控制器FPGA输出端连接有告警调理电路，所述告警调理电路串联多路开关模块MUX后接入告警计算机，用于预警信息显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过模拟飞机操纵系统的启动力、摩擦力、空行程、间隙等非线性特性，以及对操纵机构的杆力梯度、频率和阻尼比等动态特性进行模拟；给试验驾驶员提供一个与被模拟飞机一致的操纵力感觉，从而达到对被研究对象人感特性进行空中飞行模拟目的，具备缩短飞行员的实际飞机上的训练时间，提高飞行员的素质水平的优点。
附图说明
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
图1为本发明一实施例中可变人感控制系统基本原理示意图；
图2为本发明一实施例中提出的可变人感控制系统硬件结构示意图；
图3为本发明一实施例中提出的可变人感控制系统的硬件框图。
具体实施方式
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
如图2-3所示，作为本发明的一个实施例，本发明提供技术方案：一种可变人感控制系统，包括人感计算机、分别与人感计算机连接的力传感器、位移传感器、伺服阀、传动器以及杆力装置，其中，
力传感器用于测量反馈实际施加的杆力大小，而这个杆力可以使飞行员知道自己的动作是否适合、合规；
位移传感器测量杆力位移，并与人感计算机建立飞控调控的信息交互反馈；
伺服阀为液压伺服阀，液压伺服阀的基本组件为力矩马达和滑阀，用于对人感控制系统进行信息转换，以作为人感控制系统压力调节的执行部件输出；
杆力装置，用于施加操纵人员的激励参数，杆力装置是由手柄和杆头等组成，杆力装置为物理装置，
人感计算机包括控制数字板、控制模拟板以及连接底板，其中，
控制数字板用于实现人感控制系统可变人感控制算法及系统通讯交互；
控制模拟板用于实现人感控制系统的回采信号处理控制输出；
连接底板用于实现控制数字板、控制模拟板及外部电气接口两两间信息交联，由矩形连接器模块等组成；
控制数字板包括数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA，数字处理器DSP与可编程逻辑控制器FPGA建立双口RAM通信，用于数据采集、控制输出以及算法实现，且数字处理器DSP以及可编程逻辑控制器FPGA分别控制电液压锁的通断，用于保证人感控制系统安全性。
作为本发明的一实施例，控制数字板还包括二次电源模块、数据存储模块、传感器信号采集模块以及通讯模块，其中，
二次电源模块输入端通过控制模拟板以及控制数字板与连接底板连接，输出端分别连接数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA，以及其他元器件的电源端，二次电源模块为电源转换模块；
数据存储模块连接数字处理器DSP；
传感器信号采集模块连接可编程逻辑控制器FPGA，用于采集位移传感器信号以及力传感器信号；
通讯模块包括分别与数字处理器DSP连接CAN通讯总线模块、RS232/422/485接口通信模块以及ARINC429接口通信模块，CAN通讯总线模块用于人感控制系统与外部终端进行维护测试，RS232/422/485接口通信模块以及ARINC429接口通信模块用于与外部终端飞控系统建立数据交互。
作为本发明的一实施例，控制模拟板包括尖峰抑制模块、浪涌保护模块、掉电保护电路、电源模块以及传感器调理模块，其中，
尖峰抑制模块用于对人感控制系统中的电路噪声源进行抑制；
浪涌保护模块用于对人感控制系统中的电路提供安全保护，可以理解的是，尖峰抑制模块、浪涌保护模块实现对外部输入的电源线上的尖峰浪涌进行抑制，通过限流保护电路抑制其对外部电网的冲击；
掉电保护电路用于防止可编程逻辑控制器FPGA处理后的交互数据丢失，在具体实施时，掉电保护电路的储能电容通过电阻进行储能，不会产生瞬态大电流，计算机掉电后，储能电容放电，供系统应急工作使用；
电源模块采用EMI模块和DC转换模块，且电源模块输出端串联二次电源模块后接入数字处理器DSP及外设调理电路(其他调理电路)，EMI模块输入端连接外部直流稳压电源，提供人感计算机正常工作的电压；
传感器调理模块，将信号调理转换后送至可编程逻辑控制器FPGA以用于采集位移、力以及阀电流信号，并经数字处理器DSP计算出相应地伺服指令，输出进行人感舵机的伺服控制。
作为本发明的一实施例，控制模拟板还包括驱动模块，驱动模块包括伺服阀驱动电路、电磁阀负端控制电路以及电磁阀正端控制电路，
伺服阀驱动电路输入端连接数字处理器DSP，输出端串联一固定继电器后输出控制压力伺服阀；
电磁阀负端控制电路连接数字处理器DSP，电磁阀正端控制电路连接可编程逻辑控制器FPGA，用于可编程逻辑控制器FPGA对数字处理器DSP进行监测，当数字处理器DSP不能正常工作时，可编程逻辑控制器FPGA切断系统的电液压锁装置，保证系统进入安全状态。
作为本发明的一实施例，数字处理器DSP离散输入输出端通过光耦合器隔离，实现离散信号的接收、输出，接入的信号包括人感按钮电信号、配平信号以及应急切除信号。
作为本发明的一实施例，可编程逻辑控制器FPGA输出端连接有告警调理电路，告警调理电路串联多路开关模块MUX后接入告警计算机，用于预警信息显示。
在本发明的一实施例中，本发明通过模拟飞机操纵系统的启动力、摩擦力、空行程、间隙等非线性特性，以及对操纵机构的杆力梯度、频率和阻尼比等动态特性进行模拟；给试验驾驶员提供一个与被模拟飞机一致的操纵力感觉，从而达到对被研究对象人感特性进行空中飞行模拟目的，具备缩短飞行员的实际飞机上的训练时间，提高飞行员的素质水平的优点；
此外，本发明采用了数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA，具备系统集成度高，外围电路器件少，通用性强且可移植到不同型号的飞机刹车系统的特性；
本发明由可编程逻辑控制器FPGA实现对力传感器、位移传感器、伺服阀等部件的反馈数据采集的高效处理，由数字处理器DSP实现系统的逻辑控制、及人感特性控制算法等功能，克服了传统人感控制系统数据采集速度慢、控制精度低的不足；
人感计算机集成度、模块化程度高，减少了分立元器件的使用，克服了传统的人感计算机体积大、重量的弊端；
与此同时，本发明采用可编程逻辑控制器FPGA对数字处理器DSP进行监测，当数字处理器DSP不能正常工作时，可以通过可编程逻辑控制器FPGA切断人感控制系统的电液压锁装置，保证系统进入安全状态。
作为本发明的一实施例的优选，人感控制系统用了主控制、备份控制的余度系统架构，突出了系统安全性要求，通道之间进行自检测或互监控的控制逻辑，能够实时监控到系统的故障，在完成系统功能情况下，实现了产品健康管理的需求；从而具备具备故障检测、余度控制、数据存储等功能，同时增加的调节装置及数字式可调节的杆力控制器，能够模拟各种机型的特性，通过调节阻尼器的过程，能够使飞机飞行品质尽可能模拟正常飞机特性。
如图1所示，作为本发明的一个实施例，人感系统地面单元控制率在人感计算机内实现，人感计算机采集位移传感器信号、力传感器信号，根据模型控制的原理实现人感系统地面单元对于摩擦力、启动力等系统特性的要求，其中摩擦力、启动力可以通过改变变稳飞控计算机内部的控制参数来改变系统特性；
而人感系统非线性计算环节将采集的力传感器信号，根据预先设定好的启动力、摩擦力、死区的大小，计算出相应实际输出力特征值，输出至人感特性模块进行动态特性计算，人感动态特性单元根据位移配平信号、位移采集信号，计算出相应地伺服指令，输出至DA转换单元，控制人感舵机进行伺服控制，实现系统的人感特性控制率。
在本发明的一个实施例中，数字处理器DSP的核心型号为TMS320F28335，可编程逻辑控制器FPGA的型号为XQ2V-1000。
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种可变人感控制系统，其特征在于：包括人感计算机、分别与所述人感计算机连接的力传感器、位移传感器、伺服阀以及杆力装置，其中，
所述力传感器用于测量反馈实际施加的杆力大小；
所述位移传感器测量杆力位移，并与人感计算机建立飞控调控的信息交互反馈；
所述伺服阀用于对所述人感控制系统进行信息转换，以作为人感控制系统压力调节的执行部件输出；
所述杆力装置，用于施加操纵人员的激励参数，
所述人感计算机包括控制数字板、控制模拟板以及连接底板，其中，
控制数字板用于实现人感控制系统可变人感控制算法及系统通讯交互；
控制模拟板用于实现人感控制系统的回采信号处理控制输出；包括尖峰抑制模块、浪涌保护模块、掉电保护电路、电源模块以及传感器调理模块，
所述尖峰抑制模块、浪涌保护模块实现对外部输入的电源线上的尖峰浪涌进行抑制，通过限流保护电路抑制其对外部电网的冲击；
掉电保护电路的储能电容通过电阻进行储能，不会产生瞬态大电流，计算机掉电后，储能电容放电，供系统应急工作使用；
电源模块采用EMI模块和DC转换模块，且所述电源模块输出端串联二次电源模块后接入数字处理器DSP及外设调理电路，EMI模块输入端连接外部直流稳压电源，提供人感计算机正常工作的电压；
传感器调理模块，将信号调理转换后送至可编程逻辑控制器FPGA以用于采集位移、力以及阀电流信号，并经数字处理器DSP计算出相应地伺服指令，输出进行人感舵机的伺服控制；
所述连接底板用于实现控制数字板、控制模拟板及外部电气接口两两间信息交联；
所述控制数字板包括数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA，数字处理器DSP与可编程逻辑控制器FPGA建立双口RAM通信，用于数据采集、控制输出以及算法实现，且数字处理器DSP以及可编程逻辑控制器FPGA分别控制电液压锁的通断，用于保证所述人感控制系统安全性；具体实施时：
数字处理器DSP连接电磁阀负端控制电路，可编程逻辑控制器FPGA连接电磁阀正端控制电路，可编程逻辑控制器FPGA对数字处理器DSP进行监测，当数字处理器DSP不能正常工作时，可编程逻辑控制器FPGA切断系统的电液压锁装置，保证系统进入安全状态。
2.根据权利要求1所述的一种可变人感控制系统，其特征在于：所述控制数字板还包括二次电源模块、数据存储模块、传感器信号采集模块以及通讯模块，其中，
所述二次电源模块输入端通过控制模拟板以及控制数字板与连接底板连接，输出端分别连接所述数字处理器DSP和可编程逻辑控制器FPGA；
所述数据存储模块连接数字处理器DSP；
所述传感器信号采集模块连接可编程逻辑控制器FPGA，用于采集位移传感器信号以及力传感器信号；
所述通讯模块包括分别与数字处理器DSP连接CAN通讯总线模块、RS232/422/485接口通信模块以及ARINC429接口通信模块，所述CAN通讯总线模块用于人感控制系统与外部终端进行维护测试，所述RS232/422/485接口通信模块以及ARINC429接口通信模块用于与外部终端飞控系统建立数据交互。
3.根据权利要求1所述的一种可变人感控制系统，其特征在于：所述数字处理器DSP离散输入输出端通过光耦合器隔离，实现离散信号的接收、输出。
4.根据权利要求1所述的一种可变人感控制系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制器FPGA输出端连接有告警调理电路，所述告警调理电路串联多路开关模块MUX后接入告警计算机，用于预警信息显示。
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