CN114280958A - 一种硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台及控制方法。平台包括信号发生器、信息采集单元、飞行仿真计算机、地面电源模块和中央集成杆；信号发生器通过机械连杆与中央集成杆上的驾驶杆手柄相连接；信息采集单元分别与中央集成杆及飞行仿真计算机电连接；地面电源模块用于为本平台中各用电部件供电。本发明效果：一部分以仿真计算模型的形式出现，如飞机、飞行控制系统等；另一部分则以实物接入仿真回路，主要为中央集成杆。通过评估中央集成杆的输入输出参数和飞机的动态响应，可实现开发人员对中央集成杆进行在线调试和优化。

Description

一种硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台及控制方法

技术领域

本发明属于民航技术领域，特别是涉及一种硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台及控制方法。

背景技术

目前各类军/民用飞机开展了中央杆的集成化、小型化研究，以解决传统分布式的架构导致空间占用大、气密性差、维护困难等问题。

当前，各个研究机构针对中央集成杆的研究成果较少，且主要关注中央集成杆的设计本身，如设计新的防耦合枢轴、优化成品外形尺寸等措施，以达到减重、减小传动空行程等目的。中央集成杆作为飞机系统(特别指飞行控制系统)的一个关键环节，实现驾驶员指令的转换与人机工效。因此，为了验证中央集成杆的功能和性能，应将飞机和飞行控制系统纳入到试验验证环境中，以评估中央集成杆的设计能否满足飞机设计要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台及控制方法。

为了达到上述目的，本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台包括信号发生器、信息采集单元、飞行仿真计算机、地面电源模块和中央集成杆；其中，中央集成杆包括驾驶杆手柄、配置有四余度电位计的纵向位移传感器、配置有四余度电位计的侧向位移传感器、纵向载荷机构、侧向载荷机构、纵向阻尼器和侧向阻尼器；所述信号发生器通过机械连杆与中央集成杆上的驾驶杆手柄相连接，用于给中央集成杆提供精确的纵向和侧向操纵信号，以实现中央集成杆的物理运动，从而模拟驾驶员操纵中央集成杆；信息采集单元分别与中央集成杆及飞行仿真计算机电连接，用于采集中央集成杆上位移传感器输出的纵向/侧向操纵数据并转换后传送给飞行仿真计算机，同时接收飞行仿真计算机发送的位移传感器的通道选择指令；飞行仿真计算机读取上述信息采集单元传送的操纵数据，并将上述操纵数据和飞机响应的飞行数据与设计要求进行数据对比，用于对中央集成杆的性能进行分析和改进设计；地面电源模块用于将工业220V交流电进行转换，为本平台中各用电部件供电。

所述信息采集单元包括模数转换模块、嵌入式微处理器、网口通信模块、串口通信模块和嵌入式电源模块；其中，嵌入式微处理器分别与模数转换模块、网口通信模块和串口通信模块电连接；模数转换模块同时与中央集成杆电连接；嵌入式电源模块同时与模数转换模块、嵌入式微处理器和网口通信模块电连接；网口通信模块和串口通信模块同时与飞行仿真计算机电连接。

所述飞行仿真计算机内设有数据采集模块、飞机响应模块、飞行数据记录模块和数据分析模块。

所述中央集成杆上的纵向位移传感器配置有四余度电位计，侧向位移传感器也配置有四余度电位计，纵向/侧向位移传感器上每个电位计共有两个信号输出端，分别为中位C和滑片W，共计8个位移传感器通道，因此整个中央集成杆的电位计总计16个位移传感器通道。

所述模数转换模块由运算放大器和模数转换电路组成，其中运算放大器使用AD620高精度运算放大器，模数转换电路采用24bit分辨率的AD7718芯片。

所述嵌入式微处理器采用STM32芯片。

所述网口通信模块采用DM9000以太网芯片。

本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)通过信号发生器模拟驾驶员操纵中央集成杆，驱动中央集成杆进行纵向和侧向运动，中央集成杆上纵向/侧向位移传感器的四余度电位计将输出相应的电压信号；

2)利用信息采集单元上的模数转换模块将纵向/侧向位移传感器上四余度电位计输出的电压信号转换成四余度纵向/侧向操纵数据；嵌入式微处理器通过USART协议接收模数转换模块发送的四余度纵向/侧向操纵数据，并通过USART协议接收串口通信模块的通道选择指令，嵌入式微处理器在上述四余度纵向/侧向操纵数据中选定一个余度纵向/侧向操纵数据并通过USART协议发送给串口通信模块，同时将选定的一个余度纵向/侧向操纵数据转化为飞机响应模块能够识别的-1到1的纵向/侧向操纵数字数据并通过USART协议发送给网口通信模块；网口通信模块通过UDP通信协议将选定的一个余度纵向/侧向操纵数字数据发送给飞行仿真计算机；串口通信模块通过RS232通信协议接收飞行仿真计算机的通道选择指令，并发送选定的一个余度纵向/侧向操纵数据；

3)飞行仿真计算机上的飞机响应模块通过UDP通信协议接收到网口通信模块发送的纵向/侧向操纵数字数据，然后实时响应中央集成杆的纵向和侧向运动而产生飞机响应的飞行数据，并由飞行数据记录模块通过UDP通信协议接收飞机响应模块的飞行数据且进行存储；数据采集模块通过RS232通信协议将位移传感器的通道选择指令发送给信息采集单元上的串口通信模块，并接收串口通信模块发送的纵向/侧向操纵数据并进行存储；

4)飞行仿真计算机上的数据分析模块通过UDP通信协议接收到数据采集模块的纵向/侧向操纵数据和飞行数据记录模块的飞行数据，然后将这些数据与飞机设计要求进行数据对比，便于开发人员对中央集成杆的性能进行分析和改进设计。

本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台及控制方法具有如下有益效果：

本发明一部分以仿真计算模型的形式出现，如飞机、飞行控制系统等；另一部分则以实物接入仿真回路，主要为中央集成杆。通过评估中央集成杆的输入输出参数和飞机的动态响应，可实现开发人员对中央集成杆进行在线调试和优化。

附图说明

图1为本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台构成示意图。

图2为中央集成杆构成示意图。

图3为本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台中信息采集单元构成示意图。

图4为本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台中模数转换模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-图2所示，本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台包括信号发生器1、信息采集单元2、飞行仿真计算机3、地面电源模块4和中央集成杆5；其中，中央集成杆5包括驾驶杆手柄、配置有四余度电位计的纵向位移传感器、配置有四余度电位计的侧向位移传感器、纵向载荷机构、侧向载荷机构、纵向阻尼器和侧向阻尼器；所述信号发生器1通过机械连杆与中央集成杆5上的驾驶杆手柄相连接，用于给中央集成杆5提供精确的纵向和侧向操纵信号，以实现中央集成杆5的物理运动，从而模拟驾驶员操纵中央集成杆5；信息采集单元2分别与中央集成杆5及飞行仿真计算机3电连接，用于采集中央集成杆5上位移传感器输出的纵向/侧向操纵数据并转换后传送给飞行仿真计算机3，同时接收飞行仿真计算机3发送的位移传感器的通道选择指令；飞行仿真计算机3读取上述信息采集单元2传送的操纵数据，并将上述操纵数据和飞机响应的飞行数据与设计要求进行数据对比，用于对中央集成杆5的性能进行分析和改进设计；地面电源模块4用于将工业220V交流电进行转换，为本平台中各用电部件供电。

如图3所示，所述信息采集单元2包括模数转换模块2-1、嵌入式微处理器2-2、网口通信模块2-3、串口通信模块2-4和嵌入式电源模块2-5；其中，嵌入式微处理器2-2分别与模数转换模块2-1、网口通信模块2-3和串口通信模块2-4电连接；模数转换模块2-1同时与中央集成杆5电连接；嵌入式电源模块2-5同时与模数转换模块2-1、嵌入式微处理器2-2和网口通信模块2-3电连接；网口通信模块2-3和串口通信模块2-4同时与飞行仿真计算机3电连接。

所述飞行仿真计算机3内设有数据采集模块、飞机响应模块、飞行数据记录模块和数据分析模块；飞机响应模块接收信息采集单元2上网口通信模块2-3发送的纵向和侧向操纵数字数据，并产生飞机响应的飞行数据；飞行数据记录模块将飞机响应的飞行数据进行存储；数据采集模块发送位移传感器的通道选择指令到信息采集单元2上的串口通信模块2-4，并接收信息采集单元2上串口通信模块2-4发送的纵向和侧向操纵数据；飞行数据记录模块将纵向和侧向操纵数据进行存储；数据分析模块读取上述纵向和侧向操纵数据及飞机响应的飞行数据，并进行数据分析。其中，飞机响应的飞行数据包括副翼、升降舵、方向舵、迎角、俯仰角、侧滑角、滚转角、俯仰角速率、偏航角速率、滚转角速率、纵向过载、侧向过载在内的数据。

如图4所示，所述中央集成杆5上的纵向位移传感器配置有四余度电位计，侧向位移传感器也配置有四余度电位计，纵向/侧向位移传感器上每个电位计共有两个信号输出端，分别为中位C和滑片W，共计8个位移传感器通道，因此整个中央集成杆5的电位计总计16个位移传感器通道。

所述模数转换模块2-1由运算放大器和模数转换电路组成，其中运算放大器使用AD620高精度运算放大器，模数转换电路采用24bit分辨率的AD7718芯片。中央集成杆5上电位计的电压信号经过运算放大器一倍放大后，抬升电压变为可被模数转换电路转换的信号范围，经模数转换电路转换后发送给嵌入式微处理器2-2。

所述嵌入式微处理器2-2具有三项主要功能：1)用来接收来自模数转换模块2-1的信号，计算电位计的实际电压值。2)对获取的电位计信号进行量程转换，变为飞行仿真计算机3可识别的-1到1的信号，并发往网口通信模块2-3。3)连接串口通信模块2-4并接收飞行仿真计算机3发送的位移传感器的通道选择指令，以实现模数转换通道的选择功能；

所述网口通信模块2-3用于信息采集单元2与飞行仿真计算机3之间的网络通信，并传输由嵌入式微处理器2-2转化的纵向/侧向操纵数字数据；

所述串口通信模块2-4具有两项主要功能：1)将嵌入式微处理器2-2计算出的电位计的实际电压值发送给飞行仿真计算机3；2)将飞行仿真计算机3发送的位移传感器的通道选择指令发送给嵌入式微处理器2-2。

所述嵌入式电源模块2-5用于为模数转换模块2-1、嵌入式微处理器2-2和网口通信模块2-3提供电能。

所述嵌入式微处理器2-2采用STM32芯片。

所述网口通信模块2-3采用DM9000以太网芯片。

本发明提供的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)通过信号发生器1模拟驾驶员操纵中央集成杆5，驱动中央集成杆5进行纵向和侧向运动，中央集成杆5上纵向/侧向位移传感器的四余度电位计将输出相应的电压信号；

2)利用信息采集单元2上的模数转换模块2-1将纵向/侧向位移传感器上四余度电位计输出的电压信号转换成四余度纵向/侧向操纵数据；嵌入式微处理器2-2通过USART协议接收模数转换模块2-1发送的四余度纵向/侧向操纵数据，并通过USART协议接收串口通信模块2-4的通道选择指令，嵌入式微处理器2-2在上述四余度纵向/侧向操纵数据信号中选定一个余度纵向/侧向操纵数据并通过USART协议发送给串口通信模块2-4，同时将选定的一个余度纵向/侧向操纵数据转化为飞机响应模块能够识别的-1到1的纵向/侧向操纵数字数据并通过USART协议发送给网口通信模块2-3；网口通信模块2-3通过UDP通信协议将选定的一个余度纵向/侧向操纵数字数据发送给飞行仿真计算机3；串口通信模块2-4通过RS232通信协议接收飞行仿真计算机3的通道选择指令，并发送选定的一个余度纵向/侧向操纵数据；

3)飞行仿真计算机3上的飞机响应模块通过UDP通信协议接收到网口通信模块2-3发送的纵向/侧向操纵数字数据，然后实时响应中央集成杆5的纵向和侧向运动而产生飞机响应的飞行数据，并由飞行数据记录模块通过UDP通信协议接收飞机响应模块的飞行数据且进行存储；数据采集模块通过RS232通信协议将位移传感器的通道选择指令发送给信息采集单元2上的串口通信模块2-4，并接收串口通信模块2-4发送的纵向/侧向操纵数据并进行存储；

4)飞行仿真计算机3上的数据分析模块通过UDP通信协议接收数据采集模块的纵向/侧向操纵数据和飞行数据记录模块的飞行数据，然后将这些数据与飞机设计要求进行数据对比，便于开发人员对中央集成杆5的性能进行分析和改进设计。

Claims (8)

1.一种硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台包括信号发生器(1)、信息采集单元(2)、飞行仿真计算机(3)、地面电源模块(4)和中央集成杆(5)；其中，中央集成杆(5)包括驾驶杆手柄、配置有四余度电位计的纵向位移传感器、配置有四余度电位计的侧向位移传感器、纵向载荷机构、侧向载荷机构、纵向阻尼器和侧向阻尼器；所述信号发生器(1)通过机械连杆与中央集成杆(5)上的驾驶杆手柄相连接，用于给中央集成杆(5)提供精确的纵向和侧向操纵信号，以实现中央集成杆(5)的物理运动，从而模拟驾驶员操纵中央集成杆(5)；信息采集单元(2)分别与中央集成杆(5)及飞行仿真计算机(3)电连接，用于采集中央集成杆(5)上位移传感器输出的纵向/侧向操纵数据并转换后传送给飞行仿真计算机(3)，同时接收飞行仿真计算机(3)发送的位移传感器的通道选择指令；飞行仿真计算机(3)读取上述信息采集单元(2)传送的操纵数据，并将上述操纵数据和飞机响应的飞行数据与设计要求进行数据对比，用于对中央集成杆(5)的性能进行分析和改进设计；地面电源模块(4)用于将工业220V交流电进行转换，为本平台中各用电部件供电。

2.根据权利要求1所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述信息采集单元(2)包括模数转换模块(2-1)、嵌入式微处理器(2-2)、网口通信模块(2-3)、串口通信模块(2-4)和嵌入式电源模块(2-5)；其中，嵌入式微处理器(2-2)分别与模数转换模块(2-1)、网口通信模块(2-3)和串口通信模块(2-4)电连接；模数转换模块(2-1)同时与中央集成杆(5)电连接；嵌入式电源模块(2-5)同时与模数转换模块(2-1)、嵌入式微处理器(2-2)和网口通信模块(2-3)电连接；网口通信模块(2-3)和串口通信模块(2-4)同时与飞行仿真计算机(3)电连接。

3.根据权利要求1所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述飞行仿真计算机(3)内设有数据采集模块、飞机响应模块、飞行数据记录模块和数据分析模块。

4.根据权利要求1所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述中央集成杆(5)上的纵向位移传感器配置有四余度电位计，侧向位移传感器也配置有四余度电位计，纵向/侧向位移传感器上每个电位计共有两个信号输出端，分别为中位C和滑片W，共计8个位移传感器通道，因此整个中央集成杆(5)的电位计总计16个位移传感器通道。

5.根据权利要求2所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述模数转换模块(2-1)由运算放大器和模数转换电路组成，其中运算放大器使用AD620高精度运算放大器，模数转换电路采用24bit分辨率的AD7718芯片。

6.根据权利要求2所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述嵌入式微处理器(2-2)采用STM32芯片。

7.根据权利要求2所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台，其特征在于：所述网口通信模块(2-3)采用DM9000以太网芯片。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的硬件在回路的中央集成杆仿真验证平台的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)通过信号发生器(1)模拟驾驶员操纵中央集成杆(5)，驱动中央集成杆(5)进行纵向和侧向运动，中央集成杆(5)上纵向/侧向位移传感器的四余度电位计将输出相应的电压信号；

2)利用信息采集单元(2)上的模数转换模块(2-1)将纵向/侧向位移传感器上四余度电位计输出的电压信号转换成四余度纵向/侧向操纵数据；嵌入式微处理器(2-2)通过USART协议接收模数转换模块(2-1)发送的四余度纵向/侧向操纵数据，并通过USART协议接收串口通信模块(2-4)的通道选择指令，嵌入式微处理器(2-2)在上述四余度纵向/侧向操纵数据中选定一个余度纵向/侧向操纵数据并通过USART协议发送给串口通信模块(2-4)，同时将选定的一个余度纵向/侧向操纵数据转化为飞机响应模块能够识别的-1到1的纵向/侧向操纵数字数据并通过USART协议发送给网口通信模块(2-3)；网口通信模块(2-3)通过UDP通信协议将选定的一个余度纵向/侧向操纵数字数据发送给飞行仿真计算机(3)；串口通信模块(2-4)通过RS232通信协议接收飞行仿真计算机(3)的通道选择指令，并发送选定的一个余度纵向/侧向操纵数据；

3)飞行仿真计算机(3)上的飞机响应模块通过UDP通信协议接收到网口通信模块(2-3)发送的纵向/侧向操纵数字数据，然后实时响应中央集成杆(5)的纵向和侧向运动而产生飞机响应的飞行数据，并由飞行数据记录模块通过UDP通信协议接收飞机响应模块的飞行数据且进行存储；数据采集模块通过RS232通信协议将位移传感器的通道选择指令发送给信息采集单元(2)上的串口通信模块(2-4)，并接收串口通信模块(2-4)发送的纵向/侧向操纵数据并进行存储；

4)飞行仿真计算机(3)上的数据分析模块通过UDP通信协议接收数据采集模块的纵向/侧向操纵数据和飞行数据记录模块的飞行数据，然后将这些数据与飞机设计要求进行数据对比，便于开发人员对中央集成杆(5)的性能进行分析和改进设计。

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