CN114879533B - 一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，主要基于EVTOL飞行器设计过程中计算出的气动载荷，以反射内存网络作为实时通信网络，实时仿真平台作为仿真控制、数据采集的处理终端，扭矩模拟系统作为控制与反馈的执行组件，构建半物理的闭环实时仿真环境。实现模拟在不同飞行工况下的舵面气动载荷变化与飞行控制的闭环响应，以验证不同飞行工控下EVTOL飞机的控制律、动态性能与控制精度功能。
Description
技术领域
本发明涉及航空设备技术领域，具体涉及一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法。
背景技术
垂直电动起降飞机EVTOL是指依靠电动机实现垂直起降的飞机，这种飞机既可通过旋翼进行垂直升降，又可以通过推力电机进行固定翼飞行，这种独特的动力构型，是EVTOL飞机具的独特品质之一。由于EVTOL飞机所需的旋翼机构，与传统固定翼飞机相比，机翼结构增加电机臂用于旋转电机的安装，具有独特的气动外形、动态特性等。需要充分的试验手段去验证实际飞行过程中飞机的操控性能、控制律等，以满足飞机的安全控制和性能需求。但目前公示的舵面负载模拟试验方法很少，且有些模拟试验方法只针对特殊机型，例如专利CN107203184B公开的方法只针对单套直线舵机设备的动态测试，无法满足eVTOL飞机舵面负载模拟试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，以解决背景技术中提到的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，包括：
(1)构建eVTOL飞机舵面负载模拟试验所需要的试验环境；所述试验环境的组成包括真实EVTOL飞机的飞控舵面系统、实时仿真计算平台和基于PLC控制器的扭矩模拟系统；
所述真实EVTOL飞机的飞控舵面系统包括飞控计算机、舵面驱动电机、飞机舵面与活动铰链，所述飞控计算机通过接收控制指令，向舵面驱动电机发送控制指令，舵面驱动电机接收指令后通过摇臂与活动铰链控制飞机舵面的上下翻转；
所述实时仿真计算平台包括设备硬件与实时仿真平台软件，所述设备硬件包括上位工作站、下位工控机、机载设备输入输出的总线接口板卡、方向杆、加速杆和反射内存网络；所述实时仿真平台软件包括实时仿真软件、飞机本体模型、飞行模型和负载模拟控制模型，所述实时仿真软件基于下位工控机的实时操作系统，上位工作站实时仿真前端软件提供仿真模型的导入与配置下发、仿真运行的控制、数据监控与记录功能；飞机本体模型提供EVTOL飞机的基本参数；飞行模型提供EVTOL飞机在飞行过程中飞机外围传感器信号的仿真；负载模拟控制模型提供对舵面负载模拟系统的控制输入；
所述基于PLC控制器的扭矩模拟系统包括阻尼电机、力矩传感器、角度传感器和PLC控制系统，所述阻尼电机与力矩传感器通过机械连杆与被测飞机舵面的活动铰链进行连接；所述PLC控制系统包括PLC控制器和信号放大模块，PLC控制器通过信号线与实时仿真计算平台的下位工控机的负载控制接口板卡、信号放大器与扭矩传感器进行交联；PLC控制器提供对模拟负载控制指令的接收并转换成阻尼电机运行的控制指令，同时提供对力矩传感器采集的反馈信号进行处理上传；信号放大模块通过信号线连接阻尼电机，PLC控制器的控制指令通过信号放大后给阻尼电机提供控制输入；力矩传感器对连杆上所收到的扭力信息进行采集并上传至PLC控制系统；角度传感器安装在飞机舵面上，测量舵面活动过程中的舵面响应变化，通过信号线接至实时仿真平台下的总线接口板卡，提供实际飞行舵面的响应。
(2)在上位计算机的控制界面，通过模型配置页面加载飞机本体模型、飞机模型、负载控制模型，在模型监控页面控制模型的运行状态；加载完毕后，点击监控页面模型冻结按钮解冻模型；
(3)飞机模型处于地面状态，控制操纵组件检查舵机与飞行模型速度的响应正常，仿真模型运行正常；
(4)通过操控组件对飞机模型进行飞行控制；由于EVTOL飞机的起飞与着陆均采用的是旋翼，因此在起飞着陆阶段时，飞机舵面基本未受到气动载荷，舵面负载模拟系统不工作；当飞机开始进行水平加速转换成固定翼模式阶段，该阶段下飞机处于匀加速状态，襟翼舵面放下固定角度，因此飞机舵面的活动铰链所受阻尼随空气阻力的影响逐渐增大，飞机模型通过对输出飞机的速度与气动阻力的数据给负载控制模型，经负载控制模型计算后向PLC控制系统发送控制指令，驱动阻尼电机开始对飞机舵面的活动铰链施加扭矩，并由力矩传感器反馈实际连杆所受阻尼状态进行阻尼电机的输出修正，模拟加速阶段下的舵面负载，从而验证EVTOL飞机襟翼响应与运动品质；控制飞机处于爬升阶段，针对EVTOL飞机升降舵进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机升降舵响应与运动品质；控制飞机处于巡航阶段并向左或向右绕圈飞行，针对EVTOL飞机副翼及方向舵进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机副翼及方向舵响应与运动品质；
(5)通过地面环境下的舵面模拟负载试验，比对采集的角度传感器信号与飞控舵面系统的反馈结果，计算出不同扭力与飞机舵面角度的比例曲线，验证特性曲线与设计预期的关系；并通过飞行仿真过程中收集的控制与舵面响应数据，分析并完成对EVTOL飞机的控制律、动态性能、控制精度功能的验证。
优选地，所述(1)中上位工作站为一台高处理性能的台式工作站，配备有反射内存板卡与USB接口，用于接入反射内存网络与方向杆、加速杆；主要提供实时仿真计算平台的人机交互界面，能支持试验人员对模拟负载的仿真进行控制、数据监控与数据记录的功能。
优选地，所述(1)中下位工控机包括工控机箱与控制器，提供实时仿真运行的基础环境，提供基于VxWorks实时操作系统的实时仿真软件部署。
优选地，所述(1)中机载设备输入输出的总线接口板卡通过安装在工控机插槽上，为机载设备提供外围总线的输入与数据的采集。
优选地，所述(1)中方向杆与加速杆采用与EVTOL飞行机载设备相似的拟真杆，保证与EVTOL飞机控制环境的拟真性；方向杆与加速杆通过USB与上位工作站连接，采用UDP协议与上位机通信；方向杆提供姿态控制指令，控制EVTOL飞机的横滚、俯仰等动作；加速杆提供飞机的速度控制指令，控制EVTOL飞机固定翼模型下的飞行速度等。
优选地，所述(1)中反射内存网络由两块反射内存板卡组成，通过光纤线缆连接上位工作站与下位工控机进行反射内存网络的搭建。
本发明的技术效果和优点：本发明通过闭环的实时仿真环境模拟舵面负载，验证EVTOL飞机设计的控制律、动态性能、控制精度功能。
附图说明
图1为飞控舵面系统结构框图；
图2为实时仿真计算平台的设备硬件的组成示意图；
图3为实时仿真平台软件组成示意图；
图4为基于PLC控制器的扭矩模拟系统的组成示意图；
图5为eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法的原理图；
图6为eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接或是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以两个元件内部的连通。
实施例
本eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法所需环境的组成涉及一套真实EVTOL飞机的飞控舵面系统、一套实时仿真计算平台、一套基于PLC控制器的扭矩模拟系统。
如图1所示，一套真实EVTOL飞机的飞控舵面系统包括飞控计算机、舵面驱动电机、飞机舵面与活动铰链。在飞控计算机通过接收控制指令，向舵面驱动电机发送控制指令，舵面驱动电机接收指令后通过摇臂与铰链控制舵面的上下翻转。
实时仿真计算平台包括配套的设备硬件与一套实时仿真软件。如图2所示，实时仿真平台硬件包括一台上位工作站、一台下位工控机、机载设备输入输出的总线接口板卡、方向杆、加速杆、反射内存网络。
上位工作站主要由一台高处理性能的台式工作站担任，并配备由反射内存板卡与USB接口，用于接入反射内存网络与方向杆、加速杆。主要提供实时仿真计算平台的人机交互界面，能支持试验人员对模拟负载的仿真进行控制、数据监控与数据记录的功能。
下位工控机包括工控机箱与控制器，提供实时仿真运行的基础环境，提供基于VxWorks实时操作系统的实时仿真软件部署。
机载设备输入输出的总线接口板卡通过安装在工控机插槽上，为机载设备提供外围总线的输入与数据的采集。
方向杆与加速杆采用与EVTOL飞行机载设备相似的拟真杆，保证与EVTOL飞机控制环境的拟真性。方向杆与加速杆通过USB与上位工作站连接，采用UDP协议与上位机通信。方向杆提供姿态控制指令，控制EVTOL飞机的横滚、俯仰等动作。加速杆提供飞机的速度控制指令，控制EVTOL飞机固定翼模型下的飞行速度等。
反射内存网络由两块反射内存板卡组成，通过光纤线缆连接上位工作站与下位工控机进行反射内存网络的搭建。
如图3所示，实时仿真平台软件包括一套实时仿真软件、飞机本体模型、飞行模型和负载控制模型。实时仿真软件基于下位工控机的实时操作系统、上位工作站实时仿真前端软件提供仿真模型的导入与配置下发、仿真运行的控制、数据监控与记录功能。飞机本体模型提供EVTOL飞机的基本参数。飞行模型提供EVTOL飞机在飞行过程中飞机外围传感器信号的仿真。负载控制模型提供对舵面负载模拟系统的控制输入。
如图4所示，基于PLC控制器的扭矩模拟系统包括阻尼电机、力矩传感器、角度传感器和PLC控制系统组成。
PLC控制系统主要包括PLC控制器、信号放大模块。PLC控制器通过信号线与实时仿真平台下位机负载控制接口板卡、信号放大器与扭矩传感器进行交联。PLC控制器提供对模拟负载控制指令的接收并转换成阻尼电机运行的控制指令，同时提供对力矩传感器采集的反馈信号进行处理上传。信号放大模块通过信号线连接阻尼电机，PLC控制器的控制指令通过信号放大后给阻尼电机提供控制输入。
阻尼电机与力矩传感器通过机械连杆与被测舵面的活动铰链进行连接。正常工作时，阻尼电机接收PLC控制系统的控制指令进行运动，通过机械连杆对飞机舵面的活动铰链施加阻尼或助力。力矩传感器对连杆上所收到的扭力信息进行采集并上传至PLC控制系统。角度传感器安装在飞机舵面上，测量舵面活动过程中的舵面响应变化，通过信号线接至实时仿真平台下的总线接口板卡，提供实际飞行舵面的响应。
阻尼力矩与舵面角度的变化关系为：
T＝F×R×sinα
式中，T为阻尼力矩；F为阻力；R为舵面半径；α为转动角度。
如图5所示，本方法主要基于EVTOL飞行器设计过程中计算出的气动载荷，以反射内存网络作为实时通信网络，实时仿真平台作为仿真控制、数据采集的处理终端，扭矩模拟系统作为控制与反馈的执行组件，构建半物理的闭环实时仿真环境。实现模拟在不同飞行工况下的舵面气动载荷变化与飞行控制的闭环响应，以验证不同飞行工控下EVTOL飞机的控制律、动态性能与控制精度功能。
如图6所示，eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法的流程为：
试验流程1：在上位计算机的控制界面，通过模型配置页面加载飞机本体模型、飞机模型、负载控制模型，在模型监控页面控制模型的运行状态。加载完毕后，点击监控页面模型冻结按钮解冻模型。
试验流程2：飞机模型处于地面状态，控制操纵组件检查舵机与飞行模型速度的响应正常，仿真模型运行正常。
试验流程3：通过操控组件对飞机模型进行飞行控制。由于EVTOL飞机的起飞与着陆均采用的是旋翼，因此在起飞着陆阶段时，飞机舵面基本未受到气动载荷，舵面负载模拟系统不工作。当飞机开始进行水平加速转换成固定翼模式阶段，该阶段下飞机处于匀加速状态，襟翼舵面放下固定角度，因此飞机舵面的活动铰链所受阻尼随空气阻力的影响逐渐增大，飞机模型通过对输出飞机的速度与气动阻力的数据给负载控制模型，经负载控制模型计算后向PLC控制系统发送控制指令，驱动阻尼电机开始对飞机舵面的活动铰链施加扭矩，并由力矩传感器反馈实际连杆所受阻尼状态进行阻尼电机的输出修正，模拟加速阶段下的舵面负载。这个阶段主要针对EVTOL飞机襟翼进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机襟翼响应与运动品质。
控制飞机处于爬升阶段，针对EVTOL飞机升降舵进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机升降舵响应与运动品质。
控制飞机处于巡航阶段并向左或向右绕圈飞行，针对EVTOL飞机副翼及方向舵进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机副翼及方向舵响应与运动品质。
试验流程4：通过地面环境下的舵面模拟负载试验，比对采集的角度传感器信号与飞控舵面系统的反馈结果，计算出不同扭力与舵面角度的比例曲线，验证特性曲线与设计预期的关系。并通过飞行仿真过程中收集的控制与舵面响应数据，分析并完成对EVTOL飞机的控制律、动态性能、控制精度功能的验证。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，其特征在于，包括：
(1)构建eVTOL飞机舵面负载模拟试验所需要的试验环境；所述试验环境的组成包括真实EVTOL飞机的飞控舵面系统、实时仿真计算平台和基于PLC控制器的扭矩模拟系统；
所述真实EVTOL飞机的飞控舵面系统包括飞控计算机、舵面驱动电机、飞机舵面与活动铰链，所述飞控计算机通过接收控制指令，向舵面驱动电机发送控制指令，舵面驱动电机接收指令后通过摇臂与活动铰链控制飞机舵面的上下翻转；
所述实时仿真计算平台包括设备硬件与实时仿真平台软件，所述设备硬件包括上位工作站、下位工控机、机载设备输入输出的总线接口板卡、方向杆、加速杆和反射内存网络；所述实时仿真平台软件包括实时仿真软件、飞机本体模型、飞行模型和负载模拟控制模型，所述实时仿真软件基于下位工控机的实时操作系统，上位工作站实时仿真前端软件提供仿真模型的导入与配置下发、仿真运行的控制、数据监控与记录功能；飞机本体模型提供EVTOL飞机的基本参数；飞行模型提供EVTOL飞机在飞行过程中飞机外围传感器信号的仿真；负载模拟控制模型提供对舵面负载模拟系统的控制输入；
所述基于PLC控制器的扭矩模拟系统包括阻尼电机、力矩传感器、角度传感器和PLC控制系统，所述阻尼电机与力矩传感器通过机械连杆与被测飞机舵面的活动铰链进行连接；所述PLC控制系统包括PLC控制器和信号放大模块，PLC控制器通过信号线与实时仿真计算平台的下位工控机的负载控制接口板卡、信号放大器与扭矩传感器进行交联；PLC控制器提供对模拟负载控制指令的接收并转换成阻尼电机运行的控制指令，同时提供对力矩传感器采集的反馈信号进行处理上传；信号放大模块通过信号线连接阻尼电机，PLC控制器的控制指令通过信号放大后给阻尼电机提供控制输入；力矩传感器对连杆上所收到的扭力信息进行采集并上传至PLC控制系统；角度传感器安装在飞机舵面上，测量舵面活动过程中的舵面响应变化，通过信号线接至实时仿真平台下的总线接口板卡，提供实际飞行舵面的响应；
(2)在上位计算机的控制界面，通过模型配置页面加载飞机本体模型、飞机模型、负载控制模型，在模型监控页面控制模型的运行状态；加载完毕后，点击监控页面模型冻结按钮解冻模型；
(3)飞机模型处于地面状态，控制操纵组件检查舵机与飞行模型速度的响应正常，仿真模型运行正常；
(4)通过操控组件对飞机模型进行飞行控制；在起飞着陆阶段时，舵面负载模拟系统不工作；当飞机开始进行水平加速转换成固定翼模式阶段，该阶段下飞机处于匀加速状态，襟翼舵面放下固定角度，因此飞机舵面的活动铰链所受阻尼随空气阻力的影响逐渐增大，飞机模型通过对输出飞机的速度与气动阻力的数据给负载控制模型，经负载控制模型计算后向PLC控制系统发送控制指令，驱动阻尼电机开始对飞机舵面的活动铰链施加扭矩，并由力矩传感器反馈实际连杆所受阻尼状态进行阻尼电机的输出修正，模拟加速阶段下的舵面负载，从而验证EVTOL飞机襟翼响应与运动品质；控制飞机处于爬升阶段，针对EVTOL飞机升降舵进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机升降舵响应与运动品质；控制飞机处于巡航阶段并向左或向右绕圈飞行，针对EVTOL飞机副翼及方向舵进行负载模拟试验，验证EVTOL飞机副翼及方向舵响应与运动品质；
(5)通过地面环境下的舵面模拟负载试验，比对采集的角度传感器信号与飞控舵面系统的反馈结果，计算出不同扭力与飞机舵面角度的比例曲线，验证特性曲线与设计预期的关系；并通过飞行仿真过程中收集的控制与舵面响应数据，分析并完成对EVTOL飞机的控制律、动态性能、控制精度功能的验证。
2.根据权利要求1所述的一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，其特征在于：所述(1)中上位工作站为一台高处理性能的台式工作站，配备有反射内存板卡与USB接口，用于接入反射内存网络与方向杆、加速杆；主要提供实时仿真计算平台的人机交互界面，能支持试验人员对模拟负载的仿真进行控制、数据监控与数据记录的功能。
3.根据权利要求2所述的一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，其特征在于：所述(1)中下位工控机包括工控机箱与控制器，提供实时仿真运行的基础环境，提供基于VxWorks实时操作系统的实时仿真软件部署。
4.根据权利要求3所述的一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，其特征在于：所述(1)中机载设备输入输出的总线接口板卡通过安装在工控机插槽上，为机载设备提供外围总线的输入与数据的采集。
5.根据权利要求4所述的一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，其特征在于：所述(1)中方向杆与加速杆采用与EVTOL飞行机载设备相似的拟真杆，保证与EVTOL飞机控制环境的拟真性；方向杆与加速杆通过USB与上位工作站连接，采用UDP协议与上位机通信；方向杆提供姿态控制指令，控制EVTOL飞机的横滚、俯仰动作；加速杆提供飞机的速度控制指令，控制EVTOL飞机固定翼模型下的飞行速度。
6.根据权利要求5所述的一种eVTOL飞机舵面负载模拟试验方法，其特征在于：所述(1)中反射内存网络由两块反射内存板卡组成，通过光纤线缆连接上位工作站与下位工控机进行反射内存网络的搭建。
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