RU2571992C1

RU2571992C1 - Aircraft side-stick control

Info

Publication number: RU2571992C1
Application number: RU2014123606/11A
Authority: RU
Inventors: Семен Львович Самсонович; Игорь Иванович Огольцов; Николай Валерьевич Крылов; Александр Петрович Ларин; Михаил Александрович Макарин; Николай Борисович Рожнин; Вилен Степанович Степанов; Юрий Геннадьевич Оболенский; Владислав Алексеевич Кривко; Андрей Владимирович Дмитриев
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-27
Also published as: RU2014123606A

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: claimed side-stick comprises the rod, force transducers, gimbal mount with two degrees of freedom, base, two cylinder-shape electric drives interconnected in a definite way. Every said electrical drive incorporates the position transducer, drive motor, mechanical gearing composed of two-step wave-gear with rolling bodies and output rigid wheel, feedback digital transducer, open-frame motor, all being arranged in a definite way. Wave-gear first step comprises the output cage while second step includes the output rigid wheel.

EFFECT: higher flight safety, decreased weight and overall dimensions.

6 dwg

Description

Изобретение относится к средствам управления летательным аппаратом (ЛА) по тангажу и крену. Устройство предназначено для работы в составе электродистанционной системы управления ЛА.The invention relates to aircraft control (LA) pitch and roll. The device is designed to operate as part of an electrical control system for an aircraft.

Известна боковая ручка управления самолета (БРУ) А-320, которая располагается на боковой горизонтальной панели [Airbus, A319/A320/A321 Flightdeck and systems briefing for pilots, Airbus Industries, STL 945.7136/97, 1998]. В кабине А-320 установлены две таких ручки: одна для командира воздушного судна, другая для второго пилота. Каждая ручка оснащена загрузочными пружинами и находится в нейтральном положении при отсутствии управляющего воздействия со стороны летчика, то есть является пассивной. В боковых ручках А-320 имеются только датчики положения ручек, и реализовано электронное суммирование управляющих сигналов для того, чтобы дать одному из пилотов корректировать действия другого. При одновременном отклонении рукояток управляющий сигнал равен алгебраической сумме сигналов, но не превышает максимального сигнала с одной из БРУ. Однако при одновременном управлении обоими пилотами в процессе полета может сложиться ситуация, в которой управляющий сигнал практически обнуляется из-за того, что одна из рукояток отклонена влево, а другая вправо, то есть самолет, по сути, никем не управляется. Даже на короткое время возникновение такой ситуации очень опасно на режимах посадки, когда требуется точное пилотирование. Описанная ситуация возможна из-за того, что в пассивных БРУ нет однозначной позиционной связи между двумя ручками и рулевыми поверхностями.Known lateral control handle of aircraft (BRU) A-320, which is located on the side horizontal panel [Airbus, A319 / A320 / A321 Flightdeck and systems briefing for pilots, Airbus Industries, STL 945.7136 / 97, 1998]. Two such handles are installed in the A-320 cockpit: one for the aircraft commander, the other for the second pilot. Each handle is equipped with loading springs and is in a neutral position in the absence of control action from the pilot, that is, it is passive. A-320 side handles have only handle position sensors, and electronic summation of control signals is implemented in order to allow one of the pilots to correct the actions of the other. With simultaneous deviation of the handles, the control signal is equal to the algebraic sum of the signals, but does not exceed the maximum signal from one of the BRUs. However, with the simultaneous control of both pilots during the flight, a situation may arise in which the control signal is practically nullified due to the fact that one of the handles is tilted to the left and the other to the right, that is, the aircraft, in fact, is not controlled by anyone. Even for a short time, the occurrence of such a situation is very dangerous in landing modes, when accurate piloting is required. The described situation is possible due to the fact that in the passive BRU there is no unambiguous positional connection between the two handles and the steering surfaces.

На самолете Sukhoisuperjet 100 применяются боковые ручки, аналогичные применяющимся на А-320. Ручки SSJ 100 являются пассивными, и положение каждой из них не зависит от положения другой, а положение каждой из ручек выдается на индикатор. В устройствах также реализовано электронное суммирование управляющего сигнала, но каждый летчик имеет возможность блокировать сигнал управления другого летчика путем нажатия и удерживания в течение определенного времени кнопки приоритета, расположенной на рукоятке. Тем не менее, неоднозначность положений БРУ является существенным слабым местом с точки зрения безопасности полета. Необходимость контролировать положение органов управления по индикаторам также является существенным фактором, отвлекающим от пилотирования.On the Sukhoisuperjet 100, side handles are used, similar to those used on the A-320. SSJ 100 handles are passive, and the position of each of them does not depend on the position of the other, and the position of each of the handles is displayed on the indicator. The devices also implement electronic summation of the control signal, but each pilot has the ability to block the control signal of another pilot by pressing and holding the priority button located on the handle for a certain time. However, the ambiguity of the BRU provisions is a significant weakness in terms of flight safety. The need to control the position of the controls by indicators is also an essential factor distracting from piloting.

Указанный недостаток устраняется в конструкции, описанной в патенте ЕР 0522623 [Mechanically-linked side stick controllers with isolated pitch and roll. The Boeing Company. Patent Number: ЕР 0522623], в которой реализована механическая связь между рукоятками. Однако конструкция не лишена недостатков, в частности, рукоятки не оснащены загрузочными пружинами, что не дает пилотам актуальной осязательной информации о величине управляющего усилия.This drawback is eliminated in the design described in patent EP 0522623 [Mechanically-linked side stick controllers with isolated pitch and roll. The Boeing Company. Patent Number: EP 0522623], which implements a mechanical connection between the handles. However, the design is not without drawbacks, in particular, the handles are not equipped with loading springs, which does not give pilots relevant tactile information about the magnitude of the control effort.

Прототипом изобретения является конструкция, описанная в американском патенте US №5456428А от 10 октября 1995 г. [Mechanically linked active sidesticks. Honevwell Inc. US 5456428], в котором предлагается оснастить ручки управления электромоторами для обеспечения их синхронного отклонения. Также в системе реализована механическая обратная связь между рукоятками для того, чтобы дать пилотам возможность синхронно управлять самолетом и тактильно (осязательно) корректировать действия напарника, т.е. реализовано интуитивно-понятное пересиливание. Одним из достоинств является то, что система остается работоспособной даже в случае отключения электропитания приводных механизмов боковых ручек. Однако электромоторы, применяющиеся в данной конструкции, выполнены без редукторов, что не позволяет им развивать большие крутящие моменты. Прокладка механической проводки затруднена в кабинах существующих ЛА, а сама конструкция обладает весьма большими массогабаритными показателями, т.к. содержит в себе двигатели, механические передачи и шарниры в виде отдельных функциональных элементов.The prototype of the invention is the design described in US patent US No. 54456428A of October 10, 1995 [Mechanically linked active sidesticks. Honevwell Inc. US 5456428], which proposes to equip the control knobs of electric motors to ensure their synchronous deviation. The system also implements mechanical feedback between the handles in order to give pilots the opportunity to synchronously control the aircraft and tactile (compulsory) adjust the actions of a partner, i.e. implemented intuitive transplantation. One of the advantages is that the system remains operational even in the event of a power failure to the side handle drive mechanisms. However, the electric motors used in this design are made without gears, which does not allow them to develop large torques. Laying mechanical wiring is difficult in the cockpits of existing aircraft, and the design itself has very large mass and dimension indicators, because contains engines, mechanical transmissions and hinges in the form of separate functional elements.

Цели изобретения сводятся к уменьшению массогабаритных показателей, обеспечению летчиков актуальной тактильной информацией, расширению функциональных возможностей и, как следствие, повышению безопасности полета.The objectives of the invention are to reduce overall dimensions, provide pilots with up-to-date tactile information, expand functionality and, as a result, increase flight safety.

Поставленная цель достигается тем, что в боковой ручке управления самолетом, имеющей две вращательные степени свободы, включающей рукоятку, датчики усилия, карданный подвес с двумя степенями подвижности, основание, два электропривода, содержащих датчик положения, электродвигатель и механические передачи, согласно заявляемому изобретению, электроприводы выполнены в форме цилиндров, размещены один над другим так, что их продольные оси расположены под углом 90°, и образуют совместно с основанием кардан, при этом электроприводы выполнены одинаковыми, каждый электропривод содержит в себе цифровой датчик обратной связи, бескорпусной электродвигатель, механическую передачу в виде двухступенчатой волновой передачи с телами качения и с выходным жестким колесом; все элементы электропривода расположены соосно, вдоль продольной оси, при этом первая ступень волновой передачи с телами качения выполнена по схеме с выходным сепаратором, вторая ступень по схеме с выходным жестким колесом, вал ротора электродвигателя связан с входным валом первой ступени волновой передачи и выполнен пустотелым, сепаратор первой ступени выполнен с центральной осью, являющийся входным звеном второй ступени, сепаратор второй ступени образует единую деталь с жестким колесом первой ступени, выполнен с пазом, в котором размещается рычаг, связывающий жесткое колесо второй ступени с валом датчика обратной связи, первый электропривод крепится к кронштейнам основания, второй электропривод через соединительную стойку крепится к жесткому колесу первого электропривода, а к жесткому колесу второго электропривода по оси, проходящей через точку пересечения осей электроприводов, крепится основание рукоятки, на котором расположены датчики усилия, основание рукоятки соединено через шарнир со стержнем рукояткиThis goal is achieved by the fact that in the side handle of the aircraft control, which has two rotational degrees of freedom, including a handle, force sensors, a gimbal with two degrees of mobility, a base, two electric drives containing a position sensor, an electric motor and mechanical gears, according to the claimed invention, electric drives made in the form of cylinders, placed one above the other so that their longitudinal axes are located at an angle of 90 °, and form a universal joint with the base, while the electric drives are made about otherness each actuator comprises a digital feedback sensor, frameless electric motor, a mechanical transmission in the form of two-wave transmission from the rolling elements and rigid with the output wheel; all elements of the electric drive are aligned, along the longitudinal axis, while the first stage of the wave transmission with the rolling bodies is made according to the scheme with the output separator, the second stage according to the scheme with the output hard wheel, the rotor shaft of the electric motor is connected to the input shaft of the first stage of the wave transmission and made hollow, the first stage separator is made with a central axis, which is the input link of the second stage, the second stage separator forms a single part with a hard wheel of the first stage, made with a groove in which There is a lever connecting the second-stage hard wheel to the feedback sensor shaft, the first electric drive is attached to the base brackets, the second electric drive is attached to the hard wheel of the first electric drive through the connecting stand, and attached to the hard wheel of the second electric drive along the axis passing through the intersection point of the electric drive axes the base of the handle on which the force sensors are located, the base of the handle is connected through a hinge to the handle shaft

На фиг. 1 представлена функциональная схема БРУ. На фиг. 2 представлен общий вид предлагаемой БРУ. На фиг. 3 показан продольный разрез исполнительного механизма. На фиг. 4 показан поперечный разрез волновой передачи с телами качения. На фиг. 5 показан поперечный разрез узла крепления датчика положения. На фиг. 6 показан разрез узла установки датчиков усилия.In FIG. 1 presents a functional diagram of the BRU. In FIG. 2 presents a General view of the proposed BRU. In FIG. 3 shows a longitudinal section through an actuator. In FIG. 4 shows a cross section of a wave transmission with rolling bodies. In FIG. 5 is a cross-sectional view of the attachment point of the position sensor. In FIG. Figure 6 shows a section through an assembly for installing force sensors.

Боковая ручка управления (фиг. 2) имеет две вращательные степени свободы для управления по тангажу и крену. Устройство состоит из стержня рукоятки (1), четырех датчиков усилия (2), двух электроприводов (3), соединительной стойки (4), кронштейнов (5) и плиты (6). Кронштейны (5) и плита (6) соединены винтами и образуют основание устройства. Электроприводы (3) выполнены идентичными друг другу, соединены между собой с помощью стойки (4) таким образом, что продольные оси приводов являются скрещивающимися прямыми и образуют прямой угол. Сборочный узел из приводов и стойки, размещенный в кронштейнах основания, образует карданный подвес.The lateral control handle (Fig. 2) has two rotational degrees of freedom for pitch and roll control. The device consists of a handle bar (1), four force sensors (2), two electric drives (3), a connecting stand (4), brackets (5) and a plate (6). The brackets (5) and the plate (6) are connected by screws and form the base of the device. The electric drives (3) are made identical to each other, interconnected by a rack (4) so that the longitudinal axis of the drives are crossed straight lines and form a right angle. The assembly of the drives and the rack, located in the brackets of the base, forms a gimbal.

Элементы привода расположены соосно вдоль продольной оси. Каждый исполнительный механизм (фиг. 3) содержит в себе бескорпусной электродвигатель (7), ротор которого установлен на валу (8), датчик положения (9) и механические передачи в виде двухступенчатой волновой передачи с телами качения. Волновая передача с телами качения состоит из вала (8), на который установлен эксцентрик (10), который через подшипники (11) контактирует с сепаратором (12), посредством роликов(13). Сепаратор (12) выполнен с центральной осью, на которой установлен эксцентрик второй ступени (14). Сепаратор (12) имеет осевое профильное отверстие для подсоединения внешнего вала. Выходным звеном первой ступени является сепаратор (12), а выходным звеном второй ступени является жесткое колесо (15). Жесткое колесо первой ступени (16) выполнено единой деталью с сепаратором второй ступени. Жесткое колесо (16) жестко соединено с корпусом электродвигателя (17) с помощью винтов. При неподвижном жестком колесе (16) выходным элементом второй ступени является жесткое колесо (15), которое является выходным звеном исполнительного механизма. С внутренней стороны подвижное жесткое колесо (15) посредством рычага (18) связано с валом датчика обратной связи (9), а с внешней стороны к жесткому колесу (15) крепится пластина (19), являющаяся опорой стержня рукоятки (1). Жесткое колесо (15) имеет ограниченный угол поворота, так как рычаг (18) расположен в пазу жесткого колеса (16), а края паза (20) играют роль ограничительных упоров для рычага (18), соответственно, стержень рукоятки (1) также имеет ограниченный ход. Кольцо (21) служит дополнительной подвижной опорой для основания рукоятки (19), на котором расположены датчики усилия (2), и шарнир (22), с помощью которого на основании закреплен стержень рукоятки (1). Цилиндры (22), подпружиненные в пазах крестовины (24), установленной на стержне рукоятки (1), постоянно давят на датчики усилия (2). Этим достигается непрерывность снятия показаний с датчиков усилия (2), а наличие пружин (25) обеспечивает линейное нарастание сигнала с датчиков при отклонении рукоятки.The drive elements are located coaxially along the longitudinal axis. Each actuator (Fig. 3) contains a frameless motor (7), the rotor of which is mounted on the shaft (8), a position sensor (9) and mechanical transmissions in the form of a two-stage wave transmission with rolling bodies. The wave transmission with rolling bodies consists of a shaft (8), on which an eccentric (10) is mounted, which through bearings (11) contacts the cage (12) by means of rollers (13). The separator (12) is made with a central axis on which an eccentric of the second stage (14) is mounted. The separator (12) has an axial profile hole for connecting an external shaft. The output link of the first stage is the separator (12), and the output link of the second stage is a hard wheel (15). The hard wheel of the first stage (16) is made as a single part with a separator of the second stage. The hard wheel (16) is rigidly connected to the motor housing (17) with screws. With a fixed rigid wheel (16), the output element of the second stage is the hard wheel (15), which is the output link of the actuator. On the inside, the movable hard wheel (15) is connected to the shaft of the feedback sensor (9) by means of a lever (18), and on the outside, a plate (19) is attached to the hard wheel (15), which is the support of the handle bar (1). The hard wheel (15) has a limited rotation angle, since the lever (18) is located in the groove of the hard wheel (16), and the edges of the groove (20) play the role of limit stops for the lever (18), respectively, the shaft of the handle (1) also has limited course. The ring (21) serves as an additional movable support for the base of the handle (19), on which the force sensors (2) are located, and the hinge (22), with which the handle rod (1) is fixed on the base. Cylinders (22), spring-loaded in the grooves of the cross (24), mounted on the shaft of the handle (1), constantly press on the force sensors (2). This ensures the continuity of reading from the force sensors (2), and the presence of springs (25) provides a linear increase in the signal from the sensors when the handle is deflected.

Боковые ручки управления работают следующим образом. При отсутствии управляющего сигнала рукоятка находится в положении, при котором произошло прекращение подачи сигнала.Side control knobs operate as follows. In the absence of a control signal, the handle is in the position at which the signal ceased.

В режиме задатчика положения рассмотрено управление для канала крена. (Для канала тангажа управление происходит аналогично). Для управления по каналу крена пилот отклоняет рукоятку (1) совместно с датчиками усилия (2) и с жестким колесом (15), которое связано с датчиком обратной связи (9). Сигналы с датчиков усилия (2) и с датчика обратной связи (9) попадают в блок управляющей электроники, который формирует управляющий сигнал для электродвигателей (7) обеих боковых ручек. По сути, не летчик совершает основную работу по перемещению рукоятки, а следящая система. Датчики усилия (2) необходимы для того, чтобы исключить перерегулирование при отклонении рукоятки из-за инерционной составляющей кинематической передачи. Таким образом, пилот создает управляющее усилие, приложенное к рукоятке, а управляющая электроника формирует управляющий сигнал для обеих ручек для их синхронного отклонения.In the setpoint mode, control for the roll channel is considered. (For the pitch channel, control is the same). To control the roll channel, the pilot deflects the handle (1) together with the force sensors (2) and with the hard wheel (15), which is connected to the feedback sensor (9). The signals from the force sensors (2) and from the feedback sensor (9) enter the control electronics unit, which generates a control signal for the electric motors (7) of both side handles. In fact, it is not the pilot who does the basic work of moving the handle, but the tracking system. Force sensors (2) are necessary in order to exclude overshoot when the handle is deflected due to the inertial component of the kinematic transmission. Thus, the pilot creates a control force applied to the handle, and the control electronics generates a control signal for both handles for their synchronous deviation.

В режиме автоматического управления на двигатель (7) подается напряжение, пропорциональное разнице между текущим и требуемым положением. Текущее положение оценивается с помощью датчика обратной связи (9), а требуемое формируется в вычислительном устройстве.In automatic control mode, the motor (7) is supplied with voltage proportional to the difference between the current and the required position. The current position is estimated using the feedback sensor (9), and the required one is formed in the computing device.

Цели изобретения достигаются за счет введения дополнительного входа для механической проводки, что расширяет функциональные возможности органа управления, а также применения электродвигателей и кинематических передач, для синхронной работы двух боковых ручек, и обеспечивающих достаточное усилие для имитации механической обратной связи между летчиками, для реализации пересиливания. С помощью датчиков усилия достигается повышение чувствительности и устранение перерегулирования из-за инерционной составляющей движения при работе привода.The objectives of the invention are achieved by introducing an additional input for mechanical wiring, which extends the functionality of the control, as well as the use of electric motors and kinematic gears, for the synchronous operation of two side handles, and providing sufficient force to simulate mechanical feedback between the pilots, for the implementation of overfilling. Using force sensors, an increase in sensitivity and the elimination of overshoot due to the inertial component of the movement during operation of the drive are achieved.

Claims

A lateral airplane control handle having two rotational degrees of freedom, including a handle, force sensors, a gimbal with two degrees of mobility, a base, two electric drives containing a position sensor, an electric motor and mechanical gears, characterized in that the electric drives are made in the form of cylinders, one above the other so that their longitudinal axes are located at an angle of 90 °, and form a universal joint with the base, while the electric drives are identical, each electric drive contains numbers howling feedback sensor, frameless electric motor, a mechanical transmission in the form of two-wave transmission with rolling bodies rigid with the output wheel; all elements of the electric drive are located coaxially along the longitudinal axis, while the first stage of the wave transmission with rolling bodies is made according to the scheme with the output separator, the second stage according to the scheme with the output hard wheel, the rotor shaft of the electric motor is connected to the input shaft of the first stage of the wave transmission and made hollow , the separator of the first stage is made with a central axis, which is the input link of the second stage, the separator of the second stage forms a single part with a hard wheel of the first stage, made with a groove in which There is a lever connecting the second-stage hard wheel to the feedback sensor shaft, the first electric drive is attached to the base brackets, the second electric drive is attached to the hard wheel of the first electric drive through the connecting stand, and attached to the hard wheel of the second electric drive along the axis passing through the intersection point of the electric drive axes the base of the handle on which the force sensors are located, the base of the handle is connected through a hinge to the handle shaft.