輕型飛機副翼操縱系統中改進的RSSR機構研究

謝習華，陳志偉，歐陽星，王小飛，王曉玲

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)(2.山河智能裝備股份有限公司 技術中心，長沙 410100)

輕型飛機副翼操縱系統中改進的RSSR機構研究

謝習華1,2，陳志偉1，歐陽星2，王小飛1，王曉玲1

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)(2.山河智能裝備股份有限公司 技術中心，長沙 410100)

精確控制副翼偏轉角度對提高輕型飛機的操縱性能具有重要意義，將改進的空間四連桿機構——RSSR應用于輕型飛機副翼操縱系統的傳動末端，采用方向余弦矩陣法建立RSSR機構運動的數學模型，并推導出該機構的位移方程，在ADAMS軟件中對該機構進行參數化建模，確定目標函數、約束函數和驅動函數；優化算法選用廣義簡約梯度算法，對敏感程度較高的設計變量進行優化設計。結果表明：RSSR機構中各點的相對位置對副翼偏轉角度影響較大，副翼上下偏轉角度的相對誤差分別從初始的2.35%與5%降低為0.100 5%與0.103 3%，采用RSSR機構可有效提高對飛機副翼偏轉角度的控制精度。研究成果最終應用于某五座復合材料輕型飛機樣機中。

輕型飛機；副翼操縱系統；RSSR；ADAMS；優化設計

0 引 言

由于輕型飛機輕便、安全、對起降場地要求低、易操作、物美價廉等優點，被廣泛用于私人飛行、公務飛行、商業運輸等用途，據統計，全世界目前共有40萬架輕型飛機[1]。輕型飛機主機械操縱系統由升降舵操縱系統、副翼操縱系統和方向舵操縱系統組成，其中副翼操縱系統的功用是供飛行員操縱副翼以保持飛機的橫向平衡或做橫向滾轉運動[2]。

近20年來，隨著計算機技術的發展，在改進的空間四連桿機構——RSSR(Revolute Spherical Spherical Revolute)的研究方面涌現出多種研究方法，例如，矢量法、方向余弦矩陣法、復數法、圖解法等[3-6]。張啟先[7]采用一種較為通用的方法——方向余弦矩陣法對空間機構進行了研究；該方法首先應用于平面機構的設計分析，而后又被推廣到空間機構，結合計算機輔助方法的方向余弦矩陣法更是被廣泛應用于空間機構的研究[8-9]。

RSSR機構曾被應用于飛機輔助動力裝置(APU)[8]、飛機舵機的四個舵翼[9]等機械結構中，其具有占用空間小、傳動效率高等特點，對于空間尺寸有限、傳動精度要求高的場合，例如飛機副翼操縱系統等，尤為適用。

本文在副翼操縱系統中采用推拉軟軸與空間四連桿機構組合傳動的方式，將改進的RSSR機構應用在輕型飛機副翼操縱系統的傳動末端，當操縱手柄向左偏轉到極限位置時，預期左副翼向上偏轉角度為20°，右副翼向下偏轉角度為15°；當操縱手柄向右偏轉到極限位置時，預期左副翼向下偏轉角度為15°，右副翼向上偏轉角度為20°。為了達到該設計目標，運用ADAMS軟件的優化設計模塊對初始機構參數進行優化設計，得到滿足設計要求的各運動參數，以期為未來進行輕型飛機操縱系統關鍵部件的設計提供參考。

1 RSSR機構的運動學建模

1.1 機構自由度計算

針對國內自主研制的首款五座復合材料輕型飛機副翼操縱系統中的RSSR機構進行研究。該五座輕型飛機樣機如圖1所示。

在CATIA軟件中設計的RSSR機構的三維模型如圖2所示。

RSSR機構簡圖如圖3所示。該機構由三連桿1、2、3和機架4組成，機架4上的轉軸O1與O4之間有一扭角α14，該機構實現了不在同一平面內的桿件轉動的運動變換。

對空間機構的自由度計算普遍采用Grübler-Kutzbach(G-K)公式[10-11]：

(1)

式中：n為活動構件數；p為運動副的總數；fj為第j個運動副的自由度數。

由于只需考慮連桿1和連桿3之間的運動關系，連桿2繞自身軸線的轉動對機構運動沒有影響，在計算自由度時應去除連桿2繞自身軸線轉動的局部自由度。則RSSR機構的自由度為

RSSR機構的自由度是1，則機構在運動過程中只需要一個驅動即可實現確定的運動。

1.2 機構數學模型建立

在輸入桿3、輸出桿1和機架4上分別固結坐標系O3x3y3z3、O1x1y1z1和O4x4y4z4[12]，其他參數定義如圖3所示。直接采用方向余弦矩陣法對RSSR機構的位移進行求解較為困難，為了便于研究，采用拆分方法將圖3中的RSSR機構在連桿2處進行拆分。該機構分解為兩個不含球面副的機構系統，對拆分后的機構利用方向余弦矩陣進行坐標變換，可得到圖3中A、B兩點的絕對坐標值。由于連桿2的桿長d2為一定值，聯立A、B兩點絕對坐標值即可建立該機構的求解方程。具體求解過程如下：

(1) 確定A、B兩點在坐標系O4x4y4z4中的坐標。從圖3可以看出A點在O1x1y1z1中的坐標為

(2)

由方向余弦矩陣坐標變換公式可得A點在O4x4y4z4中的坐標為

(3)

同理可得B點在O4x4y4z4中的坐標為

(4)

(2)A、B兩點的桿長約束方程為

(5)

(3) 將式(3)～式(4)代入式(5)，化簡得到輸出角θ1的三角方程式：

Xcosθ1+Ysinθ1+Z=0

(6)

其中，

(7)

(8)

(9)

求解式(6)可得θ1的表達式為

(10)

式(10)表明給定輸入桿一個位置，則輸出桿有兩個可能位置，具體取值需要按照機構裝配方案和運動連續性來確定。

2 RSSR機構在輕型飛機副翼操縱系統上的應用

輕型飛機的副翼操縱系統大多是借助推拉鋼索或連桿直接操縱舵面的，駕駛桿通過機械鏈系與操縱面相連，操縱面的偏角和氣動載荷、操縱位移成比例，飛機的氣動特性直接轉換為操縱特性[13]。飛行員通過駕駛桿的桿力和桿位移可以直接感受舵面氣動力的變化和飛機的運動，駕駛桿的桿力和桿位移與舵面偏轉一一對應，而在其操縱系統傳動末端的RSSR機構對飛機的飛行品質具有至關重要的影響。

副翼操縱系統的功能是操縱副翼偏轉以實現飛機的橫向控制。通常副翼的運動為差動[14]，部分民用飛機通常設計成副翼上偏的角度遠大于其下偏的角度，其原因是副翼上偏時需要較大的偏轉角度才能滿足氣動效率。

某輕型飛機的操縱系統采用推拉軟軸與空間四連桿機構組合操縱舵面，主要由操縱手柄、傳動連桿、推拉軟軸、雙搖臂、RSSR機構和副翼等組成。RSSR機構的輸入桿即為雙搖臂中的從動搖臂，通過操縱手柄向左右偏轉到極限位置時，左右副翼相應的偏角應能夠達到設計目標，偏轉角度精度要求為±0.1°。傳動特性分析的重點在于輸出角度能否滿足設計要求，因此，本文主要對連桿機構的角位移進行研究，運動分析中的速度和加速度則不作分析。根據空間結構要求，對圖3中的結構參數的初值擬定為：

3 RSSR機構的參數優化設計

RSSR機構中的各桿長度是影響輸出軸角度的主要參數，在圖3中b14的長度是固定不變的，其余各桿長度由O1、A、B、O3四點在O4x4y4z4中的坐標來確定，因此設定這四點在O4x4y4z4中的坐標值作為設計變量并對其進行參數化。在ADAMS軟件中建立仿真模型，對設計變量的敏感度進行分析，并對敏感度較高的設計變量進行優化，最終得到符合設計目標的最優機構參數。

ADAMS可提供OPTDES-GRG(廣義簡約梯度算法)和OPTDES-SQP(序列二次規劃算法)兩種算法[15]。通過分析和比較，本文采用數學規劃法中的廣義簡約梯度法作為優化算法，該方法是目前求解非線性約束優化問題最有效的手段之一。

3.1 參數化仿真模型建立

根據圖3和初始桿長及參數，在ADAMS中建立RSSR機構的初始位置三維模型，對構件連接點在O4x4y4z4中的坐標值進行參數化，并將參數化點分別命名為Pt_O3、Pt_B、Pt_A和Pt_O1，不計重力，添加運動副和驅動后的模型如圖4所示。

為了方便程序參數化，設定測量輸入桿3輸入角度名稱為Inp_Ang，測量輸出桿1輸出角度名稱為Outp_Ang，輸入桿中與Pt_O3相關聯的MARKER點名稱為MARKER_O3，輸出桿中與Pt_O1相關聯的MARKER點名稱為MARKER_O1。優化輸出桿1輸出角度的目標函數為

Minimum of：ABS(MAX(Outp_Ang)-15)+ABS(MIN(Outp_Ang)+20)

即副翼偏轉角度滿足上偏20°、下偏15°的要求。

定義約束函數為

Minimum of：ABS(DX(MARKER_O3,MARKER_O1)-185.6)

即在優化過程中，求解器在保證b14為185.6 mm時，目標函數達到最優。

定義驅動函數為

STEP(time,0,0d,5,25d)+STEP(time,5.1, 0d,15,-50d)+STEP(time,15.1,0d,20,25d)

即驅動輸入桿運動一個周期。

為了研究各設計點對目標函數的影響程度，在ADAMS的Design Evaluation模塊中選擇設計研究選項Design Study，對設計點初始值進行設計，可得設計點初始值對目標函數的敏感程度，如表1所示。

表1 設計點初始值對目標函數的敏感程度

從表1可以看出：O3、B、A、O1四點的初始位置的x坐標和A點的初始位置的z坐標(變量DV_1、DV_3、DV_5、DV_8和DV_7的初始值)對目標函數的敏感度最大，即對目標函數的影響最大，通過對上述五個參數進行優化可明顯改善副翼的偏轉角度。

3.2 優化設計

在ADAMS的Design Evaluation模塊中設置相應的目標函數和約束函數，優化算法選擇OPTDES-GRG，差分方式選擇Centered(中心差分法)。優化前后的曲線如圖5～圖7所示，其中Inp_Ang的方向與圖3中的方向相反。

從圖5～圖7可以看出：優化后副翼向上偏轉角度為19.979 9°，向下偏轉角度為15.015 5°，擺角誤差分別為-0.020 1°和0.015 5°，在精度要求的±0.1°之內，相對誤差分別為0.100 5%和0.103 3%。

敏感度較大的設計變量的優化值如表2所示，優化后各桿長度如表3所示。優化結果表明，通過優化初始位置和各桿長度后，可以得到高精度的上下差動角。

表2 敏感度較大的設計變量優化值

表3 優化后各桿長度參數

將優化后的RSSR機構在CATIA中進行三維建模，經驗證，機構不存在干涉，很好地滿足了設計要求。

4 結 論

(1) 副翼操縱系統傳動末端的RSSR機構中各點的初始位置對副翼偏轉角度影響顯著，優化結果表明，RSSR機構中連桿的兩端點位置對輸出桿的輸出角度影響最大；通過優化對輸出桿輸出角度有較高敏感度的設計變量，能夠使副翼上下偏轉角度達到較高的精度。

(2) 優化后的RSSR機構已成功應用于某五座輕型飛機樣機中，本文的研究結果對未來指導輕型飛機操縱系統關鍵部件設計具有重要意義。

[1] 黃國龍, 張利國. 輕型飛機縱向操縱系統參數化設計與仿真研究[J]. 中國高新技術企業, 2014(33): 33-35. Huang Guolong, Zhang Liguo. Parametric design and simulation research of light aircraft longitudinal control system[J]. China High-Tech Enterprises, 2014(33): 33-35.(in Chinese)

[2] 黃漢軍. 飛機機械操縱系統的傳動性能計算分析與優化設計研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2005. Huang Hanjun. Analysis and optimal design of transmission performance of aircraft mechanical control system[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2005.(in Chinese)

[3] 劉靜. 空間四桿機構的解析綜合及程序設計[J]. 江西有色金屬, 1998(4): 41-44. Liu Jing. Analysis synthesis and program design of spatial four bar mechanism[J]. Jiangxi Nonferrous Metals, 1998(4): 41-44.(in Chinese)

[5] 苗鴻賓, 喬峰麗. 空間RSSR機構運動分析的研究[J]. 機械設計與制造, 2008(2): 11-13. Miao Hongbin, Qiao Fengli. Kinematics characteristics analysis research of spatial RSSR mechanisms[J]. Machinery Design & Manufacture, 2008(2): 11-13.(in Chinese)

[6] Ge Ming, Han Xuefeng, Jia Hongguang. The parameter optimization of missile actuator based on spatial RSSR linkage mechanism[C]//2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering, 2011.

[7] 張啟先. 空間機構的分析與綜合[M]. 北京:機械工業出版社, 1984: 286-361. Zhang Qixian. Analysis and synthesis of spatial mechanism[M]. Beijing: China Machine Press, 1984: 286-361.(in Chinese)

[8] 劉建偉. 飛機APU進排氣門機構設計及性能分析[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2012. Liu Jianwei. Design and performance analysis of aircraft APU intake and exhaust valve mechanism[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2012.(in Chinese)

[9] 周嘯, 宋梅利, 王曉鳴, 等. RSSR空間機構的運動分析和優化設計[J]. 機床與液壓, 2015, 43(9): 1-4. Zhou Xiao, Song Meili, Wang Xiaoming, et al. Motion analysis and optimization design of RSSR spatial mechanism[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2015, 43(9): 1-4.(in Chinese)

[10] 韓建友, 楊通, 于靖軍. 高等機構學[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2015: 26-33. Han Jianyou, Yang Tong, Yu Jingjun. Advanced mechanisms[M]. 2nd ed. Beijing: China Machine Press, 2015: 26-33.(in Chinese)

[11] 盧本興. 一種空間四桿機構的運動學分析及仿真[J]. 北華航天工業學院學報, 2013, 23(4): 1-3. Lu Benxing. Kinematics and simulation for a spatial four-bar likage[J]. Journal of North China Institute of Aerospace Engineering, 2013, 23(4): 1-3.(in Chinese)

[12] 何勇, 顧玉蓮, 吳興培. 空間RSSR機構向球面4R機構的轉化[J]. 機械工程學報, 2009, 45(10): 30-35. He Yong, Gu Yulian, Wu Xingpei. Transformation from spatial RSSR mechanism to spherical 4R mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(10): 30-35.(in Chinese)

[13] 沈永奎. 飛機操縱系統建模與仿真研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2005. Shen Yongkui. Modeling and simulation of aircraft control system[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2005.(in Chinese)

[14] 張偉, 李敬. 飛機副翼操縱系統非線性傳動特性研究[J]. 計算機仿真, 2015, 32(3): 114-118. Zhang Wei, Li Jing. Research on nonlinear transmission of aileron flight control system[J]. Computer Simulation, 2015, 32(3): 114-118.(in Chinese)

[15] 李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京: 國防工業出版社, 2014: 276-303. Li Zenggang. ADAMS detailed introduction and examples[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2014: 276-303.(in Chinese)

(編輯：馬文靜)

Research on Improved RSSR Mechanism of Light Aircraft Aileron Control System

Xie Xihua1,2, Chen Zhiwei1, Ouyang Xing2, Wang Xiaofei1, Wang Xiaoling1

(1.Key State Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)(2.Center of Technology, Sunward Intelligent Equipment Co., Ltd., Changsha 410100, China)

In order to make the angles of aircraft aileron deflection can be controlled more accurately, an improved spatial four-bar mechanism-RSSR is applied to the end of the transmission mechanism of the light aircraft aileron control system. The mathematical model of the mechanism is established by the method of direction cosine matrix, and the displacement formula of the mechanism is derived. In order to make an optimization design of RSSR mechanism, the parametric model of the mechanism is established in the software of ADAMS, the objective function, the constraint function and the driving function are determined, the optimal design of the design variables with high sensitivity is carried out by the generalized reduced gradient algorithm. The results show that the aileron deflection angle has great influence by the relative position of each point of the RSSR mechanism, the relative error of the deflection angle of the aileron upward and downward are reduced from the initial 2.35% and 5% to 0.100 5% and 0.103 3% respectively, which demonstrated the optimization design for the mechanism meet the requirements of precision exactly. This research has been used in a prototype of a 5-seat composite material light aircraft finally.

light aircraft; aileron control system; RSSR; ADAMS; optimization design

2017-01-24；

2017-02-25

湖南省科技計劃項目(2016wk2032)

謝習華,xxh_zh@csu.edu.cn

1674-8190(2017)02-213-06

V271.9

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.02.014

謝習華(1969-)，男，博士，副教授。主要研究方向：特種機器人與飛行器設計。

陳志偉(1993-)，男，碩士研究生。主要研究方向：輕型飛機操縱系統設計。

歐陽星(1986-)，男，博士。主要研究方向：飛機總體設計。

王小飛(1990-)，男，碩士研究生。主要研究方向：輕型飛機操縱系統設計。

王曉玲(1993-)，女，碩士研究生。主要研究方向：精密運動及控制。