淺析直升機飛行模擬器操縱負荷系統設計

趙兀君

摘 要 本文所述的操縱負荷系統作為某型直升機工程模擬器的關鍵環節，其主要的功能是模擬出飛行員在駕駛某型直升機過程中的周期變距桿、總距桿和腳蹬的操縱力感覺。憑借對操縱力微小變化的敏銳感覺，飛行員判斷直升機操縱性能和飛行狀態，并做出正確的判斷和執行相應的操縱動作。操縱負荷系統的動靜態性能指標直接影響到直升機飛行模擬器的等級評定。操縱負荷系統設計開發過程應用到機械設計、電機伺服控制、單片機技術、模型軟件開發和系統軟件編程等多個學科的知識。在研制過程中開展了電動負荷系統的初步研究，搭建的原型系統對可變人感的關鍵技術進行了驗證。這些問題的解決對操縱負荷系統的成功設計具有重要意義。未來應對工程化進行進一步工作，即按照直升機模擬器的需求，對人感系統的功能進行詳細的模擬。

關鍵詞 直升機；飛行仿真；模擬器；操縱負荷系統

前言

操縱負荷系統是飛行模擬器的重要人感系統，用于模擬直升機飛行操縱系統的動靜態力感和位移特性，開發和研制具有高逼真度的操縱負荷系統是研制高級別模擬器的前提和基礎。操縱力感的逼真度直接影響模擬器等級水平，飛行員在力感模擬不達標的訓練模擬器上進行飛行訓練，會產生錯誤的操縱習慣，影響訓練效果；在力感模擬不準確的工程模擬器上開展仿真試驗，會直接影響試驗結果[1]。

系統的主要功能是為飛行員在駕駛模擬器進行模擬飛行時提供操縱力感模擬。在周期變距桿、總距桿和腳蹬的操縱過程中，操縱負荷力加載機構向飛行員實時提供反作用力，并根據力-位移特性和操縱系統狀態實時調整反作用力的大小，從而能夠真實模擬直升機操縱力感。操縱負荷系統的加載方式有多種，如彈簧加載、液壓伺服加載和直流力矩電機加載等方式。本文主要研究基于電機控制的電動負荷操縱系統[2]。

1 系統工作原理

當飛行員操縱飛行器各操縱通道時，飛行員的操縱力與電動加載機構輸出之合力使得操縱機構產生位移，操縱負荷系統各通道配裝的位移傳感器高速采集當前位移，并實時傳送給操縱負荷計算機中的操縱負荷模型，模型根據當前操縱位移信號和飛行控制系統狀態算出相應的加載力，操縱負荷模型解算出的當前應加載力稱之為模型力，模型力作為內環的輸入驅動力加載機構進行力跟蹤。力加載機構的實際輸出力自操縱機構反傳給飛行員，因此使得飛行員感到與當前操縱狀態和飛行狀態相對應的操縱力感，實現操縱力感模擬；操縱負荷系統以操縱力為輸入，以操縱位移為輸出，并且實時將操縱位移信號傳送給主仿真計算機飛行仿真模型，參與飛行動力學解算[3]。如下圖所示。

1.1 加載系統

加載系統主要為駕駛桿上輸出桿力，使得飛行員感受到逼真的桿力特性。本論文研究的加載系統是以電能為能量源的力輸出系統，即核心為電機輸出的扭矩。因此，電機工作模式應為力矩模式，產生的力矩通過鋼索滑輪組或減速器等傳動機構后傳送至操縱桿端產生力反饋效果[4]。

1.2 控制器

控制器也稱為人感計算機，為嵌入式計算機。為實現桿力特性模擬的高逼真度，需要進行高速迭代計算。相關研究論文表明，控制器的采樣頻率應不小于2000Hz，本論文研制的控制器采樣頻率采用2000Hz[5]。

1.3 傳感器

電驅動操縱負荷系統主要使用的傳感器為：拉壓力傳感器和位移傳感器。拉壓力傳感器主要用來測量電機輸出端的負載力信號，并將采集到的力信號反饋給操縱負荷計算機，與計算的輸出理論力值進行比較，消除累積誤差，提高系統的操縱力感模擬精度。位移傳感器主要是測量飛行員操縱駕駛桿的位移行程，通過控制器采集來計算負荷系統輸出力的大小[6]。

2 駕駛桿原型系統設計

設計了一套典型直升機電動負荷駕駛桿，又稱為主動桿，具備手柄、減速器、連桿、支撐件，控制器、電機、力傳感器和位移傳感器。可直觀反映系統工作原理。控制器與主控平臺之間通過RS422總線通訊，實時收發系統指令及工作狀態，在該原型系統上可對電動負荷系統控制律進行真實工作條件下的仿真驗證。

主動桿裝置的基本原理是通過安裝于電動加載單元桿力傳感器感受駕駛員的操縱力，桿位移傳感器檢測桿的當前位置，送到主動桿控制器的DSP芯片，運行于DSP芯片的軟件解算人感數學模型，最終輸出到電動加載單元伺服電機的電壓空間矢量，使人感加載機構單元跟蹤桿位移指令，驅動操縱桿，實現預期的人感效果。控制基本原理如下圖所示[7]。

3 人感建模方法

在飛行模擬中，人工感覺將根據不同飛行條件而采用不同形式的模型進行模擬。模擬的方法一般有三種：①彈簧加載方法；②半實物模擬方法；③力伺服加載方法。本文所設計的人感系統采用力伺服加載方法，這種加載方法模擬精度高、桿力模型及參數易于修改，可適應不同模擬對象和不同工作模式桿力特性變化要求，目前已被廣泛應用于大型復雜地面飛行模擬器上，空中飛行模擬器也采用這種人感系統模擬方案。采用力伺服加載方法，加載系統應該包括駕駛桿、桿力傳感器、位移傳感器、力伺服系統執行機構、人感仿真數學模型及人感計算機組成[8]。

4 試驗結果分析

依據測量數據繪制四通道彈簧梯度曲線圖，正常工作模式縱向通道測試對比圖，橫向通道測試對比圖，總距通道測試對比圖，腳蹬通道測試對比圖。其中原系統曲線由測試原系統部分數據點根據測試數據所繪[9]。

由數據表可得出如下表結論：

5 結論與展望

本文分析了直升機操作負荷系統的基本工作原理，提出基本的駕駛桿原型系統設計方式，并針對系統設計提出了一種適用的人感建模的實踐方法。

本文開展了電動負荷系統的初步研究，搭建的原型系統對可變人感的關鍵技術進行了驗證。未來應對工程化進行進一步工作，即按照直升機模擬器的需求，對人感系統的功能進行詳細。包括初始化配平，操縱過程中的速率配平，對于機械式操縱系統中鉸鏈力矩的模擬。此外，可變人感系統對直升機的操縱飛行品質有巨大的影響，今后在工程化工作中，也應該加強可變人感的飛行品質研究工作。

參考文獻

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