直升機電動負荷操縱系統(tǒng)工作原理

張喆+++韓意新

摘 要：對直升機電動負荷操縱系統(tǒng)的工作原理進行了介紹，對直升機的各部分人感系統(tǒng)結構進行的描述，包括周期變距桿負荷系統(tǒng)、總距桿負荷系統(tǒng)、腳蹬負荷系統(tǒng)。對電動負荷系統(tǒng)各部件主要功能進行了描述，包括加載系統(tǒng)、控制器、傳感器。最后，對系統(tǒng)工作原理進行了介紹。

關鍵詞：直升機；電動負荷操縱系統(tǒng)；分析

引言

飛行員進行飛行訓練，人感系統(tǒng)對訓練水平的影響很大，高逼真度的桿力特性模擬，可以使飛行員體會到與上天飛行中一樣的操縱“手感”，飛行員的操縱動作，駕駛技巧也能得到良好的鍛煉。相反，如果養(yǎng)成錯誤的操作習慣，不但沒有起到地面培訓的效果，反而會在空中飛行中產(chǎn)生風險隱患。

典型的負荷系統(tǒng)是由彈簧、阻尼筒組成的機械式系統(tǒng)，當飛行員操縱駕駛桿產(chǎn)生位移時，彈簧拉伸或壓縮，反饋到駕駛桿的作用力，即為操縱桿力。選擇不同剛度的彈簧，即可改變操縱系統(tǒng)的桿力-桿位移梯度，而改變阻尼筒，即可改變駕駛桿自由運動時的振蕩阻尼。電動負荷系統(tǒng)的電機代替了彈簧阻尼系統(tǒng)，由自動控制設備控制電機的力輸出，通過控制軟件的精心設計，可以模擬出彈簧阻尼系統(tǒng)的力學特性。

1 系統(tǒng)結構

直升機的機動飛行是繞著3條軸線來轉動的：橫軸、縱軸和立軸。它可以繞縱軸做橫滾運動，繞橫軸做俯仰運動，繞立軸做航向運動[1]。同其他航空器一樣，直升機在正副駕駛位置也可以是雙套操縱裝置，而有些直升機的副駕駛操縱裝置還會被設計成可拆卸的，以便滿足飛行的需要（見圖1）。

電動負荷操縱系統(tǒng)主要包括機械、電氣兩大部分，如圖2所示。其中機械部分包括主動桿手柄、減速器、連桿、支撐件、外殼等；電氣部分包括控制器、電機、力傳感器和位移傳感器。力傳感器測量主動桿手柄上的飛行員操縱力，位移傳感器測量當前主動桿手柄的位移及電機轉子位置?？刂破鞲鶕?jù)力和位移傳感器的反饋信號以及設定的系統(tǒng)模型參數(shù)控制電機的輸出扭矩，最終通過減速器給主動桿手柄提供相應的動力或阻力?？刂破髋c主控平臺之間通過RS422總線通訊，實時收發(fā)系統(tǒng)指令及工作狀態(tài)[3]。

1.1 周期變距桿負荷系統(tǒng)

周期變距桿負荷系統(tǒng)俯仰姿態(tài)回路原理如圖3所示，電動負荷系統(tǒng)通過力傳感器、機械傳動裝置，與駕駛桿相連接。

周期變距桿負荷系統(tǒng)滾轉姿態(tài)回路原理如圖4所示，電動負荷系統(tǒng)通過力傳感器、機械傳動裝置，與駕駛桿相連接。

1.2總距桿負荷系統(tǒng)

總距桿負荷系統(tǒng)如圖5所示。

1.3 腳蹬負荷系統(tǒng)

腳蹬負荷系統(tǒng)如圖6所示。

2 各部件主要功能

2.1 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)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(tǒng)是以電能為能量源的力輸出系統(tǒng)，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(chǎn)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(chǎn)生力反饋效果[4]。

2.2 控制器

控制器也稱為人感計算機，為嵌入式計算機。為實現(xiàn)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。

2.3 傳感器

電動式操縱負荷系統(tǒng)中傳感器主要包括力傳感器與位移傳感器。力傳感器主要用來測量負荷系統(tǒng)實際輸出的負載力信號，與人感計算機計算輸出理論力信號進行比較，用來進行力反饋控制，提高系統(tǒng)的力控精度。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(tǒng)輸出力的大小。

3 系統(tǒng)工作原理

下面描述一下該系統(tǒng)工作時的運行原理：

如圖7所示，當飛行員對駕駛桿施加操縱力時，駕駛桿產(chǎn)生位移，此時位移傳感器采得的即為飛行員操縱位移信號。人感計算機通過AD板卡采集位移信號，根據(jù)力函數(shù)模型，進行桿力計算。計算得到的桿力，即作為力控信號進入負荷系統(tǒng)，同時，電機輸出的力與力傳感器采集的力進行反饋控制，即形成力跟蹤控制。輸出的力通過連桿機構反饋到駕駛桿上，即給飛行員提供了模擬的桿力特性。同時操縱負荷系統(tǒng)負責實時將操縱位移信號傳送給主仿真計算機，參與飛行動力學解算。

4結束語

直升機電動負荷操縱系統(tǒng)是現(xiàn)代先進直升機模擬器的關鍵設備，利用該系統(tǒng)，可以模擬出不同類型直升機的人感特性，對于飛行員訓練，加深飛行員的感知有重要的提升作用。本文對直升機電動負荷系統(tǒng)的關鍵部件和系統(tǒng)工作原理進行了介紹，該研究內(nèi)容對于今后的工程化研制有著指導作用，通過對該系統(tǒng)的深刻理解，為今后的設計工作奠定了堅實的理論基礎。

參考文獻

[1]陳康，劉建新.直升機結構與系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2007.

[2]高正，陳仁良.直升機飛行動力學[M].北京：科學出版社，2003.

[3]齊潘國.飛行模擬器液壓操縱負荷系統(tǒng)力感模擬方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

[4]呂俊芳，袁梅，李玉濤.數(shù)字人感系統(tǒng)的研究[J].飛機設計，2001，11.

[5]付家才，劉憲華，馬天楚.飛行模擬器電動式操縱負荷系統(tǒng)控制策略[J].黑龍江科技學院學報，2010，20（5）：367-370.