淺析飛機側(cè)桿駕駛裝置設(shè)計

海軍裝備部西安局 史國榮

西安飛行自動控制研究所 李 凱 郭韶華 張亞崇

目的：簡單論述飛機側(cè)桿駕駛裝置的設(shè)計要素。方法：由側(cè)桿裝置的產(chǎn)生背景引出了側(cè)桿的定義，并對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行了梳理，進一步闡述了側(cè)桿的特點。結(jié)果：側(cè)桿設(shè)計的要素主要有自由度、操縱方式、人機功效和附屬按鍵等。結(jié)論：對其設(shè)計要素進行了逐一分析，提出了側(cè)桿裝置的設(shè)計思路與考慮要點。

隨著電子信息技術(shù)和軟件控制算法的不斷發(fā)展和進步，越來越多的飛行控制系統(tǒng)都由傳統(tǒng)的機械式變?yōu)殡妭魇剑ㄟ^電纜傳導電氣信號取代了由機械結(jié)構(gòu)傳遞位移信號，信號鏈的輸入是飛行員的操縱量，只要能夠準確地獲取操縱輸入量，就可以將這些輸入交給飛控控制律的解算，最后經(jīng)過伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成為作動機構(gòu)的機械位移。可以說，飛控系統(tǒng)的輸出對輸入已經(jīng)沒有機械結(jié)構(gòu)上的約束，兩者已經(jīng)獨立開來，這個轉(zhuǎn)變是電傳飛行控制系統(tǒng)對操縱裝置帶來的影響，也正是電傳時代的到來為側(cè)桿操縱裝置的發(fā)展提供了平臺基礎(chǔ)。

本文就側(cè)桿操縱裝置的特點和研究現(xiàn)狀進行了分析和總結(jié)，進一步提出了關(guān)于側(cè)桿操縱裝置的設(shè)計要點和思路。

1 側(cè)桿裝置

側(cè)桿是中央駕駛桿的一種偏置，從座艙布局上來看，僅僅是位置的改變，但是從機械結(jié)構(gòu)、性能功能角度剖析，側(cè)桿已經(jīng)完全不同于中央駕駛桿。因為側(cè)桿具有緊湊、短小和集成化程度高的特點，所以側(cè)桿的安裝位置靈活自由。只要飛行員可以接受，側(cè)桿能夠放置在駕駛艙的任何位置，并且可以根據(jù)飛行員的需求任意微調(diào)。側(cè)桿已經(jīng)可以作為一個單獨的LRU進行維護和外場更換。另外，更重要的是輕巧的側(cè)桿裝置可以很方便地引入主動控制技術(shù)，以此實現(xiàn)飛行員操縱力感特性的實時可編程能力，若再對飛機運動參數(shù)進行計算轉(zhuǎn)化，還能夠?qū)w機本身的運動狀態(tài)通過力感、限位或者是震動等觸覺方式直接反饋給飛行員。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀70年代，美國首先采用電傳操縱系統(tǒng)之后，側(cè)桿裝置迎來了蓬勃的發(fā)展機會，隨著電傳技術(shù)的日漸成熟和普遍應用，人們對側(cè)桿駕駛裝置的重視程度也越來越高。F-16和AC320是軍機和民機中首次采用被動側(cè)桿的機型。側(cè)桿的應用在它們各自的領(lǐng)域帶來了操縱的變革。后續(xù)，如美國的F-22、B-47和A-340，俄羅斯的Su-37、S-37/C-37，法國的“陣風”、臺灣的IDF飛機等也都采用了側(cè)桿裝置；甚至以操縱難度大負荷大的直升機領(lǐng)域也緊跟側(cè)桿趨勢：RAH-60科曼奇直升機，由美國波音/西科斯基公司90年代研制，其作戰(zhàn)效能及飛行品質(zhì)均大大超過了現(xiàn)有的任何一架武裝直升機，它的座艙操縱裝置為3+1結(jié)構(gòu)，俯仰、橫滾、偏航軸為小位移的三軸側(cè)桿控制器，總距軸為中等位移的總距桿。

我國在主動側(cè)桿領(lǐng)域尚處起步階段，多是進行理論方面的研究。南京航空航天大學導航研究中心從2006年上半年開始對主動駕駛桿控制系統(tǒng)展開理論研究。2005年西北工業(yè)大學航空工程專業(yè)對側(cè)桿操縱品質(zhì)展開理論研究。2005年北京航空航天大學飛行力學與控制教研室對側(cè)桿人感系統(tǒng)對飛行品質(zhì)的影響展開理論研究。另外，一些醫(yī)學研究院所在側(cè)桿領(lǐng)域也展開了相應的研究，如空軍航空醫(yī)學研究院、第四軍醫(yī)大學等對側(cè)桿在人機工效、使用需求等方面展開相應研究。

3 側(cè)桿裝置的特點

3.1 側(cè)桿裝置的優(yōu)點

側(cè)桿裝置和其他駕駛裝置相比，比如中央駕駛盤、中央駕駛桿等，首先視覺角度，觀察儀表盤和顯示器更加方便；空間角度，原本被復雜桿系占據(jù)的位置可以加裝其他設(shè)備，飛行員進出座位區(qū)域更加方便。另外，對于運輸機和民機等長航時的機種來說，節(jié)省出來的中央空間還可以安裝伸縮小桌板，用來工作或者進餐。人機功效方面，側(cè)桿的駕駛姿勢更加舒適，左右上肢運動更加對稱協(xié)調(diào)，飛行員操縱力更小，行程更短，搭配扶手，駕駛疲勞程度更低。

3.2 側(cè)桿裝置的控制特點

（1）控制動作精度特點

側(cè)桿的位移較小，飛行員能分辨出來的位移是固定的，分辨率=行程/飛行員分辨能力，所以相比之下，側(cè)桿分辨率低，尤其在橫滾軸方向上。在閉環(huán)飛行任務中，品質(zhì)主要取決于分辨率和飛行員動態(tài)特性。縱軸方向，側(cè)桿的良好動態(tài)特性足以彌補較差的分辨率，最終的品質(zhì)可以做到優(yōu)于傳統(tǒng)駕駛桿/盤。但是橫軸方向，由于分辨率進一步減小，控制精度就沒有明顯的優(yōu)勢了。

（2）噪聲抑制特點

側(cè)桿的行程小，駕駛過程中的一些誤操縱，如抖動、無意識的移動以及不可避免的縱橫交叉耦合操縱等，都會被敏感到，使飛機產(chǎn)生非預期的動作。橫滾軸方面表現(xiàn)尤為明顯，在一些需要精確控制橫滾姿態(tài)的任務中，比如漸進降落任務，飛行員因為橫向分辨率低，為了調(diào)整飛機的響應，會增加很多橫向操縱動作，有可能會激起飛機諧振。解決這些缺點，需要從側(cè)桿結(jié)構(gòu)、人機工效、控制系統(tǒng)架構(gòu)和算法等方面入手。

4 側(cè)桿裝置的設(shè)計

合理的側(cè)桿設(shè)計能提高飛行員的操縱效率和飛行品質(zhì)。側(cè)桿操縱裝置的基本設(shè)計要素有：自由度、操縱方式、人機功效、附屬按鍵、傳感器類型、配平等。

4.1 自由度

大多數(shù)飛機用兩自由度側(cè)桿。三自由度多是用來控制航向，比如用在航天員外太空行動控制中。研究表明航空駕駛員使用三自由度側(cè)桿和兩自由度側(cè)桿（配合腳蹬）兩種裝置時，不論在地面仿真還是飛行，前者都沒有明顯的優(yōu)勢。

4.2 操縱方式

一般側(cè)桿裝有一個兩自由度的萬向節(jié)，可以進行推/轉(zhuǎn)操縱。有的旋轉(zhuǎn)軸基點是基于手柄的，配上扶手臂托裝置，可以穩(wěn)定的將胳膊的力量傳至桿頭；有的是基于手腕的，航天員使用基于手腕的居多，因位移小，便于操縱。

4.3 人機功效

這是影響控制舒適度和精度的重要特點。舒適度取決于桿頭的形狀和桿的位置。大多數(shù)桿都是有一個垂直的把手，下面是縱橫向的轉(zhuǎn)動基座。因為人進行縱橫向操縱時使用的都是同一塊肌肉，所以縱橫向耦合不可避免。減小耦合有以下幾個有效的方法：一是從飛行員角度設(shè)置最優(yōu)的側(cè)桿中立位置；二是安裝可調(diào)整的扶手；三是根據(jù)個人尺寸測量的結(jié)果調(diào)整座椅和扶手。許多飛機的研發(fā)和試驗數(shù)據(jù)表明，最有效的解決耦合的方法是中立時，側(cè)桿向左有稍許傾斜（對于右側(cè)駕駛員來說，反之則反）。另外就是扶手，扶手決定了手和桿的相對位置，還能引導胳膊的縱向運動，減小胳膊的橫向平移，減小耦合。手臂和扶手的相對運動（摩擦感覺）還能提供觸覺提示，提高控制精度。

4.4 附屬按鈕

為了避免按壓按鈕時引起桿的移動，按鈕受力的方向必須穿過桿的轉(zhuǎn)動基點，并且按壓力不能超過側(cè)桿的啟動力的50%。在那些桿頭按鈕很多的側(cè)桿上，這些尤其要注意。客機上面的側(cè)桿按鈕設(shè)計的很少，比如A-320，側(cè)桿頂部只有一個拇指用自動駕駛按鈕，桿頭底部有一個食指用的通訊切換扳機。

4.5 傳感器類型

側(cè)桿使用的傳感器一般有兩種信號類型，一是力信號，一個是位移信號。類型的不同決定了側(cè)桿和控制系統(tǒng)的架構(gòu)。

力信號的主要優(yōu)勢在于：簡單、緊湊、重量輕。位移信號需要更復雜的結(jié)構(gòu)，主要用來根據(jù)位置傳感器的輸出生成桿力。力信號更加可靠，因為它不需要機械運動部件，避免了卡滯、死區(qū)，摩擦力也可以忽略不計。力信號最主要的缺點是它的抗噪聲能力不好，有些無意識使出的力甚至手的緊張都會被敏感到，進入控制系統(tǒng)，降低了飛行精度?？v橫向的無意識耦合同樣會被敏感到。為了增強抗噪性，力信號通常需要經(jīng)過一個超前濾波的洗出環(huán)節(jié)。加了超前濾波器后，還能夠減小軸間耦合的影響，相當于引進了一個死區(qū)。

位移信號的噪聲則小一些，因為桿系活動部件本身就是濾波器，將力的隨機干擾都去除了。這種機械濾波裝置和前面的超前濾波相比，最大的好處就是不會引入任何額外的時延。位移信號式的側(cè)桿可以在桿力特性和控制敏感度之間實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)置。

側(cè)桿的輸出信號形式對飛行包線保護的算法沒有影響，但是在接近包線邊緣時的提示功能，用位移信號更適合，因為位移可以用機械限位，到了限位位置就能感覺到。用力信號，飛行員只能間接的從飛機不響應自己的操縱（即死區(qū)）來判斷已經(jīng)接近包線了，這樣不利于良好的駕駛體驗。

4.6 配平機構(gòu)

大多數(shù)側(cè)桿都沒有配平機構(gòu)，多是通過算法自動實現(xiàn)配平。但是也有關(guān)于側(cè)桿的配平機構(gòu)的研究，但是因為結(jié)構(gòu)復雜，沒有被普遍接受與應用。

結(jié)束語：本文由側(cè)桿裝置的產(chǎn)生背景引出了側(cè)桿的定義，進一步闡述了側(cè)桿的特點，并對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行了梳理。對于側(cè)桿設(shè)計，本文從控制精度與噪聲抑制等側(cè)桿本身的特點出發(fā)，總結(jié)了六個方面的設(shè)計要素，并對其進行了逐一分析，提出了側(cè)桿裝置的設(shè)計思路與考慮要點。