[发明专利]采用双力源仿真直升机操纵力感的方法

摘要

本发明提供了采用双力源仿真直升机操纵力感的方法。该方法使用的装置形成模拟直升机并联通道和串联通道的双环控制系统。由实装舵机作为实现直升机操纵系统并联通道的力加载源，完成并联通道的力感模拟；由电磁力伺服加载系统作为串联通道的力加载源，实现串联通道的力感模拟。通过双力加载源实现了对直升机操纵负荷系统全面模拟，飞行员操纵力感与真实飞机几乎完全一致，提高了飞行模拟器逼真度。该装置并、串联通道分别控制，没有交联耦合。并联通道与原机控制逻辑关系一致。串联通道模拟力性质已知，建模方便。该装置除可模拟操纵负荷系统在自动、人工驾驶状态下的工作外，还能保证操纵系统的其它功能与真实直升机完全一致的操纵力感。

主权项

采用双力源仿真直升机操纵力感的方法，其特征在于，所采用的双力源仿真直升机操纵力感的装置的构成如下：主飞行仿真计算机（1）、操纵负荷计算机（3）、教员控制台计算机（4）和自动驾驶仪计算机（5）分别通过1000M以太网（2）连接；RS485数据转换器（7）分别与操纵负荷计算机（3）、dsPIC单片机（9）连接；dsPIC单片机（9）还分别与光电编码器（6）、舵机伺服放大器（8）、电磁力伺服放大器（10）连接；电磁力伺服放大器（10）与电磁力伺服加载器（11）连接；电磁力伺服加载器(11)与驾驶杆(13)连接；原装并联舵机(12)分别与驾驶杆(13)和舵机伺服放大器(8)连接；光电编码器（6）分别与驾驶杆（13）及dsPIC单片机（9）连接；形成如下两个环控制系统：Ⅰ、模拟并联通道的闭环控制系统构成如下：主飞行仿真计算机（1）、操纵负荷计算机（3）、教员控制台计算机（4）和自动驾驶仪计算机（5）分别通过1000M以太网（2）连接；RS485数据转换器（7）分别与操纵负荷计算机（3）、dsPIC单片机（9）连接； dsPIC单片机（9）与舵机伺服放大器（8）连接；舵机伺服放大器（8）与原装并联舵机（12）连接；原装并联舵机（12）与驾驶杆（13）连接；光电编码器（6）分别与驾驶杆（13）及dsPIC单片机（9）连接；①教员控制台计算机（4）设置气象条件和直升机特情状态的信息；飞行人员对操纵负荷系统的操纵信息经过光电编码器（6）检测并通过1000M以太网（2）传送至主飞行仿真计算机（1），主飞行仿真计算机（1）通过直升机性能仿真模块实时解算出直升机运动及姿态的状态数据，传送给1000M以太网（2）；②自动驾驶仪计算机（5）根据从1000M以太网（2）得到的飞行员要保持的直升机状态数据，以及主飞行仿真计算机（1）解算出的直升机的当前飞行状态，解算出原装并联舵机（12）的指令位置信号；经操纵负荷计算机（3）、RS485数据转换器（7）、1000兆以太网（2）传送给dsPIC单片机（9）；③同时，dsPIC单片机（9）接收反映原装并联舵机（12）实际位置的光电编码器（6）的编码信号，并将原装并联舵机（12）的指令位置信号与实际位置信号进行比较，其差值作为dsPIC单片机(9)输入信号，经dsPIC单片机(9)的PID控制器形成舵机伺服放大器（8）的伺服控制信号，再经舵机伺服放大器（8）放大后，驱动原装并联舵机（12）工作，从而使驾驶杆（13）摆动，控制飞机按飞行员要保持的状态飞行；Ⅱ、串联通道的开环控制系统构成如下：主飞行仿真计算机（1）、操纵负荷计算机（3）、教员控制台计算机（4）和自动驾驶仪计算机（5）分别通过1000M以太网（2）连接； RS485数据转换器（7）分别与操纵负荷计算机（3）、dsPIC单片机（9）连接；dsPIC单片机（9）还分别与光电编码器（6）、舵机伺服放大器（8）、电磁力伺服放大器（10）连接；电磁力伺服放大器（10）与电磁力伺服加载器（11）连接；电磁力伺服加载器（11）与驾驶杆（13）连接；光电编码器(6)分别与驾驶杆(13)及dsPIC单片机（9）连接；①通过教员控制台计算机（4）设置气象条件和直升机特情状态的信息；飞行人员对操纵负荷系统的操纵信息经过光电编码器（6）检测并通过dsPIC单片机（9）、RS485数据转换器（7）传送操纵负荷计算机（3）、再通过1000M以太网（2）传送至主飞行仿真计算机（1）；主飞行仿真计算机（1）通过直升机性能仿真模块实时解算出直升机运动及姿态的状态数据，传送给1000M以太网（2）；②人工操纵驾驶杆（13）的位置信号由光电编码器（6）检测，该人工操纵驾驶杆的位置信号经dsPIC单片机（9）、RS485数据转换器（7）传送给操纵负荷计算机（3）；操纵负荷计算机（3）根据教员控制台计算机（4）设置的气象条件和直升机特情状态信息，通过串联通道力感模型解算出电磁力伺服加载器（11）的力控制信号，经RS485数据转换器（7）、dsPIC单片机（9）传送给电磁力伺服放大器（10），控制电磁力伺服加载器（11）产生所需要的力作用到驾驶杆（13）上；③同时，主飞行仿真计算机（1）根据飞行员在特情状态下的操纵情况，通过直升机性能仿真模块实时解算出直升机运动及姿态状态数据，通过1000M以太网（2）传送给模拟器其他系统；所述的串联通道力感模型包括由于仿真需要被去掉的直升机上的传动机构、助力器部分的惯性力模型、摩擦力模型、阻尼力模型以及直升机特情状态下附加力模型；直升机特情状态下附加力模型包括分油活门卡滞模型、左右液压系统故障模型；所述的串联通道力感模型计算出的被去掉部分的总力F为：F＝F1+ F2+ F3+ F4+ F5F1为惯性力模型、F2为摩擦力模型、F3为阻尼力模型、F4为分油活门卡滞模型、F5为左右液压系统故障模型；采用双力源仿真直升机操纵力感的方法的条件和步骤如下：0.建立如上所述的采用双力源仿真直升机操纵力感的装置；0.对该采用双力源仿真直升机操纵力感的装置确定如上所述的两个环控制系统：Ⅰ、模拟并联通道的闭环控制系统，Ⅱ、串联通道的开环控制系统；0.并联通道的模拟：①教员控制台计算机设置气象条件和直升机特情状态的信息；飞行人员对操纵负荷系统的操纵信息经过光电编码器检测并通过dsPIC单片机、RS485数据转换器、操纵负荷计算机、1000M以太网传送至主飞行仿真计算机，主飞行仿真计算机通过直升机性能仿真模块实时解算出直升机运动及姿态的状态数据，传送给1000M以太网；②自动驾驶仪计算机根据从1000M以太网得到的飞行员要保持的直升机状态数据，以及主飞行仿真计算机解算出的直升机的当前飞行状态，解算出原装并联舵机的指令位置信号；经1000兆以太网、操纵负荷计算机、RS485数据转换器传送给dsPIC单片机；③同时，dsPIC单片机接收反映原装并联舵机实际位置的光电编码器的编码信号，并将原装并联舵机的指令位置信号与实际位置信号进行比较，其差值作为控制信号，经dsPIC单片机的PID控制模块形成舵机伺服放大器的伺服控制信号，再经舵机伺服放大器放大后，驱动原装并联舵机工作，从而使驾驶杆摆动，控制飞机按飞行员要保持的状态飞行；d.串联通道的模拟: ①通过教员控制台计算机设置气象条件和直升机特情状态的信息；飞行人员对操纵负荷系统的操纵信息经过光电编码器检测并通过dsPIC单片机、RS485数据转换器、操纵负荷计算机、1000M以太网传送至主飞行仿真计算机及操纵负荷计算机；主飞行仿真计算机通过直升机性能仿真模块实时解算出直升机运动及姿态的状态数据，传送给1000M以太网；②人工操纵驾驶杆的位置信号由光电编码器检测，该人工操纵驾驶杆的位置信号经dsPIC单片机传送给操纵负荷计算机；操纵负荷计算机根据教员控制台计算机设置气象条件和直升机特情状态的信息，通过串联通道力感模型解出电磁力伺服加载器的力控制信号，经RS485数据转换器、dsPIC单片机传送给电磁力伺服放大器，控制电磁力伺服加载器产生所需要的力作用到驾驶杆上；使飞行员操纵力感与真实飞机几乎完全一致；③同时，主飞行仿真计算机根据飞行员在特情状态下的操纵情况，通过直升机性能仿真模块实时解算出直升机运动及姿态状态数据，通过1000M以太网传送给模拟器其他系统；所述的串联通道力感模型包括由于仿真需要被去掉的直升机上的传动机构、助力器部分的惯性力模型、摩擦力模型、阻尼力模型以及直升机特情状态下附加力模型；直升机特情状态下附加力模型包括分油活门卡滞模型、左右液压系统故障模型；所述的串联通道力感模型计算出的被去掉部分的总力F为：F＝F1+ F2+ F3+ F4+ F5F1为惯性力模型、F2为摩擦力模型、F3为阻尼力模型、F4为分油活门卡滞模型、F5为左右液压系统故障模型；所述的Ⅱ、串联通道的开环控制系统中的（1）惯性力模型为：F1＝ma                                  （1‑1）式中， m为被去掉部分的等效质量，a为被去掉部分等效质量的加速度，由光电编码器的编码信号两次微分求得；（2）摩擦力模型为：F2＝fF                                 （2‑1）式中，f为摩擦系数，F为对被去掉部分所有运动件正压力之和；（3）阻尼力模型为：F3＝CV                                  （3‑1）式中，C为粘性阻尼系数，V为被去掉传动部分的速度、光电编码器的编码信号一次微分求得；（4）直升机特情状态下附加力模型包括：分油活门卡滞模型为F4＝f′F′                   （4‑1）式中，f′为分油活门内外套向的摩擦系数，F′为外套对内套的正压力；左右液压系统故障模型为F5＝C′kV                （4‑2）式中，C′为助力器内的粘性阻尼系数，V为被去掉的传动部分的速度，k为助力器活塞的运动速度与被去掉的传动部分的速度V的比例系数；所述的d.串联通道的模拟中的（1）惯性力模型为:F1＝ma                                  （1‑1）式中， m为被去掉部分的等效质量，a为被去掉部分等效质量的加速度，由光电编码器的编码信号两次微分求得；（2）摩擦力模型为:F2＝fF                                   （2‑1）式中，f为摩擦系数，F为对被去掉部分所有运动件正压力之和；（3）阻尼力模型为:F3＝CV                              （3‑1）式中，C为粘性阻尼系数，V为被去掉传动部分的速度、光电编码器的编码信号一次微分求得；（4）直升机特情状态下附加力模型包括：分油活门卡滞模型为F4＝f′F′                   （4‑1）式中，f′为分油活门内外套向的摩擦系数，F′为外套对内套的正压力；左右液压系统故障模型为F5＝C′kV                （4‑2）式中，C′为助力器内的粘性阻尼系数，V为被去掉的传动部分的速度，k为助力器活塞的运动速度与被去掉的传动部分的速度V的比例系数。