浅析直升机飞行模拟器操纵负荷系统设计

赵兀君

摘 要 本文所述的操纵负荷系统作为某型直升机工程模拟器的关键环节，其主要的功能是模拟出飞行员在驾驶某型直升机过程中的周期变距杆、总距杆和脚蹬的操纵力感觉。凭借对操纵力微小变化的敏锐感觉，飞行员判断直升机操纵性能和飞行状态，并做出正确的判断和执行相应的操纵动作。操纵负荷系统的动静态性能指标直接影响到直升机飞行模拟器的等级评定。操纵负荷系统设计开发过程应用到机械设计、电机伺服控制、单片机技术、模型软件开发和系统软件编程等多个学科的知识。在研制过程中开展了电动负荷系统的初步研究，搭建的原型系统对可变人感的关键技术进行了验证。这些问题的解决对操纵负荷系统的成功设计具有重要意义。未来应对工程化进行进一步工作，即按照直升机模拟器的需求，对人感系统的功能进行详细的模拟。

关键词 直升机；飞行仿真；模拟器；操纵负荷系统

前言

操纵负荷系统是飞行模拟器的重要人感系统，用于模拟直升机飞行操纵系统的动静态力感和位移特性，開发和研制具有高逼真度的操纵负荷系统是研制高级别模拟器的前提和基础。操纵力感的逼真度直接影响模拟器等级水平，飞行员在力感模拟不达标的训练模拟器上进行飞行训练，会产生错误的操纵习惯，影响训练效果；在力感模拟不准确的工程模拟器上开展仿真试验，会直接影响试验结果[1]。

系统的主要功能是为飞行员在驾驶模拟器进行模拟飞行时提供操纵力感模拟。在周期变距杆、总距杆和脚蹬的操纵过程中，操纵负荷力加载机构向飞行员实时提供反作用力，并根据力-位移特性和操纵系统状态实时调整反作用力的大小，从而能够真实模拟直升机操纵力感。操纵负荷系统的加载方式有多种，如弹簧加载、液压伺服加载和直流力矩电机加载等方式。本文主要研究基于电机控制的电动负荷操纵系统[2]。

1 系统工作原理

当飞行员操纵飞行器各操纵通道时，飞行员的操纵力与电动加载机构输出之合力使得操纵机构产生位移，操纵负荷系统各通道配装的位移传感器高速采集当前位移，并实时传送给操纵负荷计算机中的操纵负荷模型，模型根据当前操纵位移信号和飞行控制系统状态算出相应的加载力，操纵负荷模型解算出的当前应加载力称之为模型力，模型力作为内环的输入驱动力加载机构进行力跟踪。力加载机构的实际输出力自操纵机构反传给飞行员，因此使得飞行员感到与当前操纵状态和飞行状态相对应的操纵力感，实现操纵力感模拟；操纵负荷系统以操纵力为输入，以操纵位移为输出，并且实时将操纵位移信号传送给主仿真计算机飞行仿真模型，参与飞行动力学解算[3]。如下图所示。

1.1 加载系统

加载系统主要为驾驶杆上输出杆力，使得飞行员感受到逼真的杆力特性。本论文研究的加载系统是以电能为能量源的力输出系统，即核心为电机输出的扭矩。因此，电机工作模式应为力矩模式，产生的力矩通过钢索滑轮组或减速器等传动机构后传送至操纵杆端产生力反馈效果[4]。

1.2 控制器

控制器也称为人感计算机，为嵌入式计算机。为实现杆力特性模拟的高逼真度，需要进行高速迭代计算。相关研究论文表明，控制器的采样频率应不小于2000Hz，本论文研制的控制器采样频率采用2000Hz[5]。

1.3 传感器

电驱动操纵负荷系统主要使用的传感器为：拉压力传感器和位移传感器。拉压力传感器主要用来测量电机输出端的负载力信号，并将采集到的力信号反馈给操纵负荷计算机，与计算的输出理论力值进行比较，消除累积误差，提高系统的操纵力感模拟精度。位移传感器主要是测量飞行员操纵驾驶杆的位移行程，通过控制器采集来计算负荷系统输出力的大小[6]。

2 驾驶杆原型系统设计

设计了一套典型直升机电动负荷驾驶杆，又称为主动杆，具备手柄、减速器、连杆、支撑件，控制器、电机、力传感器和位移传感器。可直观反映系统工作原理。控制器与主控平台之间通过RS422总线通讯，实时收发系统指令及工作状态，在该原型系统上可对电动负荷系统控制律进行真实工作条件下的仿真验证。

主动杆装置的基本原理是通过安装于电动加载单元杆力传感器感受驾驶员的操纵力，杆位移传感器检测杆的当前位置，送到主动杆控制器的DSP芯片，运行于DSP芯片的软件解算人感数学模型，最终输出到电动加载单元伺服电机的电压空间矢量，使人感加载机构单元跟踪杆位移指令，驱动操纵杆，实现预期的人感效果。控制基本原理如下图所示[7]。

3 人感建模方法

在飞行模拟中，人工感觉将根据不同飞行条件而采用不同形式的模型进行模拟。模拟的方法一般有三种：①弹簧加载方法；②半实物模拟方法；③力伺服加载方法。本文所设计的人感系统采用力伺服加载方法，这种加载方法模拟精度高、杆力模型及参数易于修改，可适应不同模拟对象和不同工作模式杆力特性变化要求，目前已被广泛应用于大型复杂地面飞行模拟器上，空中飞行模拟器也采用这种人感系统模拟方案。采用力伺服加载方法，加载系统应该包括驾驶杆、杆力传感器、位移传感器、力伺服系统执行机构、人感仿真数学模型及人感计算机组成[8]。

4 试验结果分析

依据测量数据绘制四通道弹簧梯度曲线图，正常工作模式纵向通道测试对比图，横向通道测试对比图，总距通道测试对比图，脚蹬通道测试对比图。其中原系统曲线由测试原系统部分数据点根据测试数据所绘[9]。

由数据表可得出如下表结论：

5 结论与展望

本文分析了直升机操作负荷系统的基本工作原理，提出基本的驾驶杆原型系统设计方式，并针对系统设计提出了一种适用的人感建模的实践方法。

本文开展了电动负荷系统的初步研究，搭建的原型系统对可变人感的关键技术进行了验证。未来应对工程化进行进一步工作，即按照直升机模拟器的需求，对人感系统的功能进行详细。包括初始化配平，操纵过程中的速率配平，对于机械式操纵系统中铰链力矩的模拟。此外，可变人感系统对直升机的操纵飞行品质有巨大的影响，今后在工程化工作中，也应该加强可变人感的飞行品质研究工作。

参考文献

[1] Barry J.Baskett.ADS-33E-PRF，Aeronautical design standard： handling qualities requirements for military rotorcraft [M].Arlington：United States Department of Defense，2000：5-21.

[2] R.W.普劳蒂.直升机性能及稳定性和操纵性[M].北京：航空工业出版社，1999：52-71.

[3] 王行仁.飞行实时仿真系统及技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998：83-136.

[4] 张呈林.直升机部件设计[M].北京：航空工业出版社，1992：24-50.

[5] 王菎玉.直升机飞行控制系统[M].北京：蓝天出版社，1999：23-47.

[6] 文传源.现代飞行控制理论[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：137-154.

[7] Padfield G D.Helicopter Flight Dynamics：The Theory and Application of Flying Qualities and Simulation Modelling，Second Edition[M].American Institute of Aeronautics and Astronautics，2007：2-31.

[8] 杨涤.系统实时仿真开发环境与应用[M].北京：清华大学出版社，2005：42-91.

[9] 杨宝民.分布式虚拟现实技术及其应用[M].北京：科学出版社，2002：7-11.