基于SimMechanics操縱負荷系統建模與仿真

陳龍+潘春萍+劉志星+韓魯佳

【摘 要】建模與仿真是飛行模擬器操縱負荷系統研發的關鍵技術之一。為分析飛行模擬器操縱負荷系統的結構及運動學原理，本文以縱向操縱系統為例，基于SimMechanics建立了飛行模擬器縱向操縱系統仿真模型，對其進行運動學仿真。在模型的相關點處設置檢測模塊，實時的直觀的分析了系統的運動性能。仿真結果表明，在Matlab/SimMechanics仿真環境中建立飛行模擬器縱向操縱系統仿真模型，可以簡潔、高效的進行運動學仿真，并得到精確分析結果。

【關鍵詞】操縱負荷系統；SimMechanics；建模；運動學仿真

0 引言

操縱負荷系統是飛行模擬器的重要組成部分，它的仿真效果直接影響飛行員的操縱力感和對模擬器飛行質品評定，因此其必須能夠實

時復現飛機的動態和靜態特性。操縱系統的建模和運動學仿真是飛行模擬器操縱負荷系統研究的重要過程，通過建模與仿真可以對整個系統的結構從理論角度有更深的理解[1]。

目前，國內學者在構建飛行模擬器操縱負荷系統模型方面主要包括產生模型力的機構和模擬器加載系統兩部分進行數學建模。如王輝等[2]提出三段式跟蹤力模型，建立系統分段等效數學模型研究解決系統多余力與穩態誤差的問題，關理想[3]則建立電動式操縱負荷系統數學模型，對系統的操縱性進行分析研究，段永勝[4]利用最小二乘參數估計法得到系統等效模型并對其操縱結構進行具體分析。然而飛行模擬器是一個半物理系統，數學模型可以解決系統運行問題，但卻需要大量的公式、參數和計算，對系統的仿真實時性有很大的影響，過程復雜并影響仿真效果。所以本文采用Matlab/SimMechanics仿真工具對飛行模擬器操縱負荷系統建立機械模型并用解析法來實現對飛行模擬器祝操縱負荷系統的運動學分析。

1 系統建模仿真

1.1 飛行模擬器操縱負荷系統

飛行模擬器操縱負荷系統有縱向、橫向、航向三軸操縱系統，其模型建立原理基本相同。本文以縱向操縱系統為例進行介紹，如圖1所示，縱向操縱系統是有駕駛桿機構、傳動機構、電動伺服系統三部件組成。駕駛桿作縱向繞軸旋轉運動；傳動機構作平面運動；電液私服負荷系統作繞軸旋轉運動[5]。在飛行模擬器主操縱負荷系統中，駕駛桿的長度為60cm（轉軸上部分50cm，轉軸下部分10cm），駕駛桿半徑為2.4cm（駕駛桿此處近似看作圓柱體）；聯動桿長度為50cm，半徑為0.8cm，作動缸內缸長度為24cm，半徑為1cm；外缸長度為30cm，半徑為3cm。

1.2 SimMechanics仿真模型的建立

SimMechanics是Matlab軟件中Simulink環境下的多體動力機械系統及其控制系統的建模工具箱，其中包括剛體模塊、運動副模塊、約束與傳動模塊、檢測與驅動模塊、力元件模塊及輔助工具模塊，利用它可以方便的建立復雜機械系統的圖示化模型[6]。

SimMechanics的建模方法與Simulink建模相似，只需將一系列關聯模塊在普通Simulink窗口中繪制出來，并使用其自帶的檢測和驅動模塊與Simulink模塊連接起來，設置完參數便可得到整個系統的仿真結果，無需建立復雜數學模型，即可實現實時仿真結果分析[7]。

根據駕駛桿主操縱負荷系統的模型簡圖，用Simlink以及SimMechanics中的模塊，建立仿真模型如圖2所示。

圖2中Ground1、Ground2表示機架模塊，v_stick、h_stick、cylinder_inner、cylinder_outer為剛體模塊，stick-bottom-Rev1、stick-bottom-Rev2、Revolute為單自由轉動鉸，Joint Sensor1、Joint Sensor為鉸檢測模塊，Joint Actuator為在鉸鏈處施加力或力矩模塊，Scope、Scope1、Scope2為示波器模塊，Weld為剛節點模塊，Sine Wave為正弦波信號源。

2 模塊參數設置

在SimMechanics仿真環境中建模，模塊搭建的步驟非常簡單，只需要挑選與實際系統構件性能相似的模塊并用線連接便可完成。在搭建完模塊之后便是SimMechanics建模的最關鍵的步驟——設置模塊參數。

在仿真模型建立完成后，要對每個模塊進行參數設置。如剛體模塊需要設置的參數有：質量、慣性張量、位置屬性、方向以及隨動坐標系。下面以電動伺服系統內桿（cylinder_inner）模塊為例，雙擊cylinder_inner模塊打開參數對話框（Block Parameters）設置參數，可以看到如圖3所示的對話框。

在Mass properties下有Mass和Inertia兩個參數設置項。即質量參數和慣性張量參數。我們將質量參數設為Stick_left2_mass，慣性張量參數設為Stick_left2_inertia。質量和慣性張量參數只需要在編寫m文件中設置好密度、長度、內徑和外徑然后調用inertiaCylinder函數便可，然后如圖3在相應位置填上對應的變量名就完成質量和慣性張量的參數設置[13]。

Position設置的是模塊的位置參數。駕駛桿的縱向運動區間是[-α，α]，因為仿真模型在運動過程中各個點是隨駕駛桿不斷運動的，所以其坐標也是不斷變化的。在位置參數中選擇顯示隨動坐標CS1和CS2，設置CS1為電動伺服系統內桿左端坐標，CS2為電液伺服系統內桿右端坐標，CG為其幾何中心。

同理可以得到其他各剛體模塊的質量、轉動慣量和隨動坐標參數。對v_stick 、h_stick、cylinder_outer剛體模塊進行參數設置，在根據需要設置輸入和運動副的的轉動方式便完成了主要參數的設置。

3 系統建模仿真

運行建立好的SimMechanics仿真模型，利用虛擬現實工具箱可以對整個系統運動過程進行實時演示，如圖4所示為系統的某一時刻的動畫演示截圖。

要對剛體或運動副進行分析，就要在模型中添加傳感器模塊，使用Simlink中的Scope模塊對仿真結果進行動畫顯示。在m文件編寫完成和仿真參數設置完畢后啟動仿真，因為stick-bottom-Rev1處運動副是轉動副，它處在駕駛桿“杠桿”的支點位置，所以鉸檢測模塊Scope2檢測的結果便是該鉸接處駕駛桿繞鉸接點運動的和計算扭矩，如圖5。

另一個鉸檢測模塊Scope檢測的是自定義鉸模塊Custom Joint，本文將其定義為可以轉動和平動的二自由度運動副，通過在該鉸接處添加正弦信號來拖動模擬器操縱負荷系統運動，正弦信號幅值設定在駕駛桿運動的極限位置，所以鉸檢測模塊檢測的是隨著的正弦信號運動的聯動機構的位置、速度、加速度反映駕駛桿相應的運動參數，如圖6。

通過上述的仿真曲線，操縱負荷系統的駕駛桿鉸接點的角度、角速度、角加速度以及電動伺服系統聯動機構的位置、速度、加速度的關系及聯系可以直接與仿真動畫中的每一個運動過程相對應，這就使得整個操縱負荷系統的運動過程變得直觀，系統的實時運動、動力參數能夠方便快捷的掌握。

4 結語

本文基于SimMechanics對飛行模擬器操縱負荷系統的縱向操縱系統進行了建模并且完成運動學仿真分析，給出了系統相應的仿真結果和相關的構件的位置、速度和加速度曲線的繪制，有了這些數據才能分析、評價操縱負荷系統的工作性能，為以后的進一步研究提供了基礎。

所以使用SimMechanics建立操縱負荷系統模型仿真功能強大、仿真結果方便直觀并且可以實現自動建模分析，這對于提高操縱負荷系統的仿真條件以及系統的性能優化提供了新的方法，為實驗奠定了理論基礎。

【參考文獻】

[1]王芳.知網飛行模擬器操縱負荷系統研究[D].南京：南京航空航天大學，2008：20-25.

[2]王輝，閆祥安，王立文.飛行模擬器操縱負荷系統的數學建模及仿真研究[J].中國機械工程，2006，17：258-261.

[3]關理想，顧宏斌，柴功博.一種電動式操縱負荷系統建模與仿真研究[J].飛機設計，2011，31（5）：51-53.

[4]段永勝，盧穎，閆梁，等.飛行模擬器操縱負荷系統建模與仿真[J]. 兵工自動化，2012，31（8）：24-28.

[5]鄭淑濤，廖峰，王立文，韓俊偉.飛行模擬器操縱負荷系統實驗研究[J].系統仿真學報，2008，20（4）：965-969.

[責任編輯：李書培]