直升機電動負荷操縱系統工作原理

張喆+++韓意新

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

關鍵詞：直升機；電動負荷操縱系統；分析

引言

飛行員進行飛行訓練，人感系統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生風險隱患。

典型的負荷系統是由彈簧、阻尼筒組成的機械式系統，當飛行員操縱駕駛桿產生位移時，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。電動負荷系統的電機代替了彈簧阻尼系統，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的力學特性。

1 系統結構

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。控制器根據力和位移傳感器的反饋信號以及設定的系統模型參數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。控制器與主控平臺之間通過RS422總線通訊，實時收發系統指令及工作狀態[3]。

1.1 周期變距桿負荷系統

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

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

1.2總距桿負荷系統

總距桿負荷系統如圖5所示。

1.3 腳蹬負荷系統

腳蹬負荷系統如圖6所示。

2 各部件主要功能

2.1 加載系統

加載系統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是以電能為能量源的力輸出系統，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輸出力的大小。

3 系統工作原理

下面描述一下該系統工作時的運行原理：

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，根據力函數模型，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，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是現代先進直升機模擬器的關鍵設備，利用該系統，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的關鍵部件和系統工作原理進行了介紹，該研究內容對于今后的工程化研制有著指導作用，通過對該系統的深刻理解，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[M].北京：兵器工業出版社，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力感模擬方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[4]呂俊芳，袁梅，李玉濤.數字人感系統的研究[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控制策略[J].黑龍江科技學院學報，2010，20（5）：367-370.