淺析飛機側桿駕駛裝置設計

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

隨著電子信息技術和軟件控制算法的不斷發展和進步，越來越多的飛行控制系統都由傳統的機械式變為電傳式，通過電纜傳導電氣信號取代了由機械結構傳遞位移信號，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，最后經過伺服系統轉換成為作動機構的機械位移。可以說，飛控系統的輸出對輸入已經沒有機械結構上的約束，兩者已經獨立開來，這個轉變是電傳飛行控制系統對操縱裝置帶來的影響，也正是電傳時代的到來為側桿操縱裝置的發展提供了平臺基礎。

本文就側桿操縱裝置的特點和研究現狀進行了分析和總結，進一步提出了關于側桿操縱裝置的設計要點和思路。

1 側桿裝置

側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，但是從機械結構、性能功能角度剖析，側桿已經完全不同于中央駕駛桿。因為側桿具有緊湊、短小和集成化程度高的特點，所以側桿的安裝位置靈活自由。只要飛行員可以接受，側桿能夠放置在駕駛艙的任何位置，并且可以根據飛行員的需求任意微調。側桿已經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桿裝置可以很方便地引入主動控制技術，以此實現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進行計算轉化，還能夠將飛機本身的運動狀態通過力感、限位或者是震動等觸覺方式直接反饋給飛行員。

2 國內外研究現狀

20世紀70年代，美國首先采用電傳操縱系統之后，側桿裝置迎來了蓬勃的發展機會，隨著電傳技術的日漸成熟和普遍應用，人們對側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桿的機型。側桿的應用在它們各自的領域帶來了操縱的變革。后續，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桿裝置；甚至以操縱難度大負荷大的直升機領域也緊跟側桿趨勢：RAH-60科曼奇直升機，由美國波音/西科斯基公司90年代研制，其作戰效能及飛行品質均大大超過了現有的任何一架武裝直升機，它的座艙操縱裝置為3+1結構，俯仰、橫滾、偏航軸為小位移的三軸側桿控制器，總距軸為中等位移的總距桿。

我國在主動側桿領域尚處起步階段，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展開理論研究。2005年西北工業大學航空工程專業對側桿操縱品質展開理論研究。2005年北京航空航天大學飛行力學與控制教研室對側桿人感系統對飛行品質的影響展開理論研究。另外，一些醫學研究院所在側桿領域也展開了相應的研究，如空軍航空醫學研究院、第四軍醫大學等對側桿在人機工效、使用需求等方面展開相應研究。

3 側桿裝置的特點

3.1 側桿裝置的優點

側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的位置可以加裝其他設備，飛行員進出座位區域更加方便。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，側桿的駕駛姿勢更加舒適，左右上肢運動更加對稱協調，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 側桿裝置的控制特點

（1）控制動作精度特點

側桿的位移較小，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，側桿分辨率低，尤其在橫滾軸方向上。在閉環飛行任務中，品質主要取決于分辨率和飛行員動態特性。縱軸方向，側桿的良好動態特性足以彌補較差的分辨率，最終的品質可以做到優于傳統駕駛桿/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勢了。

（2）噪聲抑制特點

側桿的行程小，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，使飛機產生非預期的動作。橫滾軸方面表現尤為明顯，在一些需要精確控制橫滾姿態的任務中，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，需要從側桿結構、人機工效、控制系統架構和算法等方面入手。

4 側桿裝置的設計

合理的側桿設計能提高飛行員的操縱效率和飛行品質。側桿操縱裝置的基本設計要素有：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

大多數飛機用兩自由度側桿。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桿和兩自由度側桿（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勢。

4.2 操縱方式

一般側桿裝有一個兩自由度的萬向節，可以進行推/轉操縱。有的旋轉軸基點是基于手柄的，配上扶手臂托裝置，可以穩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。大多數桿都是有一個垂直的把手，下面是縱橫向的轉動基座。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置最優的側桿中立位置；二是安裝可調整的扶手；三是根據個人尺寸測量的結果調整座椅和扶手。許多飛機的研發和試驗數據表明，最有效的解決耦合的方法是中立時，側桿向左有稍許傾斜（對于右側駕駛員來說，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動基點，并且按壓力不能超過側桿的啟動力的50%。在那些桿頭按鈕很多的側桿上，這些尤其要注意。客機上面的側桿按鈕設計的很少，比如A-320，側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桿和控制系統的架構。

力信號的主要優勢在于：簡單、緊湊、重量輕。位移信號需要更復雜的結構，主要用來根據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，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，降低了飛行精度。縱橫向的無意識耦合同樣會被敏感到。為了增強抗噪性，力信號通常需要經過一個超前濾波的洗出環節。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。

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。位移信號式的側桿可以在桿力特性和控制敏感度之間實現最優設置。

側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）來判斷已經接近包線了，這樣不利于良好的駕駛體驗。

4.6 配平機構

大多數側桿都沒有配平機構，多是通過算法自動實現配平。但是也有關于側桿的配平機構的研究，但是因為結構復雜，沒有被普遍接受與應用。

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