直升机电动负荷操纵系统工作原理

张喆+++韩意新

摘 要：對直升机电动负荷操纵系统的工作原理进行了介绍，对直升机的各部分人感系统结构进行的描述，包括周期变距杆负荷系统、总距杆负荷系统、脚蹬负荷系统。对电动负荷系统各部件主要功能进行了描述，包括加载系统、控制器、传感器。最后，对系统工作原理进行了介绍。

关键词：直升机；电动负荷操纵系统；分析

引言

飞行员进行飞行训练，人感系统对训练水平的影响很大，高逼真度的杆力特性模拟，可以使飞行员体会到与上天飞行中一样的操纵“手感”，飞行员的操纵动作，驾驶技巧也能得到良好的锻炼。相反，如果养成错误的操作习惯，不但没有起到地面培训的效果，反而会在空中飞行中产生风险隐患。

典型的负荷系统是由弹簧、阻尼筒组成的机械式系统，当飞行员操纵驾驶杆产生位移时，弹簧拉伸或压缩，反馈到驾驶杆的作用力，即为操纵杆力。选择不同刚度的弹簧，即可改变操纵系统的杆力-杆位移梯度，而改变阻尼筒，即可改变驾驶杆自由运动时的振荡阻尼。电动负荷系统的电机代替了弹簧阻尼系统，由自动控制设备控制电机的力输出，通过控制软件的精心设计，可以模拟出弹簧阻尼系统的力学特性。

1 系统结构

直升机的机动飞行是绕着3条轴线来转动的：横轴、纵轴和立轴。它可以绕纵轴做横滚运动，绕横轴做俯仰运动，绕立轴做航向运动[1]。同其他航空器一样，直升机在正副驾驶位置也可以是双套操纵装置，而有些直升机的副驾驶操纵装置还会被设计成可拆卸的，以便满足飞行的需要（见图1）。

电动负荷操纵系统主要包括机械、电气两大部分，如图2所示。其中机械部分包括主动杆手柄、减速器、连杆、支撑件、外壳等；电气部分包括控制器、电机、力传感器和位移传感器。力传感器测量主动杆手柄上的飞行员操纵力，位移传感器测量当前主动杆手柄的位移及电机转子位置。控制器根据力和位移传感器的反馈信号以及设定的系统模型参数控制电机的输出扭矩，最终通过减速器给主动杆手柄提供相应的动力或阻力。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[3]。

1.1 周期变距杆负荷系统

周期变距杆负荷系统俯仰姿态回路原理如图3所示，电动负荷系统通过力传感器、机械传动装置，与驾驶杆相连接。

周期变距杆负荷系统滚转姿态回路原理如图4所示，电动负荷系统通过力传感器、机械传动装置，与驾驶杆相连接。

1.2总距杆负荷系统

总距杆负荷系统如图5所示。

1.3 脚蹬负荷系统

脚蹬负荷系统如图6所示。

2 各部件主要功能

2.1 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]。

2.2 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。

2.3 传感器

电动式操纵负荷系统中传感器主要包括力传感器与位移传感器。力传感器主要用来测量负荷系统实际输出的负载力信号，与人感计算机计算输出理论力信号进行比较，用来进行力反馈控制，提高系统的力控精度。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。

3 系统工作原理

下面描述一下该系统工作时的运行原理：

如图7所示，当飞行员对驾驶杆施加操纵力时，驾驶杆产生位移，此时位移传感器采得的即为飞行员操纵位移信号。人感计算机通过AD板卡采集位移信号，根据力函数模型，进行杆力计算。计算得到的杆力，即作为力控信号进入负荷系统，同时，电机输出的力与力传感器采集的力进行反馈控制，即形成力跟踪控制。输出的力通过连杆机构反馈到驾驶杆上，即给飞行员提供了模拟的杆力特性。同时操纵负荷系统负责实时将操纵位移信号传送给主仿真计算机，参与飞行动力学解算。

4结束语

直升机电动负荷操纵系统是现代先进直升机模拟器的关键设备，利用该系统，可以模拟出不同类型直升机的人感特性，对于飞行员训练，加深飞行员的感知有重要的提升作用。本文对直升机电动负荷系统的关键部件和系统工作原理进行了介绍，该研究内容对于今后的工程化研制有着指导作用，通过对该系统的深刻理解，为今后的设计工作奠定了坚实的理论基础。

参考文献

[1]陈康，刘建新.直升机结构与系统[M].北京：兵器工业出版社，2007.

[2]高正，陈仁良.直升机飞行动力学[M].北京：科学出版社，2003.

[3]齐潘国.飞行模拟器液压操纵负荷系统力感模拟方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[4]吕俊芳，袁梅，李玉涛.数字人感系统的研究[J].飞机设计，2001，11.

[5]付家才，刘宪华，马天楚.飞行模拟器电动式操纵负荷系统控制策略[J].黑龙江科技学院学报，2010，20（5）：367-370.