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雙自由度側桿操縱力測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

0引言

飛機側桿駕駛裝置又稱側桿控制器、側桿手控制器或側臂飛行控制器、上肢操縱器等[1]，簡稱側桿，它是傳統(tǒng)中央駕駛桿的偏置和改進。側桿的操縱力是飛控系統(tǒng)的一個重要考量指標，在飛行品質評判以及適航規(guī)章條款審查中都有重要的作用。因此在飛機的研制和試驗驗證過程中，需要對側桿的操縱力進行測量。

1側桿簡介

側桿主要應用于電傳飛控系統(tǒng)，根據(jù)控制權限的不同，可以分為單軸、雙軸和三軸側桿。目前已經廣泛應用于民用客機以及部分戰(zhàn)斗機中。在民用飛機中，一般情況下使用的是雙軸側桿，也就是用側桿來控制俯仰和滾轉。使用側桿作為駕駛艙操縱器件有以下好處[2]：(1)可以減輕控制系統(tǒng)的重量；(2)降低操縱器件對空間的要求；(3)降低維護成本；(4)改善飛行品質；(5)降低飛行工作負荷；(6)增加飛行舒適性。側桿的示意圖如圖1所示。

側桿一般與力感器件相連，用來提供側桿的操縱力。該力需要滿足飛行品質和適航規(guī)章的要求。側桿的操縱力在很多試驗中是必須要獲取的重要參數(shù)。

圖1　側桿的示意圖

2側桿操縱力測量難點

飛機側桿不同于汽車換擋桿等操縱桿，其操縱力和相應位移測試有以下特點和難點：

(1)飛機側桿的運動方向是雙自由度的，用來控制飛機的俯仰軸及橫滾軸，在實際操縱中，極易產生耦合。而在設計側桿時所提的操縱力和位移指標以及適航條款的規(guī)定中都是以單個方向的力和位移之間關系的形式提出，所以在實際測試時，需要測試單軸的操縱力及相應位移，并嚴格避免雙自由度的耦合。

(2)為了飛行員操縱側桿時的舒適性和可靠性，飛機側桿一般被設計成多曲面的不規(guī)則外形結構用以貼合手部曲線。用常規(guī)的測試裝置與側桿連接，在運動過程中極易出現(xiàn)間隙，影響測量數(shù)據(jù)的準確性。

(3)飛機的側桿往往是一個整體的設備，在測試過程中不能對部件及整體進行拆卸、改造及改裝。

已有的操縱力測量技術往往是針對汽車駕駛桿或類似的操縱器件提出，這些技術中，要么需要對駕駛桿進行截斷，要么只能測量簡單的操縱力，既不能保證駕駛桿在平面內運動，也不能滿足側桿整體無法改造的要求。因此，設計一種針對多自由度、復雜外形側桿的操縱力及對應位移測試裝置，成為亟待解決的問題。

3操縱力測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

設計的操縱力測量系統(tǒng)的結構如圖2所示。

操縱力測量系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是工裝夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及上位機。工裝夾具負責傳感器與側桿的連接以及側桿運動的控制，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責提供傳感器的激勵以及數(shù)據(jù)的采集，上位機則負責人機界面及數(shù)據(jù)管理。

圖2　操縱力測量系統(tǒng)架構圖

3.1夾具設計

夾具設計是本系統(tǒng)的重點和難點，需要設計的夾具既要保證側桿運動在一個平面內，又能解決側桿表面曲面負責的問題，還能夠拆裝方便，適合外場使用。根據(jù)上述特點，設計的夾具如圖3所示。

圖3　操縱力測量系統(tǒng)的夾具設計

由于被測物(即飛機側桿)是多曲面的不規(guī)則外形結構，且不能對部件及整體進行拆卸、改造及改裝。因此，在側桿上挑選出3個平面，設計一個側桿夾具單元與這3個平面貼合，保證在運動過程中沒有間隙。在側桿夾具單元上方安裝雙軸傾角傳感器，用于采集俯仰軸或橫滾軸的角度；在側桿夾具單元右側或后側安裝S型拉壓力傳感器，用于采集橫滾軸或俯仰軸的操縱力。安裝雙軸傾角傳感器時，通過安裝調整片，將傳感器調至水平，并在采集前清零；安裝S型拉壓力傳感器時，通過安裝調整片，使傳感器與側桿軸線垂直且傳感器的對稱平面與側桿運動平面重合，并在采集前清零。該裝置使側桿在運動過程中，S型拉壓力傳感器始終垂直于側桿軸線，保證了所采集數(shù)據(jù)的準確性，從而解決了復雜曲面及側桿整體不可拆卸的問題。

被測物(即飛機側桿)是雙自由度的，為避免雙自由度的耦合,筆者所在團隊設計了一個手動驅動測量裝置，該裝置與被測件(即飛機側桿)的底座固定，用兩套直線導軌與滾珠軸承單元來模擬單自由度的弧線運動，安裝直線導軌時，通過安裝調整片，使直線導軌與“S”型拉壓力傳感器平行，保證驅動時無卡阻和過度摩擦。運用直線導軌可以約束另一自由度，從而解決雙自由度側桿運動耦合的問題，保證了測量的準確性。另外，當測量完一個運動方向的操縱力時，只需要對導軌的方向以及力傳感器的鏈接位置進行改變，即可測量側桿另一運動方向的操縱力。

另外，為了減少夾具自身重量對轉動慣量的影響，夾具采用了材質較輕的鋁合金作為材料，最大限度地提高測量精度。

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用便攜式PXI平臺搭建，系統(tǒng)選用模塊化儀器板卡作為系統(tǒng)的I/O資源。針對所選用的傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集傾角傳感器信號和力傳感器信號，直流電源模塊用于為傾角傳感器和力傳感器提供激勵信號，千兆以太網(wǎng)卡用于與上位機進行高速通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

為了滿足外場便攜使用的需求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身基于LabView設計了軟件[3-4]，用于驅動模塊化儀器板卡進行數(shù)據(jù)采集、進行傳感器標定、對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理以及上傳數(shù)據(jù)到上位機等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件包含試驗管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、參數(shù)設置模塊、通信管理模塊以及系統(tǒng)自檢功能。

試驗管理模塊可以在本地進行實驗任務的創(chuàng)建和參數(shù)設置等操作，并且可以配置或修改實驗任務，對于一次實驗來說都有相應的實驗任務配置文件對應，該文件詳細定義了此次實驗所需要使用的測試通道數(shù)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)分析處理方法等，配置好的實驗任務可以上傳到服務端(上位機筆記本)進行統(tǒng)一的存儲管理。

數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、分析和回放功能。

參數(shù)設置模塊可以實現(xiàn)通道配置、參數(shù)配置以及傳感器標定等功能。

通信管理模塊則可以根據(jù)上位機的數(shù)據(jù)需求指令，打包采集到的數(shù)據(jù)，并且能配置文件解析模塊，解析由上位機發(fā)送來的配置文件信息，替換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)有的配置。

3.3上位機

系統(tǒng)上位機通過千兆以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集的管理和數(shù)據(jù)回收，上位機提供了更為友好的界面供用戶使用，按照模塊劃分，上位機軟件可以劃分為用戶管理、配置管理、數(shù)據(jù)管理和通信管理四個模塊。

用戶管理模塊主要實現(xiàn)添加用戶、刪除用戶、編輯用戶的權限等功能。

配置管理模塊包含實驗配置和參數(shù)配置。實驗配置可以詳細定義實驗所需要使用的測試通道數(shù)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)分析處理方法等，配置好的實驗任務可以上傳到服務器進行統(tǒng)一的存儲管理。參數(shù)配置可以在上位機上對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集通道參數(shù)進行設置。

數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、分析、回放以及數(shù)據(jù)下載等功能。

通信管理模塊則對接收到的數(shù)據(jù)進行解包，并管理系統(tǒng)中網(wǎng)絡設置和網(wǎng)絡通信。

4系統(tǒng)實例

系統(tǒng)的界面如圖4～圖6所示。分別實現(xiàn)了用戶管理、參數(shù)設置和數(shù)據(jù)采集的功能。其中參數(shù)設置模塊能實現(xiàn)傳感器的自動標定功能。

圖4　用戶管理界面

圖5　參數(shù)設置界面

圖6　數(shù)據(jù)采集界面

系統(tǒng)的采集的桿力和桿位移曲線如圖7和圖8所示。所采的結果滿足設計的需要，結果可用。

圖7　系統(tǒng)測量的桿力曲線

5結論

民用飛機的側桿操縱力的測量是民機后期試驗驗證以及適航取證的一項重要工作。本文根據(jù)側桿模塊自身的特點設計了一套操縱力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了側桿操縱力測量中，側桿曲面復雜、雙自由度運動容易產生不同方向力的耦合、側桿模塊整體不能拆卸及改造等問題，并且能夠實現(xiàn)測量系統(tǒng)的外場便攜工作。目前該系統(tǒng)已經在民機試驗中得到應用。

圖8　系統(tǒng)測量的桿位移曲線

參考文獻：

[1] 孫濱生. 現(xiàn)代戰(zhàn)斗機座艙布局[M].北京: 航空工業(yè)出版社，1989.

[2] 熊端琴，郭小朝，陸惠良，鄭偉.飛機側桿駕駛裝置的優(yōu)缺點及其改進設計探討[ J] .人類工效學，2006，12( 1 ): 36-38.

[3] 阮奇楨. 我和LabVIEW: 一個NI 工程師的十年編程經驗[M].北京: 航空航天大學出版社，2009.

[4] 劉君華. 基于LabVIEW 的虛擬儀器設計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2003.

Design and Realization of Control Force Measurement System of Side Stick with Two Degree of Freedom

徐州陸偉銘謝陵李慧穎 /

Xu ZhouLu WeimingXie LingLi Huiying

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Shanghai 201210， China)

摘要：

在側桿操縱的民機中，側桿的操縱力需要滿足飛行品質以及適航規(guī)章的要求，因此必須對側桿的操縱力進行準確測量。針對側桿具有的雙自由度運動及側桿表面形態(tài)復雜的特性，設計了一套操縱力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠精確控制側桿的運動方向，使側桿在一個平面內運動，并通過特殊的機制使力傳感器與側桿運動軸線垂直，保證測試的精度。基于LabView設計了測試軟件，能夠實時地顯示力、位移以及滯環(huán)曲線。

關鍵詞：側桿；雙自由度；復雜曲面；操縱力

[Abstract]As civil aircraft was controlled by side stick, the control force of side stick has to satisfy the requirements of handle quality and airworthiness regulations, so it is necessary to measure the control force precisely. This article developed a control force measurement system based on the characteristic of side stick which can move in two degree of freedom and has complex surface. This system can control the movement direction of side stick to make the side stick be restricted in one plane, and make the force sensor vertical to axes of side stick to ensure the precise of measurement. This system also designed the software to show the curve of force, displacement and hysteresis based on LabView.

[Key words]side stick; two degree of freedom; complex surface; control force

中圖分類號：TN919.6

文獻標識碼：B