（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

油門(mén)臺(tái)是飛行模擬器模擬操控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，主要作用是為飛行模擬器油門(mén)控制系統(tǒng)提供操作指令，同時(shí)飛行員通過(guò)油門(mén)臺(tái)上的反作用力可以判斷飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而提高飛機(jī)操縱品質(zhì)和飛行品質(zhì)[1]。因此，油門(mén)臺(tái)及其控制技術(shù)成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題和重要方向且能與飛機(jī)的飛行狀態(tài)建立緊密聯(lián)系。

由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的使用以及采用其他新技術(shù)，極大地增強(qiáng)了飛行模擬器的功能，提高了各種座艙設(shè)備的模擬精度。隨著大、中型數(shù)字電子計(jì)算機(jī)及微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)控制飛行模擬器被設(shè)計(jì)研發(fā)出來(lái)并應(yīng)用于飛行員的培訓(xùn)工作中。就飛行模擬器油門(mén)臺(tái)系統(tǒng)而言，國(guó)外研究起步較早且發(fā)展迅猛，已能真實(shí)模擬飛行器的各種功能狀態(tài)[2-3]，而國(guó)內(nèi)研究還在起步發(fā)展階段，以往針對(duì)飛行模擬器的油門(mén)臺(tái)控制系統(tǒng)大多仍然停留在采用人為機(jī)械操作[4]，對(duì)于自動(dòng)導(dǎo)航控制功能，即油門(mén)臺(tái)的隨動(dòng)功能仍存在一定的空白點(diǎn)，一定程度上阻礙了飛行模擬器自動(dòng)化程度的提高。

針對(duì)此類(lèi)現(xiàn)狀，本文對(duì)油門(mén)臺(tái)的隨動(dòng)功能增加了油門(mén)桿伺服裝置。提出為了確保在任何條件下，特別是在自動(dòng)油門(mén)桿控制出現(xiàn)故障時(shí)，飛行員對(duì)油門(mén)桿的操縱始終擁有最高的控制權(quán)限，不能完全采用全電傳控制，必須保留人為機(jī)械操縱備份。

1 控制系統(tǒng)方案

1.1 油門(mén)臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖1為油門(mén)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，飛行模擬器油門(mén)臺(tái)主要由操縱桿及其上反推力桿連接的各傳感器反饋位姿信息，由電機(jī)通過(guò)電磁離合器控制操縱模式切換，再通過(guò)一系列的傳動(dòng)鏈傳遞給操縱桿，控制操縱桿的動(dòng)作。通過(guò)油門(mén)臺(tái)上各卡槽位點(diǎn)，增加飛行員模擬訓(xùn)練的力感。

對(duì)飛行模擬器油門(mén)臺(tái)的控制有手動(dòng)和隨動(dòng)兩種操縱控制模式。手動(dòng)模式時(shí)，飛行員通過(guò)人為操縱油門(mén)臺(tái)操縱桿操縱發(fā)動(dòng)機(jī)；隨動(dòng)模式時(shí)，通過(guò)油門(mén)控制計(jì)算機(jī)把位姿信號(hào)傳送給油門(mén)臺(tái)，然后由電動(dòng)伺服裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移信號(hào)，以達(dá)到位置要求。其具體控制要求如下：

（1）各油門(mén)桿每次運(yùn)動(dòng)到相同位置輸出的位置信號(hào)的偏差小于2%，微調(diào)的分辨率小于0.5°，兩桿在平齊位置時(shí)輸出的位置信號(hào)的偏差小于1%。

（2）油門(mén)臺(tái)的手動(dòng)信息反饋和隨動(dòng)信息給予通過(guò)CAN2.0B與上位機(jī)通信。上位機(jī)命令隨動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，電磁離合器吸合，只有在上位機(jī)命令停止隨動(dòng)或人為突然施加一定的連續(xù)推力時(shí)，電磁離合器才會(huì)斷開(kāi)，隨動(dòng)狀態(tài)停止。

圖1 油門(mén)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of throttle

1.2 控制系統(tǒng)方案

由于油門(mén)臺(tái)的手動(dòng)模式和隨動(dòng)模式是相互獨(dú)立的，因此可采用離合器讓手動(dòng)和隨動(dòng)分開(kāi)，互不干擾。

油門(mén)臺(tái)在手動(dòng)模式下，繼電器模塊未接通信號(hào)，離合器不吸合，而油門(mén)桿每有角度轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)，通過(guò)與其嚙合的齒輪帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，再反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)位置信息實(shí)時(shí)讀取。

油門(mén)臺(tái)在隨動(dòng)模式下，如圖2所示，上位機(jī)將信號(hào)傳遞給主控板，要求主控板給繼電器模塊信號(hào)使離合器吸合工作，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)推力桿在其軌道內(nèi)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而由電位器反饋回位置信息。主控板實(shí)時(shí)比較當(dāng)前位置與目標(biāo)位置，以決定電機(jī)下一步動(dòng)作。

1.3 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以AT90CAN128為主控芯片，設(shè)計(jì)一套主控電路，該主控電路可以輸出2路頻率可調(diào)的PWM波形、可以輸入2路獨(dú)立的模擬量信號(hào)（電位器1和電位器2）AT90CAN128為Atmel公司的一種低功耗CMOS 8-bit AVR單片機(jī)，RISC架構(gòu)，擁有128k的系統(tǒng)內(nèi)程序可編程閃存和CAN控制器[5]。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of control system

CAN控制器：采用Mob（消息對(duì)象）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，共有15個(gè)Mob，它們具有相同的屬性和11位標(biāo)識(shí)符（2.0A 協(xié)議），也可擴(kuò)展至29位（2.0B協(xié)議）；最多為8字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖（靜態(tài)分配）；Tx、Rx幀緩沖或自動(dòng)響應(yīng)配置。

定時(shí)器：定時(shí)器0和定時(shí)器2：輸出8位PWM波形，傳遞給L298N驅(qū)動(dòng)模塊，用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制油門(mén)桿隨動(dòng)速度的改變。

8路10位SAR ADC引腳：其中2路連接電位器1和電位器2；電位器可以將油門(mén)桿的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為10位的數(shù)字量（0～1024）。另外，2路連接兩電機(jī)點(diǎn)數(shù)電流檢測(cè)信號(hào)，用于檢測(cè)在油門(mén)桿隨動(dòng)過(guò)程中是否有人為的操控操作。

32×8個(gè)通用I/O接口：連接油門(mén)臺(tái)上的3個(gè)按壓開(kāi)關(guān)和1個(gè)撥鈕開(kāi)關(guān)。

2 CAN通信軟件

2.1 CAN控制器應(yīng)用層協(xié)議

系統(tǒng)中油門(mén)臺(tái)與上位機(jī)保持通信，同時(shí)上位機(jī)還需負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接受與管理、控制命令的發(fā)送以及設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，而CAN總線可以方便地實(shí)現(xiàn)這一功能，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方便地連接到上位計(jì)算機(jī)上。通過(guò)主控芯片對(duì)油門(mén)桿位置信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電位器反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送到上位機(jī)中，而控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送和接收都是通過(guò)CAN總線接口實(shí)現(xiàn)。

本文采用250Kbps通信波特率；標(biāo)準(zhǔn)8字節(jié)長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀格式[6]；預(yù)置上位機(jī)PC的ID號(hào)為0xA5，油門(mén)臺(tái)的ID號(hào)為0x5B；實(shí)時(shí)接收上位機(jī)信號(hào)并定時(shí)16ms輸出油門(mén)臺(tái)動(dòng)作狀態(tài)信息（包括油門(mén)臺(tái)的按鍵信息和油門(mén)臺(tái)左右隨動(dòng)桿的位置）。

如表1所示，0xaa為PC向油門(mén)臺(tái)發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù)要求，K1～K4分別為油門(mén)臺(tái)啟停、暫?；謴?fù)、左油門(mén)桿隨動(dòng)啟停、右油門(mén)桿隨動(dòng)啟停信號(hào)；0xa0和0xa1分別為PC發(fā)送左右油門(mén)桿隨動(dòng)數(shù)據(jù)指令，LS1/RS1 +LS2/RS2組合構(gòu)成目標(biāo)角位移，LV1/RV1 +LV4/RV4組合構(gòu)成目標(biāo)角速率；而0xb0為油門(mén)臺(tái)向上位機(jī)返回油門(mén)桿位置信息，WLS、WRS分別表示左右油門(mén)桿位置；0xb1為油門(mén)臺(tái)上開(kāi)關(guān)按鍵信息，每個(gè)數(shù)據(jù)字表示2個(gè)開(kāi)關(guān)量，高4位表示左桿開(kāi)關(guān)，低4位表示右桿開(kāi)關(guān)。

2.2 標(biāo)識(shí)符和驗(yàn)收濾波初始化

CAN初始化主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN工作時(shí)的參數(shù)設(shè)置，如果不經(jīng)過(guò)初始化就不能工作。初始化的內(nèi)容包括硬件使能、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置驗(yàn)收濾波器工作方式、設(shè)置控制器工作模式等[7-9]。

CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)識(shí)符來(lái)識(shí)別CAN幀是否為系統(tǒng)需求，識(shí)別方法通過(guò)濾波屏蔽寄存器設(shè)置完成，接收濾波寄存器設(shè)置標(biāo)識(shí)符每位的值，接收屏蔽寄存器一般有相同的數(shù)量匹配接收濾波寄存器，規(guī)定接收濾波寄存器標(biāo)識(shí)符每一位的值是否需要進(jìn)行匹配，從總線上接收CAN幀，然后依次將收到的CAN幀標(biāo)識(shí)符與接收濾波和屏蔽寄存器進(jìn)行匹配，符合某對(duì)接收濾波和屏蔽寄存器要求后即停止匹配，將數(shù)據(jù)接收到對(duì)應(yīng)的緩沖器中。

因此，在CAN的初始化中對(duì)標(biāo)識(shí)符和驗(yàn)收濾波的設(shè)置尤為重要[10]。在系統(tǒng)中設(shè)定郵箱Mob0、Mob3、Mob4分別為接收PC發(fā)送的控制指令、左桿目標(biāo)信息、右桿目標(biāo)信息，Mob1和Mob2為油門(mén)臺(tái)發(fā)送給PC油門(mén)桿位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息。圖3為具體初始化流程。

2.3 傳輸數(shù)據(jù)信息的獲取和轉(zhuǎn)換

（1）模擬量信號(hào)：由定時(shí)器出發(fā)，通過(guò)多次采集油門(mén)桿位置信息，再經(jīng)一定濾波算法處理轉(zhuǎn)換成角度信息，再構(gòu)造成CAN發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式，反饋給上位機(jī)。上位機(jī)給出的隨動(dòng)目標(biāo)信息經(jīng)解析后先與油門(mén)桿當(dāng)前位置進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，然后確定相應(yīng)電機(jī)進(jìn)一步動(dòng)作。

（2）開(kāi)關(guān)量信號(hào)：依照通信協(xié)議要求每個(gè)數(shù)據(jù)字表示2個(gè)開(kāi)關(guān)量，則在構(gòu)造開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)時(shí)，利用“與”邏輯關(guān)系，開(kāi)關(guān)按鍵和相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位置“1”進(jìn)行“與”的邏輯運(yùn)算，則獲取了開(kāi)關(guān)按鍵狀態(tài)信息，再構(gòu)造發(fā)送數(shù)據(jù)格式，傳遞給上位機(jī)。

3 試驗(yàn)測(cè)試

使用PCI-9820短卡及其測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)主控板與PC機(jī)的CAN通信測(cè)試，CAN-bus通信測(cè)試軟件是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用來(lái)對(duì)所有ZLGCAN系列板卡進(jìn)行測(cè)試的軟件工具[11]。

CAN初始化參數(shù)，波特率設(shè)置250kbps，則通過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，精度上和反應(yīng)時(shí)間滿足要求，其CAN測(cè)試命令數(shù)據(jù)含義如表2所示，具體測(cè)試應(yīng)用顯示如圖4所示。

飛行模擬器油門(mén)臺(tái)控制系統(tǒng)整體性能實(shí)現(xiàn)依據(jù)：

（1）保證兩油門(mén)桿運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性和隨動(dòng)速度可調(diào)性。

圖3 CAN初始化流程Fig.3 Initialization flow of CAN

表1 油門(mén)臺(tái)數(shù)據(jù)通信協(xié)議

兩油門(mén)桿分別由2個(gè)不同直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)；每個(gè)油門(mén)桿具有自己獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)；通過(guò)修改主控電路板上每個(gè)油門(mén)桿對(duì)應(yīng)PWM輸出口的波形頻率，調(diào)制直流電機(jī)兩電極間的電壓，從而修改油門(mén)桿的轉(zhuǎn)速。

表2 CAN 測(cè)試命令數(shù)據(jù)含義

圖4 CAN通訊測(cè)試Fig.4 Test of CAN bus

（2）實(shí)現(xiàn)油門(mén)桿的隨動(dòng)和手動(dòng)2種操作模式。

在每個(gè)傳動(dòng)鏈中，裝置了1個(gè)離合器。當(dāng)電磁線圈得電時(shí)，離合器的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分相連，電機(jī)減速器的輸出軸與同步帶小輪的輸入軸連接在一起，通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)油門(mén)桿隨動(dòng)；當(dāng)電磁線圈失電時(shí)，離合器的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分分離，電機(jī)減速器的輸出軸與同步帶小輪的輸入軸斷開(kāi)，油門(mén)桿退出隨動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)。

（3）保證各油門(mén)桿位置信號(hào)的感知及精度。

在每個(gè)油門(mén)桿對(duì)應(yīng)的同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小輪軸與1個(gè)電位器的輸入軸用固連器固連，通過(guò)該電位器能將該小輪軸所轉(zhuǎn)過(guò)的角度轉(zhuǎn)換為電壓的變化。同步帶機(jī)構(gòu)的減速比為2，即小輪轉(zhuǎn)速為大輪轉(zhuǎn)速的2倍，因此小輪軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度是大輪轉(zhuǎn)過(guò)角度的2倍。通過(guò)主控電路將電位器輸出的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的角度值。

電位器輸出的電壓信號(hào)為連續(xù)的模擬信號(hào)，其分辨率高于數(shù)字形式的旋轉(zhuǎn)編碼器；主控電路的ADC轉(zhuǎn)換是10位的精度，即分辨率為360°/1024=0.35°，由于同步帶機(jī)構(gòu)的減速比為2，因此油門(mén)桿的位置分辨率可達(dá)到 0.35°/2=0.175°。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)闡述了飛行模擬器油門(mén)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)論述了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的確立，與整機(jī)模擬器的通信實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明此控制系統(tǒng)是有效可行的，工作穩(wěn)定，性能可靠，對(duì)飛行模擬器油門(mén)臺(tái)隨動(dòng)控制的具體實(shí)施有重要參考價(jià)值。

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