李良玉 張琦 張兆璨

摘?要：飛機(jī)操縱系統(tǒng)的操縱特性是直接影響飛機(jī)飛行品質(zhì)的重要因素。在現(xiàn)在的飛機(jī)中，電傳操縱替代原有的傳統(tǒng)機(jī)械操縱形式。傳統(tǒng)的曲線(xiàn)測(cè)量方式精度較低，存在人為誤差較大，難以滿(mǎn)足現(xiàn)在對(duì)駕駛桿等操縱裝置的測(cè)量要求。本文通過(guò)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的探索，結(jié)合傳統(tǒng)方法，立足生產(chǎn)制造過(guò)程，提出一套新的電傳飛控曲線(xiàn)測(cè)量方案。

關(guān)鍵詞：曲線(xiàn)測(cè)量;傳感器;力-位移

駕駛桿、駕駛盤(pán)、腳蹬等的操縱特性是影響飛機(jī)飛行品質(zhì)的重要因素。因此對(duì)其力-位移的曲線(xiàn)測(cè)量就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的測(cè)量方式測(cè)量精度較低，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，且功能單一。為了彌補(bǔ)該測(cè)量方法的不足，改善傳統(tǒng)測(cè)量工藝，適應(yīng)新型的操縱系統(tǒng)，對(duì)電傳飛控系統(tǒng)曲線(xiàn)測(cè)量方法進(jìn)行的研究，探索出一種先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量方法無(wú)疑是一條必由之路。

1 需求分析

駕駛員通過(guò)操縱駕駛盤(pán)，可以控制副翼的偏轉(zhuǎn)從而調(diào)整飛機(jī)的滾裝姿態(tài);通過(guò)操縱駕駛桿，可以控制升降舵的偏轉(zhuǎn)從而調(diào)整飛機(jī)的俯仰姿態(tài);通過(guò)操縱腳蹬，可以控制方向舵的偏轉(zhuǎn)從而調(diào)整飛機(jī)的偏航姿態(tài)。曲線(xiàn)測(cè)量即對(duì)駕駛盤(pán)、駕駛桿、腳蹬等進(jìn)行力與運(yùn)動(dòng)位移的測(cè)量。

2 傳統(tǒng)測(cè)量

傳統(tǒng)的曲線(xiàn)測(cè)量方法使用彈簧拉力計(jì)對(duì)駕駛盤(pán)、駕駛桿及腳蹬力進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)刻度尺等工裝工具對(duì)其運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量方式存在測(cè)量時(shí)被測(cè)物與測(cè)量尺之間存在間隙;量具存在變形影響測(cè)量精度;工裝工具安裝點(diǎn)位置難以保持固定;人工讀數(shù)誤差大等問(wèn)題。

3 電傳飛控系統(tǒng)曲線(xiàn)測(cè)量

在現(xiàn)在的飛機(jī)中，多采用電傳操縱技術(shù)，駕駛桿等操縱部件不直接連接舵面，通過(guò)傳感器采集駕駛桿等操縱設(shè)備的位移量，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的解算處理后發(fā)往作動(dòng)機(jī)構(gòu)，舵面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。操縱系統(tǒng)操縱運(yùn)動(dòng)的位移與舵面偏轉(zhuǎn)角度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以對(duì)于操縱系統(tǒng)的力與位移的測(cè)量要求精度更高，并且要達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量的效果。

3.1 總體思路

在駕駛盤(pán)、駕駛桿、腳蹬上安裝合適的力傳感器測(cè)量組件及位移傳感器測(cè)量組件，通過(guò)信號(hào)調(diào)理器將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，提供給信號(hào)采集系統(tǒng)采集、處理后，完成對(duì)操縱力以及運(yùn)動(dòng)位移的測(cè)量。

3.2 基礎(chǔ)原理

力值的測(cè)量核心元件采用電阻應(yīng)變式傳感器，每個(gè)力傳感器輸出信號(hào)通過(guò)與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理板進(jìn)行信號(hào)放大、濾波等處理。該類(lèi)型傳感器由機(jī)械部分和電氣部分構(gòu)成。測(cè)力傳感器機(jī)械部分：測(cè)力傳感器與駕駛盤(pán)等操縱機(jī)構(gòu)連接在一起，承載操縱力，傳遞機(jī)械運(yùn)動(dòng)。測(cè)力傳感器的電路部分：根據(jù)電阻應(yīng)變?cè)韺?shí)現(xiàn)操縱力大小測(cè)量，輸出同操縱力成比例關(guān)系的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱力大小的檢測(cè)。當(dāng)飛行員操縱飛機(jī)時(shí)，操縱力作用于力傳感器，引起力傳感器的彈性體產(chǎn)生拉壓應(yīng)變。由材料力學(xué)可知（電阻應(yīng)變傳感器力學(xué)原理）：

ε=δ/E=F/（А×E）

式中：ε——應(yīng)變;

δ——應(yīng)力;

E——材料彈性模量;

F——力;

А——結(jié)構(gòu)參數(shù)表達(dá)式。

在彈性體上粘貼有電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變計(jì)。拉壓應(yīng)變使應(yīng)變計(jì)敏感柵發(fā)生變形，如圖2所示。

由物理學(xué)可知電阻R與長(zhǎng)度L、ρ成正比，與其截面積A成反比，即R=ρL/A（式中，ρ電阻率，R電阻，L長(zhǎng)度，A截面積），當(dāng)電阻應(yīng)變計(jì)因變形伸長(zhǎng)dL時(shí)，電阻相對(duì)變化量dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ。由電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)為K=（dR/R）/ε（電阻應(yīng)變測(cè)量原理，即電阻應(yīng)變效應(yīng)），知：

dR/R=Kε

綜上所述，通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)變形，可以將操縱力引起的彈性體拉壓應(yīng)變量線(xiàn)性轉(zhuǎn)換成應(yīng)變計(jì)電阻阻值變化量。

由粘貼于彈性體不同部位的四只應(yīng)變計(jì)組成傳感器的電路部分——惠斯通電橋，如圖3所示，由電學(xué)原理知：

U0=R1R2-R2R4（R1+R2）（R3+R4）U

當(dāng)操縱力為零時(shí)，R1=R2=R3=R4，惠斯通電橋平衡，輸出電壓U0為零。當(dāng)有操縱力時(shí)，彈性體應(yīng)變引起應(yīng)變計(jì)電阻阻值變化dR，惠斯通電橋不平衡，輸出電壓U0=U（dR1-dR3+dR4-dR2）/4R，其中dR1、dR2、dR3、dR4為應(yīng)變計(jì)的電阻變化量。令dR1=dR2=dR3=dR4=dR，得（電阻應(yīng)變測(cè)量電學(xué)原理）：

U0=U×dR/R

這樣，通過(guò)粘貼于力傳感器感彈性體不同部位的四只應(yīng)變計(jì)組成的惠斯通電橋，將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。當(dāng)力傳感器感受到操縱力時(shí)，惠斯通電橋輸出一個(gè)與操縱力成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱力的測(cè)量。

3.3 駕駛盤(pán)測(cè)量

駕駛盤(pán)裝夾工裝組件，伺服傾角傳感器與扭矩傳感器裝夾于駕駛盤(pán)上。拉伸力或扭矩作用于手柄上通過(guò)手柄將拉伸力或扭矩傳遞至力傳感器或扭矩傳感器上，其中力傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量拉伸力，扭矩傳感器負(fù)責(zé)對(duì)扭矩進(jìn)行測(cè)量，最終將信號(hào)輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)駕駛盤(pán)時(shí)，駕駛盤(pán)帶動(dòng)裝夾工裝上的伺服傾角傳感器一起繞駕駛盤(pán)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服傾角傳感器感測(cè)到的傾角變化就是駕駛盤(pán)的轉(zhuǎn)角變化。實(shí)現(xiàn)了駕駛盤(pán)轉(zhuǎn)角位移的直接測(cè)量。傳感器將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為模擬量電壓進(jìn)行輸出，通過(guò)采集板卡對(duì)其進(jìn)行采集得出當(dāng)前狀態(tài)下駕駛盤(pán)的操縱力及操縱位移。

3.4 駕駛桿測(cè)量

駛桿的位置測(cè)試可利用測(cè)試工裝安裝傾角傳感器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)傾角傳感器進(jìn)行測(cè)試，由傾角傳感器輸出的角位移數(shù)據(jù)得出操縱桿的位置變化信息，角度信息通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換電壓模擬量，采集后計(jì)算得出當(dāng)前位置。操縱力分為推力及拉力，通過(guò)拉壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)工裝將拉壓力傳感器固定其中，通過(guò)推拉駕駛桿工裝產(chǎn)生推拉力，使駕駛桿動(dòng)作，同時(shí)有拉力傳感器進(jìn)行測(cè)量，將拉壓力轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓模擬量，通過(guò)采集板卡采集計(jì)算出當(dāng)前操作力。

3.5 腳蹬測(cè)量

腳蹬位移測(cè)量組件通過(guò)緊固件，將腳蹬桿裝夾工裝組件及傾角傳感器裝夾于腳踏板上。并在安裝時(shí)通過(guò)測(cè)試服傾角傳感器輸出信號(hào)，以調(diào)整并保證傾角傳感器敏感軸方向同腳蹬桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。當(dāng)腳蹬桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，腳蹬踏板帶動(dòng)裝夾工裝上的伺服傾角傳感器一起繞腳蹬桿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服傾角傳感器感測(cè)到的傾角變化就是腳蹬桿的轉(zhuǎn)角變化。這樣實(shí)現(xiàn)了腳蹬桿轉(zhuǎn)角位移的直接測(cè)量，同時(shí)可計(jì)算出方向舵腳蹬行程。腳蹬桿及腳蹬踏板位移關(guān)系如圖4。

腳蹬的操縱力為兩個(gè)獨(dú)立的力傳感器，分別采集腳蹬力和剎車(chē)力信號(hào)。通過(guò)壓力傳感器來(lái)讀取操縱過(guò)程中的壓力變化，將壓力轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓模擬量，通過(guò)采集板卡采集計(jì)算出當(dāng)前操作力。

3.6 信號(hào)調(diào)理采集

數(shù)據(jù)采集器能完成各測(cè)量傳感器提供激勵(lì)電源，以及接收各傳感器的輸出信號(hào);數(shù)據(jù)采集器能實(shí)現(xiàn)多檔可調(diào)的信號(hào)放大、濾波、過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)、數(shù)據(jù)采集等功能。

3.7 系統(tǒng)軟件

駕駛艙測(cè)量系統(tǒng)的功能是在硬件的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)行應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件主要完成飛機(jī)操作系統(tǒng)各傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)回放等。系統(tǒng)基于先進(jìn)的通用總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及分析。

4 結(jié)論

傳感器曲線(xiàn)測(cè)量方法較之傳統(tǒng)的測(cè)量方法更為高效、測(cè)量結(jié)果更為精確，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的反映駕駛桿、駕駛盤(pán)、腳蹬等操縱機(jī)構(gòu)的力-位移狀況，確保測(cè)試水平，保證飛機(jī)飛行品質(zhì)。