一种电比例飞行操纵系统及控制方法和应用

技术领域

本发明涉及飞机操纵系统设计技术领域，更具体地，涉及一种电比例飞行操纵系统及控制方法和应用。

背景技术

目前有人驾驶飞行器的操纵系统主要有机械传动和电传动两种。机械传动系统主要由比例连杆、钢索等构成，由驾驶舱的驾驶杆传递力与力矩至飞机各操纵舵面。而电传动系统是将驾驶员在驾驶杆处施加的动作以电信号的形式发出，通过控制计算机对飞行传感器的状态与驾驶动作的分析，并控制各操纵舵面处的舵机进行动作以控制飞机飞行。相较于机械传动系统，电传系统具有结构简单、体积重量小、操纵灵敏度高等优势。但是电传动系统的所有控制指令均需要通过飞行控制计算机及其控制算法来进行舵面控制量分配，一方面，软件层面的安全需要复杂逻辑进行保证，硬件方面也需要多通道多余度以保证传感器、计算机等电子设备的可靠性，难以避免控制软件的带来的飞行风险；另一方面，电传操纵系统无法还原等同机械操纵系统的操纵力感，飞行员难以根据反馈感受与飞行经验对飞机飞行进行准确的控制调整。

如应用电传操纵系统的飞机存在舵面载荷无法通过操纵系统反传、飞行人员无法感受到真实的操作感以及飞机的状态的问题，在CN201911265448.5一种电传飞机操纵力产生装置公开包括电动作动器以及设置在该电动作动器两个同步输出端的力感装置，其中具有扭转变形弹性件；在力感装置外侧共轴连接有摇臂，该摇臂在自由端与连杆一端铰接，连杆的另一端与主、副驾驶杆铰接，为飞行员提供直观的操纵感受，改善飞行品质，保证飞行安全。该专利目的是消除或降低驾驶员操纵力，所谓的力反馈来自其弹性变形器件，随后通过电机将弹性变形在当前驾驶杆的位置消除，从而使操纵杆上不再有反馈力，因此并不能反馈实际舵面力。在实际的飞行过程中，相同的舵面状态位置在飞行速度、高度等不同时，其舵面的受力并不相同，而现有的操纵器无法根据舵面的实际受力反映出不同的操纵力感，飞行员难以根据个人经验以及真实的操作感受快速调整飞行状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有飞行操纵系统中的机械传动系统的传动结构复杂，而电传操纵系统依赖控制计算机、传感器等设备来主导飞行控制，飞行员无法通过真实的实时操纵力感控制飞机、无法避免控制软件等不可靠带来的飞行风险的问题，提供一种电比例飞行操纵系统。

本发明解决的另一技术问题是提供基于该电比例飞行操纵系统的控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种电比例飞行操纵系统，包括力反馈操纵器、控制舵机和力感监测装置，所述力反馈操纵器与控制舵机连接，控制舵机与飞机舵面连接，飞机舵面设有监测其实时受力变化的力感监测装置，所述力感监测装置与力反馈操纵器连接。本发明通过设置力感监测装置实时将飞机舵面的状态反馈至飞行员的力反馈操纵器，飞行员可以通过操纵杆的反馈力实时感知飞机舵面受载状态，确保飞行员有与传统机械操纵系统同等的操纵力感。

进一步地，所述力反馈操纵器包括操纵器和力反馈装置，力反馈装置与操纵器的动作机构连接。

进一步地，所述力反馈操纵器中的操纵器与控制舵机通过电信号连接。

进一步地，所述力反馈操纵器中的力反馈装置输入端与力感监测装置连接，输出端与操纵器的动作结构连接。

进一步地，所述力反馈装置包括实时变阻力器和实时变阻尼器的一种。

进一步地，所述实时变阻尼器包括磁流变阻尼器、电磁阀变阻尼器等电流或电压实时控制阻尼变化的变阻尼器。

进一步的，所述实时变阻力器包括形如电液压刹车盘等形式的实时控制阻力变化的变阻力器。

进一步地，所述操纵器包括杆式、盘式或手柄式的一种。

进一步地，所述力反馈装置包括直线式力反馈装置或旋转式力反馈装置，包括直线式阻尼器、旋转式变阻尼器等。直线式阻尼器对线运动产生阻力，旋转式变阻尼器对角运动产生阻力，可以对不同的操纵器的操纵方法提供不同方式的力反馈。

进一步地，不同方式的操纵器和变阻尼器之间可设有线运动和角运动方向转换装置，实现操纵器和变阻尼器的通用适配。

进一步地，所述操纵器包括主操作杆和副操作杆。

进一步地，所述主操作杆和副操作杆共用一套力反馈装置，即力反馈装置的输出端同时与主操纵杆和副操纵杆的动作机构连接。

进一步地，所述主操作杆和副操作杆分别独立连接力反馈装置，即分别使用两套力反馈装置对主操作杆和副操作杆进行阻力输出。

一种电比例飞行操纵系统控制方法，其步骤包括：飞行员操控力反馈操纵器，力反馈操纵器中的操纵杆将动作信号通过电信号传输至控制舵机，控制舵机根据操纵器的电信号控制飞机舵面作出相应的动作，力感监测装置实时监测飞机舵面的所受到的力，并将其转化为电信号传输至力反馈操纵器中的力反馈装置的输入端，力反馈装置根据电信号从输出端对操纵器的动作机构输出相应比例的阻尼或阻力，飞行员即可通过操纵器上的动作阻力感受到舵面的实时受载状态。

进一步地，所述力反馈装置的反馈力与飞机舵面所受到的力为比例关系，且比例范围可调，可以根据操纵能力的需要，比如飞行员的习惯或机动限制要求等调整操纵杆动作阻力比例的大小。调整完成后，整个飞行过程中舵面上的气动力将会实时按该比例反馈至操纵器上。

进一步地，所述电比例飞行操纵系统应用于有人驾驶飞机。

有益效果：

本发明在飞行操纵系统中设置力感监测装置和力反馈装置，在操纵器通过控制舵机对飞机舵面动作进行控制时，力感监测装置将飞机舵面的受力以一定比例实时反馈至飞行员手中带有力反馈装置的操纵器。本发明在采用电信号传输方式、精简机械传动系统结构的基础上，保留飞行员在机械操纵系统下的操纵感受。同时，本发明以飞行员通过操纵杆的运动阻力实时感知的飞机舵面受载状态为主，简化了电传操纵系统中的控制计算机、控制软件、传感器等多个设备对舵面状态的计算与处理，从而有效的保证飞行员能够根据飞行经验快速的对当前飞行作出有效的调整，避免了飞行控制交由软件计算而带来的各种风险，提升了飞行员在飞行中的安全性。

附图说明

图1为实施例1中电比例飞行操纵系统示意图；

图2为实施例4中电比例飞行操纵系统示意图；

图3为实施例5中电比例飞行操纵系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种电比例飞行操纵系统，如图1，所述电比例飞行操纵系统包括操纵器、力反馈装置、控制舵机和力传感器，所述操纵器通过电信号传输线路与控制舵机连接，控制舵机与飞机舵面的动作机构连接，操纵器通过控制舵机可以驱动飞机舵面产生动作从而达到操控飞机运动的目的。所述操纵器上设有力反馈装置，飞机舵面上安装有力传感器，用于监控在飞行过程中舵面舵面力或舵面扭矩，力传感器与力反馈装置连接，力传感器将飞机舵面受到的力感变化转化为电信号传输至力反馈装置的输入端，力反馈装置根据电信号，按照一定的比例将其转化为操纵器动作的阻力力感。

飞行员对操纵器的进行动作操控，其动作通过电信号传输至控制舵机，控制舵机控制飞机舵面的动作机构作出相应的飞行动作。在飞行过程中，飞机舵面以及速度、高度等运动状态的改变会引起飞机舵面所受的力改变，飞机舵面上的力传感器受到飞机舵面的力的变化，并将其转化为电信号输入至力反馈装置，力反馈装置根据电信号的输入，调节产生相应的动作阻尼并输出至操纵器，使操纵器继续动作时会感受到阻力，飞行舵面的状态通过操纵器的动作阻力大小实时反馈至飞行员，从而保证飞行员的操纵器与飞行舵面的受力保持同步、真实，提高飞行员对飞机飞行姿态的控制。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种电比例飞行操纵系统，所述电比例飞行操纵系统包括杆式操纵器、磁流变阻尼器、控制舵机和力传感器，所述杆式操纵器通过电缆线束与控制舵机连接，控制舵机与飞机舵面的动作机构连接，杆式操纵器的动作电信号通过电缆线束传输至控制舵机，驱动飞机舵面产生动作。所述飞机舵面安装有力传感器，监控在飞行过程中舵面舵面力或舵面扭矩，力传感器通过电缆线束与磁流变阻尼器的输入端连接，磁流变阻尼器的输出端与杆式操纵器的动作机构连接，力传感器将舵面力或舵面扭矩转换的电信号输入磁流变阻尼器，磁流变阻尼器根据电信号调节其阻尼大小，并对杆式操纵器的动作机构输出，杆式操纵器在继续施加使其进行线运动的动作时，便会感受到阻力，即形成力反馈。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种电比例飞行操纵系统，所述电比例飞行操纵系统包括盘式操纵器、旋转式变阻尼器、控制舵机和力传感器，所述盘式操纵器通过电缆线束与控制舵机连接，控制舵机与飞机舵面的动作机构连接，盘式操纵器的动作电信号通过电缆线束传输至控制舵机，驱动飞机舵面产生动作。所述飞机舵面安装有力传感器，监控在飞行过程中舵面舵面力或舵面扭矩，力传感器通过电缆线束与旋转式变阻尼器的输入端连接，旋转式变阻尼器的输出端与盘式操纵器的动作机构连接，力传感器将舵面力或舵面扭矩转换的电信号输入旋转式变阻尼器，旋转式变阻尼器根据电信号调节其阻尼大小，并对盘式操纵器的动作机构输出，盘式操纵器在继续施加使其进行角运动的动作时，便会感受到阻力，即形成力反馈。

实施例4

如图2，本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种电比例飞行操纵系统，所述电比例飞行操纵系统包括主操纵杆、副操纵杆、磁流变阻尼器、控制舵机和力传感器，所述主操纵杆、副操纵杆通过电缆线束与控制舵机连接，控制舵机与飞机舵面的动作机构连接，主操纵杆、副操纵杆的动作电信号通过电缆线束传输至控制舵机，驱动飞机舵面产生动作。所述飞机舵面安装有力传感器，监控在飞行过程中舵面舵面力或舵面扭矩，力传感器通过电缆线束与磁流变阻尼器的输入端连接，磁流变阻尼器的输出端分别与主操纵杆、副操纵杆的动作机构连接，力传感器将舵面力或舵面扭矩转换的电信号输入磁流变阻尼器，磁流变阻尼器根据电信号调节其阻尼大小，并对主操纵杆、副操纵杆的动作机构输出，主操纵杆、副操纵杆在继续施加使其进行线运动的动作时，便会感受到阻力，即形成力反馈。

实施例5

如图3，本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种电比例飞行操纵系统，所述电比例飞行操纵系统包括主操纵杆、副操纵杆、磁流变阻尼器一、磁流变阻尼器二、控制舵机和力传感器，所述主操纵杆、副操纵杆通过电缆线束与控制舵机连接，控制舵机与飞机舵面的动作机构连接，主操纵杆、副操纵杆的动作电信号通过电缆线束传输至控制舵机，驱动飞机舵面产生动作。所述飞机舵面安装有力传感器，监控在飞行过程中舵面舵面力或舵面扭矩，力传感器通过电缆线束与分别与磁流变阻尼器一、磁流变阻尼器二的输入端连接，磁流变阻尼器一、磁流变阻尼器二的输出端分别与主操纵杆、副操纵杆的动作机构连接，力传感器将舵面力或舵面扭矩转换的电信号分别输入磁流变阻尼器一、磁流变阻尼器二，磁流变阻尼器一、磁流变阻尼器二根据电信号调节其阻尼大小，并对主操纵杆、副操纵杆的动作机构输出，主操纵杆、副操纵杆在继续施加使其进行线运动的动作时，便会感受到阻力，即形成力反馈。磁流变阻尼器一、磁流变阻尼器二可以分别设置不同舵面外力与操纵器的阻力比例，满足不同飞行员的操纵需求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。