飞行模拟机自动油门系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种飞行模拟机自动油门系统。其特征是利用单片式电磁离合器和高精度电位器实现操纵杆随动控制和位置检测。系统模块主要由操纵杆随动驱动单元、操纵杆回转单元、操纵杆力感调节单元和操纵杆角度传感单元。通过单片式电磁离合器电枢的得电与失电，控制模拟机操纵杆的操纵模式。操纵杆处于手动操纵模式，电磁离合器失电，操纵杆随动驱动单元与操纵杆回转单元断开，飞行人员手动推拉操纵杆，操纵杆角度传感单元实时监测操纵杆的位置，上传给上位计算机，来改变相应引擎的动力状态。操纵杆处于随动模式，电磁离合器得电，操纵杆随动驱动单元与操纵杆回转单元连接，通过电机回转改变操纵杆的位置。
【专利说明】飞行模拟机自动油门系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及液压全动的飞行模拟机的自动油门控制系统。该系统可实现模拟机的自动飞行和手动操作两种模式的操作，实现对飞机飞行速度和飞行姿态的控制。另外，该系统还能实现在自动飞行模式下各油门操纵杆根据所设定的油门量大小伺服摆动。
[0002]该专利中描述的是双引擎模拟机的自动油门系统，但该设计方法也适合更多引擎的模拟机自动油门系统的实现。
【背景技术】
[0003]飞行模拟机又称为模拟驾驶舱，是由最先进的电脑技术所控制的同比例模拟驾驶舱，已广泛地运用于航空工业设计和研发，以及为民用和军用飞机做飞行人员与机组成员培训。
[0004]在飞机飞行过程中，正反推力杆的位置是一个非常重要的因素，其大小直接影响着飞机的飞行速度和飞行姿态。对于模拟机，虽然没有真正的发动机，但要求尽可能真实地再现或模拟航空器驾驶感觉，而油门操纵杆就是飞行人员飞行过程中接触时间最长，感受最深的部件。因此，对模拟机自动油门系统的设计不能照搬飞机的自动模拟系统，但要求外在展现效果与真飞机一致。
[0005]目前，传统的油门操纵杆大多只能实时提供操纵杆的实时位置信息，不能在自动飞行状态时实现油门操纵杆的随动摆动。这不能将目前的飞行速度直观地传递给飞行人员，并且在飞机从自动飞行状态切换到手动操纵状态时容易引起速度的极大波动，构成不
安全因素。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是:提供一种装置能按照需要随时连接或断开操纵杆回转轴，并能反馈操纵杆的位置信息，实现手动操纵时力感的调节和自动飞行时操纵杆的随动摆动。
[0007]按照本发明通过一种具有权利要求1特征的设备和方法达到该目的。通过诸从属权利要求的特征和特征组合阐明本发明。
[0008]操纵杆回转轴单元与操纵杆随动单元分布在垂直高度不同的两个平行轴上。通过同步带传动结构实现两轴的运动传递。这种空间布局方法可以高效利用传动空间，且便于离合器、传感单元等元器件的安装和运动。
[0009]操纵杆随动驱动单元由直流电机、齿轮组减速器、干式单片电磁离合器、同步带传动机构及直流电机驱动电路板构成。在飞机处于自动飞行状态时，使得操纵操纵杆根据设定的飞行速度随动，让飞行人员对目前飞机的飞行速度和飞行状态有更直观的感觉。另外，对于双引擎模拟机具有两套独立的操纵杆随动单元，可以实现对每个操纵杆的独立控制，也就是说两操纵杆可以处于不同的位置和操作模式。
[0010]操纵杆位置检测单元由多路A/D接口电路、滤波电路、回转角度放大齿轮组以及电位器等构成，可高精度地检测多个油门操纵杆的位置信息。操纵杆的回转角度一般小于60°，如果齿轮加速器的加速比为4，则电位器输入轴端的回转角度小于240度。因此可选择高精度单圈电位器来测量。采用4倍加速比的齿轮加速后再用电位器监测角度，可提高电位器的测量精度4倍。
[0011]操纵杆力感调节装置包括阻尼轮及调节螺杆，可手动转动调节螺杆，改变阻尼轮与同步带传动机构主轮回转轴间的摩擦力，从而改变飞行人员在推动操纵杆时的力感，给飞行人员以更真实的驾驶感觉。
[0012]与现有的技术相比，本发明的模拟机自动油门系统更接近于真实飞机的驾驶感觉，无论从操纵杆的力感和操纵杆的随动，自动化和信息化程度高，具有广阔的前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]以下借助实施例参照附图更详细地说明本发明的方法和设备。其中:
[0014]图1本发明的设备的第一实施例的双引擎飞行模拟机自动油门系统外形图；
[0015]图2本发明的设备的第一实施例的双引擎飞行模拟机自动油门系统零部件水平方向布局图；
[0016]图3本发明的设备的第一实施例的双引擎飞行模拟机自动油门系统垂直方向布局图；
[0017]图4本发明的设备的第一实施例的单片式电磁离合器的安装图示。
【具体实施方式】
[0018]双引擎飞行模拟机自动油门系统的外形如图1所示，I为外壳板，4为上面板，5为左右摇臂，7为左右手柄，6为左右手柄上的反推力开关，8为自动油门系统的对外接口，包括与上位计算机的通讯接口以及电源接口。5、6和7构成了自动油门系统的双引擎操纵杆，分别用来控制左右引擎的动力。如果不按下反推力开关6时，后拉手柄7使摇臂5绕着其回转轴向后回转，则可加大相应引擎前进的动力，前推手柄7使摇臂5绕着其回转轴向前回转，则可加大相应引擎前进的动力。如果按下反推力开关6时，后拉手柄7使摇臂5绕着其回转轴向后回转，则可加大相应引擎制动或后退的动力，前推手柄7使摇臂5绕着其回转轴向前回转，则可加大相应引擎制动或后退的动力。
[0019]图中2和3为两个基准面，其中下层基准面为操纵杆随动驱动机构安装基准面，上层基准面为操纵杆回转机构安装基准面。下层基准面与上层基准面之间的动力连接为同步带传动机构(详见图4所示)。
[0020]图2展示的是双引擎自动油门系统零部件水平布局图。整个结构是左右反对称的，由两套完全独立的操纵杆随动单元构成。每一套操纵杆随动单元包括直流减速电机(14和28)、直流电机驱动板、齿轮减速器(16和29)、电磁离合器(11和25)、同步带传动机构(9、31和19、20)、齿轮增速机构(34和24)及高精度电位器(31和20)。所有的零部件结构紧凑地、反对称地安装在左支撑板10、中支撑板12、右支撑板15和底板18上。安装在上层基准面3上的零部件有:分布在中轴线上的大同步带轮(32和19)、轴承(33和18)、齿轮加速器(34和24)、电位器(31和20)及中支撑板上的双向轴承座外。其它的零部件全部安装在下层基准面2上。17和30为齿轮减速器组在左右支撑板上的带座轴承；36和22为小同步带轮与左右支撑板间的带座轴承；33和18为大同步带轮与左右支撑板间的带座轴承；26为左右操纵杆回转轴与中支撑板间的轴承，该轴承为单轴承座双轴承，分别独立支撑左右操纵杆回转轴。
[0021]整个机构可实现自动飞行状态时，双油门操纵杆随着双引擎油门量的变化在相应位置上摆动。由于两套随动机构是完全独立的，因此两个操纵杆的随动摆动也是完全独立的，也就是说，可以一个处于慢车档而另一个处于快车档，甚至可以一个处于自动飞行状态，一个处于手动飞行状态。使得整个系统更灵活，可以模拟出更多的正常的或非正常的飞行条件。
[0022]现以左半部分为例，说明操纵杆随动的构成和工作原理。当左操纵杆由手动操纵模式改为自动飞行模式时，上位计算机会通过通讯接口 8将命令下达给单片机，然后将左操纵杆的目标位置一并下达。自动油门的单片机控制板首先会将目标位置与操纵杆的当前位置作比较，判断操作杆7需要的旋转方向及旋转角度，并对操纵杆该旋转角度内的回转速度曲线做出规划。通过控制单片机通用I/O中与直流电机驱动板连接的引脚，驱动直流电机按照设定的方向和速度回转；通过单片机通用I/O中与电磁离合器连接的引脚，控制电磁离合器11电枢得电，使与离合器11的转子固连的导向套通过键带动同步带传动机构小轮9回转,进而带动同步带及同步带大轮32回转，同步带32通过键与操纵杆摇臂5相连，因此大同步带轮32的回转会同步带动摇臂的回转动作。干式单片电磁离合器的线圈通电时产生磁力吸合“衔铁”片，离合器处于接合状态；线圈断电时“衔铁”弹回，离合器处于分离状态。因为是干式类离合器，所以扭力的传达很快，可以达到便捷的动作，并且耐久性强，即使是高频率，高能量的使用，也十分耐用。离合器的安装方法为同轴安装法。
[0023]操纵杆角度传感单元:操纵杆的当前角度可通过图2中的齿轮加速器34实现角度放大后传递到图中所示的电位器31上。电位器的活动引脚通过滤波电路连接到单片机的A/D引脚，单片机内通过程序，以固定节拍(如4ms)对每个电位器进行多次采集，在采用一定的滤波算法，求出该节拍内该电位器的数字量值，再将其转化为操纵杆的实际转角。电位器作为角度检测元件具有归零方便的优点，不像编码器出现偏差后归零不方便。但是由于误差较大，所以需要采用高精度的电位器，并且需要多次测量，然后采用滤波算法来减小测量误差。采用以上方法后要满足0.1度的测量精度还是比较容易的。
[0024]操纵杆力感调节单元:图2所示，零件编号35和21为操纵杆力感调节装置。由一个阻尼轮、螺杆及螺杆安装板构成，其中螺杆安装板固定安装在左右支撑板上，阻尼轮固定安装在螺杆末端，螺杆与螺杆安装板之间是螺纹连接。通过旋转螺杆，可调节阻尼轮与大同步带轮(32或19)的摩擦力。该摩擦力越大，飞行人员操纵操纵杆时的力感就越强烈，反之，操纵杆的力感越弱。
[0025]图3为左右支撑板上零部件的布局，由图知，通过同步带传动机构实现随动驱动单元与操纵杆回转单元之间的链接。另外为了实现操纵杆运动角度的限位，在左右支撑板上设计了滑槽(39和43)，在操纵杆的摇臂上安装了滑块(38和42)。
[0026]图4为左操纵杆的随动单元中的法兰型单片式电磁离合器的安装图示，用于实现左操纵杆自动飞行与手动操作模式间的切换。该离合器由静止部分的定子11-1、作为旋转部分的电枢单元11-2、转子11-3和导向套11-4四部分构成。如图4所示，离合器定子11_1的法兰面安装在中支撑板上，定子11-1外侧有卡簧45实现电枢11-2在轴13上的定位。电枢11-2通过键46与轴13实现传动。转子11-3与导向套11_4固结，导向套与左支撑板外侧的小同步带轮29通过三个螺钉固连。导向套11-4通过带座轴承36支撑在左支撑板上。由此可见，离合器采用的是同轴安装方式，即同一根轴离合器定子、转子及电枢。轴13前端和齿轮减速器的大轮16-2通过顶丝连接，通过带座轴承17支撑在右支撑板上，再穿过离合器11-1定子，通过键46与离合器的电枢11-2连接。轴13与导向套11_4之间有一超薄轴承47，该轴承左侧有轴13上的台阶定位，右侧由轴卡簧48定位。离合器采用的这种同轴安装方式，可以避开分轴安装时前后轴同轴度安装精度过高的难题。当飞机处于自动飞行状态时，离合器电枢11-2得电，将电机14产生的回转传递给转子11-3，经由导向套11-4再传递给小同步带轮29,再通过同步带37传递给大同步带轮32,通过键传递给左操纵杆回转轴40，再通过键传递给左操纵杆5-左。当飞机处于手动操作模式时，离合器电枢失电，电机14的运动无法经由电枢11-2传递给转自11-3，轴13通过带座轴承36、导向套11_4及超薄轴承47的支撑，在不带动小同步带轮9的情况下，独自回转，从而不带动操纵杆动作。此时可通过直流电机驱动电路停转电机。飞行人员通过手推动手柄，使得操纵杆绕其回转轴回转，以此改变相应引擎的动力。
【权利要求】
1.飞行模拟机自动油门系统，其特征是:首先利用单片式电磁离合器，实现模拟机操纵杆自动飞行模式与手动操纵模式的切换，其次采用高精度电位器，实现模拟机操纵杆位置的实时检测；手动操作模式下，断开离合器，利用高精度单圈电位器对多路位置信号进行检测，接入单片机的A/D接口，经软硬件滤波去噪，通过通讯接口上报位置数据给上位计算机；自动飞行模式下，接通离合器，接收上位计算机通过通讯接口下传过来的操作杆位置数据，驱动电机通过离合器带动操纵杆回转传动机构，快速将操纵杆伺服驱动到上位计算机要求的位置，实现操纵杆的快速准确随动。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征首先在于采用干式单片电磁离合器实现自动飞行模式与手动操纵模式的切换；该离合器安装在油门杆随动驱动电机和操纵杆回转单元之间，控制板根据上位计算机发送过来的命令利用通用I/O 口的弱点信号，接通或断开离合器，亦可在特殊情况(如超控)时，接通或断开离合器；通过该方法可实现操纵杆随动驱动单元的回转轴与操纵杆的回转单元的回转轴的连接与断开。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于其次采用该精度单圈电位器，实现模拟机操纵杆位置的实时检测:首先通过齿轮加速器将操纵杆的回转运动放大并传递至电位器输入轴；电位器的输出信号为模拟信号，需要接到系统控制板的模拟信号输入端口，进行A/D转换，为了减少电位器测量过程中的误差，在系统的硬件电路中可添加滤波降噪电路，在控制板的软件程序中添加滤波程序，电位器的外壳需固定在安装板上不动；多引擎的模拟机需要由多组油门操纵杆，每组油门操纵杆需要有一组独立的位置监测装置。
【文档编号】G09B9/08GK103794104SQ201210506438
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年12月3日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】牛雪娟, 董广宇 申请人:天津工业大学