一种具有触觉引导的直升机操纵负荷模拟装置的制作方法

本发明涉及一种具有触觉引导的直升机模拟操纵负荷模拟装置，属于机器人人机交互领域，是基于触觉引导的模拟器操纵负荷模拟装置。

背景技术：

在真实直升机上，操纵负荷系统是飞行员操纵飞机的直接装置。由于直升机的飞行环境复杂，飞行状态变化多，俯仰角、翻滚角、舵偏角和飞行速度等飞行参数变化快，加载到操纵杆、脚蹬上的气动力改变快，飞行员要凭借操纵力的变化迅速做出判断并执行相应的操作。这对直升机驾驶学员的培训来说，真机训练的安全性和经济效益都非常差，因此需要有专门的模拟训练器材来模拟真实直升机的操纵力感。

操纵负荷装置作为直升机人机交互的重要接口，其主要作用是提供直升机的操纵接口以及反馈飞行员驾驶直升机的操纵力感。为了有效提高直升机驾驶学员的训练效率，操纵负荷模拟装置所模拟的静态和动态力感相对真机操纵力感必须具有高逼真度。

目前，直升机模拟器的力感模拟采用的方式或是采用弹簧加载，通过各种刚度的弹簧组合实现操纵力的模拟；或是采用液压伺服操纵负荷系统，实现了较高逼真度的力感加载。但是，弹簧加载由于其固定的形式，无法对不同飞行状态的动态力感进行逼真模拟，而液压伺服操纵负荷系统由于液压管路泄漏、摩擦阻力等影响，在细微缓慢操作时力感效果不稳定，这两种操纵负荷系统难以建立精确的操纵负荷模型，仿真度与实际相差甚远。

另外，一般的直升机模拟器操纵负荷装置并没有考虑飞行学员与装置的力觉交互，装置反馈了直升机飞行状态产生的气动模型力，但无法直接快速地检测飞行学员根据操纵杆模型力做出判断后所施加的人手操作力。这在快速频繁的操纵过程中容易导致反映到操纵杆的模型力与飞行学员的操作力冲突，产生顿挫力感，同时也无法实现示教模式下的触觉引导，进而影响了模拟训练的临场感和最终的训练效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有触觉引导的直升机模拟操纵负荷模拟装置，其可根据直升机动力学模型和操纵杆模型实时、精确地提供触觉引导力，模拟高逼真的临场力感。同时，针对不同的直升机机型，可采用编程的方式来模拟各机型在力感上的细微差别，具有较好的适应性和通用性。

本发明的技术方案是这样实现的：一种具有触觉引导的直升机模拟操纵负荷模拟装置，由操纵手柄、6维力觉传感器、操纵杆、台面板底座、横向运动伺服电机、横向运动盘式减速器、固定底座、纵向运动盘式减速器、操纵杆底座、纵向运动伺服电机、旋转支架、台面板底座台面板、台面板底座下底板组成，其特征在于：台面板底座由台面板底座下底板和台面板底座台面板组成，台面板底座下底板顶面固定连接台面板底座台面板，固定底座固定连接在台面板底座台面板的顶面，横向运动伺服电机通过固定底座与台面板底座台面板固定连接，横向运动伺服电机前端有横向运动盘式减速器，横向运动盘式减速器的外耳与固定底座连接，旋转支架呈直角结构，旋转支架的底面与横向运动盘式减速器的法兰面固定连接，旋转支架垂直的另一个面与纵向运动伺服电机前端的纵向运动盘式减速器的法兰面固定连接，纵向运动盘式减速器的外耳与操纵杆底座固定连接，操纵杆下端与操纵杆底座顶部连接，操纵手柄下端有6维力觉传感器并与操纵杆上端固定连接；

模拟装置的测控系统模块包括PC上位机的系统控制模块、电机伺服控制模块和力/力矩检测模块，以及配套的通信模块——包括EntherNet TCP/IP协议通信和CANOpen协议通信；其中，力/力矩检测模块通过USB接口与PC上位机连接，电机伺服控制模块通过以太网接口（EntherNet TCP/IP协议）或CAN总线工业以太网接口（CANOpen协议）与PC上位机连接。

所述的操纵杆运动角度范围不小于纵向、横向，而真实直升机周期操纵杆的运动角度范围要求为纵向、横向。

本发明的积极效果是其相对其他机械结构，采用了电机伺服驱动系统，纵向操纵机构通过旋转支架悬挂于横向操纵机构上，两者为串联关系，降低了结构复杂度。本发明中，直升机飞行中产生的力感由伺服电机直接提供，根据模型程序的直升机动力学模型进行计算和模拟，解决了弹簧加载对动态力感模拟的不足以及液压操纵负荷装置对细微缓慢操纵力模拟不足等硬件组件影响临场力感的缺点，提高了装置的可操纵性。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为操纵负荷装置横向运动机构和纵向运动机构轴测图。

图3为操纵负荷装置横向运动机构和纵向运动机构俯视图。

图4为操纵负荷装置的系统硬件电路结构图。

图5为操纵负荷装置的系统工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1-4所示，一种具有触觉引导的直升机模拟操纵负荷模拟装置，由操纵手柄1、6维力觉传感器2、操纵杆3、台面板底座4、横向运动伺服电机5、横向运动盘式减速器6、固定底座7、纵向运动盘式减速器8、操纵杆底座9、纵向运动伺服电机10、旋转支架11、台面板底座台面板12、台面板底座下底板13组成，其特征在于：台面板底座4由台面板底座下底板13和台面板底座台面板12组成，台面板底座下底板13顶面固定连接台面板底座台面板12，固定底座7固定连接在台面板底座台面板12的顶面，横向运动伺服电机5通过固定底座7与台面板底座台面板12固定连接，横向运动伺服电机5前端有横向运动盘式减速器6，横向运动盘式减速器6的外耳与固定底座连接，旋转支架11呈直角结构，旋转支架11的底面与横向运动盘式减速器6的法兰面固定连接，旋转支架11垂直的另一个面与纵向运动伺服电机10前端的纵向运动盘式减速器8的法兰面固定连接，纵向运动盘式减速器8的外耳与操纵杆底座9固定连接，操纵杆3下端与操纵杆底座9顶部连接，操纵手柄1下端有6维力觉传感器2并与操纵杆3上端固定连接；

模拟装置的测控系统模块包括PC上位机的系统控制模块、电机伺服控制模块和力/力矩检测模块，以及配套的通信模块——包括EntherNet TCP/IP协议通信和CANOpen协议通信；其中，力/力矩检测模块通过USB接口与PC上位机连接，电机伺服控制模块通过以太网接口（EntherNet TCP/IP协议）或CAN总线工业以太网接口（CANOpen协议）与PC上位机连接。

所述的操纵杆3运动角度范围不小于纵向、横向，而真实直升机周期操纵杆的运动角度范围要求为纵向、横向。

本发明的整个工作过程为：6维力觉传感器测得直升机驾驶学员的操作力，当直升机的模型力、路径引导力和人手操作力共同作用时，通过直升机动力学系统模型和加权力融合策略产生融合力，通过位置预测器得到操纵杆在融合力作用下的横向、纵向运动角度，通过驱动器控制电机动作，最终引导操纵杆动作。

当融合力使操纵杆3做周期运动时，其运动可解耦为纵向运动和横向运动。横向运动机构的盘式减速器6通过旋转支架11带动纵向运动机构绕其中心轴线旋转，反映到操纵杆上即是做横向周期运动；同时，纵向运动机构的盘式减速器8的法兰面由于与旋转支架的连接面固定连接，其绕自身的中心轴线旋转，反映到操纵杆上即是做纵向周期运动。两种周期运动的合运动最终形成了操纵杆的特定运动轨迹。此外，通过程序可以控制操纵负荷装置，使其在需要时能够自动回正以及在加载不同的直升机动力学模型时可以适应不同的直升机类型。

本发明中，操纵杆的运动角度范围不小于纵向、横向，完全满足直升机操纵负荷装置操纵杆纵向、横向的运动角度范围要求。

所述发明的电机伺服控制系统的功能为：6维力觉传感器检测到操作者对操纵杆施加的力/力矩信号，通过与上位机的USB接口输入到上位机的控制程序中；另一方面，在加权力融合策略生成的融合力使操纵杆位于特定的操纵位置后，伺服电机5和伺服电机10的绝对式光电编码器可以分别获得操纵杆在横向和纵向运动分量上的位置信息和转速信息，通过伺服电机驱动器与上位机的反馈接口输入到上位机的控制程序中。所测信息在上位机的控制程序中作为直升机系统模型的输入参与模型仿真计算，并得到下一时刻的融合力，该融合力经过操纵杆的位置预测模型最终得到伺服电机下一时刻的转动角度及转速信息。根据转速信息对伺服电机进行PWM控制，同时绝对式光电编码器实时检测伺服电机的转速，并将此信息反馈回伺服电机驱动器，实现驱动器对其的闭环控制，最终使操纵杆能够反馈特定的力感并以特定的速度到达指定的操纵位置。系统的硬件电路结构图如附图4所示。

电机伺服控制系统包括力/力矩检测模块、电机伺服驱动控制模块，6维力觉传感器的力/力矩检测模块的通过USB接口与上位机通信端和数据传输端连接，为了实现操纵杆位置检测和闭环控制，需要对伺服电机的转动位置以及转速进行检测，AKD-P00306-NBCN-0000伺服电机驱动器中有编码器的输入接口，将绝对式光电编码器与驱动器相连接，并通过驱动器内部参数的设置，可以实现对电机的数据采集和闭环控制。驱动器与上位机使用以太网或CAN总线连接，采用TCP/IP协议或CANOpen协议进行通信。