行程和杆力及操纵方式自适应调整的飞行操纵模拟装置的制作方法

本实用新型涉及飞行模拟器驾驶员培训、科普航空教育技术领域，尤其涉及一种行程和杆力及操纵方式可自适应调整的飞行操纵模拟装置。

背景技术：

在飞行操纵系统中，驾驶杆和方向舵脚踏板是最为关键的一部分；会直接影响使用者的操作体验和感受，并且这些部件的操纵响应和杆力特征等会直接影响模拟的逼真程度。因此还原真实飞机驾驶杆、脚蹬的操纵特性和杆力特征成为了模拟器研发中的关键环节。

而目前的飞行模拟器一般都存在以下问题：

1、模拟器杆力特征对操作者而言，不能达到与真实操纵中的杆力一致或接近的操纵感受，简易模拟系统的驾驶杆构造简陋，只能达到最基础的操纵需求，其活动行程、杆力特征与真实情况完全不一致，不能达到真实的操纵体验。即使是采用飞机原始部件用于模拟，也不能达到在不同飞行状态下对驾驶杆的力回馈变化及操纵品质的变化；

2、各种型号驾驶杆、脚蹬无法兼容互换，目前用于飞机模拟的驾驶杆、脚蹬都是一型一杆、一机一杆，某一型号飞机的驾驶杆只能用于该型模拟器的模拟。传统的杆舵无法实现同一个构架兼容多种型号的功能；

3、传统驾驶杆、脚蹬的相关部件体积大、结构分散，不便于模块化独立拆装及维护，不适于在小型多用途平台上使用。一些模拟器使用飞机上的真实驾驶杆、脚蹬部件，为了适应这些部件的安装要求，只能将模拟器体积做的很大，因此会占用很大空间。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种行程和杆力及操纵方式自适应调整的飞行操纵模拟装置，用于自适应随组式飞行仿真系统，该行程和杆力及操纵方式自适应调整的飞行操纵模拟装置包括驾驶杆仿真单元和脚蹬仿真单元；

所述驾驶杆仿真单元包括手柄、杆体、杆座以及配平滑台；其中，所述杆体包括外壳，所述外壳内部固设有高位横滚通道转轴、两个手腕杆杆力生成弹簧组件以及模式切换电机；手腕杆摇臂通过所述高位横滚通道转轴连接在所述杆体顶端，且与所述手柄通过航空插头和快装接头连接；所述两个手腕杆杆力生成弹簧组件在所述手腕杆摇臂的底部交错分布；所述手腕杆摇臂转动时分别抵压两个手腕杆杆力生成弹簧组件；所述模式切换电机与锁销连接，所述手腕杆摇臂上设置有与所述锁销相匹配的卡口；所述锁销的底部与换挡连杆连接，所述换挡连杆上从上至下依次设置有驾驶杆行程限位滑块、连接头以及连接耳；

所述杆座包括驾驶杆行程限位槽座和十字架梁，所述驾驶杆行程限位槽座上设置有多挡驾驶杆行程限位槽，所述十字架梁上安装有万向节结构，所述杆体的底端与所述万向节结构连接，所述连接头上连接有横滚通道输出轴和俯仰通道输出轴，所述横滚通道输出轴和所述俯仰通道输出轴分别穿透所述驾驶杆限位槽座设置；每一所述连接耳上分别连接有一杆力模拟弹簧组件，所述杆力模拟弹簧组件的另一端连接在所述十字架梁的端点；

所述配平滑台由两个垂直交叉叠装在一起的电动滑台组成，其中位于上方的电动滑台的滑块与所述十字架梁的底部固定，其滑台基座与下方的电动滑台的滑块连接；

所述脚蹬仿真单元包括脚踏板组件、摇臂组件、脚蹬基座以及调整/换挡系统；所述踏板组件包括脚踏板，脚踏板支柱、滑块和滑轨；所述脚踏板与所述脚踏板支柱铰接，所述滑块固定在所述脚踏板支柱下方，所述滑轨设置在所述脚蹬基座上，所述滑块与所述滑轨滑动连接；

所述摇臂组件包括第一叉形摇臂，所述第一叉形摇臂两端分别与两个脚踏板组件连接；且所述第一叉形摇臂通过第一转轴连接在所述脚蹬基座上，所述第一转轴上方设置有第一角度传感器；所述第一叉形摇臂的两端侧面分别抵接有一脚蹬力模拟弹簧组件；

所述调整/换挡系统包括脚蹬行程控制机构和脚蹬位置调整机构；所述脚蹬行程控制机构包括电动蜗杆，所述电动蜗杆上连接有脚蹬限位卡块，所述脚蹬限位卡块上设置有限位卡槽；所述脚蹬位置调整机构包括电动推杆，所述电动推杆一端与所述脚蹬仿真单元连接，另一端连接在操作平台上，所述脚蹬仿真单元与所述操作平台滑动连接。

进一步地，所述杆力模拟弹簧组件由内层的空气弹簧和设置在所述空气弹簧外侧的机械弹簧组成。

进一步地，所述机械弹簧与所述十字架梁连接的一端还连接有第一伺服电缸。

进一步地，所述横滚通道输出轴为两个，且两个横滚通道输出轴在所述连接头上相对分布，其中一个横滚通道输出轴连接有第三角度传感器，另一个横滚通道输出轴连接有第一杆力调节组件；

所述俯仰通道输出轴为两个，且两个俯仰通道输出轴在所述连接头上相对分布，其中一个俯仰通道输出轴连接有第四角度传感器，另一个俯仰通道输出轴连接有第二杆力调节组件。

进一步地，所述第一杆力调节组件和所述第二杆力调节组件均包括：第二叉形摇臂、两个杆力调节弹簧以及杆力调节电缸；

所述第二叉形摇臂与所述滚通道输出轴或俯仰通道输出轴连接，两个杆力调节弹簧分布在所述第二叉形摇臂的两侧，所述杆力调节电缸与两个杆力调节弹簧分别连接。

进一步地，所述高位横滚通道转轴内安装有第二角度传感器。

进一步地，所述手柄的底端设置有快装螺帽，所述手腕杆摇臂的顶端设置有快装螺口；所述手柄和所述手腕杆摇臂通过所述快装螺帽和所述快装螺口连接。

进一步地，两个所述脚蹬力模拟弹簧组件通过连杆结构连接，所述连杆结构通过第二转轴连接在所述脚蹬基座上，所述连杆结构还连接有一第二伺服电缸。

进一步地，每一所述脚踏板支柱内部分别装有脚踏板弹簧组件和第五角度传感器。

进一步地，两个所述脚蹬力模拟弹簧组件采用并列式或错列式的安装方式。

本实用新型涉及的驾驶杆、脚蹬能够根据各种型号的飞机切换驾驶杆、脚蹬的行程、驾驶杆的杆力和通道模式；且各单元模块相对独立、结构紧凑、便于拆装维护。行程控制是使用机械限位的方式，通过换挡机构，自动切换不同型号飞机对应的不同行程范围。杆力控制通过弹簧组件与伺服机构相结合的方式，这样就可以达到无级、无限制的在各种型号的杆力间自由切换。

本实用新型相对于现有技术具有以下优点：

1、本实用新型的飞行操纵模拟装置可以根据飞机型号切换驾驶杆、脚蹬行程、驾驶杆杆力及操作模式；因此可实现同一构架适合多种型号飞机驾驶杆、脚蹬的模拟仿真，结合可更换面板及相应模拟控制软件就可实现不同型号，不同机型的模拟仿真；

2、大幅减少模拟设备的采购费用，传统模拟设备基本是只针对一种型号飞机，而本实用新型的模拟装置一套基础平台可对应多种型号的飞机，适应性远远高于传统模拟设备；

3、占地小节省空间，本实用新型采用模块化集成设计，适合在各种小型平台上使用，不需要大量繁杂的外部设备支持；

4、维护简便，模块化设计的单元可轻松实现备用模块整体快拆快装式的更换，无需繁杂的维护检修工作。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的驾驶杆仿真单元的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的驾驶杆仿真单元的另一结构示意图；

图3a、3b、3c、3d为本实用新型实施例提供的杆体的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的杆座的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的配平滑台的结构示意图；

图6为杆力调节电缸的安装示意图；

图7为杆力调节组件的结构示意图；

图8为驾驶杆行程档位调节原理图；

图9为本实用新型实施例提供的脚蹬仿真单元的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的脚踏板组件的结构示意图；

图11为本实用新型实施例提供的摇臂组件的结构示意图；

图12为摇臂组件调节脚蹬力的原理示意图；

图13为脚蹬行程换挡控制机构的安装位置示意图；

图14为本实用新型实施例提供的脚蹬行程换挡控制机构的结构示意图；

图15为本实用新型实施例提供的脚蹬限位滑块的示意图；

图16为本实用新型实施例提供的脚蹬位置调整机构的结构示意图。

附图标记说明：

A：手柄，B：杆体，C：杆座，D：配平滑台，1：手腕杆摇臂，

2：高位横滚通道转轴，3：锁销，4：手腕杆杆力生成弹簧组件，

5：模式切换电机，6：驾驶杆行程限位滑块，7：驾驶杆行程限位槽座，

8：杆力模拟弹簧组件，9：外壳，10：连接头，11：连接耳，

12：第二角度传感器，13：换挡连杆，14：万向节结构，

15：横滚通道输出轴，16：俯仰通道输出轴，17：十字架梁，

18：杆力模拟弹簧组件，19：杆力辅助弹簧组，20：位移传感器，

21：滑块，22：滑台基座，23：驱动电机，24：第一伺服电缸，

25：杆力调节弹簧，26：第二叉形摇臂，27：杆力调节电缸；

E：脚踏板组件，F：摇臂组件，G：脚蹬基座，M：调整/换挡系统，

28：脚踏板，29：脚踏板支柱，30：滑块，31：滑轨，32：第一叉形摇臂，

33：第一转轴，34：第一角度传感器，35：脚蹬力模拟弹簧组件，

36：连杆结构，37：第二伺服电缸，38：第二转轴，

39：脚蹬行程控制机构，40：脚蹬限位卡块，41：限位卡槽，

42：电动推杆，43：操作平台，44：滑块滑轨。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供一种行程和杆力及操纵方式自适应调整的飞行操纵模拟装置，该飞行操纵模拟装置包括驾驶杆仿真单元和脚蹬仿真单元，两个单元组成了基本的飞行操纵模拟装置。具体地，请参阅图1至图8，本实施例中的驾驶杆仿真单元包括手柄A、杆体B、杆座C以及配平滑台D，如图1所示。

其中，上述杆体B包括外壳9，在其外壳9内部固设有高位横滚通道转轴 2、两个手腕杆杆力生成弹簧组件4以及模式切换电机5；手腕杆摇臂1通过高位横滚通道转轴2连接在杆体B顶端，在该高位横滚通道转轴2内装有第二角度传感器12。手腕杆摇臂1与手柄A通过航空插头和快装接头连接；具体地，在本实施例中该手柄A的底端设置有快装螺帽，该手腕杆摇臂1的顶端设置有快装螺口；手柄A和手腕杆摇臂1通过快装螺帽和快装螺口连接。也即手柄A为即插件，因此根据不同型号飞行器可更换不同的手柄A；两个手腕杆杆力生成弹簧组件4在手腕杆摇臂1的底部交错分布；手腕杆摇臂1 转动时分别抵压两个手腕杆杆力生成弹簧组件4，产生适当的突破力和杆力。

上述模式切换电机5与锁销3连接，手腕杆摇臂1上设置有与锁销3相匹配的卡口；锁销3的底部与换挡连杆13连接(图3b中灰色部分)，换挡连杆 13上从上至下依次设置有驾驶杆行程限位滑块6、连接头10以及连接耳11；上述杆座C包括十字架梁17，该十字架梁17上设置有驾驶杆行程限位槽座7 和万向节结构14，该驾驶杆行程限位槽座7上设置有可更换不同型号所对应的俯仰通道和横滚通道的多挡驾驶杆行程限位槽，上述杆体B的底端与万向节结构14连接，在杆体B的连接头10上连接有一对相对分布的横滚通道输出轴15和一对相对分布的俯仰通道输出轴16；该横滚通道输出轴15和俯仰通道输出轴16分别穿透驾驶杆限位槽座7设置。

上述万向节结构14通过一对俯仰通道输出轴16的一个输出俯仰通道参数给角度传感器，另一个俯仰通道输出轴16作预留，用作驾驶杆杆力额外加载输入轴。同理，上述万向节结构14通过一对横滚通道输出轴15的一个输出横滚通道参数给角度传感器，另一个横滚通道输出轴15作预留，用作驾驶杆杆力额外加载输入轴。

驾驶杆模式切换由模式切换电机5驱动，当需要使用手腕杆模式时，模式切换电机5带动锁销3向下运行，使得锁销3从手腕杆摇臂1上的卡口脱出，同时使得驾驶杆行程限位滑块6进入驾驶杆行程限位槽座7的手腕杆模式限位档，此时，高位横滚通道转轴2工作，杆体B只能做俯仰通道操作，横滚通道被锁闭；当需要使用整体杆模式时，模式切换电机5带动锁销3向上运行，使得锁销3插入手腕杆摇臂1上的卡口，同时使得驾驶杆行程限位滑块6 进入驾驶杆行程限位槽座7的整体杆模式限位档，此时，高位横滚通道转轴2 被锁闭，手柄A与杆体B连为一体；此时，即能做俯仰通道操作，也能做横滚通道操作。

驾驶杆行程控制通过驾驶杆行程限位槽座7上设置的不同型号所对应的俯仰通道和横滚通道驾驶杆行程限位槽实现，如图8所示，当驾驶杆行程限位滑块6位于驾驶杆行程限位槽座7的低位L时，驾驶杆的行程为小行程，其角度行程为ɑ1，而当当驾驶杆行程限位滑块6位于驾驶杆行程限位槽座7 的高位H时，驾驶杆的行程为大行程，其角度行程为ɑ2。

上述杆体B的连接耳11上连接有杆力模拟弹簧组件18，该杆力模拟弹簧组件18的另一端通过万向节连接在十字架梁17的端点；该杆力模拟弹簧组件 18可以模拟飞机驾驶杆的基础杆力和突破力，其中杆力模拟由外层机械弹簧实现，突破力模拟由内层空气弹簧实现。对于不同型号的杆力差值可以由换挡连杆13底端连接或脱开十字架梁17底部的杆力辅助弹簧组19进行补偿。当需要调节杆力时，可以在杆力模拟弹簧组件18与十字架梁17连接的一端连接第一伺服电缸24，由第一伺服电缸24根据驾驶杆实时状态压缩或松开杆力模拟弹簧组件18的外层弹簧，达到实时模拟不同杆力的目的，如图6所示；

或者通过在俯仰/横滚通道输出轴加载杆力调节组件的方式实现可变杆力的控制，具体地，该杆力调节组件包括第二叉形摇臂26、两个杆力调节弹簧25以及杆力调节电缸27；该第二叉形摇臂26与横滚通道输出轴15或俯仰通道输出轴16连接，两个杆力调节弹簧25分布在第二叉形摇臂26的两侧，杆力调节电缸27与两个杆力调节弹簧25分别连接，如图7所示。

当需要调节杆力时，杆力调节电缸27推动一组由两个杆力调节弹簧25 组成的杆力调节弹簧组与第二叉形摇臂26反向动作，压缩一侧的杆力调节弹簧25产生附加杆力，附加杆力的大小由杆力调节电缸27推动杆力调节弹簧组的距离控制。同理，当驾驶杆向另一侧运动时，杆力调节电缸27则推动杆力调节弹簧组向反方向运动，压缩另一侧的杆力调节弹簧25。

上述配平滑台D由两个垂直交叉叠装在一起的电动滑台组成，如图5所示，其中一个滑台执行俯仰配平操作，另一个滑台执行横滚配平操作；电动滑台由安装在滑台基座22上的驱动电机23驱动，通过滚珠丝杠推动滑块21 移动；其中位于上方的电动滑台的滑块与十字架梁17的底部固定，其滑台基座与下方的电动滑台的滑块连接；两个电动滑台的移动参数则由各自位移传感器20分别进行采集。配平滑台上的驱动电机23采用伺服电缸，除实现配平功能，还可实现模拟实时杆力调节和模拟驾驶杆抖杆功能。

此外，请参阅图9至图16，本实施例的脚蹬仿真单元包括脚踏板组件E、摇臂组件F、脚蹬基座G以及调整/换挡系统M，如图9所示；该踏板组件E 包括脚踏板28，脚踏板支柱29、滑块30和滑轨31，如图10所示；该脚踏板 28与脚踏板支柱29铰接，每一脚踏板支柱29内分别安装有脚踏板弹簧组件和第五角度传感器；滑块30固定在脚踏板支柱29下方，滑轨31设置在脚蹬基座G上，滑块30与滑轨31滑动连接。

上述摇臂组件F包括第一叉形摇臂32，该第一叉形摇臂32两端分别与两个脚踏板组件E连接，使得左右两个脚踏板组件E可对称移动；且第一叉形摇臂32通过第一转轴33连接在脚蹬基座G上，在该第一转轴33上方设置有第一角度传感器34，用于采集蹬舵角度数据；该第一叉形摇臂32的两端侧面分别抵接有一脚蹬力模拟弹簧组件35；通过抵于第一叉形摇臂32的脚蹬力模拟弹簧组件35，可实现对蹬舵力的模拟。脚蹬力模拟弹簧组件35采用并列式或错列式的安装方式，就能实现对不同蹬舵力和梯次蹬舵力的模拟，如图11 所示。

并且，为了实现脚蹬力的无极调节，本实施例中的两个脚蹬力模拟弹簧组件35通过连杆结构36连接，该连杆结构36通过第二转轴38连接在脚蹬基座G上，该连杆结构36还连接有一第二伺服电缸37。当第一叉形摇臂32偏转时，第二伺服电缸37推动连杆结构36压缩抵压第一叉形摇臂32和脚蹬力模拟弹簧组件35之间的距离，增加脚蹬力。当第一叉形摇臂32反向偏转时，则第二伺服电缸37反向动作，增加另一侧脚蹬力。在模拟方向舵摆动状态时，该第二伺服电缸37做可控往复运动，控制脚踏板组件E前后移动动作，如图 12所示。

上述调整/换挡系统M包括脚蹬行程控制机构39和脚蹬位置调整机构；该脚蹬行程控制机构39包括电动蜗杆，该电动蜗杆上连接有脚蹬限位卡块40，该脚蹬限位卡块40上设置有限位卡槽41；该脚蹬限位卡块40通过其上设置的不同角度的限位卡槽41限制第一叉形摇臂32的偏转角度，从而实现脚蹬行程的控制，如图14和图15所示。

上述脚蹬位置调整机构包括电动推杆42，该电动推杆42一端与脚蹬仿真单元连接，另一端连接在操作平台43上，脚蹬仿真单元与操作平台43通过滑块滑轨44滑动连接。通过电动推杆42推拉脚蹬仿真单元前后移动，可以为不同腿长操作人员提供最合适的脚蹬位置，如图16所示。

本实用新型涉及的驾驶杆、脚蹬能够根据各种型号的飞机切换驾驶杆、脚蹬的行程、驾驶杆的杆力和通道模式；且各单元模块相对独立、结构紧凑、便于拆装维护。行程控制是使用机械限位的方式，通过换挡机构，自动切换不同型号飞机对应的不同行程范围。杆力控制通过弹簧组件与伺服机构相结合的方式，这样就可以达到无级、无限制的在各种型号的杆力间自由切换。

本实用新型相对于现有技术具有以下优点：

1、本实用新型的飞行操纵模拟装置可以根据飞机型号切换驾驶杆、脚蹬行程、驾驶杆杆力及操作模式；因此可实现同一构架适合多种型号飞机驾驶杆、脚蹬的模拟仿真，结合可更换面板及相应模拟控制软件就可实现不同型号，不同机型的模拟仿真；

2、大幅减少模拟设备的采购费用，传统模拟设备基本是只针对一种型号飞机，而本实用新型的模拟装置一套基础平台可对应多种型号的飞机，适应性远远高于传统模拟设备；

3、占地小节省空间，本实用新型采用模块化集成设计，适合在各种小型平台上使用，不需要大量繁杂的外部设备支持；

4、维护简便，模块化设计的单元可轻松实现备用模块整体快拆快装式的更换，无需繁杂的维护检修工作。

需要说明的是，本实用新型实施例中，“第一”、“第二”的出现，仅仅是为了作区分技术名词和描述方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。