专利名称：一种飞机驾驶盘多维力及位移测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种飞机驾驶盘多维力及位移测量装置及其测量方法，特别是驾驶盘操纵力及位移的测试装置，属于航空工程试验测试领域。
背景技术：
目前，在飞机驾驶盘力及位移测量中，往往是针对特定的驾驶盘对其进行改造而完成驾驶盘力及位移的测量；或者是设计专门的夹具和连接件，使用通用的拉压力传感器、 扭矩传感器测量驾驶盘力，使用角位移传感器、直线位移传感器、拉线位移传感器测量驾驶盘位移，存在以下不足1、对特定的驾驶盘进行改造，需要根据驾驶盘的结构专门设计完成驾驶盘力测量单元，作为驾驶盘的一部分与驾驶盘组合在一起。对驾驶盘改造的结果可能会影响驾驶盘的强度等原有功能特性，另一方面，改造飞机驾驶盘的工艺复杂，实施难度大，导致成本也很高，且不具有通用性。2、设计专门的夹具和连接件，使用通用的拉压力传感器只能完成纵向驾驶盘力测量，需要将这些分散的夹具、连接件和拉压力传感器等组装在一起；而对于横向驾驶盘力测量，也需要设计专门的夹具和连接件，并将这些分散的夹具、连接件和扭矩传感器等组装在一起。上述测量实现中，使用测量传感器及夹具繁多，纵向和横向尺寸大，需要占用很大的空间，给现场安装与使用带来很大困难。3、对于驾驶盘位移测量，使用角位移传感器、直线位移传感器、拉线位移传感器， 设计专门的传感器安装支座并配以专门设计的夹具、连杆传动机构完成，并将这些分散的夹具、连接件和位移传感器等组装在一起。为了提高测量精度和结果的可靠性，要求传感器和连杆传动机构精确安装，以保证机械量可靠、精确地传递，从而导致安装、使用、调整非常困难。随着微电子技术、微机械加工技术、自动测量技术、嵌入式技术、微机电系统 (MEMS)、压电技术的兴起和发展，传感器朝着微型化、功能化的方向不断发展，其灵敏度越来越高、输出带宽越来越高、抗干扰能力也越来越强。设计一种不需要对飞机驾驶盘进行改造，安装使用方便，能完成飞机驾驶盘力及位移测量装置的条件已经成熟。
发明内容
本发明的目的是设计一种飞机驾驶盘多维力及位移测量装置及其测量方法，将传统的传感器与测量中的夹具、连接件和施力单元集成在一起，能装夹在各种形式和尺寸的驾驶盘上；既不需要对驾驶盘进行改造，也不需要设计专门的夹具和连接件，同时，缩小整个测量装置所占用的空间，能方便地与驾驶盘安装连接在一起，完成驾驶盘纵向操纵力和横向操纵力及驾驶盘位移的测量。本发明的技术方案是飞机驾驶盘多维力测量装置由操纵手柄、水平力信号检测单元、垂直力信号检测单元、倾角测量单元和安装连接单元组成，操纵手柄、水平方向力信
4号检测单元、垂直方向力信号检测单元、安装连接单元在空间上按“一”字型结构组合集成在一起，以安装连接单元为中心，在其两侧分别布置力信号检测单元和操纵手柄，操纵手柄布置在最外端，力信号检测单元的两端分别与操纵手柄和安装连接单元连接，在安装连接单元的顶部安装倾角测量单元。其中操纵手柄用于施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况；水平力信号检测单元用于检测操纵过程纵向操纵力的大小，垂直力信号检测单元用于检测操纵过程横向操纵力的大小，倾角测量单元用于检测操纵过程纵向和横向操纵位移的大小，要求所检测位移信号连续、准确；安装连接单元用于驾驶盘力测量装置与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力测量装置的操作带动驾驶盘的运动，能间接操纵驾驶盘；上述操纵手柄、水平力信号检测单元、垂直力信号检测单元、倾角测量单元和安装连接单元相互连接，组合安装为完整的一个整体。整个驾驶盘力及位移测量装置将操纵手柄、水平力信号检测单元、垂直力信号检测单元、安装连接单元按“一”字型直线分布，相互连接形成完整一体，并在安装连接单元布置多个定位安装孔，以便与驾驶盘的安装连接。这样的好处在于不需要单独操纵手柄、水平力信号检测单元、垂直力信号检测单元、倾角测量单元和安装连接单元一次完成加工生产， 整体效果好。当然，操纵手柄、水平力信号检测单元、垂直力信号检测单元、安装连接单元也可以是独立零部件，使用连接件进行连接，组装成为一个整体。水平方向力信号检测单元采用矩形框式结构，该矩形框结构由2个互相平行的应变梁和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁面中心分别布置有2个应变片，两个矩形框中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既纵向操纵力的大小；同样，垂直方向力信号检测单元也采用矩形框式结构，该矩形框结构由2个互相平行的应变梁和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁面中心分别布置有2个应变片，两个矩形框中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既横向操纵力的大小。倾角测量单元用于测量驾驶盘运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶盘运动的位移，使用倾角测量单元可以省去连杆传动机构，简化安装和调整。倾角测量单元利用重力或敏感元件对载体倾斜角度的反应，产生相应变化的电信号，从而测量出角度变化，它一般有较稳定的零位，可以较准确的测量相对零位的绝对角度，而不是通过积分计算得到，从而在较大程度上避免了误差积累。安装连接单元与力信号检测单元和操纵手柄可以为一个整体，这样做的好处在于结构紧凑、简单、实用，占用空间尺寸小，在安装连接单元上采用多个通孔连接方式，也可以采用螺纹连接方式。本发明用于飞机驾驶盘操纵力的测试方法包括以下步骤根据驾驶盘的大小、形状等使用专门的夹具与安装连接单元连接，实现驾驶盘力及位移测量装置与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力及位移测量装置的操作带动驾驶盘的运动，来间接操纵驾驶盘；在驾驶盘的运动过程中，实时采集记录驾驶盘多维力及位移测量装置输出的力和角度，以及将角度转换得到驾驶盘位移；
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通过操纵手柄施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况。本发明的优选方法进一步包括以下步骤，在驾驶盘力测量中，将测量装置安装在驾驶盘与操作人员之间，以便于操作，在纵向驾驶盘力及位移测量中，通过操纵手柄向前推驾驶盘，或者是向后拉驾驶盘。在横向驾驶盘力及位移测量中，通过操纵手柄顺时针旋转驾驶盘，或者是逆时针旋转驾驶盘。本发明方法还包括以下步骤由力信号检测单元检测操纵过程操纵力的大小，要求所检测力信号连续、准确。在纵向操纵力的测量中，力值大小由水平方向力信号检测单元测量，向前推驾驶盘时，力信号输出为正，向后拉驾驶盘时，力信号输出为负；在横向操纵力的测量中，力值大小由垂直方向力信号检测单元测量，顺时针旋转驾驶盘时，力信号输出为正，逆时针旋转驾驶盘时，力信号输出为负；倾角测量单元用于测量驾驶盘运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶盘运动的位移，对于多维位移的测量，使用双轴的倾角测量单元，它检测相互垂直的两个方向的角度变换，输出与角度相关的电信号。本发明具有结构紧凑、简单，空间尺寸小、成本低、工作可靠、测试精度高，符合飞机驾驶盘实际操纵情况，安装使用调整方便的特点，适用于各种类型飞机驾驶盘操纵力的测量。下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
图1为本发明组成结构图。图2为本发明一个实施例的组成结构图。图3为本发明垂直力信号检测单元原理示意图。图4为本发明水平力信号检测单元原理示意图。
具体实施例方式飞机驾驶盘多维力测量装置组成结构如图1所示，由操纵手柄[1] [7]、水平力信号检测单元[2] W]、垂直力信号检测单元[3] [5]、倾角测量单元[8]和安装连接单元[4] 组成，操纵手柄[1] [7]、水平方向力信号检测单元[2] W]、垂直方向力信号检测单元[3] [5]、安装连接单元[4]在空间上按“一”字型结构组合集成在一起，以安装连接单元[4]为中心，在其两侧分别布置力信号检测单元[3] [5] [2] [6]和操纵手柄[1] [7]，操纵手柄[1] [7]布置在最外端，力信号检测单元[2] [3]的两端分别与操纵手柄[1]和安装连接单元 [4]连接，力信号检测单元[5] [6]的两端分别与安装连接单元[4]和操纵手柄[7]连接，在安装连接单元W]的顶部安装倾角测量单元[8]；其中操纵手柄用于施加操纵力[1] [7]，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况；水平力信号检测单元[2] [6]用于检测操纵过程纵向操纵力的大小，垂直力信号检测单元[3] [5]用于检测操纵过程横向操纵力的大小，倾角测量单元[4]用于检测操纵过程纵向和横向操纵位移的大小，要求所检测位移信号连续、准确；安装连接单元[4]用于驾驶盘力测量装置与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力测量装置的操作带动驾驶盘的运动，能间接操纵驾驶盘；测量装置操纵手柄[1] [7]、水平力信号检测单元[2] W]、垂直力信号检测单元 [3] [5]、安装连接单元[4]可以是完整一体，这样具有整体效果好的特点；水平力信号检测单元[2] W]、垂直力信号检测单元[3] [5]分别布置在安装连接单元[4]的两侧；倾角测量单元[8]用于测量驾驶盘运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶盘运动的位移，对于多维位移的测量，使用双轴的倾角测量单元，它检测相互垂直的两个方向的角度变换，输出与角度相关的电信号；操纵手柄[1] [7]的靠近驾驶盘的一侧，为多段弧形，靠近操作人员一侧为整段的圆弧，符合人体工程学，便于手握手柄来施加操纵力。图2为本发明一个实施例的组成结构图。实施例中，垂直力信号检测单元[3] [5]以安装连接单元[4]中心线对称，分别布置在安装连接单元W]的两侧。水平力信号检测单元[2] [6]同样以安装连接单元[4]中心线对称，分别布置在垂直力信号检测单元[3] [5]的两侧。操纵手柄[1] [7]也以安装连接单元[4]中心线对称，分别布置在水平力信号检测单元[3] [5]的两侧。对于水平力信号检测单元[2]和垂直力信号检测单元[3]互相连接，以及水平力信号检测单元[5]和垂直力信号检测单元[6]互相连接，采用一体化的矩形框式结构，这样，整体体积小、结构简单、实用。在水平力信号检测单元[2]矩形框前后弹性变形面上布置有2组电阻应变片，在水平力信号检测单元[6]矩形框前后弹性变形面上也布置有2组电阻应变片，从而在水平力信号检测单元[2] [6]矩形框前后弹性变形面上布置有4组电阻应变片，组成全桥电路， 完成水平方向操纵力的测量。在垂直力信号检测单元[3]矩形框上下弹性变形面上布置有2组电阻应变片，在垂直力信号检测单元[5]矩形框上下弹性变形面上也布置有2组电阻应变片，从而在垂直力信号检测单元[3] [5]矩形框上下弹性变形面上布置有4组电阻应变片，组成全桥电路， 完成垂直方向操纵力的测量。倾角测量单元[8]使用ZX-TITL06EC双轴倾角传感器，它可以敏感X、Y两个方向角度变化，输出与角度相关的电信号。安装连接单元[4]上布置有2个通孔，用于与驾驶盘的定位连接。下面以力平衡式伺服倾角传感器为例，分析倾角测量原理。力平衡式伺服倾角传感器由非接触位移传感器、力矩马达、误差和放大电路、反馈电路、悬臂质量块五部分组成。悬臂质量块与力矩马达的电枢连接在一起。非接触位移传感器用于检测质量块的位移量和方向。当整个传感器发生倾斜时，悬臂质量块便离开原来的平衡位置，非接触位移传感器检测出该变化后，将位置信号送入误差和放大电路，一方面传感器输出与倾角成一定比例的模拟信号；另一方面，该信号经反馈电路送入力矩马达的线
7圈，此时，力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩，力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置。这样经过一定的时间后，悬臂质量块就停留在一个新的平衡位置上，这时，传感器输出的信号才是真正有效的信号。该输出信号一般为直流电压信号， 也可内置V/I转换，输出4 20mA信号。传感器的输出无论是电压或者电流信号，都与用度来表示的角度值成正弦关系。 也就是说，要直接以度、分、秒为计量单位来表示角度值是，必须将传感器输出的电压或电流信号进行反正弦运算。力平衡式伺服倾角传感器中，力矩电机通常用来感测飞机在允许范围内的角度动作的加速度或倾角的变化。当存在加速度或倾角时，有一个与机械不平衡成一定比例的力矩，产生一个物理输入，该力矩产生一个角度动作能被一个光学位置传感器感测。该位置传感器输出与一个参考电压相比较，其差值作为误差信号输入伺服放大器。伺服放大器输出电流送入力矩电机，与原来加速度或倾角力矩方向相反。当输入一个惯性常量时，力矩电机的角位置与Og时的位置略有不同。伺服放大输出电流与输入加速度或输入倾角的正弦成正比，通过负载电阻测量通过的伺服电流得到一个模拟电压。本发明的上述特征可作如下变化，但它们都没有偏离本发明的实质。如倾角测量单元除选用ZX-TITL06EC双轴倾角传感器外，还可以选择机械式倾角传感器、气体摆倾角传感器、液面(气泡)类倾角传感器、石英谐振倾斜仪，或者是其它厂家的其它类型的伺服倾角传感器，如美国HoneyWell的HMR-3000、美国Crossbow公司的 CXFILT02C 等。图3为本发明垂直力信号检测单元原理示意图。驾驶盘多维力测量装置中垂直力信号检测单元[3] [5]分别采用矩形框式结构， 是2个形状相同矩形框，用于垂直力信号的检测。单个矩形框结构由2个互相平行的应变梁[19] [20]和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁[19] [20]的内侧平面中心分别布置有2个应变片[9] [10]，两个矩形框中的4个应变片接成桥路，测量垂直于应变梁平面的力，既横向操纵力的大小。下面，分析力信号检测原理。对于飞机横向运动的操纵，是通过旋转驾驶盘进行的，在初始状态下施加力为垂直方向，一般规定，逆时针的旋转信号为正，顺时针的旋转方向信号为负。这样，对驾驶盘多维力测量装置操作而言，测量横向操纵力时，是通过操纵手柄[1][7]来完成的。初始状态时，操纵手柄[1]施力方向垂直向下，操纵手柄[7]施力方向垂直向上，形成逆时针的旋转运动。以垂直力信号检测单元[3]为例，当通过操纵手柄[1]施力时，其作用与Z轴平行，力的方向与Z方向相反，这时，应变梁[19] [20]产生变形，由于在应变梁[19] [20]的内侧平面中心分别布置有2个应变片[9] [10]，应变片[9]受到压缩，而应变片[10]受到拉伸；反之，当通过操纵手柄[1]施加反向力时，其作用与Z轴平行，力的方向与Z方向一致， 这时，在应变梁[19] [20]的内侧平面中心分别布置应变片[9]受到拉伸，而应变片[10]受到压缩。同样，对于垂直力信号检测单元[5]，通过操纵手柄[7]施力时，其作用与Z轴平行，力的方向与Z方向相同，应变片[13]受到压缩，应变片[14]受到拉伸。
将上述垂直力信号检测单元[3]和[5]中的4个应变片[9] [10] [13] [14]接成全桥形式，就可以测量操纵手柄[1][7]所施加横向操纵力的大小。图4为本发明水平力信号检测单元原理示意图。对于飞机纵向运动的操纵，是通过向前或者是向后推拉驾驶盘进行的，在初始状态下施加力为水平方向，一般规定，向前推驾驶盘信号为正，向后拉驾驶盘信号为负。纵向操纵力的测量是通过驾驶盘多维力测量装置中水平力信号检测单元[2] [6]实现的，是2个形状相同矩形框。水平力信号检测单元[2]单个矩形框结构由2个互相平行的应变梁[21] [22]和与之垂直的2个连接端组成，在每个矩形框的两个应变梁[21] [22]的内侧平面中心分别布置有2个应变片[15] [16]。以水平力信号检测单元[2]为例，当通过操纵手柄[1]施力时，其作用与Y轴平行，力的方向与Y方向相同，这时，应变梁[21] [22]产生变形，由于在应变梁[21] [22]的内侧平面中心分别布置有2个应变片[15] [16]，应变片[15]受到拉伸，而应变片[16]受到压缩；反之，当通过操纵手柄[1]施加反向力时，其作用与Y轴平行，力的方向与Y方向相反， 这时，在应变梁[21] [22]的内侧平面中心分别布置应变片[15]受到压缩，而应变片[16] 受到拉伸。同样，对于水平力信号检测单元W]，通过操纵手柄[7]施力时，其作用与Z轴平行，力的方向与Z方向相同，应变片[17]受到拉伸，应变片[18]受到压缩。将上述垂直力信号检测单元[2]和[6]中的4个应变片[15]、[16]、[17]、[18]接成全桥形式，就可以测量操纵手柄[1][7]所施加纵向操纵力的大小。
权利要求
1.一种飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于测量装置由操纵手柄[1] [7]、水平力信号检测单元[2] W]、垂直力信号检测单元[3] [5]、倾角测量单元[8]和安装连接单元[4]组成，操纵手柄[1] [7]、水平方向力信号检测单元[2] W]、垂直方向力信号检测单元[3] [5]、安装连接单元[4]在空间上按“一”字型结构组合集成在一起，以安装连接单元[4]为中心，在其两侧分别布置力信号检测单元[3] [5] [2] [6]和操纵手柄[1] [7]，操纵手柄[1] [7]布置在最外端，力信号检测单元[2] [3]的两端分别与操纵手柄[1]和安装连接单元[4]连接，力信号检测单元[5] [6]的两端分别与安装连接单元[4]和操纵手柄 [7]连接，在安装连接单元W]的顶部安装倾角测量单元[8]；其中操纵手柄用于施加操纵力[1] [7]，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况； 水平力信号检测单元[2] [6]用于检测操纵过程纵向操纵力的大小，垂直力信号检测单元[3] [5]用于检测操纵过程横向操纵力的大小，倾角测量单元[4]用于检测操纵过程纵向和横向操纵位移的大小，要求所检测位移信号连续、准确；安装连接单元[4]用于驾驶盘力测量装置与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力测量装置的操作带动驾驶盘的运动，能间接操纵驾驶盘；测量装置操纵手柄[1] [7]、水平力信号检测单元[2] W]、垂直力信号检测单元[3] [5]、安装连接单元[4]是完整一体；水平力信号检测单元[2] W]、垂直力信号检测单元[3] [5]分别布置在安装连接单元 [4]的两侧；倾角测量单元[8]用于测量驾驶盘运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶盘运动的位移，对于多维位移的测量，使用双轴的倾角测量单元，它检测相互垂直的两个方向的角度变换，输出与角度相关的电信号；操纵手柄[1][7]的靠近驾驶盘的一侧，为多段弧形，靠近操作人员一侧为整段的圆弧。
2.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于垂直力信号检测单元[3] [5]以安装连接单元W]中心线对称，分别布置在安装连接单元W]的两侧。
3.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于水平力信号检测单元[2] [6]以安装连接单元[4]中心线对称，分别布置在垂直力信号检测单元[3] [5] 的两侧。
4.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于操纵手柄[1][7]以安装连接单元W]中心线对称，分别布置在水平力信号检测单元[3][5]的两侧。
5.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于在水平力信号检测单元[2]矩形框前后弹性变形面上布置有2组电阻应变片，以及在水平力信号检测单元[6]矩形框前后弹性变形面上也布置有2组电阻应变片，从而在水平力信号检测单元[2][6]矩形框前后弹性变形面上布置有4组电阻应变片，组成全桥电路，完成水平方向操纵力的测量。
6.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于在垂直力信号检测单元[3]矩形框上下弹性变形面上布置有2组电阻应变片，以及在垂直力信号检测单元[5]矩形框上下弹性变形面上也布置有2组电阻应变片，从而在垂直力信号检测单元[3][5]矩形框上下弹性变形面上布置有4组电阻应变片，组成全桥电路，完成垂直方向操纵力的测量。
7.根据权利要求1所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量装置，其特征在于安装连接单元[4]采用多个定位孔连接方式。
8.一种飞机驾驶盘多维力及位移测量方法，其特征在于飞机驾驶盘操纵力的测试方法包括以下步骤根据驾驶盘的大小、形状等使用专门的夹具与安装连接单元连接，实现驾驶盘力及位移测量装置与驾驶盘的安装连接，以便于通过对驾驶盘力及位移测量装置的操作带动驾驶盘的运动，来间接操纵驾驶盘；在驾驶盘的运动过程中，实时采集记录驾驶盘多维力及位移测量装置输出的力和角度，以及将角度转换得到驾驶盘位移；通过操纵手柄施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况。
9.根据权利要求8所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量方法，其特征在于在驾驶盘力测量中，将测量装置安装在驾驶盘与操作人员之间，以便于操作，在纵向驾驶盘力及位移测量中，通过操纵手柄向前推驾驶盘，或者是向后拉驾驶盘。
10.根据权利要求8所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量方法，其特征在于在横向驾驶盘力及位移测量中，通过操纵手柄顺时针旋转驾驶盘，或者是逆时针旋转驾驶盘。
11.根据权利要求8所述的飞机驾驶盘多维力及位移测量方法，其特征在于由力信号检测单元检测操纵过程操纵力的大小，所检测力信号连续、准确；在纵向操纵力的测量中， 力值大小由水平方向力信号检测单元测量，向前推驾驶盘时，力信号输出为正，向后拉驾驶盘时，力信号输出为负；在横向操纵力的测量中，力值大小由垂直方向力信号检测单元测量，顺时针旋转驾驶盘时，力信号输出为正，逆时针旋转驾驶盘时，力信号输出为负；倾角测量单元用于测量驾驶盘运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶盘运动的位移，对于多维位移的测量，使用双轴的倾角测量单元，它检测相互垂直的两个方向的角度变换，输出与角度相关的电信号。
全文摘要
一种飞机驾驶盘多维力及位移测量装置及其测量方法，属于航空工程试验测试领域。其特征在于测量装置由操纵手柄、水平方向力信号检测单元、垂直方向力信号检测单元、倾角测量单元和安装连接单元组成，以安装连接单元为中心，在其两侧分别布置力信号检测单元和操纵手柄，力信号检测单元的两端分别与安装连接单元和操纵手柄连接，安装连接单元顶部安装倾角测量单元，安装连接单元与驾驶盘连接，通过操纵手柄施加操纵力到驾驶盘并操纵其运动，在运动过程中测量操纵力及位移的变化。本发明具有结构紧凑、简单，空间尺寸小、成本低、工作可靠、测试精度高，安装使用调整方便的特点，适用于各种类型飞机驾驶盘操纵力及位移的测量。
文档编号G01B7/02GK102269636SQ20111011198
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者支怡 申请人:支怡